DE10153643A1

DE10153643A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Optimierung einer Verbrennungsanlage

Info

Publication number: DE10153643A1
Application number: DE10153643A
Authority: DE
Inventors: Frank Hammer; Maximilian Sauer; Harald Weber
Original assignee: ESCUBE SPACE SENSOR SYSTEMS GM; LAMTEC MES und REGELTECHNIK FU
Current assignee: Eschube & Cokg 70569 Stuttgart De GmbH; Lamtec Mess- und Regeltechnik fur Feuerungen GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Optimierung einer Verbrennungsanlage (1) mit einem Brenner (4), dem ein Brennstoff (4B) zugeführt wird. Bei den bis jetzt bekannten Verbrennungsanlagen (1) dieser Art erfolgt die Überwachung des Abgases (10) und der Flammen (8) der Brenner (4) mit zwei voneinander getrennten Einrichtungen. Hierfür sind aufwendige Mess- und Regeleinrichtungen erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Nachteile dadurch umgangen, dass die Flamme (8), die oxidierbaren Bestandteile des Abgases (10) sowie dessen Temperatur gleichzeitig und von nur einem Sensor (2) aus überwacht werden. Die Überwachung erfolgt direkt im Strom des Abgases (10) oder in einem den Strom des Abgases (10) repräsentierenden Teilstrom. Für die Durchführung des Verfahrens wird ein Sensor (2) verwendet, der ein flächiges Bauelement (2F) aufweist, das aus einer ionenleitenden Keramik beispielsweise in Form von mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid gefertigt ist. Auf der mit dem Abgas (10) in Kontakt stehenden Oberfläche des Bauelements (2F) sind mindestens eine Elektrode (2A) aus einem elektrokatalytisch aktiven Werkstoff und mindestens eine Elektrode (2B) aus einem die elektrokatalytische O¶2¶-Austauschreaktion begünstigenden Werkstoff angeordnet. Der Sensor (2) ist mit einer elektrischen Heizung (2H) ausgerüstet. Zudem steht er mit einer Sensorelektronik (3) in Verbindung. Das Zünden und das Erlöschen einer ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Optimierung einer Verbrennungsanlage gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung kommen bei Verbrennungsanlagen zur Anwendung, mit deren Hilfe Wärme durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen gewonnen wird.

Um Energie einzusparen, den Wirkungsgrad zu steigern, den Brennstoff zu minimieren, Schädigungen von Mensch und Umwelt sowie an den Verbrennungsanlagen zu verhindern, erfolgt eine Steuerung, Regelung und Optimierung der Verbrennung, sowie eine Überwachung der Verbrennungsprozesse. Hierbei wird die Feuerung sowie die Zusammensetzungen der Abgase dieser Verbrennungsanlagen kontinuierlich untersucht.

Aus der DE-PS 29 45 698 C2 ist eine Vorrichtung mit einem zylinderförmigen Festelektrolyten bekannt, der mit zwei Elektroden versehen ist. Eine erste Elektrode ist auf der Außenfläche des Festelektrolyten angeordnet. Diese steht mit dem zu untersuchenden Abgas in direktem Kontakt. Die zweite Elektrode ist auf der Innenfläche des Festelektrolyten angeordnet. Die erste Elektrode ist aus einem Werkstoff gefertigt, der die Reaktion des freien Sauerstoffs im Abgas mit den Sauerstoffleerstellen im Gitter des Festelektrolyten begünstigt. Die Spannung, die sich zwischen den Elektroden ausbildet, dient als Messsignal, aus dem der im Abgas enthaltene freie Sauerstoff ermittelt wird.

Aus der DE-OS 40 21 929 A1 ist ein Sensor bekannt, der ebenfalls einen Festelektrolyten aufweist. Auf den Oberflächen des Festelektrolyten sind mehrere Elektroden angeordnet. Wenigstens eine dieser Elektrode ist aus einem elektrokatalytisch aktiven Werkstoff gefertigt. Aus den Spannungssignalen, die sich zwischen den Elektroden ausbilden, kann bei einer unvollständigen Verbrennung der im Abgas enthaltene Wasserstoff erfasst werden.

