DE102011101736B4

DE102011101736B4 - Verfahren zur Einstellung und Anpassung einer Feuerungsanlage unter Bestimmung deren Energie-Einsparpotentials

Info

Publication number: DE102011101736B4
Application number: DE102011101736.8A
Authority: DE
Inventors: Jost Sternberg; Sven Gose
Original assignee: SAACKE GmbH
Current assignee: SAACKE GmbH
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: DE102011101736A1

Abstract

Verfahren zur optimalen Einstellung einer Feuerungsanlage und deren Anpassung an einen individuellen Wärmelast-Zeitverlauf über eine repräsentative Zeitdauer unter Bestimmung eines Einsparpotentials eines Energiebedarfs der Feuerungsanlage, wobei die Feuerungsanlage einen Brenner und einen von dem Brenner beheizten Kessel zur Deckung einer angeforderten Wärmelast aufweist, wobei der Energiebedarf einen Brennstoffenergiebedarf und, soweit die Feuerungsanlage elektrische Hilfsgeräte wie Gebläse enthält, einen elektrischen Energiebedarf umfasst, bezogen auf einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Wärmelast des Kessels, indem in einem ersten Schritt ein aktueller Brennstoffnutzungsgrad der Feuerungsanlage bestimmt wird, auf der Grundlage eines über eine vorgegebene Zeitdauer gemessenen und gemittelten Energiebedarfs bei Betrieb der Feuerungsanlage entsprechend der vorgegebenen zeitlichen Lastverteilung, wobei für die Bestimmung des Brennstoffnutzungsgrads benötigte Parameter, nämlich ein oder mehrere von thermische Leistung, Abgastemperatur, O2-Konzentration im Abgas, CO-Konzentration im Abgas, Umgebungstemperatur, Verbrennungsluft-Gebläseleistung, Salzgehalt im Kesselwasser, aus Inbetriebnahme-Messdaten der Feuerungsanlage nach Maßgabe eines Lastsignals interpoliert werden, wobei eine laufende Anzeige eines Brennstoffnutzungsgrads erfolgt, und in einem zweiten Schritt ein theoretischer, über die vorgegebene Zeitdauer gemittelter Energiebedarf der Feuerungsanlage, bei angenommenen Betrieb der Feuerungsanlage entsprechend der vorgegebenen zeitlichen Lastverteilung, berechnet wird, wobei die Feuerungsanlage für die Berechnung als durch mindestens eine technische Maßnahme, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Einbau eines Economisers zur Verbrennungsluftvorwärmung, Durchlüftungsunterdrückung, Einbau eines drehzahlgeregelten Gebläses für Verbrennungsluft, Einbau einer Absalzregelung des Kessels, Einbau einer O2-Regelung, Einbau einer CO-Regelung, modifiziert angenommen ist, wobei für die Berechnung im zweiten Schritt benötigte Betriebsdaten der Feuerungsanlage Inbetriebnahme-Messdaten oder aus diesen ermittelte Betriebsdaten der Feuerungsanlage, nämlich ein oder mehrere von thermische Leistung, Abgastemperatur, O2-Konzentration im Abgas, CO-Konzentration im Abgas, Umgebungstemperatur, Verbrennungsluft-Gebläseleistung, Salzgehalt im Kesselwasser, sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optimalen Einstellung einer Feuerungsanlage und deren Anpassung an einen individuellen Wärmelast-Zeitverlauf über eine repräsentative Zeitdauer unter Bestimmung eines Einsparpotentials eines Energiebedarfs der Feuerungsanlage, wobei die Feuerungsanlage einen Brenner und einen von dem Brenner beheizten Kessel zur Deckung einer angeforderten Wärmelast aufweist, wobei der Energiebedarf einen Brennstoffenergiebedarf und, soweit die Feuerungsanlage elektrische Hilfsgeräte wie Gebläse enthält, einen elektrischen Energiebedarf umfasst, bezogen auf einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Wärmelast des Kessels.
