DE102009009314A1

DE102009009314A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern

Info

Publication number: DE102009009314A1
Application number: DE102009009314A
Authority: DE
Inventors: Jia Chen; Andreas Hangauer; Hans Link; Rainer Strzoda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-01-21
Also published as: US20120031167A1; EP2304320A2; WO2010003890A2; CN102077028A; WO2010003890A3

Abstract

Verfahren zur Regelung oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern unter Einsatz von Spektroskopie mit mindestens einer monochromatischen in der Wellenlänge durchstimmbaren Lichtquelle, wobei ein Absorptionsspektrum eines Messgases in einer Absorptionsstrecke mit der spektralen Durchstimmung der Lichtquelle mit mindestens einem Photodetektor aufgenommen wird, wobei die Konzentration der Zielgase Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4) gleichzeitig während einer Durchstimmung der Lichtquelle ermittelbar ist, sowie Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens bestehend aus einer monochromatischen Laserdiode, insbesondere einer VCSEL, einer Absorptionsstrecke, die im Abgasbereich oder in einem durch Leckage gefährdeten Raum positioniert ist, einem Photodetektor zur Aufnahme des durch die Absorptionsstrecke hindurchgetretenen Lichtes, einer Auswerteeinheit zur Ermittlung der Konzentration von Zielgasen aus dem überstrichenen Absorptionsspektrum bei einer Durchstimmung des Lasers oder der Laserdiode. Anwendung: Laseroptische Gassensoren bei Gasfeuerungsanlagen.

Description

Die Erfindung betrifft die simultane Erfassung der Konzentration von Kohlenmonoxid und Methan mit Laserabsorptionsspektroskopie. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt. Verfahren und Vorrichtung dienen zur Regelung und/oder zur Überwachung von Feuerungsanlagen beziehungsweise von Gebäuden, in denen Gasbrenner eingesetzt werden.
Es wird die physikalische Gegebenheit ausgenutzt, dass in den Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid (CO), beispielsweise bei einer Wellenlänge von 2,35 µm, neben der Absorptionslinie von Kohlenmonoxid auch die Absorptionslinien von Methan (CH4) oder auch von Wasser (H2O) auftreten. Mit der Auswertung des Spektrums, welches bei Laserspektroskopie betrachtet wird, lassen sich die Konzentrationen sämtlicher im Messgas vorhandener Gase, die eine Absorptionslinie in diesem Bereich aufweisen, ermitteln.
Für die Detektion von einem oder mehreren Gasen in einer Absorptionsstrecke lassen sich unter Anwendung von Spektroskopie, insbesondere Laserspektroskopie, mehrere Gase und deren Konzentration ermitteln. Für die simultane Erfassung der drei oben genannten Gaskomponenten wird eine einzige monochrome abstimmbare Lichtquelle benötigt. Insbesondere kann als Lichtquelle ein sogenannter VCSEL eingesetzt werden. Dies ist ein kleiner Hochleistungslaser, der in der optischen Übertragungstechnik verwendet wird. Dieser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) zeichnet sich durch eine hohe Datenrate aus und benötigt gleichzeitig eine geringe Energieaufnahme.
Im Stand der Technik sind weiterhin Metalloxid Halbleitergassensoren bekannt, die gleichzeitig mindestens zwei Gase in einem Messgasvolumen erfassen können. Diese Sensoren erfordern jedoch, dass eine gassensitive Schicht auf unterschiedliche Temperaturniveaus gebracht wird, so dass für die jeweilige Detektion eines Gases die gassensitive Schicht die optimale Temperatur aufweist. Dies ist verbunden mit Temperaturwechselvorgängen beziehungsweise mit Aufheiz- und Abkühlvorgängen.
Für bestimmte feuerungstechnische Regelungen oder Überwachungen sind sehr kurze Reaktionszeiten in einem Heizgas Regelungs- oder Sicherheitssystem gewünscht. Derartige Reaktionszeiten der Sensoren zur Messung von mindestens zwei Gaskomponenten lassen sich jedoch mit Metalloxid-Halbleitersensoren nicht darstellen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur simultanen Erfassung der Konzentration von Kohlenmonoxid und Methan bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination der entsprechenden Hauptansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung von Spektroskopie mit monochromatischen in der Wellenlänge durchstimmbaren Lichtquellen. Hierzu werden insbesondere Laserdioden verwendet.
Die Erfindung beruht auf der gleichzeitig Erfassung der Kohlenmonoxid- und Methankonzentration bei der Spektroskopie mit einer monochromatischen in der Wellenlänge durchstimmbaren Lichtquelle, insbesondere Laserspektroskopie, wobei Messgas in einer Absorptionsstrecke beaufschlagt wird und mittels eines Photodetektors ein Absorptionsspektrum des in einer Ab sorptionsstrecke befindlichen Messgases aufgenommen wird, wobei mindestens die Absorptionsbanden von Kohlenmonoxid und von Methan vorhanden sind. Für die Zwecke einer Regelung und/oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern ist der Einsatz dieses Verfahrens mit wesentlichen Vorteilen verbunden.
Die simultane Konzentrationsmessung von Kohlenmonoxid und Methan mit einer monochromen durchstimmbaren Lichtquelle, beispielsweise einem VCSEL, ermöglicht insbesondere drei Anwendungen:

1. Regelung von Feuerungsanlagen
2. Sicherheitsüberwachungen von Feuerungsanlagen
3. Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern

Zur schnellen Erfassung der Konzentrationen von sowohl Kohlenmonoxid als auch Methan ist es vorteilhaft, eine Laserdiode, insbesondere einen VCSEL einzusetzen. Die Auswahl der Frequenz der Laserdiode geschieht derart, dass bei einer monochromen Abstimmung die Absorptionsbanden von sowohl Kohlenmonoxid als auch Methan überstrichen werden. Ausgewertet werden aufgenommene Absorptionsspektren nicht nur nach der Existenz dieser Gase, sondern es werden die Konzentrationen der Gase ermittelt. Dies kann durch die Auswertung der entsprechenden Amplituden bei jeweiligen Banden geschehen.
Es ist besonders vorteilhaft eine Referenzgaszelle entweder direkt in einem Abgasstrom einer Feuerungsanlage, beziehungsweise in einem Bypass, zu positionieren. Die Referenzzelle enthält vorteilhafter Weise zumindest ein Zielgas, so dass für dieses eine Referenzmessung getätigt werden kann. Zur Regelung und zur Optimierung einer Verbrennung kann beispielsweise eine Überwachung der Kohlenmonoxidkonzentration dienen. Entsprechend lässt sich durch Nachregelung bei Abweichungen von einem Sollwert ein optimaler Verbrennungszustand überwachen und regeln.
Das Verfahren kann vorteilhaft in Gebäuden eingesetzt werden, die mit Gasbrennern beheizt werden. Überwacht werden kann neben der Kohlenmonoxidkonzentration auch die Methankonzentration, wobei der eingesetzte Brennstoff Anteile von Methan aufweist. Es ist vorteilhaft, bei der Überwachung von Abgassystemen und Bauten mit Gasheizungen eine Regelung oder Überwachung derart auszulegen, dass sowohl bei Leckage an Gaszuführungen, sowie auch bei der Leckage von Abgasleitungen die gemessenen Werte der Kohlenmonoxid- und Methankonzentration in ausreichendem Abstand zu geltenden Zündgrenzen gehalten werden.
Da Vorgänge in der Verbrennung beziehungsweise im Abgas nicht lediglich durch die Erfassung und Konzentrationsermittlung von Kohlenmonoxid aufgedeckt werden können, ist es wichtig, wenigstens einen Wert der Methankonzentration gleichzeitig zu ermitteln, um eindeutige Fehlfunktionen von Feuerungsanlagen zu erkennen.
Im Folgenden werden anhand von schematischen begleitenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt ein gemessenes Derivat-Spektrum im Bereich von 2,363–2,368 µm mit den Absorptionslinien von CO/10 ppm, Methan/85 ppm und Wasser/12000 ppm wobei die Messung mit einer VCSEL durchgeführt wurde,
2 zeigt den Einbauort eines CO/CH4-Sensors im Abgas eines Gasbrenners,
3 zeigt den Einbauort in einem Wohnraum, der in – Verbindung mit dem Betriebsraum einer Gasheizung/Gasboiler steht.
Mit einem VCSEL als Lichtquelle lassen sich verschiedene Anwendungen erschließen. Der wesentliche erzielbare Vorteil ge genüber dem Stand der Technik liegt darin, dass deutlich geringere Messzeiten bei der Ermittlung von Konzentrationen von mindestens zwei Messgasen ermöglicht werden. Darüber hinaus ist wesentlich geringerer technischer Aufwand als bei Verfahren oder Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erforderlich.
Der Betrieb von Feuerungsanlagen kann somit optimal eingestellt werden. Hierbei spielt eine charakteristische Kohlenmonoxidkonzentration eine wesentliche Rolle.
Diese liegt beispielsweise bei einigen 10 ppm CO, beispielsweise bei 14 ppm. Mit einer Kohlenmonoxidkonzentrationsmessung lässt sich der optimale Verbrennungszustand überwachen und regeln. Damit wird der größtmögliche Wirkungsgrad erreicht und die Emission unerwünschter Schadstoffe wird minimiert.
Die simultane Erfassung der Kohlenmonoxid- und Methankonzentration erlaubt die Realisierung einer erweiterten Überwachungsfunktion von Gasbrennern auf unerwünschte Betriebszustände.
Eine Überwachungsfunktion registriert sowohl die Kohlenmonoxid- als auch die Methankonzentration in einem Abgas und läuft so ab, dass bei zunehmendem Sauerstoffmangel bei der Verbrennung die Kohlenmonoxidkonzentration bis über die Zündgrenze ansteigt. Bei weiter erhöhtem Sauerstoffmangel gelangen auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Methan in das Abgas. Dabei kann die Kohlenmonoxidkonzentration wieder sinken. Mit anderen Worten kann ein gefährlicher Betriebszustand alleine durch die Überwachung der Kohlenmonoxidkonzentration nicht zweifelsfrei erkannt werden. Erst die gleichzeitige Messung von Kohlenmonoxid und Methan ermöglicht die sichere Erkennung des jeweiligen Betriebszustandes. Liegt beispielsweise ein brennbares Gasgemisch im Abgastrakt vor, so kann dieser gefährliche Betriebszustand unmittelbar erfasst werden.
Ist beispielsweise eine Gastherme in einem Privathaushalt installiert, so treten insbesondere zwei potentielle Gefahrenquellen auf:

a. Die Leckage des zugeführten Brenngases, beispielsweise Erdgas.
b. Das Austreten von Kohlenmonoxid aus der Verbrennung in die Raumluft.

Beide Szenarien führen immer wieder zu Unfällen mit schweren Schäden.
Für eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend der Erfindung wird eine monochrome abstimmbare Lichtquelle, beispielsweise ein VCSEL, sowie eine Absorptionsstrecke und ein Photodetektor benötigt. Das zu untersuchende Gas befindet sich in der Absorptionsmessstrecke. Mit der monochromen und spektral durchstimmbaren Lichtquelle würde das Absorptionsspektrum des in der Messstrecke vorhandenen Gasgemisches mit dem Photodetektor aufgenommen. Die Zielgase sind Kohlenmonoxid CO und Methan CH4.
Die vorgeschlagene Wellenlänge der Lichtquelle kann beispielsweise bei 2,35 µm liegen. Die Laserdiode bleibt dabei monochrom, lässt sich jedoch im Feinbereich derart abstimmen, dass sich ein Absorptionsspektrum eines Messgases aufnehmen lässt. Prinzipiell kann jeder Wellenlängenbereich, in dem Kohlenmonoxid und Methan absorbieren, verwendet werden. Die Auswertung des Absorptionsspektrums erfolgt nach den Konzentrationen der einzelnen Gase in der Gemischung. Dies geschieht beispielsweise durch Vergleich des gemessenen Spektrums mit einem berechneten Spektrum des Gasgemisches.
Zur Erzielung von Referenzwerten wird in eine Messgasstrecke beziehungsweise eine Referenzgaszelle angebracht. Darin geschieht eine Vorabsorption mit einem Gas. Die Referenzgaszelle kann direkt im Gasstrom oder auch in einem separaten Lichtweg angeordnet sein. In letzterem Fall würde sie einen Teil der Strahlung des Lichtes aus dem Hauptstrom enthalten.
Auf eine separate Referenzgaszelle kann verzichtet werden, wenn das Gehäuse des Photodetektors und/oder das Gehäuse der Lichtquelle mit dem Referenzgas gefüllt werden und Lichtstrahlen entsprechend hindurchgeführt werden.
Das Referenzgas besteht entweder mindestens aus einem der Zielgase oder mindestens einem weiteren im Messspektrum absorbierenden Gas. Hier kann beispielsweise ein Zielgas bestimmt werden, wobei ein Atom des Gases durch ein Isotop ersetzt ist. Gasgemische aus mehrer als zwei Komponenten sind möglich.
Die Konzentrationsmessung von Kohlenmonoxid wird dazu verwendet, die Verbrennung möglichst optimal bezüglich des Wirkungsgrades und der Vermeidung unerwünschter Emissionen von beispielsweise Kohlenmonoxid und Stickoxid, sowie unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu vermeiden. Bei der Regelung wird der Volumenstrom der Luft der Verbrennung zugeführt und in Abhängigkeit der gemessenen CO-Konzentration nachgeregelt.
Gefährliche Betriebszustände sind beispielsweise verbunden mit einer Explosionsgefahr. Diese Betriebszustände können erkannt werden anhand des Überschreitens festgelegter Grenzwerte wie beispielsweise der MAK-Werte/Maximale Arbeitsplatz Konzentration.
Gefährliche Betriebszustände können beispielsweise erkannt werden an:
Einer Kohlenmonoxidkonzentration, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, an einer Methankonzentration, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet oder an einer charakteristischen zeitlichen Entwicklung der Kohlenmonoxid und Methankonzentrationen.
Neben Kohlenmonoxid und Methan kann zusätzlich die Konzentration von Wasser beziehungsweise Wasserdampf zur Beurteilung des Zustandes einer Feuerungsanlage herangezogen werden. Das Verbrennungsabgas enthält mehrere Volumenprozent Wasserdampf. Bei unvollständiger Verbrennung sinkt die Feuchte-Konzentration beim Erlöschen der Flamme bis auf den Wert der Umgebungsluft ca. 1 vol% ab.
1 stellt ein mit einer durchstimmbaren VCSEL überstreichbares Absorptionsspektrum im Bereich von 2.363 bis 2,368 µm dar, wobei die Bande von Kohlenmonoxid/10 ppm, Methan/85 ppm und Wasser/1200 ppm überstrichen werden. Die Zahlenwerte geben gleichzeitig die gemessene Konzentration an.
2 zeigt den Einbauort eines CO/CH4-Sensors im Abgas eines Gas- oder Ölbrenners, welcher sich über den CO-Gehalt regeln lässt. Zusätzlich kann aus Sicherheitsgründen der Methangehalt simultan ermittelt werden um weitere kritische Betriebszustände zu erfassen.
3 zeigt den Einbauort in einem Wohnraum, der in – Verbindung mit dem Betriebsraum einer Gasheizung/Gasboiler steht, wobei ergänzend ein Rauchmelder installiert oder integriert sein kann. Die Zielgase einschließlich Wasserdampf sind leichter als Luft, so dass die Anbringung an der Decke sinnvoll ist.