Wird bei der Inbetriebnahme des Brenners keine Flamme gezündet, aber dennoch Gas in den Feuerungsraum der Verbrennungsanlage eingedüst, können äußerst gefährliche Gasgemische gebildet werden. Aus diesem Grund werden in allen Verbrennungsanlagen die Brenner ständig überwacht und dabei ihre Flammen kontrolliert. Die Überwachung der Flammen erfolgt bis jetzt beispielsweise mit Hilfe von optischen Einrichtungen oder Ionisationsüberwachungen. Kommt es innerhalb einer vorgegebenen Zeit nach dem Einschalten des Brenners nicht zu der Ausbildung einer Flamme, so wird dieser wieder abgeschaltet. Der Brenner wird auch dann abgeschaltet, wenn er sich im Betriebszustand befindet, die Flamme jedoch beispielsweise wegen einer Störung in der Zufuhr des Brennstoffs oder der Luft erlischt.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die oxidierbaren Bestandteile im Abgase einer Verbrennungsanlage erfasst werden können, und gleichzeitig eine Überwachung der Flamme des Brenners und eine Optimierung der Verbrennung ermöglicht wird. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe das Verfahren betreffend wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe die Vorrichtung betreffend wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Sensor verwendet, der durch ein flächiges Bauelement gebildet wird, das aus einer Festelektrolytkeramik gefertigt ist. Auf der Oberfläche des flächigen Bauelements sind wenigstens zwei Elektroden angeordnet. Das Bauelement ist zusätzlich mit einer elektrischen Heizung, beispielsweise einer Heizwendel versehen, mit der es auf einer vorgebbaren Arbeitstemperatur Ts gehalten werden kann. Der Sensor ist bereichsweise von einem Gehäuse umgeben, das jedoch den unmittelbaren Kontakt der Elektroden mit einem zu untersuchenden Gas erlaubt. Mit Hilfe dieses sehr klein ausgebildeten Sensors können die oxidierbaren gasförmigen Anteile einzeln oder gleichzeitig ermittelt und quantitativ erfasst werden. Der Sensor kann, da er sehr klein dimensioniert ist, problemlos in jeden Abgaskanal und jeden Feuerraum eingebaut werden. Als Messsignal dient hierbei das sich zwischen den Elektroden ausbildende Spannungssignal. Dieses bildet sich dann aus, wenn die Elektroden von einem Abgas mit oxidierbaren Bestandteilen beaufschlagt werden. Der Sensor weist eine gute Messgenauigkeit und ein sehr schnelles Ansprechverhalten auf. Zudem ist mit ihm das unmittelbare Messen im Abgas möglich. Damit kann mit diesem Sensor auch die Flamme des Brenners überwacht werden. Hierfür wird neben dem Spannungssignal des Sensors auch dessen Temperatur kontinuierlich erfasst.
Die Temperatur des Sensors kann kontinuierlich dadurch ermittelt werden, dass beispielsweise der mittlere Widerstand einer Widerstandsbahn der Heizwendel oder der Innenwiderstand der Festelektrolytkeramik erfasst wird. Diese Messwerte werden beispielsweise einer Sensorelektronik zugeführt. In dieser werden sie gespeichert und ausgewertet. Um die Temperatur des Sensors sehr schnell erfassen und regeln zu können, ist in die Sensorelektronik beispielsweise ein Mikroprozessor integriert. Die in dem Sensor erfassten Temperaturen werden in der Sensorelektronik mit dort gespeicherten Temperaturwerten verglichen und für die Regelung der Verbrennungsanlage ausgewertet. Wird die Flamme des Brenners gezündet, beginnt das Abgas den Sensor aufzuheizen. Hierauf reagiert der Sensor nach einer Reaktionszeit t₉₀, was von der Sensorelektronik erfasst wird. Daraufhin wird die Zufuhr der elektrischen Energie zur Heizung des Sensors um einen definierten Betrag reduziert. Dieser Betrag wird in der Sensorelektronik aus der gemessenen Temperatur und der erforderlichen Arbeitstemperatur Ts des Sensors ermittelt. Erlischt die Flamme des Brenners, gleichgültig ob durch eine Störung oder das reguläre Abschalten des Brenners, so beginnt die Temperatur des Sensors zu sinken. Der Sensor reagiert wiederum nach einer Reaktionszeit t₉₀ auf das Erlöschen der Flamme. Das wird von der Sensorelektronik erfasst. Dem Sensor wird daraufhin wieder die volle Heizleistung zugeführt, um den Festelektrolyten auf seiner Arbeitstemperatur zu halten. Da die nach dem Zünden und Erlöschen der Flamme auftretende Temperaturänderung des Sensors immer erfolgt, und sich von der Sensorelektronik erfassen läßt, wird sie erfindungsgemäß zur Überwachung der Flamme genutzt.
