DE102006051883B4

DE102006051883B4 - Apparatus and method for adjusting, controlling or regulating the fuel / combustion air ratio for operating a burner

Info

Publication number: DE102006051883B4
Application number: DE102006051883.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Burmeister Frank
Original assignee: GAS und WARME INST ESSEN E V; Gas- und Warme-Institut Essen eV
Current assignee: GAS- UND WAERME-INSTITUT ESSEN E.V., DE
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: DE102006051883A1

Abstract

Einrichtung zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses zum Betreiben eines Brenners (1), der an eine Brennstoffleitung (3) und eine Verbrennungsluftleitung (4) angeschlossen ist, mit einem Hilfsbrenner (8), der eine Brennstoffzuführung (13) und eine Verbrennungsluftzuführung (9) aufweist, wobei die Brennstoffzuführung (13) des Hilfsbrenners an die Brennstoffleitung (3) angeschlossen ist, mit einer Regeleinrichtung (18) zum Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses des Hilfsbrenners (8) derart, dass eine vorgegebene Luftzahl λ des Hilfsbrenners konstant gehalten wird, mit einer Dosiervorrichtung (10) zum Konstanthalten des Verbrennungsluftdurchflusses in der Verbrennungsluftzuführung (9) des Hilfsbrenners (8), mit einem ersten Druckmessgerät (11) und einem ersten Temperaturmessgerät (12) in der Verbrennungsluftzuführung (9) des Hilfsbrenners (8), mit einer stoffwertabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung (14), einer stoffwertunabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung (15), einem zweiten Druckmessgerät (16) und einem zweiten Temperaturmessgerät (17) in der Brennstoffzuführung (13) des Hilfsbrenners (8), mit einer Auswerte-/Steuereinheit (19) mittels der aus den Messwerten und dem Verbrennungsluftdurchfluss die Mindestluftmenge Lmin berechnet und aus der Mindestluftmenge Lmin mittels einer Korrelation der Heizwert und/oder der Wobbeindex ermittelt und ein Signal zum Verstellen eines Stellglieds (5) in der Brennstoffleitung (3) und/oder eines Stellglieds (7) in der Verbrennungsluftleitung (4) abgeleitet wird.Device for setting, controlling or regulating the fuel / combustion air ratio for operating a burner (1) which is connected to a fuel line (3) and a combustion air line (4), with an auxiliary burner (8) having a fuel feed (13) and a combustion air supply (9), wherein the fuel supply (13) of the auxiliary burner to the fuel line (3) is connected to a control device (18) for controlling the fuel / combustion air ratio of the auxiliary burner (8) such that a predetermined air ratio λ of the auxiliary burner is kept constant, with a metering device (10) for keeping constant the combustion air flow in the combustion air supply (9) of the auxiliary burner (8), with a first pressure gauge (11) and a first temperature measuring device (12) in the combustion air supply (9) Auxiliary burner (8), with a material value-dependent flow measuring device (14), a stoffwertuna dependent flow measuring device (15), a second pressure gauge (16) and a second temperature measuring device (17) in the fuel supply (13) of the auxiliary burner (8), with an evaluation / control unit (19) by means of the measured values and the combustion air flow calculates the minimum amount of air Lmin and determined from the minimum amount of air Lmin by means of a correlation of the calorific value and / or the Wobbeindex and a signal for adjusting an actuator (5) in the fuel line (3) and / or an actuator (7) in the combustion air line (4) is derived.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses zum Betreiben eines Brenners, der an eine Brennstoffleitung und ein Verbrennungsluftleitung angeschlossen ist, mit einem Hilfsbrenner, der eine Brennstoffzuführung und eine Verbrennungsluftzuführung aufweist, wobei die Brennstoffzuführung des Hilfsbrenners an die Brennstoffleitung angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft insbesondere Gasbrenner für industrielle Zwecke.The invention relates to a device and a method for setting, controlling or regulating the fuel / combustion air ratio for operating a burner, which is connected to a fuel line and a combustion air duct, with an auxiliary burner, which has a fuel supply and a combustion air supply, wherein the fuel supply of the auxiliary burner is connected to the fuel line. The invention particularly relates to gas burners for industrial purposes.

Gasförmige Brennstoffe sind meistens Brenngase der öffentlichen Gasversorgung, die über Versorgungsnetze überwiegend zur Wärmeerzeugung in Haushalten, Gewerbebetrieben und Industrieunternehmen überwiegend zur Wärmeerzeugung geliefert werden.Gaseous fuels are mostly fuel gases of the public gas supply, which are supplied via supply networks mainly for heat generation in households, commercial enterprises and industrial companies mainly for heat generation.

Die Beschaffenheit der Gase für die öffentliche Gasversorgung ist im DVGW-Arbeitsblatt G 260 geregelt. Hier sind die Bereiche der verbrennungstechnischen Kenndaten und der Gasbegleitstoffe definiert, denen das Gas entsprechen muss.The nature of the gases for the public gas supply is regulated in DVGW Code of Practice G 260. Here are defined the areas of the combustion characteristics and the gas concomitants to which the gas must correspond.

In der öffentlichen Gasversorgung werden Brenngase mit weitgehend übereinstimmenden Brenneigenschaften in Gasfamilien zusammengefasst. Die Gasfamilien werden zusätzlich in Gruppen unterteilt. Die erste Gasfamilie umfasst wasserstoffreiche Gase. Die zweite Gasfamilie umfasst methanreiche Gase. Das sind die aus natürlichen Vorkommen stammende Erdgase, synthetische Erdgase und deren Austauschgase. Sie sind in die Gruppen L und H unterteilt. Die dritte Gasfamilie umfasst Flüssiggase.In the public gas supply, fuel gases with largely consistent combustion properties are grouped together in gas families. The gas families are additionally divided into groups. The first gas family includes hydrogen-rich gases. The second gas family includes methane-rich gases. These are naturally occurring natural gases, synthetic natural gases and their replacement gases. They are divided into groups L and H. The third gas family includes liquefied gases.