Dem Energiebedarf einer Feuerungsanlage, d. h. der in der Feuerungsanlage in Wärme umgesetzten Brennstoffenergie und gegebenenfalls elektrischen Energie, steht nicht nur die im Ergebnis gewünschte und angeforderte Nutzwärme oder Wärmelast, beispielsweise in Form von erwärmtem Brauch- oder Heizungswasser, gegenüber, sondern auch vielfältige Verluste wie Abgasverluste, Strahlungs- und Oberflächenverluste, Durchlüftungsverluste und weitere. Obwohl es in der Vergangenheit gelungen ist, Brenner- und Kesseleinheiten zu entwickeln, deren feuerungstechnischer Wirkungsgrad relativ hoch ist und deren Abgasverluste, d. h. die durch Abgase mit höherer Temperatur als der Umgebungstemperatur herausgetragene Energie relativ gering ist und nur wenige Prozent der eingesetzten Brennstoffenergie beträgt, sagt dies noch nicht viel über das Verhältnis von tatsächlich nutzbarer Wärme (beispielsweise Brauch- und Heizungswasser) zur eingesetzten Brennstoff- und gegebenenfalls elektrischen Energie aus.
Ein Grund hierfür liegt darin, dass in zahlreichen Feuerungsanlagen aufgrund ungünstiger Gesamtauslegung und/oder Regelung der Brenner unnötig häufig ein- und ausgeschaltet wird, um beispielsweise eine bestimmte vorgegebene Mindest-Kesseltemperatur zu halten, was indes in vielen Fällen zur Gewährleistung einer bestimmten Wärmeversorgung nicht notwendig ist, so dass unnötig große Stillstands- und Durchlüftungsverluste die Folge sind.
Die Erfindung hat erkannt, dass es zur optimalen Einstellung und zur Bestimmung eines Einsparpotentials einer Feuerungsanlage bei weitem nicht genügt, den feuerungstechnischen Wirkungsgrad zu betrachten bzw. einen Brenner oder Kessel mit hohem feuerungstechnischen Wirkungsgrad bereitzustellen, sondern dass eine Feuerungsanlage zur Erzielung eines maximalen Brennstoffnutzungsgrads oder Jahresnutzungsgrads, d. h. zur Minimierung aller derjenigen Verluste, die nicht vom feuerungstechnischen Wirkungsgrad erfasst sind, unter Berücksichtigung des realen zeitlichen Verlaufs der angeforderten Wärmelast in jedem jeweiligen individuellen Einzelfall analysiert und so gut wie möglich an diesen individuellen Wärmelast-Zeitverlauf angepasst werden muss.
In DE 100 30 294 B4 ist ein Verfahren zur Erfassung des Energieverbrauchs und der Sanierungsbedürftigkeit eines Gebäudes beschrieben, wobei auch die Berechnung des Energieverbrauchs eine Gebäudes auf der Grundlage von zeitlichen Mittelwerten von Temperaturen und Umgebungsbedingungen erwähnt ist.
Zur Berechnung eines nutzungsabhängigen Gebäude-Energieverbrauchs zum Heizen ist die VDI-Richtlinie 2067 anwendbar, die eine Bewertung und den Vergleich unterschiedlicher Möglichkeiten und Konzepte zur technischen Ausrüstung eines Gebäudes beschreibt.
Aus der ersten Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (1.BImSchV vom 26.01.2010) ergibt sich die Forderung, Messungen für neu in Betrieb genommene Feuerungsanlagen durchzuführen sowie den Nutzungsgrad zu bestimmen.
Aus der DIN EN 12952-15:2004-01 (Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten, Teil 15: Abnahmeversuche) sind Mess- und Bestimmungsmethoden im Rahmen von Abnahmeversuchen von Wasserrohrkesseln und Anlagenkomponenten bekannt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Es kann sinnvoll sein, die Energiemenge anzuzeigen, die theoretisch durch die oben genannten technischen Maßnahmen eingespart wurde oder werden kann.
Das Lastsignal kann eine beliebige Messgröße sein, die in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem Brennstoffdurchsatz steht und dessen Ableitung ermöglicht, wie z. B. ein Winkelsignal einer Drosselklappe der Verbrennungsluftzufuhr, Drehzahl oder elektrische Antriebsleistung eines Verbrennungsluftgebläses.