Der Abstand zwischen dem Brenner und dem Sensor wird so gewählt, dass die Einwirkung des Abgases auf die Temperatur des Sensors und die damit verbundene Reaktionszeit t₉₀ des Sensors nur wenige Sekunden beträgt. In jedem Fall soll die Reaktionszeit t₉₀ in Abhängigkeit von der Größe und der Art des Brenners sowie des verwendeten Brennstoffs in einem Bereich zwischen 0,5 und 10 Sekunden liegen. Hierdurch wird ein entscheidender Sicherheitsaspekt bei der Erkennung der Flamme berücksichtigt. Vor allem wird damit sichergestellt, dass nicht zu viel unverbrannter Brennstoff in den Brennraum gelangt, und dort ein entzündliches Gemisch gebildet wird. Eine sehr einfache Möglichkeit, die Reaktionszeit t₉₀ des Sensors zu verringern, besteht darin, den Abstand zwischen dem Brenner bzw. der Flamme und dem Sensor zu reduzieren. Dadurch wird nicht nur die Reaktionszeit t₉₀ kürzer, sondern auch der Betrag größer, um den die elektrische Heizleistung des Sensors während des Betriebs des Brenners verringert werden kann, weil die Temperatur des Abgases dort höher ist. Im idealen Fall kann während des Betriebs der Verbrennungsanlage auf die elektrische Heizung des Sensors vollständig verzichtet werden.
Kann der Sensor beispielsweise nur im Abgaskanal installiert werden, so ist es dennoch wünschenswert, dass er auch in diesem Fall innerhalb einer Reaktionszeit t₉₀, die in einem Bereich zwischen 0,5 und 10 Sekunden liegt, auf das Zünden und das Erlöschen der Flamme anspricht. In diesem Fall kann das instationäre Verhalten des Sensors für die Auswertung verwendet werden. Hierfür eignen sich beispielsweise die zeitliche Änderung der Heizleistung dP/dt und/oder die zeitliche Änderung der Sensorspannung dUs/dt.
Gleichzeitig mit der Überwachung der Flamme und der Bestimmung der Bestandteile des Abgases kann auch die Temperatur des Abgases bestimmt werden. Hierfür können ebenfalls die Messsignale verwendet werden, die von der Heizung des Sensors an die Sensorelektronik übermittelt werden.
Das Zünden und das Erlöschen der Flamme kann auch mit Hilfe des Spannungssignals Us des Sensors erfasst werden. Beim Zünden und Erlöschen der Flamme kommt es zu einem kurzzeitigen Anstieg von im Abgas enthaltenen oxidierbaren Bestandteilen wie beispielsweise CO, CH₄ usw. Die Spannung Us, die sich dabei zwischen den Elektroden des Sensors ausbildet, wird als Signal von der Sensorelektronik erfasst und ausgewertet. Um sicher zu stellen, dass der Anstieg der Sensorspannung Us durch das Zünden der Flamme nach dem Anfahren des Brenners und das Erlöschen der Flamme nach dem Abschalten des Brenners hervorgerufen wird, und nicht durch das plötzliche Auftreten einer unvollständigen Verbrennung, wird der Sensorelektronik zusätzlich das Steuersignal der Brennersteuerung zugeführt.
Mit Hilfe des Sensors wird neben der Erkennung der Flamme auch sichergestellt, dass jede Verbrennung so durchgeführt, dass hierfür nur ein Minimum an Brennstoff und elektrischer Energie benötigt wird, und ebenfalls nur ein Minimum an Schadstoffen dabei freigesetzt wird.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Verbrennungsanlage mit einem Brenner und einer Vorrichtung zur Überwachung von Flamme und Abgas des Brenners,
Fig. 2 die elektrische Heizleistung, die der Heizung des Sensors der Verbrennungsanlage gemäß Fig. 1 während des Betriebs der Verbrennungsanlage zuzuführen ist,
Fig. 3 die zeitliche Änderung der elektrischen Leistung für die Heizung des Sensors,
Fig. 4 der Anstieg der oxidierbaren Bestandteile und des Spannungssignals beim Zünden und Erlöschen der Flamme.