Infolge der Liberalisierung des Erdgashandels der Diversifizierung des Bezugsangebotes der Erschließung auch kleinerer inländischer Vorhaben und aufbereiteter Gase aus regenerativen Quellen ist zukünftig mit einer größeren Schwankungsbreite der Gasbeschaffenheit zu rechnen.As a result of the liberalization of natural gas trading, the diversification of the supply of supply for the development of even smaller domestic projects and processed gases from regenerative sources is expected to result in a greater range of gas fluctuations in the future.

Haushaltliche Gasbrenner sind so konzipiert, dass sie innerhalb einer großen Bandbreite von Gasbeschaffenheiten funktionieren.Domestic gas burners are designed to work within a wide range of gas conditions.

Beispielsweise ist aus der DE 100 30 063 A1 ein Regelungsverfahren bekannt, bei dem das Signal eines Sensors ausschließlich zu ausgewählten Zeitpunkten zur Anpassung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses genutzt wird.For example, is from the DE 100 30 063 A1 a control method is known in which the signal of a sensor is used exclusively at selected times for adjusting the fuel / combustion air ratio.

Für industrielle Brenner zur Verwendung in Industrieöfen und/oder Thermoprozessanlagen ist die Konstanz der verbrennungstechnischen Kenndaten wichtig, um die Temperatur und die Flammengeometrie konstant halten zu können.For industrial burners for use in industrial furnaces and / or thermoprocessing plants, the constancy of the combustion characteristics is important in order to keep the temperature and the flame geometry constant.

Für viele industrielle Zwecke und Industrieöfen werden Diffusionsbrenner eingesetzt, die insbesondere mit Erdgas betrieben werden. Bei Diffusionsbrenner werden Brennstoff und Verbrennungsluft nicht vorgemischt, sondern erst an der Brennermündung bzw. im Ofenraum von Industrieöfen zusammengeführt. Bei Thermoprozessen, bei denen mittels der erzeugten Wärme die Eigenschaften von Werkstücken gezielt beeinflusst bzw. verändert werden, insbesondere in der Stahl-, Glas- und Keramikindustrie, müssen aus Fertigungs- und Qualitätsgründen die Brenner stets mit der optimalen Einstellung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses bzw. der Prozessluftzahl betrieben werden, wobei die Prozessluftzahl das Verhältnis von zugeführtem Brennstoff zu zugeführter Verbrennungsluft ist. Hinzu kommt die Forderung nach wirtschaftlicher und umweltschonender Energienutzung.For many industrial purposes and industrial furnaces diffusion burners are used, which are operated in particular with natural gas. In diffusion burners fuel and combustion air are not premixed, but brought together only at the burner mouth or in the furnace chamber of industrial furnaces. In thermal processes in which the properties of workpieces are selectively influenced or changed by the heat generated, in particular in the steel, glass and ceramic industry, the burners must always with optimal adjustment of the fuel / combustion air ratio for manufacturing and quality reasons or the process air number are operated, wherein the process air number is the ratio of supplied fuel to the supplied combustion air. Added to this is the demand for economical and environmentally friendly use of energy.

Der Wechsel der Gasart bzw. der Gasbeschaffenheit in der öffentlichen Gasversorgung führt bei Gasbrennern zu einer Änderung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses bzw. der Prozessluftzahl mit der Folge, dass die Verbrennung nicht optimal ist. Bei Diffusionsbrenner ist die Einstellung oder Regelung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses, d. h. der Prozessluftzahl mit Hilfe eines Sensors, der in der Flamme oder im Abgas eine zur Luftzahl analoge Verbrennungseigenschaft erfasst, nicht bzw. nur sehr begrenzt möglich, da die Luftzahlen in der Flamme eines Diffusionsbrenners in einem extrem großen Bereich schwanken.The change of the gas type or the gas quality in the public gas supply leads to a change in the fuel / combustion air ratio or the process air number with gas burners with the result that the combustion is not optimal. For diffusion burners, the adjustment or regulation of the fuel / combustion air ratio, i. H. The process air number with the aid of a sensor that detects a combustion characteristic analogous to the air number in the flame or in the exhaust, not or only to a very limited extent possible, since the air numbers in the flame of a diffusion burner vary within an extremely wide range.

Ein Wechsel der Gasbeschaffenheit bzw. der Gasart oder verschiedene Betriebsbedingungen können bei Diffusionsbrennern zu unerwünschten Einflüssen auf den Thermoprozess führen; es ändert sich nicht nur die Luftzahl, sondern auch die in den Ofenraum eingebrachte thermische Leistung.A change in the gas quality or the type of gas or different operating conditions in diffusion burners can lead to undesirable effects on the thermal process; Not only the air ratio changes, but also the thermal power introduced into the furnace chamber.

Beispielsweise wird bei der Beschichtungstrocknung im Durchlaufverfahren gewalztes Blechband zu Coils aufgewickelt und anschließend wärmebehandelt. Bei den erforderlichen Prozesstemperaturen von ca. 1.100°C würden die Blechwicklungen im Coil miteinander verkleben. Deshalb wird vor dem Glühen ein nicht brennbares anorganisches Trennmittel auf die Blechoberfläche aufgetragen. Dieses Trennmittel wird vor dem Wickelvorgang im Durchlauf mittels Gasbrennern getrocknet. Ein Wechsel der Gasbeschaffenheit kann zur Beulenbildung und zum Ausglühen des Bandes führen.For example, in the coating drying in a continuous process rolled sheet metal strip is wound into coils and then heat treated. At the required process temperatures of about 1,100 ° C, the sheet metal coils would stick together in the coil. Therefore, a non-combustible inorganic release agent is applied to the sheet surface before annealing. This release agent is dried before the winding process in the run by means of gas burners. A change in the gas quality can lead to buckling and annealing of the band.