Es besteht die Möglichkeit, dass ausgehend von dem theoretischen Energiebedarf der Feuerungsanlage ein theoretischer Brennstoffnutzungsgrad bestimmt und gegebenenfalls eine gemeinsame Darstellung, Anzeige oder ein Verhältniswert des theoretischen Brennstoffnutzungsgrads und des aktuellen Brennstoffnutzungsgrads erzeugt oder berechnet wird.
In einem konkreten Beispiel wird im ersten Schritt eine zu untersuchende Feuerungsanlage über eine vorgegebene Zeitdauer, d. h. einen typischen Zykluszeitraum betrieben, beispielsweise 3 Stunden, 12 Stunden, 24 Stunden, eine Woche, einen Monat, ein Jahr oder eine sonstige typische Zykluszeit, während der ein näherungsweise regelmäßig wiederkehrendes Betriebsverhalten durchlaufen wird. Vorzugsweise ist/wird die Feuerungsanlage entweder ohnehin zur laufenden Überwachung oder speziell zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Messaufnehmern versehen, zumindest für den Brennstoffdurchsatz (z. B. Gas, Öl oder Kohle) oder ein Lastsignal, aus dem der Brennstoffdurchsatz abgeleitet werden kann, und nach Möglichkeit darüber hinaus für einen oder mehrere der folgenden Parameter: thermische Leistung, Abgastemperatur, O₂-Konzentration im Abgas, CO₂-Konzentration im Abgas, Umgebungstemperatur, Verbrennungsluft-Gebläseleistung, Salzgehalt im Kesselwasser (oder Kenngröße dafür, wie beispielsweise elektrische Leitfähigkeit). Soweit benötigte Parameter (außer dem Brennstoffdurchsatz) nicht gemessen werden können, werden sie aus den bei der Inbetriebnahme der Feuerungsanlage gemessenen Werten nach Maßgabe des Brennstoffdurchsatzes oder Lastsignals interpoliert.
Es kann vorgesehen sein, dass einer oder mehrere dieser Parameter in einer geeigneten Darstellung fortlaufend oder regelmäßig angezeigt werden, um einen Überblick über das Betriebsverhalten zu ermöglichen. Auch ist es günstig, wenn einer oder mehrere der Parameter als chronologisches Diagramm dargestellt werden, über einen vorgebbaren Zeitraum von beispielsweise einer oder mehrerer Stunden, 24 Stunden oder einer Woche. Auch eine Häufigkeitsverteilung der einzelnen Werte der Parameter in Form eines Diagramms ist zweckmäßig, um einfach ermitteln zu können, wie sich beispielsweise der Brennstoffdurchsatz oder die thermische Leistung der Feuerungsanlage in ihrer zeitlichen Häufigkeitsverteilung darstellt.
Zweckmäßigerweise werden die zeitlichen Verläufe der gemessenen Parameter über die vorgegebene Zeitdauer aufgezeichnet, um unterschiedliche Auswertungen durchführen zu können, beispielsweise um Verbrauchswerte unterschiedlicher Tage miteinander vergleichen zu können, oder um den Brennstoffnutzungsgrad unterschiedlicher Teilzeiträume oder der gesamten vorgegebenen Zeitdauer miteinander zu vergleichen.
Vorteilhaft ist ferner neben der laufenden Anzeige des aktuellen Brennstoffnutzungsgrads eine laufende Anzeige weiterer aktueller Parameter wie feuerungstechnischer Wirkungsgrad, thermische Leistung und Verluste.
1 erläutert den grundsätzlichen Erfindungsgedanken anhand eines Bilanzmodells eines Kessels, das alle wesentlichen Bilanzgrößen berücksichtigt (Brennstoff (Gas, Öl), Verbrennungsluft, Frischwasser und zurückgewonnene Kondensatenergie als Eingangsgrößen, Nutzenergie (Dampf oder Warmwasser), Wärmeverluste, Abgasverluste, Verluste durch Entsalzung, Abschlämmung und Durchlüftung als Ausgangsgrößen). Dieses Bilanzmodell wird den theoretischen Berechnungen des zweiten Schritts zugrundegelegt. Zum Beispiel führt eine Verringerung der Durchlüftungsverluste zu einer Reduzierung des erforderlichen Brennstoffeinsatzes.