Die in Fig. 1 dargestellte Verbrennungsanlage 1 umfasst einen Sensor 2, eine Sensorelektronik 3, einen Brenner 4 mit jeweils einer Zuleitung 5A und 5B, einen Feuerraum 6 sowie einen Abgaskanal 7. Dem Brenner 4 kann über die Zuleitung 5A ein Brennstoff 4B beispielsweise in Form von Öl, Gas und/oder Wasserstoff zugeführt werden. Die Wahl des Brennstoffs 4 ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Die erforderliche Menge an Brennstoff 4B lässt sich beispielsweise mit Hilfe eines Ventils 5F steuern, das in die Zuleitung 5A eingebaut ist. Über die Zuleitung 5B wird dem Brenner 4 die notwendige Menge an Luft 4L zugeführt. Der Brenner 4 ragt mit seinem die Flamme 8 tragenden Abschnitt in den Feuerraum 6 hinein, der mit dem Abgaskanal 7 direkt in Verbindung steht. Das Abgas 10, welches beim Betrieb des Brenners 4 entsteht, wird zuerst durch Wendekammern 6K innerhalb des Feuerraums 6 geleitet. Von dort aus wird es in den Abgaskanal 7 eingeleitet.
Der Aufbau und die Funktionsweise des Sensors 2, der für die Messungen verwendet wird, ist in der Druckschrift "Miniaturized CO/H2-Sensor for Monitoring and Control Burners and Heaters, F. Hammer, S. Fasoulas, E. Messerschmid, H. Weber und B. Houpert, ECSBT2-Konferenz in Stuttgart, Februar 2000, Seiten 209 bis 220" beschrieben. Er besteht im wesentlichen aus einem flächigen Bauelement 2F. Dieses ist aus einer Keramik gefertigt, vorzugsweise aus mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid. Auf exponierten Flächen des Bauelements 2F sind mindestens zwei Elektroden 2A und 2B angeordnet. Durch eine geeignete Kombination der Werkstoffe, aus denen die Elektroden 2A und 2B gefertigt werden, lässt sich deren katalytische Aktivität beeinflussen. Die Materialen für die Fertigung der Elektroden 2A und 2B werden so gewählt, dass wenigstens eine der beiden Elektroden 2A elektrokatalytisch aktiv ist, und somit die Reaktion von Bestandteilen des Abgases 10 mit Sauerstoffionen aus dem Festelektrolyten 2F begünstigt. Die zweite Elektrode 2B wird vorzugsweise aus einem solchen Werkstoff gefertigt, der die elektrokatalytische O₂-Austauschreaktion unterstützt. Um eine ausreichende Leitfähigkeit für Sauerstoffionen innerhalb des Festelektrolyten 2F zu erhalten, ist der Sensor 2 zusätzlich mit einer Heizung in Form einer Heizwendel 2H versehen. Diese ist so ausgelegt, dass der Sensor 2 auf einer Temperatur zwischen 400°C und 900°C gehalten werden kann. Die Potentialdifferenz, welche sich zwischen den Elektroden 2A und 2B ausbildet, wird als Sensorspannung Us abgegriffen. Die Größe der Sensorspannung Us ist ein Maß für die Konzentration der oxidierbaren Gaskomponenten im Abgas 10. Der Sensor 2 wird innerhalb des Abgases 10 so angeordnet, dass beide Elektroden 2A und 2B vollständig davon umströmt werden. Die Signalein- und Signalausgänge des Sensors 2 sind über Signalleitungen 2S mit den Signalein- und Signalausgängen der Sensorelektronik 3 elektrisch leitend verbunden. Der Sensor 2 ist ferner über eine Leitung 2L mit einer elektrischen Spannungsquelle (hier nicht dargestellt) verbunden, welche in die Sensorelektronik 3 