DE102007059701A1

DE102007059701A1 - Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners

Info

Publication number: DE102007059701A1
Application number: DE102007059701A
Authority: DE
Inventors: Heiner Dr. Hüppelshäuser
Original assignee: Gaswaerme Inst E V; Gaswarme-Institut Ev
Current assignee: Gaswaerme Inst E V; Gaswarme-Institut Ev
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners, dem Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt werden, mit einer Brennkammer (3), an die sich eine Abgasführung (4) anschließt, mit einer Messsonde (10), insbesondere einer Ionisations-Elektrode, die in der Flamme oder im Abgas eine für die Luftzahl lambda charakteristische Messgröße erfasst und ein Luftzahl-Messsignal einer Regel-/Auswerteeinheit (9) zuführt, welche das Luftzahl-Messsignal mit einem Sollwert vergleicht und die Luftzahl lambda auf den Sollwert einstellt. Erfindungsgemäß erfasst ein Detektor (11) eine für eine thermoakustische Schwingung charakteristische Messgröße und führt ein Thermoakustik-Messsignal der Regel-/Auswerteeinheit zu. In Abhängigkeit von dem Thermoakustik-Messsignal wird die Luftzahl lambda verändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners, dem Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt werden, mit einer Brennkammer, an die sich eine Abgasführung anschließt, mit einer Messsonde, insbesondere einer Ionisations-Elektrode, die in der Flamme oder im Abgas eine für die Luftzahl charakteristische Messgröße erfasst und ein Luftzahl-Messsignal einer Regel-/Auswerteeinheit zuführt, welche das Luftzahl-Messsignal mit einem Sollwert vergleicht und die Luftzahl auf den Sollwert einstellt.
Die Luftzahl, auch Verbrennungsluftverhältnis λ (Lambda) genannt, ist eine Zahl, mit der die Gemischzusammensetzung bestehend aus Verbrennungsluft und Brenngas beschrieben wird. Das Verbrennungsluftverhältnis setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird.
Die Brennkammer ist der Raum, in dem die Verbrennung des Brenngas-Luftgemisches stattfindet.
In haushaltlichen Gasheizungskesseln werden zunehmend sogenannte vollvormischende Gasbrenner eingesetzt, die nur geringe NOx-Emissionen erzeugen. Bei Industriefeuerungen sowie Gasturbinenbrennern werden zunehmend Vormischbrenner eingesetzt. Bei Vormischbrennern wird Brenngas und mindestens die für die vollständige Verbrennung notwendige Verbrennungsluftmenge vor der mindestens einen Öffnung des Brenners, an denen sich die Flammen bilden, vorgemischt. Die Verbrennungsluft wird meistens mittels eines Gebläses zugeführt.
Vormischbrenner, insbesondere voll vormischende Brenner neigen unter bestimmten Randbedingungen zu thermoakustischen Schwingungen, die im Anlagenbetrieb erhebliche Geräuschemissionen in dem Aufstellungsraum des Gasheizkessels verursachen können.
Verbrennungsgeräusche können verschiedene Ursachen haben. Beispielsweise können aerodynamische Geräusche durch turbulente Strömungsvorgänge bei der Vermischung von Brenngas und Verbrennungsluft entstehen. Weiterhin können Flammengeräusche als Folge der bei der Verbrennungsreaktion auftretenden Volumenveränderungen oder flammenerregte Hohlraumschwingungen, die durch Rückwirkung der Druckschwankungen im System Heizkesse/Abgassabführung auf die Flammenfront erzeugt werden. Derartige Verbrennungsschwingungen verursachen häufig große Lärmemissionen und/oder mechanischen Belastungen der Brenner und/oder der Brennkammer.
Moderne Gasbrenner in Gasheizungskesseln arbeiten mit Luftzahl-Regelungen, die eine Messsonde aufweisen, welche in der Flamme oder im Abgas einen für die Luftzahl λ (Lambda) charakteristischen Wert messen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Ionisationsstrommessung in der Flamme oder um die Sauerstoffkonzentration oder CO-Konzentration im Abgas handeln.