Bei der Herstellung von Braumalz zur Bierherstellung wird das Getreide nach dem Einweichen und Keimen zum Abschluss in Darren getrocknet. Die Trocknungsluft wird direkt mit Gasbrennern mit extrem niedrigen Stickstoffoxid-Emissionen (< 2,5 ppm luftfrei) eingesetzt. Diese Direkterwärmung der Trocknungsluft ist nur möglich, wenn die Brenner hinsichtlich niedrigster NO_x-Werte optimal eingestellt werden können. Gasbeschaffenheitsänderungen können zu erhöhen NO_x-Emissionen und damit zu einer unerwünschten Nitrosaminbildung führen.In the production of brewing salt for beer production, the grain is dried after soaking and germination in Darren. The drying air is directly with gas burners used with extremely low nitrogen oxide emissions (<2.5 ppm air-free). This direct heating of the drying air is only possible if the burners can be optimally adjusted with regard to lowest NO _x values. Gas quality changes can increase NO _x emissions and thus lead to undesirable nitrosamine formation.

Der Wobbeindex ist das Verhältnis des Wärmewertes des Gases pro Volumeneinheit zur Quadratwurzel seiner relativen Dichte. Der Wobbeindex ist ein Kennwert für die Austauschbarkeit von Gasen hinsichtlich der Wärmebelastung von Gasverbrauchseinrichtungen. Brenngase unterschiedlicher Zusammensetzung zeigen bei gleichem Wobbeindex und unter gleichem Druck (Fließdruck) am Brenner eine annähernd gleiche Wärmebelastung. Der Wobbeindex ist einer der wesentlichen Größen bei der Regelung von Gasbrennern für industrielle Zwecke.The Wobbe index is the ratio of the heat value of the gas per unit volume to the square root of its relative density. The Wobbe index is a parameter for the interchangeability of gases with regard to the heat load of gas appliances. Fuel gases of different composition show at the same Wobbe index and under the same pressure (flow pressure) at the burner an approximately equal heat load. The Wobbe index is one of the key variables in the control of gas burners for industrial purposes.

Änderungen der Gasbeschaffenheit führen bei gasbeheizten Industriekesseln zu Wirkungsgradeinbußen, sofern diese nicht durch eine Wobbeindex-Messung/Regelung kompensiert werden. Die Investitionskosten für am Markt erhältliche Wobbeindex-Regeleinrichtungen sind allerdings relativ hoch.Changes in the gas quality lead to loss of efficiency in gas-heated industrial boilers, unless these are compensated by a Wobbe index measurement / control. However, the investment costs for Wobbe index controllers available on the market are relatively high.

Bei Kombikraftwerken, in denen sowohl Gas- als auch Dampfturbinen zum Einsatz kommen, können bei einer Änderung der Gasbeschaffenheit erhebliche Schwierigkeiten auftreten, weil es bei Abmagerung des Brennstoffs zu Brennkammerschwingungen kommen kann.In combined cycle power plants, in which both gas and steam turbines are used, considerable difficulties can occur in the event of a change in the gas condition, since combustion of the fuel can lead to combustion chamber vibrations.

Gasbrenner werden auch als Werkzeuge eingesetzt, beispielsweise um Schleifkanten an Gläsern zu verschmelzen. Diese Anwendung wird mittels unterstöchiometrisch eingestellten Vormischbrennern realisiert, die an ihrer Spitze durch Molekulare und durch turbulente Diffusion den zur vollständigen Verbrennung notwenigen Luftsauerstoff erhalten und hier ihre höchste Temperatur erreichen. Aufgrund eines Wechsels der Gasbeschaffenheit kann es zu einem Rückgang der Luftzahl kommen, der wiederum zu einer Verlängerung der Vormischflamme und zu einem Wachstum des Diffusionsbereichs führt, da hier ein erhöhter Luftbedarf besteht. Folglich muss eine Neujustierung der Brenner vorgenommen werden. Nicht angekündigte oder häufige Änderungen der Gasbeschaffenheit können zu erheblichen betrieblichen Störungen führen.Gas burners are also used as tools, for example, to merge grinding edges on glasses. This application is realized by means of sub-stoichiometric premix burners, which receive at their top by molecular and by turbulent diffusion the necessary for complete combustion of atmospheric oxygen and reach their highest temperature here. Due to a change in the gas quality, the number of air can be reduced, which in turn leads to an extension of the premix flame and to a growth of the diffusion range, since there is an increased need for air. Consequently, a readjustment of the burners must be made. Unannounced or frequent changes in the gas quality can lead to significant operational disruptions.

Aus der US 4 118 172 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses eines Brenners mit Hilfe eines Hilfsbrenners bekannt, dem Sensoren in Form von Thermoelementen zugeordnet sind. Mit einem aufwendigen Verfahren mittels Kalibrierungen soll an dem Brenner eine stöchiometrische Verbrennung sichergestellt werden.From the US 4,118,172 For example, an apparatus and method for adjusting, controlling, or regulating the fuel / combustion air ratio of a burner by means of an auxiliary burner having associated therewith sensors in the form of thermocouples is known. With a complex process by means of calibrations, a stoichiometric combustion should be ensured at the burner.