integriert ist. Von dort aus kann der Heizung 2H des Sensors 2 die erforderliche elektrische Energie zugeführt werden. Die Sensorelektronik 3 erfasst, speichert und verarbeitet die zwischen den Elektroden 2A und 2B des Sensors 2 auftretenden Spannungssignale Us, sowie die Temperatur des Sensors 2. Die Temperatur des Sensors 2 kann dadurch ermittelt werden, dass der mittlere Widerstand der Widerstandsbahn der Heizwendel 2H und/oder der Innenwiderstand der Festelektrolytkeramik 2F erfasst wird. Der Festelektrolyt 2F des Sensors 2 muss mindestens während der Messung der Gaskonzentration auf einer Arbeitstemperatur Ts gehalten werden, die zwischen 400°C und 900°C liegt, damit der Sensor 2 voll funktionsfähig ist. Hierfür ist eine schnelle Temperaturregelung zur Kompensation von Schwankungen der Umgebungsbedingungen erforderlich. Diese Temperaturregelung kann mit der Sensorelektronik 3 erzielt werden, da diese eine sehr schnelle Regelung der elektrischen Leistung für die Heizung des Sensors 2 ermöglicht. In die Sensorelektronik 3 kann hierfür ein Mikroprozessor (hier nicht dargestellt) integriert werden. Schwankungen bei der Temperatur des Sensors 2 werden durch das Abgas 10 verursacht, wenn es bei diesem zu einer Variation seines Volumenstroms oder zu einer Änderung der Abgastemperatur bzw. einer Änderung seiner Zusammensetzung kommt. Um den Einfluß schwankender Volumenströme zu minimieren, kann beispielsweise das Gehäuse 2G des Sensors 2 so ausgebildet sein, dass der Volumenstrom des Abgases 10, der an dem Sensor 2 entlang strömt, auf eine definierte Größe begrenzt wird. Hiermit kann der Wärmeverlust des Sensors 2 durch erzwungene Konvektion und der erforderliche Bedarf an elektrischer Energie zum Heizen des Sensors 2 gesenkt werden.
Es wird zunächst davon ausgegangen, dass der Sensor 2 bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb des Abgaskanals 7 an der Stelle X₂ in einem senkrechten Abstand von der Stelle X₀ am Brenner 4 positioniert ist. Entsprechend dem gewählten Abstand zwischen dem Sensor 2 und dem Brenner 4 stellt sich während des Betriebs des Brenners 4 an dieser Stelle X₂ eine Strömung des Abgases 10 mit einer definierten Temperatur T₂ ein. Ist der Brenner 4 nicht eingeschaltet, so ist zum elektrisch Heizen des Sensors 2 eine elektrische Leistung P erforderlich, wie in Fig. 2 dargestellt. Ist der Brenner 4 in Betrieb, und die Flamme 8 vollständig ausgebildet, so wird der Sensor 2 von dem Abgas 10 zusätzlich aufgeheizt, was nach einer Reaktionszeit t₉₀ des Sensors 2 durch die Sensorelektronik 3 erfasst wird. In Abhängigkeit von der Größe der Temperatur T₂, die das Abgas an der Stelle X₂ aufweist, kann die elektrische Leistung P, wie in Fig. 2 dargestellt, um einen Betrag ΔP₂ auf eine elektrische Leistung P₂ reduziert werden, da die Arbeitstemperatur Ts des Sensors 2 teilweise durch das Abgas 10 aufrecht erhalten wird. Im Idealfall kann die Zufuhr der elektrischen Energie zum Sensor 2 vollständig unterbrochen werden, was von der Sensorelektronik 3 in Abhängigkeit vom gespeicherten Sollwert der Arbeitstemperatur Ts des Sensors 2 geregelt wird.