Bei einem bekannten Verfahren wird das von einer Ionisationselektrode gelieferte Ionisationssignal elektronisch aufbereitet, um eine Aussage über die Flammentemperatur und damit über die Luftzahl zu erhalten. Das Verfahren ermöglicht es, die Luftzahl bei Brenngasen unterschiedlicher Zusammensetzung bzw. Qualität konstant zu halten und somit eine schadstoffarme Verbrennung zu realisieren.
Der Einsatz derartiger Verbrennungsregelungen vermeidet nicht von vornherein thermoakustische Schwingungen, da das akustische Verhalten des gesamten Systems von Brenner, Kessel und Abgasanlage in der Praxis einer sehr großen Spannbreite unterliegt und insbesondere das Verhalten der verschiedenen Abgassysteme hier relevant ist. Geräusche aufgrund von thermoakustischen Schwingungen können insbesondere beim Start oder beim Gaswechsel in der öffentlichen Gasversorgung entstehen.
Derzeit existieren keine Möglichkeiten im Rahmen von Entwicklungs- und Konstruktionsarbeiten, das akustische Verhalten von Brennern vorherzusagen. Daher sind bei der Entwicklung neuer Heizkessel äußerst umfangreiche Tests erforderlich, um die Neigung eines Brenners bzw. eines Kessels zu thermoakustischen Schwingungen unter allen in der Praxis möglichen Betriebsbedingungen abzuklären.
Die Gerätehersteller beziffern den hierdurch bedingten Entwicklungsaufwand mit ca. 50% aller Aufwendungen bei der Entwicklung neuer Brenner.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art so weiterzubilden, dass Geräuschemissionen aufgrund von thermoakustischen Schwingungen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruches 1 gelöst.
Mittels eines Detektors bzw. eines Akustiksensors werden die Schallemissionen der Verbrennung überwacht und eine für eine thermoakustische Schwingung charakteristische Messgröße erfasst und ein entsprechendes Messsignal der Regel-/Auswerteeinheit zugeführt. In Abhängigkeit von dem Thermoakustik-Messsignal wird die Luftzahl so verändert, bis entweder keine thermoakustischen Schwingungen mehr vorhanden sind oder diese vernachlässigbar gering sind.
Zusätzlich zu einer Verbrennungsregelung auf Basis einer Ionisationsstrommessung oder einer Messung von Abgasparametern wird mittels der Detektion von thermoakustischen Schwingungen Luftzahlveränderungen initiiert, um den Brenner in einen thermodynamisch unbedenklichen Betriebsbereich einzuregeln.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass der gerätetechnische Aufwand sehr gering ist, weil die ohnehin vorhandene Regel-/Auswerteeinheit auch für die Auswertung des Thermoakustik-Messsignals, welches für eine thermoakustische Schwingung charakteristisch ist sowie für die Veränderung der Luftzahl in Abhängigkeit von dem Thermoakustik-Messsignal genutzt werden kann. Erheblicher Zeit- und Kostenaufwand bei der Entwicklung neuer Heizkessel, um die Neigung eines Brenners bzw. eines Kessels zu thermoakustischen Schwingungen unter allen in der Praxis möglichen Betriebsbedin gungen abzuklären, wird vermieden. Schalldämpfende Einbauten sind nicht erforderlich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
Erfindungsgemäß wird das Thermoakustik-Messsignal gefiltert, um ein Geräusch bzw. eine Schallemission als thermoakustische Schwingung zu charakterisieren. Durch die Filterung wird eine Schallemission eindeutig als thermoakustische Schwingung identifiziert. Alternativ oder zusätzlich kann zu dem vorgenannten Zweck das Frequenzspektrum des Thermoakustik-Messsignals analysiert werden. Querempfindlichkeiten werden auf diese Weise vermieden. In der Regel-/Auswerteeinheit wird geprüft, ob das selektierte Signal einer thermodynamischen Schwingung typischerweise zuzuordnen ist.
Das Thermoakustik-Messsignal muss vorzugsweise einen vorgegebenen Schallpegel überschreiten.
Vorzugsweise erfolgt die Filterung und/oder die Frequenzanalyse des Thermoakustik-Messsignals in der Regel-/Auswerteeinheit wenigstens teilweise mittels einer Software.