1. Eine beispielhafte Berechnung des theoretischen Energiebedarfs sei zunächst anhand des Energieeinsparpotentials durch ein drehzahlgeregeltes Gebläse erläutert. Hierzu zeigen 2 bis 4 typische Gebläsekennlinien.

Zur Regelung des Verbrennungsluftvolumenstroms einer Kesselanlage werden i. d. R. zwei verschiedene Verfahren genutzt. Im ersten Verfahren, der Klappenregelung, läuft das Gebläse in der Nenndrehzahl und der Luftvolumenstrom wird über eine Luftklappe reduziert. Die Gebläsekennlinie, die sich hieraus ergibt, ist in 2 dargestellt.
Das zweite Verfahren zur Verbrennungsluftregelung ist die Regelung über ein drehzahlgeregeltes Gebläse. Hierbei wird der Gebläsemotor über einen Frequenzumrichter angetrieben. Durch Herabsetzung der Frequenz des elektrischen Stromes wird eine geringere Drehzahl des Gebläsemotors induziert. Damit nimmt auch der Luftvolumenstrom ab. Die sich hieraus ergebende Gebläsekennlinie ist in 3 dargestellt.
4 vergleicht die Kennlinien aus 2 und 3 miteinander. Hier ist deutlich zu erkennen, dass ein Gebläse mit Drehzahlregelung unterhalb der Nennlast wesentlich weniger elektrische Energie aufnimmt als ein Gebläse mit Klappenregelung.
Erfindungsgemäß wird nun beispielhaft für eine Anlage mit Klappenregelung der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsluftgebläses mit der typischen Kurve eines Gebläses mit Drehzahlregelung verglichen, und es wird aus der Differenz das aktuelle Energieeinsparpotential berechnet. Dieses Energieeinsparpotential (eigentlich: Leistungseinsparpotential) wird über die vorgegebene Zeitdauer, z. B. 1 Jahr, aufintegriert, und ergibt das Jahresenergieeinsparpotential. Dabei ist wesentlich, dass die im ersten Schritt gemessenen, während der Zeitdauer möglicherweise unterschiedlichen Betriebszustände (unterschiedliche Betriebspunkte während unterschiedlicher Zeiträume) berücksichtigt werden können, so dass bezüglich der Zeitdauer ein realistisches Bild der tatsächlich möglichen Einsparungen entsteht.
Es bedeuten: p_VL: Gebläsedruck bei Volllast; p_KL: Gebläsedruck bei Kleinstlast; V ._KL: Volumenstrom bei Volllast; V ._KL: Volumenstrom bei Kleinstlast; V ._B,Luft: Volumenstrom im aktuellen Betriebspunkt; 30 mbar: Erfahrungswert für (p_KL – p_VL) bei kleinen und mittleren Gebläsen (kann gegebenenfalls durch konkret besser zutreffenden Wert ersetzt werden). P_{Einsparpot,Gebläse}(t) = P_Gebläse(t) – P_{Gebläse,mitUmrichter,berechnet}(t)