Um die notwendige elektrische Leistung zum Heizen des Sensors 2 noch weiter zu verringern, und seine Reaktionszeit t₉₀ zu verkürzen, kann der Sensor 2 wie in Fig. 1 dargestellt, an der Stelle X₁ im Bereich einer Wendekammer 6K des Feuerraums 6 angeordnet werden, wodurch der Abstand zwischen dem Sensor 2 und dem Brenner 4 bzw. der Flamme 8 verringert wird. Das Abgas 10 weist, wie Fig. 2 zeigt, an der Stelle X₁, da es sich näher bei der Flamme 8 befindet, eine Temperatur T₁ auf, die größer ist als seine Temperatur T₂ an der Stelle X₂. Der Sensor 2 wird durch das Abgas 10 an der Stelle X₁ stärker aufgeheizt als an der Stelle X₂. Damit kann auch die elektrische Leistung P, die zum Heizen des Festelektrolyten 2F erforderlich ist, während des Betriebs der Verbrennungsanlage 1, dann wenn die Flame 8 vollständig ausgebildet ist, um den Betrag ΔP₁ auf eine elektrische Leistung P₁ verringert werden. Diese reicht aus, um den Sensor 2 auf seiner Arbeitstemperatur Ts zu halten. Es gilt P₁ < P₂ bzw. ΔP₁ > ΔP₂ und t₉₀ an der Stelle X₂ ist größer als t₉₀ an der Stelle X₁. Im Idealfall kann die elektrische Leistung P zum Heizen des Sensors 2 entfallen.
Wird der Brenner 4 zu einem Zeitpunkt t = 0 angefahren, so kommt es im störungsfreien, stationären Betrieb des Brenners 4 beispielsweise nach einer Vorlaufzeit tw = 10 Sekunden zur Ausbildung der Flamme 8 gemäß Fig. 1. Das Abgas 10 beginnt, wenn die Flamme 8 korrekt ausgebildet ist, den Sensor 2 aufzuheizen, worauf der Sensor 2 reagiert. Die Stelle X₁ ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel so gewählt, dass die Reaktionszeit t₉₀ weniger als eine Sekunde beträgt. In jedem Fall sollte die Reaktionszeit t₉₀ jedoch in Abhängigkeit von der Größe und der Art des Brenners sowie des verwendeten Brennstoffs in einem Bereich zwischen 0,5 und 10 Sekunden liegen.
Das Abgas 10 mit der Zusammensetzung, die es beim Betrieb des Brenners 4 tatsächlich aufweist, benötigt ebenfalls eine Zeit t bis es den Sensor 2 erreicht hat. Auch hierfür ist ein geringerer Abstand zur Flamme 8 von Vorteil, um keinerlei Verzögerungen für die Regelung hervorzurufen. Ist die volle Funktionsfähigkeit des Brenners 4 geben, so muss die Sensorelektronik 3 innerhalb der oben genannten Reaktionszeit t₉₀des Sensors einen Anstieg der Temperatur des Sensors 2 feststellen. Befindet sich der Sensor 2 beim Einschalten des Brenners 4 bereits auf seiner Arbeitstemperatur Ts, so kann gegebenenfalls innerhalb von weniger als einer Sekunde nach dem Zünden der Flamme 8 die Zufuhr der elektrisch Leistung P zur Heizung des Sensors 2 durch die Sensorelektronik 3 um ΔP₁ reduzieren werden.
Innerhalb von einer Sekunde nach dem Ausbilden der Flamme 8 bis zu ihrem Erlöschen können mit dem Sensor 2 auch kontinuierlich die Bestandteile des Abgases 10, insbesondere die oxidierbaren Bestandteile quantitativ ermittelt werden. Wird hierbei eine unvollständige Verbrennung festgestellt, so wird der Brenner 4 abgeschaltet und die Verbrennungsanlage 1 auf Störung gestellt. Ist die Verbrennungsanlage 1 voll funktionsfähig, und wird der Brenner 4 beispielsweise nach 140 Sekunden im stationären Betrieb wieder regulär abgeschaltet, wird die Erwärmung des Sensors 2 durch das Abgas 10 nach weniger als einer Sekunde unterbrochen. Die Sensorelektronik 3 stellt fest, dass die Temperatur des Sensors 2 sinkt, gleichzeitig wird die elektrisch Leistung zum Heizen des Sensors 2 wieder um einen Betrag ΔP₁ erhöht. Damit wird dem Sensor 2 wie vor dem Zünden der Flamme 8 wieder die volle elektrische Leistung P zugeführt, was in Fig. 2 dargestellt ist.