Bei einer bevorzugten Regelstrategie wird der Brenner zunächst auf einen vorgegebenen Sollwert der Luftzahl, vorzugsweise auf die Luftzahl, die vom Hersteller vorgegeben wird, geregelt. Nach Detektion von thermoakustischen Schwingungen, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, wird die Luftzahl des Brenners schrittweise geändert, bis das Messsignal einen Grenzwert unterschreitet. Anschließend erfolgt ein Prüfzyklus hinsichtlich vollständiger und schadstoffarmer Verbrennung.
Nach der Erfindung wird die für eine thermoakustische Schwingung charakterisierende Messgröße an mindestens einer Messstelle im Abgasweg gemessen werden. Dies kann vorzugsweise eine Messstelle hinter einem Wärmetauscher oder in der Abgasführung sein. Dies hat den Vorteil dass der Detektor keinen besonderen Temperaturstabilitäten genügen muss.
Vorzugsweise ist der Detektor als Mikrofon oder Schwingungsmessgerät ausgebildet.
Abweichend davon besteht auch die Möglichkeit, dass der Detektor die thermoakustischen Schwingungen mittels eines hochauflösenden Geschwindigkeitsmessverfahrens misst.
Zur Verbesserung der Eigensicherheit und der Langzeitstabilität sendet eine Schallquelle in vorgegebenen Abständen Geräusche, die für thermoakustische Schwingungen charakteristisch sind, zur Überprüfung des Detektors aus. Im Rahmen einer Selbstkalibrierung wird geprüft, ob der Detektor das Signal empfängt. Sollte dies nicht erfolgen, wird eine Störmeldung angezeigt.
Vorzugsweise wird zur Veränderung der Luftzahl die Luftmenge verändert. Dies hat den Vorteil, dass sich die Leistung des Brenners nicht verändert. Sofern der Brennkammer die Verbrennungsluft mittels eines Gebläses zugeführt wird, wird zur Veränderung der Luftzahl die Drehzahl des Gebläses verändert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Regelung eines Gasbrenners.
Ein haushaltlicher Gasheizkessel 1 weist einen Brenner 2 auf, an den sich eine Brennkammer 3 mit einer Abgasführung 4 anschließt. In der Brennkammer 3 befindet sich ein Wärmetauscher 5. Dem Brenner 2 wird Brenngas mittels einer Brenngasleitung 6 zugeführt, welche in dargestellter Weise an die öffentliche Gasversorgung angeschlossen ist. Die gesamte Verbrennungsluft wird dem Brenner mittels einer Verbrennungsluftleitung 7 mit einem Gebläse 8 zugeführt, dessen Drehzahl regelbar ist.
Eine Regel-/Auswerteeinheit 9 gibt zu einer vorgegebenen Brennerleistung ein Sollsignal für die Brenngasmenge und die Verbrennungsluftmenge vor.
Eine Messsonde 10 in Form einer Ionisations-Elektrode erfasst in der Flamme eine für die Luftzahl λ charakteristische Messgröße und führt der Regel-/Auswerteeinheit 9 ein Luftzahl-Messsignal zu, welches mit einem vergebenen Sollwert verglichen wird. Bei einem Gaswechsel in der öffentlichen Gasversorgung ändert sich die Luftzahl λ. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Messwert und dem Sollwert wird die Verbrennungsluftmenge verändert. Die Regelung ermöglicht es, die Luftzahl λ bei Brenngasen unterschiedlicher Zusammensetzung bzw. Qualität konstant zu halten und somit eine schadstoffarme Verbrennung zu realisieren.
Im Abgasweg hinter dem Wärmetauscher 5 befindet sich ein Detektor 11 zur Überwachung von Schallemissionen der Verbrennung und zur Messung einer Messgröße, die für eine thermoakustische Schwingung charakteristisch ist. Der Detektor 11 ist als Mikrofon ausgebildet. Der Detektor 11 erfasst eine für eine thermoakustische Schwingung charakteristische Messgröße und führt der Regel-/Auswerteeinheit 9 ein entsprechendes Thermoakustik-Messsignal zu. Das Thermoakustik-Messsignal kann bedarfsweise verstärkt werden. In der Regel-/Auswerteeinheit 9 erfolgt eine Filterung und/oder Frequenzanalyse wenigstens teilweise mittels einer nicht dargestellten Software.