Aus der DE 103 48 159 A1 ist eine Brenneranordnung mit mindestens einem Sensor gekannt, der eine dem Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis analoge Verbrennungseigenschaft messtechnisch erfasst. Der Sensor ist der Brenneroberfläche eines Hilfsbrenners zugeordnet. Dem Hilfsbrenner werden Teilmengen von Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt, die proportional zu den Hauptmengen von Brennstoff und Verbrennungsluft sind. Dem Verbrennungsluftstrom wird mittels eines ansteuerbaren Ventils oder einer rotierenden Drosselklappe eine Schwingung aufgeprägt. Die Messwerte des Sensors werden zur Einstellung oder Regelung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses des Hauptbrenners genutzt. Änderungen der Beschaffenheit des Brennstoffes oder geänderte Betriebsbedingungen können auf diese Weise relativ genau erfasst werden. Nachteilig ist, dass die Anpassung der Schwingung an den Sensor technisch relativ aufwendig sein kann.From the DE 103 48 159 A1 a burner arrangement is known with at least one sensor, which detects a fuel combustion air ratio analogous combustion property metrologically. The sensor is assigned to the burner surface of an auxiliary burner. The auxiliary burner is supplied with subsets of fuel and combustion air which are proportional to the major amounts of fuel and combustion air. The combustion air flow is impressed by means of a controllable valve or a rotating throttle vibration. The sensor readings are used to adjust or control the fuel / combustion air ratio of the main burner. Changes in the nature of the fuel or changed operating conditions can be detected relatively accurately in this way. The disadvantage is that the adaptation of the vibration to the sensor can be relatively expensive technically.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfach aufgebaute praktisch einsetzbare Einrichtung und ein Verfahren zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses zum Betreiben von Brennern für industrielle Zwecke, insbesondere für Diffusionsbrenner unter dem Gesichtspunkt eines umweltschonenden und sparsamen Brennstoffeinsatzes zu schaffen, insbesondere um bei Änderung der Beschaffenheit bzw. der Art des Brennstoffes unerwünschte Einflüsse auf Thermoprozesse zu vermeiden.The object of the invention is to provide a simply constructed practical device and a method for setting, controlling or regulating the fuel / combustion air ratio for operating burners for industrial purposes, in particular for diffusion burners from the viewpoint of an environmentally friendly and economical fuel use, in particular, in order to avoid undesirable effects on thermal processes when the composition or type of fuel changes.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved in a device of the type mentioned by the features of claim 1.

Das Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis eines Hilfsbrenners wird auf eine vorgegebene Luftzahl λ konstant gehalten. Mittels einer Dosiervorrichtung wird zudem der Verbrennungsluftdurchfluss in der Verbrennungsluftzuführung des Hilfsbrenners konstant gehalten. Mittels eines ersten Druckmessgerätes und eines ersten Temperaturmessgerätes in der Verbrennungsluftzuführung des Hilfsbrenners wird Druck und Temperatur der Verbrennungsluft gemessen. Mittels einer stoffwertabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung und einer stoffwertunabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung in der Brennstoffzuführung des Hilfsbrenners wird der Durchfluss des Brennstoffes gemessen. Auf diese Weise kann die Dichte des Brennstoffes bestimmt werden. Die Temperatur und der Druck des Brennstoffes werden mit einem zweiten Druckmessgerät und einem zweiten Temperaturmessgerät gemessen. Mittels einer Auswerte-/Steuereinheit wird aus den Messwerten und dem konstanten Verbrennungsluftdurchfluss die Mindestluftmenge L_min berechnet. Alternativ kann auch die Mindestsauerstoffmenge bzw. der Mindestsauerstoffbedarf berechnet werden. Aus der Mindestluftmenge L_min oder der Mindestsauerstoffmenge wird mittels einer Korrelation der Brennwert und/oder der Wobbeindex ermittelt und aus einem der Werte ein Stellsignal zum Einstellen oder Steuern eines Stellglieds in der Brennstoffleitung und/oder eines Stellsignals in der Verbrennungsluftleitung abgeleitet.The fuel / combustion air ratio of an auxiliary burner is kept constant at a predetermined air ratio λ. By means of a metering device, the combustion air flow in the combustion air supply of the auxiliary burner is also kept constant. By means of a first pressure gauge and a first temperature measuring device in the combustion air supply of the auxiliary burner pressure and temperature of the combustion air is measured. By means of a substance-value-dependent flow-measuring device and a material-independent flow-measuring device in the fuel supply of the auxiliary burner, the flow of the fuel is measured. In this way, the density of the fuel can be determined. The temperature and pressure of the fuel are measured with a second pressure gauge and a second temperature gauge. By means of an evaluation / control unit, the minimum air quantity L _{min is} calculated from the measured values and the constant combustion air flow. Alternatively, the minimum oxygen quantity or the minimum oxygen requirement can also be calculated. From the Minimum amount of air L _min or the minimum oxygen quantity is determined by means of a correlation of the calorific value and / or the Wobbeindex and derived from one of the values, a control signal for setting or controlling an actuator in the fuel line and / or an actuating signal in the combustion air line.

Somit wird die Mindestluftmenge L_min, der Heizwert oder der Wobbeindex als Parameter für die Verstellung des Brennstoffstroms und/oder des Luftstroms zu dem Brenner und folglich zur Veränderung des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses verwendet. Ein Wechsel der Gasart bzw. der Gasbeschaffenheit in der öffentlichen Gasversorgung kann erfasst werden und das Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses angepasst bzw. konstant gehalten werden, so dass die Verbrennung trotz anderer Zusammensetzung des Brennstoffes optimal ist.Thus, the minimum amount of air L _min, the calorific value or the Wobbe index is used as a parameter for adjusting the fuel flow and / or the air flow to the burner and thus changing the fuel / combustion air ratio. A change in the gas type or the gas quality in the public gas supply can be detected and the fuel / combustion air ratio adjusted or kept constant, so that the combustion is optimal despite the different composition of the fuel.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass zwischen dem Mindestluftbedarf bzw. der Mindestluftmenge L_min oder der Mindestsauerstoffmenge und dem Heizwert von Brennstoffen eine funktionale Abhängigkeit besteht. Andere korrelative Ansätze werden nicht benötigt.The invention is based on the finding that a functional dependency exists between the minimum air requirement or the minimum air quantity L _min or the minimum oxygen quantity and the calorific value of fuels. Other correlative approaches are not needed.