2. Als weiterer möglicher Beitrag sei das Energieeinsparpotential durch den Einbau eines Economisers betrachtet.

Ein großer Teil der Energieverluste einer Kesselanlage entsteht durch den heißen Abgasenthalpiestrom. Dieser Abgasenthalpiestrom ist abhängig von der spezifischen Wärmekapazität des Abgases, von der Temperatur des Abgases und von der Menge des Abgases. H ._Abgas(t) = m ._Abgas(t)·ϑ_Abgas(t)·c_p,AG(t)
Erfindungsgemäß werden die Abgastemperatur und der Abgasstrom in ihrem zeitlichen Verlauf gemessen oder berechnet und aus der Brennstoff- und Luftzusammensetzung die spezifische Wärmekapazität des Abgases berechnet. Aus diesen Werten kann in jedem Betriebspunkt der Kesselanlage der Abgasenthalpiestrom berechnet werden. Da durch einen geregelten Economiser die Abgastemperatur auf einen kontinuierlichen Wert geregelt werden kann, kann durch folgende Formel die Abgasenthalpie errechnet werden, die in der Kesselanlage auftreten würde, wenn ein Economiser installiert wäre. H ._{Abgas,mit Eco,ber}(t) = m ._Abgas(t)·ϑ_Abgas,Eco·c_p,AG(t)
Durch Bildung der Differenz dieser beiden Abgasenthalpien kann das aktuelle Einsparpotential berechnet werden. Dieses Einsparpotential (eigentlich: Leistungseinsparpotential), wird über eine vorgegebene Zeit, z. B. ein Jahr, aufintegriert und ergibt das Jahresenergieeinsparpotential. H ._{Einsparpot Eco Abgas}(t) = H ._Abgas(t) – H ._{Abgas,mit Eco,ber}
Auch hier ist die Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs der Last und damit der Abgasverluste innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer wesentlich.

3. Als weiterer möglicher Beitrag sei das Energieeinsparpotential durch den Einbau einer O₂/CO-Regelung betrachtet.

Analog zur Berechnung des Energieeinsparpotentials eines Economisers verringert auch eine O₂/CO-Regelung die Abgasenthalpie. Durch diese Regelung wird die Menge an überschüssiger Verbrennungsluft auf ein Minimum reduziert, und somit auch die Menge des Abgasstroms. Dies geschieht über einen Sensor in der Abgasleitung, der den Restsauerstoff, der nicht zur Verbrennungsreaktion beigetragen hat, misst, und eine Regelung, die dementsprechend die Verbrennungsluftzufuhr anpasst. H ._{Abgas,mit O₂ Regelung,ber}(t) = m ._{Abgas,mit O₂ Regelung}(t)·ϑ_Abgas(t)·c_p,AG(t)
Zur Bestimmung des Abgasmassenstroms mit O₂-Regelung kann davon ausgegangen werden, dass eine Regelung den Sauerstoffgehalt im Abgas (d. h. die Abgasmenge) um einen gewissen Prozensatz senkt.
Durch Bildung der Differenz dieser beiden Abgasenthalpieen kann das aktuelle Einsparpotential berechnet werden. Dieses Einsparpotential wird über eine vorgegebene Zeitdauer, z. B. 1 Jahr, aufintegriert und ergibt das Jahresenergieeinsparpotential. H ._{Einsparpot O₂ Abgas}(t) = H ._Abgas(t) – H ._{Abgas, mit O₂ Regelung,ber}

4. Als weiterer möglicher Beitrag sei das Energieeinsparpotential durch den Einbau einer Absalzregelung betrachtet.

Zur Sicherstellung eines ungefährlichen Salzgehaltes im Kesselwasser wird, abhängig von der Menge an frisch zugeführtem Speisewasser und dessen Salzgehalt, eine gewisse Menge (heißes) Kesselwasser ausgespeist. Bei händischer Absalzung wird von einer typischen Absalzmenge ausgegangen. Bei einer Absalzregelung wird genau die Menge Kesselwasser ausgespeist, die notwendig ist, damit ein festgelegter Salzgehalt im Kesselwasser nicht überschritten wird. Durch die Differenz der beiden Mengen, multipliziert mit der spezifischen Enthalpie von Wasser und der Kesseltemperatur, lässt sich analog zu den Beispielen 1 bis 3 das Einsparpotential einer Absalzregelung bestimmen.

5. Als weiterer möglicher Beitrag sei das Energieeinsparpotential durch die Aktivierung einer Durchlüftunterdrückung betrachtet.