Der Luftzahlbereich liegt bei Vormischbrennern für Gasheizkessel im Optimum zwischen 1,20 und 1,40. In Abhängigkeit von dem aufbereiteten Messsignal wird die Luftzahl um wenige Hundertstel verändert, indem die Drehzahl des Gebläses 8 in der Verbrennungsluftleitung 7 geändert wird.
Nach einer bevorzugten Regelstrategie wird der Brenner 2 zunächst auf den vom Hersteller vorgegebenen Sollwert der Luftzahl geregelt. Nach Detektion von thermoakustischen Schwingungen, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten, wird die Luftzahl des Brenners 2 so lange geändert, bis das Thermoakustik-Messsignal einen Grenzwert unterschreitet. Anschließend folgt ein Prüfzyklus hinsichtlich vollständiger und schadstoffarmer Verbrennung.
Mittels einer Schallquelle 12 werden in vorgegebenen Abständen Geräusche, welche für thermoakustische Schwingungen charakteristisch sind, zur Überprüfung des Detektors 11 ausgesendet. Damit werden dessen Eigensicherheit und die Langzeitstabilität gewährleistet. Im Rahmen einer Selbstkalibrierung wird geprüft, ob der Detektor das Test-Signal empfängt. Sollte dies nicht der Fall sein, wird eine Störmeldung angezeigt.
Im Rahmen der Erfindung sind ohne Weiteres Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann der Detektor 11 als Schwingungsmessgerät ausgebildet sein. Alternativ kann der Detektor 11 die thermoakustischen Schwingungen mittels einer hochauflösenden Geschwindigkeitsmessung messen. Der Detektor 11 kann in der Abgasführung 4 angeordnet werden. Es können mehrere Messstellen vorgesehen werden.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners, dem Brenngas und Verbrennungsluft zugeführt werden, mit einer Brennkammer (3), an die sich eine Abgasführung (4) anschließt, mit einer Messsonde (10), insbesondere einer Ionisations-Elektrode, die in der Flamme oder im Abgas eine für die Luftzahl λ charakteristische Messgröße erfasst und ein Luftzahl-Messsignal einer Regel-/Auswerteeinheit (9) zuführt, welche das Luftzahl-Messsignal mit einem Sollwert vergleicht und die Luftzahl λ auf den Sollwert einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (11) eine für eine thermoakustische Schwingung charakteristische Messgröße erfasst und ein Thermoakustik-Messsignal der Regel-/Auswerteeinheit (9) zuführt und dass in Abhängigkeit von dem Thermoakustik-Messsignal die Luftzahl λ verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoakustik-Messsignal gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum des Thermoakustik-Messsignals analysiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoakustik-Messsignal einen vorgegebenen Schallpegel überschreiten muss, um als thermoakustische Schwingung charakterisiert zu werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung und/oder Frequenzanalyse des Thermoakustik-Messsignals in der Regel-/Auswerteeinheit (9) wenigstens teilweise mittels einer Software erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, das der Brenner (2) zunächst auf einen vorgegebenen Sollwert der Luftzahl λ geregelt wird, dass anschließend die Luftzahl λ des Brenners so lange geändert wird, bis das Thermoakustik-Messsignal einen Grenzwert unterschreitet und dass anschließend ein Prüfzyklus hinsichtlich vollständiger und schadstoffarmer Verbrennung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine thermoakustische Schwingung charakteristische Messgröße an mindestens einer Messstelle im Abgasweg (4) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (11) als Mikrofon ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (11) als Schwingungsmessgerät ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (11) die thermoakustischen Schwingungen mittels einer hochauflösenden Geschwindigkeitsmessung misst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Schallquelle (12) in vorgegebenen Abständen Test-Schall, der für thermoakustische Schwingungen charakteristisch sind, zur Überprüfung des Detektors (11) ausgesendet werden und dass eine Störmeldung ausgegeben wird, wenn der Detektor (11) kein Test-Schallsignal empfängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das zur Veränderung der Luftzahl λ die Luftmenge verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner die Verbrennungsluft mittels eines Gebläses zugeführt wird und dass zur Veränderung der Luftzahl λ die Drehzahl des Gebläses verändert wird.