Aus

folgt bei konstant gehaltenem Luftverhältnis, bekanntem Luftvolumenstrom V_L, den Messwerten Temperatur T_L und Druck p_L der Verbrennungsluft, den Messwerten Brennstoffvolumenstrom V_B, Temperatur T_B und Druck p_B des Brennstoffes der minimale Luftbedarf L_min.Out

follows at a constant air ratio, known air volume flow V _L , the measured values of temperature T _L and pressure p _L combustion air, the measured values of fuel volume flow V _B , temperature T _B and pressure p _{B of} the fuel minimum air requirement L _min .

Aus dem Heizwert lässt sich der Wobbeindex ermitteln. In der Auswerte-/Steuereinheit werden als Eingangsgrößen für die Berechnung der Mindestluftmenge L_min oder der Mindestsauerstoffmenge nur verbrennungstechnische Kenndaten verwendet. Diese Lösung hat den in der Praxis bedeutsamen Vorteil, dass die Investitions- und Wartungskosten der Einrichtung zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Verhältnisses von Brennstoff und Verbrennungsluft sehr gering sind. Als weiterer Vorteil sei das sehr schnelle Ansprechen auf Beschaffenheitswechsel des Brennstoffes erwähnt. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung werden erhöhte Schadstoffemissionen, Produktionsfehler und Wirkungsgradeinbußen als Folge von Wechseln der Beschaffenheit des Brennstoffes, insbesondere von Wechseln der Beschaffenheit von Erdgas verhindert.From the calorific value, the Wobbe index can be determined. In the evaluation / control unit, only combustion characteristics are used as input variables for the calculation of the minimum air quantity L _min or the minimum oxygen quantity. This solution has the significant advantage in practice that the investment and maintenance costs of the device for adjusting, controlling or regulating the ratio of fuel and combustion air are very low. Another advantage is the very fast response to changes in the quality of the fuel mentioned. With the device according to the invention increased pollutant emissions, production errors and loss of efficiency as a result of changing the nature of the fuel, in particular changes in the nature of natural gas are prevented.

Vorteilhafterweise wird der aus der Mindestluftmenge L_min ermittelte Heizwert oder der Wobbeindex mit einem vorgegebenen Heizwert oder Wobbeindex verglichen und bei Abweichung des ermittelten Wertes von dem vorgegebenen Wert das Stellsignal zum Verstellen des Stellglieds in der Brennstoffleitung und/oder des Stellglieds in der Verbrennungsluftleitung verzeugt.Advantageously, the calorific value or the Wobbe index determined from the minimum amount of air L _{min is} compared with a predetermined calorific value or Wobbe index and if the determined value deviates from the predetermined value, the control signal for adjusting the actuator in the fuel line and / or the actuator in the combustion air line is calculated.

Vorzugsweise weist die Regeleinrichtung zum Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis des Hilfsbrenners mindestens einen Sensor auf, welcher in der Flamme des Hilfsbrenners eine dem Brennstoff-/Luftverhältnis analoge Verbrennungseigenschaft messtechnisch erfasst. Aus dem Messwert wird ein Signal zum Steuern eines steuerbaren Stellglieds in der Brennstoffzuführung erzeugt.Preferably, the control device for controlling the fuel / combustion air ratio of the auxiliary burner on at least one sensor, which detects in the flame of the auxiliary burner a fuel / air ratio analog combustion property by measurement. From the measured value, a signal for controlling a controllable actuator in the fuel supply is generated.

Nach der Erfindung ist der Hilfsbrenners als vollvormischender Brenner mit im wesentlichen geschlossener Brennkammer und der Sensor als Ionisationselektrode ausgebildet.According to the invention, the auxiliary burner is designed as a fully premixing burner with a substantially closed combustion chamber and the sensor as an ionization electrode.

Erfindungsgemäß wird die vorgegebene Luftzahl λ auf 0,8 bis 1,2 eingestellt. Bei einer vorzugsweisen Luftzahl λ von 1,0 wird nur das brenngasunabhängige Maximum des Ionisationsstromes ermittelt. Dies ist messtechnisch besonders einfach. Ferner wirkt sich der Alterungsprozesse der Elektrode nicht auf das Messergebnis aus.According to the invention, the predetermined air ratio λ is set to 0.8 to 1.2. With a preferred air ratio λ of 1.0, only the fuel gas-independent maximum of the ionization current is determined. This is particularly easy metrologically. Furthermore, the aging process of the electrode does not affect the measurement result.

Vorzugsweise ist die Dosiereinrichtung in der Verbrennungsluftzuführung des Hilfsbrenners als Gebläse ausgebildet, das vorzugsweise eine Drehzahlerfassung aufweist und dessen Drehzahl konstant gehalten wird.Preferably, the metering device is designed as a fan in the combustion air supply of the auxiliary burner, which preferably has a speed detection and whose speed is kept constant.

Nach einem Merkmal der Erfindung ist die stoffwertabhängige Durchfluss-Messeinrichtung in der Brennstoffzuführung des Hilfsbrenners als Drosselgerät zur Durchflussmessung nach dem Wirkdruckprinzip, vorzugsweise als Messblende, ausgebildet.According to a feature of the invention, the material value-dependent flow-measuring device in the fuel supply of the auxiliary burner as a throttle device for flow measurement according to the differential pressure principle, preferably as a metering orifice, is formed.

Alternativ kann die stoffwertabhängige Durchfluss-Messeinrichtung in der Brennstoffzuführung des Hilfsbrenners als Massen-Durchflussmessgerät ausgebildet sein.Alternatively, the material value-dependent flow-measuring device may be formed in the fuel supply of the auxiliary burner as a mass flow meter.