Kann der Sensor 2 beispielsweise nur an der Stelle X₂ innerhalb des Abgaskanals 7 installiert werden, so ist es dennoch wünschenswert, dass er innerhalb einer Reaktionszeit t₉₀, die zwischen 0,5 und 10 Sekunden liegt, auf das Zünden und das Erlöschen der Flamme 8 gemäß Fig. 1 anspricht. In diesem Fall kann beispielsweise das instationäre Verhalten des Sensors 2 für die Auswertung herangezogen werden. Es wird hierfür vorzugsweise die zeitliche Änderung der Heizleistung dP/dt und/oder die zeitliche Änderung der Sensorspannung dUs/dt genutzt. Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, wird innerhalb der oben genannten Reaktionszeit t₉₀ nach dem Zünden der Flamme 8 ein unterer Grenzwert UG der Heizleistungsänderung dP/dt mit UG < 0 unterschritten. Nach dem Erlöschen der Flamme 8 wird ebenfalls innerhalb dieser Reaktionszeit t₉₀ ein oberer Grenzwert OG der Heizleistung dP/dt von OG > 0 überschritten. Durch eine entsprechende Anpassung der Signalerfassung und der Regelung innerhalb der Sensorelektronik 3, kann auch das Unterschreiten des unteren Grenzwerts UG bzw. das Überschreiten des oberen Grenzwerts OG für die Überwachung der Flamme 8 genutzt werden.
Gleichzeitig mit der Überwachung der Flamme 8 und der Bestimmung der Bestandteile des Abgases 10 kann auch die Temperatur des Abgases 10 ermittelt werden. Hierfür können ebenfalls die Messsignale verwendet werden, die von der Heizung 2H des Sensors 2 an die Sensorelektronik 3 übertragen werden.
Das Zünden und das Erlöschen der Flamme 8 kann auch mit Hilfe des Spannungssignals Us des Sensors 2 erfasst werden. Beim Zünden und Erlöschen der Flamme 8 kommt es zu einem kurzzeitigen Anstieg von im Abgas enthaltenen oxidierbaren Bestandteilen wie beispielsweise CO, CH₄ usw. In Fig. 4 ist der Anstieg dieser Anteile im Abgas und der damit verbundene Anstieg des Spannungssignals Us des Sensors 2 dargestellt. Dieses Spannungssignal wird von der Sensorelektronik 3 erfasst und ausgewertet. Um sicher zu stellen, dass der Anstieg der Sensorspannung Us durch das Zünden der Flamme 8 nach dem Anfahren des Brenners 4 und durch das Erlöschen der Flamme 8 nach dem Abschalten des Brenners 4 hervorgerufen wird, und nicht durch das plötzliche Auftreten einer unvollständigen Verbrennung, wird der Sensorelektronik 3 zusätzlich das Steuersignal der Brennersteuerung (hier nicht dargestellt) zugeführt. Mit Hilfe dieses Steuersignals, das eine Aussage über das Anfahren und das Abschalten des Brenners 4 liefert, und des Spannungssignals Us ist eine Aussage über den Zustand der Flamme 8 möglich. Dieses Verfahren kann, falls es die Gegebenheiten erfordern, auch in Kombination mit dem oben beschriebenen Verfahren verwendet werden, bei dem die Temperatur des Sensors 2 zum Erkennen der Flamme 8 genutzt wird.