Durch das aus Sicherheitsgründen vorgeschriebene Durchlüften vor jedem Brennerstart (DIN EN 676) wird eine erhebliche Menge (kalter) Luft durch den Kessel geleitet, die sich aufheizt und somit dem Kessel Energie entzieht. Die Menge der Durchlüftverluste pro Durchlüftvorgang ist abhängig von der Durchlüftzeit, dem Durchlüftmassenstrom und der Kesseltemperatur. Nach der genannten Norm ist es möglich, bei gasbetriebenen Brennern unter gewissen Umständen auf eine Durchlüftung zu verzichten (beispielsweise bei Einbau einer Ventilüberwachungseinrichtung in Verbindung mit zwei Absperrventilen). Die Energiemenge, die durch eine Durchlüftunterdrückung eingespart werden kann, ergibt sich somit aus der Anzahl der innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer, z. B. einem Jahr, unterdrückten Durchlüftvorgänge und den oben genannten Größen.
In jedem Fall ist erfindungsgemäß wesentlich, dass nicht nur ein fester (etwa zeitlich oder leistungsmäßig gemittelter) Betriebspunkt oder Lastpunkt einer Feuerungsanlage betrachtet wird, und Einsparmöglichkeiten an diesem Lastpunkt, sondern dass ein realistisches, über eine repräsentative Zeitdauer gemessenes zeitliches Lastverhalten ermittelt (erster Schritt) und einer Vergleichsrechnung (zweiter Schritt) zugrunde gelegt wird, in der dementsprechend realistische Einsparungen über die Zeitdauer, etwa eine Zykluszeit wie Winter-/Sommerbetrieb oder Tag-/Nachtbetrieb berechenbar sind.

Claims

Verfahren zur optimalen Einstellung einer Feuerungsanlage und deren Anpassung an einen individuellen Wärmelast-Zeitverlauf über eine repräsentative Zeitdauer unter Bestimmung eines Einsparpotentials eines Energiebedarfs der Feuerungsanlage, wobei die Feuerungsanlage einen Brenner und einen von dem Brenner beheizten Kessel zur Deckung einer angeforderten Wärmelast aufweist, wobei der Energiebedarf einen Brennstoffenergiebedarf und, soweit die Feuerungsanlage elektrische Hilfsgeräte wie Gebläse enthält, einen elektrischen Energiebedarf umfasst, bezogen auf einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Wärmelast des Kessels, indem in einem ersten Schritt ein aktueller Brennstoffnutzungsgrad der Feuerungsanlage bestimmt wird, auf der Grundlage eines über eine vorgegebene Zeitdauer gemessenen und gemittelten Energiebedarfs bei Betrieb der Feuerungsanlage entsprechend der vorgegebenen zeitlichen Lastverteilung, wobei für die Bestimmung des Brennstoffnutzungsgrads benötigte Parameter, nämlich ein oder mehrere von thermische Leistung, Abgastemperatur, O₂-Konzentration im Abgas, CO-Konzentration im Abgas, Umgebungstemperatur, Verbrennungsluft-Gebläseleistung, Salzgehalt im Kesselwasser, aus Inbetriebnahme-Messdaten der Feuerungsanlage nach Maßgabe eines Lastsignals interpoliert werden, wobei eine laufende Anzeige eines Brennstoffnutzungsgrads erfolgt, und in einem zweiten Schritt ein theoretischer, über die vorgegebene Zeitdauer gemittelter Energiebedarf der Feuerungsanlage, bei angenommenen Betrieb der Feuerungsanlage entsprechend der vorgegebenen zeitlichen Lastverteilung, berechnet wird, wobei die Feuerungsanlage für die Berechnung als durch mindestens eine technische Maßnahme, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Einbau eines Economisers zur Verbrennungsluftvorwärmung, Durchlüftungsunterdrückung, Einbau eines drehzahlgeregelten Gebläses für Verbrennungsluft, Einbau einer Absalzregelung des Kessels, Einbau einer O₂-Regelung, Einbau einer CO-Regelung, modifiziert angenommen ist, wobei für die Berechnung im zweiten Schritt benötigte Betriebsdaten der Feuerungsanlage Inbetriebnahme-Messdaten oder aus diesen ermittelte Betriebsdaten der Feuerungsanlage, nämlich ein oder mehrere von thermische Leistung, Abgastemperatur, O₂-Konzentration im Abgas, CO-Konzentration im Abgas, Umgebungstemperatur, Verbrennungsluft-Gebläseleistung, Salzgehalt im Kesselwasser, sind.