基于火焰電離電流的全預(yù)混燃燒器燃燒狀態(tài)監(jiān)測(cè)

孫德坤

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

0 引言

使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高[1]的火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)燃燒室內(nèi)的火焰狀態(tài)，包括點(diǎn)火，燃燒和熄滅，對(duì)于工業(yè)、民用熱力系統(tǒng)的安全和性能至關(guān)重要，以達(dá)到穩(wěn)定，高效和低排放燃燒的運(yùn)行要求[2]。火焰?zhèn)鞲衅骺梢苑奖憷喂痰匕惭b在燃燒室中，不會(huì)影響其結(jié)構(gòu)。電流信號(hào)可作為火焰狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)的指示器，如果探針安裝合理，離子電流傳感器是實(shí)際火焰?zhèn)鞲械母眠x擇[3]。

在金屬探針和金屬燃燒器之間施加偏置電壓時(shí)，可以通過(guò)探針測(cè)量火焰電離電流[4]。已知其強(qiáng)度與一次空氣系數(shù)有關(guān)，在燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還需要對(duì)其他因素進(jìn)行更全面的研究，本文介紹了火焰電流傳感器合理參數(shù)。由于大多數(shù)火焰燃燒與錐形火焰相似，本實(shí)驗(yàn)在錐形火焰燃燒器上進(jìn)行。研究了電極位置(x,y)、火焰功率(P)、偏置電壓(U)、一次空氣系數(shù)(α)對(duì)火焰電流的影響。根據(jù)火焰電流的規(guī)律，推薦了用于監(jiān)測(cè)火焰狀態(tài)的合理傳感器參數(shù)，確定了電極的最佳位置以及最佳偏置電壓參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 燃燒器和測(cè)量設(shè)備

在全預(yù)混燃燒器上進(jìn)行了全預(yù)混火焰燃燒實(shí)驗(yàn)，并用火焰電流傳感器檢測(cè)火焰電流，原始數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

1.1.1 燃燒器

使用錐形火焰燃燒器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。甲烷和空氣在緩沖罐中混合，氣體流量由針形閥調(diào)節(jié)、質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，從罐中流出的甲烷/空氣混合氣由塑料管連接燃燒器，在流出噴嘴之前，通過(guò)一個(gè)阻火器，防止回火并打破殘余的湍流漩渦?？扇蓟旌衔镌谌紵鞒隹谌紵?，噴嘴出口直徑為16 mm。

1.1.2 電流傳感器

火焰電流測(cè)量系統(tǒng)圖如圖1 所示?；鹧骐娏鱾鞲衅鞯墓ぷ麟娐窞榇?lián)電路，主要由燃燒火焰，電極，偏置電壓和數(shù)據(jù)采集儀組成。金屬探針?biāo)桨惭b在燃燒器出口上方。該探頭是一根直徑為0.7 mm、長(zhǎng)度為大約10 cm。有用的部分是與火焰前端或燃燒氣體接觸的部分。探針的位置由坐標(biāo)(x,y)確定。在探頭和金屬燃燒器出口之間施加直流偏置電壓，探頭充當(dāng)陽(yáng)極，燃燒器充當(dāng)陰極，電流由數(shù)據(jù)采集儀測(cè)出。

圖1 火焰電流測(cè)量系統(tǒng)圖

2 影響火焰電離電流的主要因素

2.1 電極位置對(duì)火焰電流的影響

圖2 顯示了在不同探針位置測(cè)量的電離電流，此時(shí)火焰：P=1 kw，α=1.2，U=36 V。錐形火焰鋒由藍(lán)色線(xiàn)描繪，探針由黑線(xiàn)從右側(cè)插入，顏色提供當(dāng)前強(qiáng)度。探針位置由針尖坐標(biāo)(x,y)確定。發(fā)現(xiàn)當(dāng)探針與內(nèi)焰邊緣接觸或非常接近時(shí)，電流強(qiáng)度大致不受探針位置的影響。在這種情況下，探針不會(huì)使火焰變形，而當(dāng)探針插入火焰時(shí)，會(huì)引起火焰變形。