Nach der Erfindung ist die stoffwertunabhängige Durchfluss-Messeinrichtung in der Brennstoffzuführung des Hilfsbrenners als Verdrängungszähler zur Durchflussmessung nach dem Verdrängungsprinzip, vorzugsweise als Flügelradzähler, ausgebildet. Aus der Differenz der beiden Messungen kann auf einfache Art und Weise auf die Dichte des Brennstoffes geschlossen werden.According to the invention, the material value independent flow-measuring device in the fuel supply of the auxiliary burner as a displacement meter for flow measurement according to the displacement principle, preferably as an impeller. From the difference of the two measurements can be concluded in a simple manner on the density of the fuel.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe der Erfindung gemäß Anspruch 14 gelöst durch ein Verfahren zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses zum Betreiben eines Brenners, dem ein Brennstoffstrom mittels einer Brennstoffleitung und ein Verbrennungsluftstrom mittels einer Verbrennungsluftleitung zugeführt werden, mit einem Hilfsbrenner, dem Brennstoff mittels einer Brennstoffzuführung und Verbrennungsluft mittels einer Verbrennungsluftzuführung zugeführt werden, wobei die Brennstoffzuführung des Hilfsbrenners an die Brennstoffleitung angeschlossen ist und wobei

a) das Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnis des Hilfsbrenners konstant gehalten wird, wobei die Luftzahl λ vorgegeben wird.
b) der Durchfluss der Verbrennungsluft in der Verbrennungsluftzuführung des Hilfsbrenners mittels einer Dosiervorrichtung konstant gehalten wird,
c) der Druck und die Temperatur der Verbrennungsluft gemessen werden,
d) der Durchfluss des Brennstoffes in der Brennstoffzuführung mit einer stoffwertabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung und einer stoffwertunabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung gemessen wird,
e) der Druck und die Temperatur des Brennstoffes gemessen werden,
f) mittels einer Auswerte-/Steuereinheit aus den Messwerten und dem Verbrennungsluftdurchfluss die Mindestluftmenge L_min berechnet und aus der Mindestluftmenge L_min mittels einer Korrelation der Heizwert und/oder der Wobbeindex ermittelt und ein Stellsignal zum Erhöhen oder Verringern des Brennstoffstroms und/oder des Verbrennungsluftstroms zum Brenner abgeleitet werden.

Methodologically, the object of the invention according to claim 14 is achieved by a method for setting, controlling or regulating the fuel / combustion air ratio for operating a burner, the fuel flow by means of a fuel line and a combustion air stream are supplied by means of a combustion air duct, with an auxiliary burner, the fuel is supplied by means of a fuel supply and combustion air by means of a combustion air supply, wherein the fuel supply of the auxiliary burner is connected to the fuel line and wherein

a) the fuel combustion air ratio of the auxiliary burner is kept constant, wherein the air ratio λ is specified.
b) the flow of the combustion air in the combustion air supply of the auxiliary burner is kept constant by means of a metering device,
c) the pressure and the temperature of the combustion air are measured,
d) the flow rate of the fuel in the fuel supply is measured with a substance-value-dependent flow-measuring device and a material-independent flow-measuring device,
e) the pressure and the temperature of the fuel are measured,
f) by means of an evaluation / control unit from the measured values and the combustion air flow, the minimum amount of air L _min calculated and determined from the minimum amount of air L _min by means of a correlation of the calorific value and / or the Wobbeindex and an actuating signal for increasing or decreasing the fuel flow and / or the combustion air flow are derived to the burner.

Gemäß der Erfindung werden der Heizwert oder der Wobbeindex mit einem vorgegebenen Wert verglichen und das Stellsignal bei Abweichung des ermittelten Wertes von dem vorgegebenen Wert erzeugt.According to the invention, the calorific value or the Wobbe index are compared with a predetermined value, and the actuating signal is generated at the deviation of the determined value from the predetermined value.

Erfindungsgemäß beträgt die Luftzahl λ des Hilfsbrenners 0,8 bis 1,2, vorzugsweise beträgt die Luftzahl λ des Hilfsbrenners 1,0.According to the invention, the air ratio λ of the auxiliary burner is 0.8 to 1.2, preferably the air ratio λ of the auxiliary burner is 1.0.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment of the device according to the invention in conjunction with the drawing.

Zeichnung zeigt inDrawing shows in

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung; 1 a schematic representation of a device according to the invention;

2 ein Diagramm mit dem Heizwert H_u als Funktion des Mindestsauerstoffbedarfes. 2 a diagram with the heating value H _u as a function of the minimum oxygen demand.

Die Einrichtung nach 1 zeigt einen Brenner 1, der als Diffusionsbrenner ausgebildet ist und der mit Erdgas betrieben wird. Die Flamme des Brenners mündet in einem Ofenraum 2 eines Industrieofens. Der Brenner 1 ist an eine Brenngasleitung 3 für die Zuführung eines Brennstoffstroms und eine Verbrennungsluftleitung 4 für die Zuführung eines Luftstroms angeschlossen.The furnishings after 1 shows a burner 1 , which is designed as a diffusion burner and which is operated with natural gas. The flame of the burner opens into a furnace room 2 an industrial furnace. The burner 1 is to a fuel gas line 3 for the supply of a fuel flow and a combustion air duct 4 connected for the supply of airflow.

In der Brenngasleitung 3 befindet sich ein Stellglied 5 in Form eines steuerbaren Ventils zur Einstellung des Brenngasdurchflusses. Die Verbrennungsluftleitung 4 ist an ein VerbrennungsluftgebIäse 6 angeschlossen und weist ein zweites Stellglied 7 in Form eines steuerbaren Ventils auf.In the fuel gas line 3 there is an actuator 5 in the form of a controllable valve for adjusting the fuel gas flow. The combustion air line 4 is on a combustion air blower 6 connected and has a second actuator 7 in the form of a controllable valve.