Claims

Verfahren zur Regelung oder Überwachung von Feuerungsanlagen sowie zur Überwachung von Gebäuden mit Gasbrennern unter Einsatz von Spektroskopie mit mindestens einer monochromatischen in der Wellenlänge durchstimmbaren Lichtquelle, wobei ein Absorptionsspektrum eines Messgases in einer Absorptionsstrecke mit der spektralen Durchstimmung der Lichtquelle mit mindestens einem Photodetektor aufgenommen wird und die Konzentrationen der Zielgase Kohlenmonoxid (CO) und Methan (CH4) gleichzeitig während einer Durchstimmung der Lichtquelle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Laserdiode als Lichtquelle eingesetzt wird, insbesondere ein VCSEL/Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Lichtquelle oder Laserdiode bei einer Wellenlänge von 2,3 µm durchgestimmt wird, wobei Absorptionslinien von Kohlenmonoxid und Methan gleichzeitig überstrichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auswertung eines Absorptionsspektrums anhand der für die Zielgase gemessenen Konzentration geschieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Vorabsorption mit einem Gas eine Referenzgaszelle direkt oder in einer Bypass-Lichtstrecke eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein in der Referenzgaszelle vorhandenes Gas zumindest ein Zielgas enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Absorptionsstrecke im Abgas hinter einer Feuerungsanlage und/oder in einem zu überwachenden Raum, insbesondere im Betriebsraum einer Gastherme, positioniert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gaskonzentrationen der Zielgase auf vorgegebene Maximalwerte überwacht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Maximierung des Wirkungsgrades einer Feuerungsanlage eine charakteristische Kohlenmonoxidkonzentration unter 100 ppm überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit einer Überwachungsfunktion eine Regelung und Überwachung anhand von zeitlichem Konzentrationsverlauf von Kohlenmonoxid und Methan geschieht.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem auf der Grundlage der Konzentrationsmessung beider Zielgase ein Erreichen von Zündgrenzen ausgeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sowohl eine Leckage von zu einer Feuerungsanlage zugeführtem Brenngas, welches Anteile von Methan enthält, überwacht wird, als auch eine Leckage von Kohlenmonoxid, welches aus einer Feuerungsanlage in die Raumluft entweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtquelle bezüglich ihrer Frequenz derart ausgewählt ist, dass bei der Durchstimmung der Lichtquelle zusätzlich eine charakteristische Bande von Wasser (H2O) überstrichen und ausgewertet wird, um den Zustand einer Feuerungsanlage zu beurteilen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Kohlenmonoxidkonzentration, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, kombiniert wird mit der Konzentration von Methan, die einen festgelegten Grenzwert überschreitet, und/oder ein charakteristischer zeitlicher Verlauf der Kohlenmonoxid- und Methankonzentrationen zur Vermeidung gefährlicher Betriebszustände überwacht wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 14, bestehend aus – monochromatischem Laser oder Halbleiterlaser, insbesondere einem VCSEL, – einer Absorptionsstrecke, die im Abgasbereich oder in einem durch Leckage gefährdeten Raum positioniert ist, und – einem Photodetektor zur Aufnahme des durch die Absorptionsstrecke hindurch getretenen Lichtes, – einer Auswerteeinheit zur Ermittlung vorhandener Zielgase und/oder deren Konzentration aus dem überstrichenen Absorptionsspektrum bei einer Durchstimmung des Lasers oder Halbleiterlasers.