圖2 不同探針位置處的火焰電流

當(dāng)探針尖端位于圖2 的左下部分時(shí)，從右側(cè)插入的探針在本例中完全穿過(guò)火焰?；鹧婧吞结樦g的接觸面積較大，導(dǎo)致電流強(qiáng)度略有增加。另一方面，當(dāng)探針位于圖2 的右側(cè)時(shí)，探針僅與燃燒氣體接觸，電離電流減小，當(dāng)探針完全位于燃燒氣體區(qū)域之外時(shí)，電離電流最終降至零。綜合考慮電流強(qiáng)度和探針對(duì)火焰形狀的影響，確定探針位置為(8 mm，5 mm)，即火孔邊緣上方5 mm 處。

2.2 火焰功率和偏置電壓對(duì)火焰電流的影響

圖3 顯示了不同偏置電壓下火焰電流隨火焰功率的變化，此時(shí)火焰：α=1.0，探針位置（8 mm，5 mm）。由圖3 可看出，隨著火焰功率的增加，火焰電流單調(diào)減小。由圖3 還可看出，隨著偏置電壓的增加，火焰電流單調(diào)增大。換言之，偏置電壓對(duì)火焰電流具有放大作用。綜合考慮安全電壓等因素，火焰電流傳感器偏置電壓選擇36 V。

圖3 不同偏置電壓下火焰電流隨火焰功率的變化

2.3 一次空氣系數(shù)對(duì)火焰電流的影響

圖4 顯示了不同偏置電壓下火焰電流隨一次空氣系數(shù)的變化，此時(shí)火焰：P=2.0 kw，探針位置(8 mm，5 mm)。由圖可知，對(duì)于全預(yù)混燃燒器而言，火焰電流隨著一次空氣系數(shù)的增加單調(diào)減小。因此，火焰電流對(duì)一次空氣系數(shù)很敏感，可以以此來(lái)監(jiān)測(cè)燃燒狀態(tài)。但是對(duì)于不同功率的全預(yù)混燃燒器，需要知道電離電流和一次空氣系數(shù)的函數(shù)關(guān)系再用來(lái)監(jiān)測(cè)火焰狀態(tài)。

圖4 不同偏置電壓下火焰電流隨一次空氣系數(shù)的變化

3 結(jié)論

提出了一種通過(guò)火焰電離電流監(jiān)測(cè)全預(yù)混燃燒器燃燒狀態(tài)的低成本技術(shù)。實(shí)驗(yàn)研究了火焰電流隨探針位置，火焰功率，偏置電壓和一次空氣系數(shù)的變化規(guī)律，確定了合理的傳感器參數(shù)，以提高火焰電流傳感器監(jiān)測(cè)火焰的可靠性。

結(jié)果表明，火焰電離電流對(duì)一次空氣系數(shù)非常敏感，可以用于監(jiān)測(cè)全預(yù)混燃燒系統(tǒng)燃燒狀態(tài)。然而，也受到其他因素影響。發(fā)現(xiàn)火焰電流與火焰功率（氣體速度）有關(guān)。因此，對(duì)于不同功率水平，需要確定火焰電流與一次空氣系數(shù)函數(shù)關(guān)系。離子電流與偏置電壓成線(xiàn)性正比。對(duì)于電極徑向位置，電極浸入火焰前沿的位置會(huì)導(dǎo)致較高的離子電流。對(duì)于電極垂直位置，當(dāng)電極與火焰底座保持至少 5 mm 的距離時(shí)，位置對(duì)電流影響較小。

綜合考慮，為獲得更強(qiáng)離子電流，火焰監(jiān)測(cè)用電流傳感器的參數(shù)建議如下：偏置電壓設(shè)置為 36 V（安全電壓）。金屬探針作為陽(yáng)極，燃燒器作為陰極。陽(yáng)極徑向位置應(yīng)為剛好接觸火焰邊緣（本文為 8 mm），此時(shí)避免探針對(duì)火焰影響。陽(yáng)極垂直位置應(yīng)在燃燒器出口上方5 mm。本實(shí)驗(yàn)中使用了此參數(shù)下的火焰電流傳感器對(duì)火焰監(jiān)測(cè)，電流信號(hào)證明，此參數(shù)下的火焰電流傳感器能正確指示火焰的燃燒狀態(tài)。