Ein vollvormischender Hilfsbrenner 8, der lediglich eine kleine Leistung hat, beispielsweise 1 kW, ist an eine Verbrennungsluftzuführung 9 mit einer Dosiervorrichtung 10 in Form eines Gebläses angeschlossen, welches eine nicht dargestellte Drehzahlerfassung aufweist. Das Gebläse hat eine konstante überwachte Drehzahl. Somit liefert es immer denselben Luftvolumenstrom. Gesamtdruck und Temperatur der Verbrennungsluft werden mittels eines ersten Druckmessgerätes 11 und einem ersten Temperaturmessgerätes 12 gemessen, womit der Zustand der Luft erfasst ist.A vollvormischender auxiliary burner 8th which has only a small power, for example, 1 kW, is to a combustion air supply 9 with a metering device 10 connected in the form of a blower, which has a speed detection, not shown. The fan has a constant monitored speed. Thus, it always delivers the same air flow. Total pressure and temperature of the combustion air are measured by means of a first pressure gauge 11 and a first temperature measuring device 12 measured, whereby the state of the air is detected.

Ferner ist der Hilfsbrenner an eine Brennstoffzuführung 13 in Form einer Brenngas-Zweigleitung angeschlossen, die von der Brenngasleitung 3 abgeht. Mittels einer stoffwertabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung 14 in Form einer Messblende und einer stoffwertunabhängigen Durchfluss-Messeinrichtung 15 in Form eines Flügelradzählers wird der Durchfluss des Brennstoffes gemessen. Mittels der beiden Messungen wird die Dichte des Brennstoffes ermittelt. Die Temperatur und der Druck des Brennstoffes werden mit einem zweiten Druckmessgerät 16 und einem zweiten Temperaturmessgerät 17 gemessen.Further, the auxiliary burner to a fuel supply 13 connected in the form of a fuel gas branch line from the fuel gas line 3 going on. By means of a material value-dependent flow measuring device 14 in the form of an orifice plate and a material-independent flow measuring device 15 in the form of an impeller meter, the flow rate of the fuel is measured. The density of the fuel is determined by means of the two measurements. The temperature and the pressure of the fuel are measured with a second pressure gauge 16 and a second temperature measuring device 17 measured.

Eine Regeleinrichtung 18 zum Regeln des Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnisses des Hilfsbrenners weist einen Sensor 18a auf, welcher in der Flamme des Hilfsbrenners 8 eine dem Brennstoff-Verbrennungsluft-Verhältnis analoge Verbrennungseigenschaft erfasst. Der Sensor 18a ist als Ionisationselektrode ausgebildet, der an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Ionisationselektrode liefert in Abhängigkeit von dem Brennstoff-/Verbrennungsluftverhältnis Signale, die in einer Auswerte-/Regeleinheit 19 mit Sollwerten verglichen werden. Die Auswerte-/Regeleinheit 19 liefert jeweils in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Sollwerten und Istwerten ein Stellsignal für ein dem Stellglied 20 in der Brennstoffzuführung 13 zugeordneten Stellantrieb.A control device 18 for controlling the fuel-combustion air ratio of the auxiliary burner has a sensor 18a on which in the flame of the auxiliary burner 8th detects a fuel combustion air ratio analog combustion property. The sensor 18a is formed as an ionization electrode which is connected to a voltage source. Depending on the fuel / combustion air ratio, the ionization electrode delivers signals that are present in an evaluation / control unit 19 be compared with setpoints. The evaluation / control unit 19 provides in each case depending on the difference between setpoints and actual values, a control signal for a the actuator 20 in the fuel supply 13 associated actuator.

Erfindungsgemäß beträgt die vorgegebene Luftzahl λ 0,8 bis 1,2. Bei einer vorzugsweisen Luftzahl λ von 1,0 wird nur das brenngasunabhängige Maximum des Ionisationsstroms ermittelt. Dies ist messtechnisch besonders einfach. Ferner wirkt sich der Alterungsprozesse der Elektrode nicht auf das Messergebnis aus.According to the invention, the predetermined air ratio λ is 0.8 to 1.2. With a preferred air ratio λ of 1.0, only the fuel gas-independent maximum of the ionization current is determined. This is particularly easy metrologically. Furthermore, the aging process of the electrode does not affect the measurement result.

Mittels einer Auswerte-/Steuereinheit 19 wird kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen, z. B. einigen Sekunden, aus den Messwerten und dem Verbrennungsluftdurchfluss die Mindestluftmenge L_min bzw. der Mindestsauerstoffbedarf berechnet wird. Mittels einer Korrelation wird aus der Mindestluftmenge L_min bzw. dem Mindestsauerstoffbedarf der aktuelle Heizwert bzw. der Brennwert und/oder der Wobbeindex ermittelt und aus der Mindestluftmenge L_min, dem Heizwert oder dem Wobbeindex ein Stellsignal zum Stellen oder Steuern des Ventils in der Brenngasleitung abgeleitet.By means of an evaluation / control unit 19 is continuously or at predetermined intervals, z. B. a few seconds, from the measured values and the combustion air flow, the minimum amount of air L _min or the minimum oxygen demand is calculated. By means of a correlation is determined from the minimum amount of air L _min and the minimum oxygen requirements of the current calorific value and the calorific value and / or Wobbe index and derived from the minimum amount of air L _min, the calorific value or the Wobbe index, a control signal for setting or controlling the valve in the fuel gas line ,

In 2 ist der spezifische untere Heizwert H_u als Funktion des spezifischen Mindestsauerstoffbedarfes dargestellt. Der Mindestsauerstoffbedarf ist die Sauerstoffmenge, die zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes benötigt wird. Da der Mindestsauerstoffbedarf bzw. der Mindestluftbedarf korrelieren, so dass letzterer bekannt ist.In 2 the specific lower heating value H _{u is shown} as a function of the specific minimum oxygen requirement. The minimum oxygen requirement is the amount of oxygen needed to completely burn the fuel. Since the minimum oxygen requirement or the minimum air requirement correlate so that the latter is known.

Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann die momentane Luftzahl beispielsweise über eine CO-, CO2- oder eine O2-Messung im Flammenbereich bzw. im Abgas ermittelt werden. Die Messungen und Berechnungen können zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen. Vorhandene Brenner können erfindungsgemäß mit einem Hilfsbrenner nachgerüstet. Heizwert und/oder Wobbeindex können angezeigt oder weiter verarbeitet werden.In the context of the invention are readily given Abwandlungsmöglichkeiten. Thus, the instantaneous air ratio can be determined, for example, via a CO, CO2 or O 2 measurement in the flame area or in the exhaust gas. The measurements and calculations can be made at predetermined times. Existing burners can be retrofitted according to the invention with an auxiliary burner. Calorific value and / or Wobbe index can be displayed or further processed.

Claims

Device for setting, controlling or regulating the fuel / combustion air ratio for operating a burner ( 1 ) connected to a fuel line ( 3 ) and a combustion air line ( 4 ), with an auxiliary burner ( 8th ), which is a fuel supply ( 13 ) and a combustion air supply ( 9 ), wherein the fuel supply ( 13 ) of the auxiliary burner to the fuel line ( 3 ) is connected to a control device ( 18 ) for controlling the fuel / combustion air ratio of the auxiliary burner ( 8th ) such that a predetermined air ratio λ of the auxiliary burner is kept constant, with a metering device ( 10 ) for keeping constant the combustion air flow in the combustion air supply ( 9 ) of the auxiliary burner ( 8th ), with a first pressure gauge ( 11 ) and a first temperature measuring device ( 12 ) in the combustion air supply ( 9 ) of the auxiliary burner ( 8th ), with a material value-dependent flow measuring device ( 14 ), a substance-independent flow measuring device ( 15 ), a second pressure gauge ( 16 ) and a second temperature measuring device ( 17 ) in the fuel supply ( 13 ) of the auxiliary burner ( 8th ), with an evaluation / control unit ( 19 ) is calculated by means of from the measured values and the combustion air flow, the minimum amount of air L _min and determined from the minimum amount of air L _min by means of a correlation of the calorific value and / or the Wobbeindex and a signal for adjusting an actuator ( 5 ) in the fuel line ( 3 ) and / or an actuator ( 7 ) in the combustion air line ( 4 ) is derived.

Device according to claim 1, characterized in that the calorific value or the Wobbe index is compared with a predetermined value and the signal for adjusting the actuator ( 5 ) in the fuel line ( 3 ) and / or an actuator ( 7 ) in the combustion air line ( 4 ) is generated at deviation of the determined value from the predetermined value.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the control device ( 18 ) for controlling the fuel / combustion air ratio of the auxiliary burner at least one sensor ( 18a ), which in the flame of the auxiliary burner ( 8th ) metrologically records a combustion characteristic analogous to the fuel / combustion air ratio and that the control device ( 18 ) as a function of the measured values control signals for a controllable actuator ( 20 ) in the fuel supply ( 13 ) generated.

Device according to claim 3, characterized in that the auxiliary burner ( 8th ) as a fully premixing burner with a substantially closed combustion chamber and the sensor ( 18a ) is formed as an ionization electrode.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the air ratio λ of the auxiliary burner ( 8th ) Is 0.8 to 1.2.

Device according to claim 5, characterized in that the air ratio λ of the auxiliary burner ( 8th ) Is 1.0.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the metering device ( 10 ) in the combustion air supply ( 9 ) of the auxiliary burner ( 8th ) is designed as a fan whose speed is kept constant.

Device according to claim 7, characterized in that the fan has a speed detection.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the material value-dependent flow measuring device ( 14 ) in the Fuel supply ( 13 ) of the auxiliary burner ( 8th ) is designed as a throttle device for flow measurement according to the differential pressure principle.

Device according to claim 9, characterized in that the material value-dependent flow measuring device ( 14 ) is designed as a metering orifice.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the material value-dependent flow measuring device ( 14 ) in the fuel supply ( 13 ) of the auxiliary burner ( 8th ) is designed as a mass flowmeter.

Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the material value independent flow measuring device ( 15 ) in the fuel supply ( 13 ) of the auxiliary burner ( 8th ) is designed as a displacement meter for flow measurement according to the displacement principle.

Device according to claim 12, characterized in that the material value independent flow measuring device ( 15 ) is designed as a vane wheel counter.

Method for setting, controlling or regulating the fuel / combustion air ratio for operating a burner to which a fuel flow by means of a fuel line ( 3 ) and a combustion air flow by means of a combustion air duct ( 4 ), with an auxiliary burner, the fuel by means of a fuel supply ( 13 ) and combustion air by means of a combustion air supply ( 9 ), wherein the fuel supply ( 13 ) of the auxiliary burner to the fuel line ( 3 a) the fuel / combustion air ratio of the auxiliary burner is kept constant, the air ratio λ is given, b) the flow of combustion air in the combustion air supply of the auxiliary burner is kept constant by means of a metering device, c) the pressure and Temperature of the combustion air is measured, d) the flow of the fuel in the fuel supply with a substance-dependent flow measuring device and a material value independent flow measuring device are measured, e) the pressure and the temperature of the fuel is measured, f) by means of an evaluation / control unit from the measured values and the combustion air flow, the minimum amount of air L _min calculated and determined from the minimum amount of air L _min by means of a correlation of the calorific value and / or Wobbeindex and an actuating signal for increasing or decreasing the fuel flow and / or the combustion air flow to the burner abgelei be.

A method according to claim 14, characterized in that the calorific value or the Wobbe index compared with a predetermined value and the actuating signal is generated in deviation of the determined value of the predetermined value.

A method according to claim 14 or 15, characterized in that the air ratio λ of the auxiliary burner is 0.8 to 1.2.

A method according to claim 16, characterized in that the air ratio λ of the auxiliary burner is 1.0.