Mit Hilfe des Sensors 2 wird neben der Erkennung der Flamme 8 auch sichergestellt, dass jede Verbrennung, unabhängig davon, welcher fossile Brennstoff 4B zum Einsatz kommt, so durchgeführt wird, dass hierfür nur ein Minimum an Brennstoff 4B erforderlich ist, und somit Energie eingespart wird, und auch nur ein Minimum an Schadstoffen dabei entsteht. Um dieses zu ermöglichen, wird zusätzlich eine Regel- und Überwachungseinheit (hier nicht dargestellt) verwendet, wie sie in der EP-A-0 697 564 A1 offenbart ist. Diese Regel- und Überwachungseinheit regelt unter anderem die Menge an Brennstoff 4B und Luft 4L, die dem Brenner 4 zugeführt wird. Damit eine Verbrennung mit den obigen Voraussetzungen durchgeführt werden kann, werden dieser Regel- und Überwachungseinheit auch die Spannungssignale des Sensors 2 zugeführt.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung (10) einer Verbrennungsanlage (1) mit einem Brenner (4), dem ein Brennstoff (4B) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme (8), die oxidierbaren Bestandteile des Abgases (10) sowie dessen Temperatur gleichzeitig von einem Sensor (2) aus überwacht werden, und dass die Überwachung direkt im Strom des Abgases (10) oder in einem den Strom des Abgases (10) repräsentierenden Teilstrom durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung einer Flamme (8) nach dem Anfahren des Brenners (4) aus dem Anstieg der Temperatur des Abgases (10) und das Erlöschen der Flamme (8) aus dem Absinken der Temperatur des Abgases (10) ermittelt und die Temperatur des Abgases (10) aus der Temperatur des Sensors (2) selbst erfasst wird, und dass die oxidierbaren Bestandteile des Abgases (10) aus dem Spannungssignal (Us) des Sensors (2) ermittelt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) an einer Stelle (X₁, X₂) in einem definierten Abstand von der Flamme (8) angeordnet und der Abstand so gewählt wird, dass eine Erwärmung des Sensors (2) durch das Abgas (10) innerhalb einer Reaktionszeit (t₉₀) des Sensors (2) von 0,5 bis 10 Sekunden nach dem Zünden der Flamme (8) beginnt, und dass dieses zusätzliche Aufheizen des Sensors (2) als Ausbildung einer vollständigen Flamme (8) erfasst wird, und dass das Abkühlen des Sensors (2) innerhalb einer Reaktionszeit (t₉₀) des Sensors (2) von 0,5 bis 10 Sekunden als Erlöschen der Flamme (8) erfasst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensor (2) zur Aufrechterhaltung seiner Arbeitstemperatur (Ts) in der Abwesenheit des Abgases (10) eine elektrische Leistung (P) zugeführt wird, dass die elektrische Leistung (P) um einen Betrag (ΔP₁, ΔP₂) auf eine elektrische Leistung (P₁, P₂) reduziert wird, wenn der Sensor (2) durch das Abgas (10) zusätzlich aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionszeit (t₉₀) des Sensors (2) auf das Zünden der Flamme (8) das Unterschreiten eines unteren Grenzwerts (UG) kleiner null durch die zeitliche Heizleistungsänderung (dP/dt) nach 0,5 bis 10 Sekunden und das Überschreiten eines oberen Grenzwerts (OG) größer null durch die zeitliche Heizleistungsänderung (dP/dt) nach 0,5 bis 10 Sekunden als Reaktionszeit (t₉₀) des Sensors (2) auf das Erlöschen der Flamme (8) erfasst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überwachen der Flamme (8) der Anstieg des Spannungssignals (Us) des Sensors (2) beim Zünden und Erlöschen der Flamme (8) erfasst und das Steuerungssignal für den Brenner (4) bei der Auswertung mit verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbrennung, unabhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs (4B) so durchgeführt wird, dass nur ein Minimum an Brennstoff (4B) und elektrischer Energie benötigt und nur ein Minimum an Schadstoffen gebildet wird, und dass hierfür eine Regel- und Überwachungseinheit verwendet wird, die mindestens die Zufuhr an Brennstoff (4B) und Luft (4L) unter Verwendung des Spannungssignals (Us) des Sensors (2) zum Brenner (4) regelt.

8. Vorrichtung zur Überwachung einer Verbrennungsanlage (1) mit einem Brenner (4), dem ein Brennstoff (4B) zugeführt wird, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (2) vorgesehen ist, der mit wenigstens einer Sensorelektronik (3) elektrisch verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) ein flächiges, als Festelektrolyt dienendes Bauelement (2F) aufweist, das aus einer Keramik gefertigt ist, dass auf der mit dem Abgas (10) in Kontakt stehenden Oberfläche des Bauelements (2F) mindestens zwei Elektroden (2A und 2B) angeordnet sind, und dass der Sensor (2) mit einer elektrischen Heizung (2) in Form einer Heizwendel ausgerüstet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Festelektrolyt (2F) aus einem mit Yttrium stabilisierten Zirkoniumdioxid gefertigt ist, dass die erste Elektrode (2A) aus einem elektrokatalytisch aktiven Werkstoff und die zweite Elektrode (2B) aus einem die elektrokatalytische O₂-Austauschreaktion begünstigenden Werkstoff hergestellt ist.