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Einrichtung zur automatischen Regelung der Betriebsweise träger Industrieöfen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Regelung und Kontrolle
träger Industrieöfen, z. B. Glaswannen, Drehrohröfen, die es möglich macht, den
Ofenbetrieb voreilend zu regeln.
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Bei der Zementherstellung ist es z. B. im allgemeinen üblich, die
dabei benutzten maschinellen Einrichtungen im wesentlichen von Hand zu steuern.
Dies geschieht auf Grund laufender, feuertechnischer Überwachungen, die in bekannter
Weise durch anzeigende oder registrierende Meßgeräte, z. B. Zug- und Temperaturmesser,
Druckmesser, 02 Meßgeräte od. dgl., am Ofensystem durchgeführt werden.
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Es sind aber auch schon Vorrichtungen zur Prüfung von einzelnen Faktoren
bekannt, die für den Betrieb eines Industrieofens wichtig sind. Diese werden auch
bei trägen Öfen verwendet, z. B. Schnellprüfer für Gas oder Heizwertschreiber. Beide
Vorrichtungen-befriedigen jedoch nicht, da der Schnellprüfer nur für Gas, jedoch
nicht für Kohlenstaubfeuerung verwendbar ist. Dies trifft auch für den Heizwertschreiber
zu. Auch ist die Kontrolle und Regelung des Ofenbetriebes, die lediglich von der
Temperatur ausgeht, nicht zweckmäßig und ungenügend, weil je nach Ofenart unter
Umständen mehrere Stunden, bei einer Glaswanne sogar bis zu 24 Stunden vergehen
können, bis etwa eine Brennstoffverstellung sich voll auf den Ofenbetrieb ausgewirkt
hat.- Besondere Schwierigkeiten entstehen vor allem dann, wenn mit der Flamme als
Mittel der Wärmeübertragung direkt gearbeitet wird, wie z. B. bei Siemens-Martin-Öfen,
Glasschmelzöfen, keramischen Brennöfen oder Zementbrennöfen. Ferner beeinflussen
Oualitätsschwankungen des Brennstoffes nicht nur die Temperatur, sondern auch die
Länge der Flamme und die Temperaturverteilung in ihr. Schließlich bleiben bei allen
bisher bekannten Einrichtungen alle weiteren, für den Betrieb von Industrieöfen
wichtigen Faktoren unberücksichtigt, wie Primär- oder Sekundärluftmengen bzw. Mischluftmenge
für spezielle Brenner, Ofenzug, die bereits erwähnte Flammenlänge mit der Temperaturverteilung
in der Flamme und zuletzt die Abgaszusammensetzung. Alle diese Größen lassen sich
namentlich an Öfen mit großer thermischer Kapazität, hohen Temperaturen und langer
Verweilzeit des Wärmegutes oft entweder nur sehr schwer, ungenau oder gar nicht
messen, vor allem jedoch nicht gleichzeitig in ihrer Gesamtheit. Wird die Solltemperatur
des zu brennenden oder zu schmelzenden Materials über- oder unterschritten, so wird
die Energiezufuhr entsprechend verändert. Anstatt sie aber nun schon von dem Zeitpunkt
ab zu normalisieren, in dem die Energieveränderung ausreichen würde, um den gewünschten
Erfolg, nämlich die Wiederherstellung der Solltemperatur des Brenn-. oder Schmelzgutes
herbeizuführen, war es wegen der Trägheit der Öfen notwendig, die Energieveränderung
so lange andauern zu lassen, bis das Brenn- oder Schmelzgut seine Solltemperatur
tatsächlich wieder erreicht hat. Hierbei erfolgt jedoch ein Überschreiten des Sollwertes
in der anderen Richtung, so daß nun der Regler die Energiezufuhr entgegengesetzt
ändert, wobei jedoch die Temperaturänderung noch in der alten Richtung über den
Sollwert hinaus erfolgt, bis sie schließlich umkehrt und nun erst im Sinne der geänderten
Brennstoffzufuhr läuft. Es erfolgt also eine Überregelung, bei der die Regelgröße
mit oft erheblichen Abweichungen um den Sollwert pendelt. Ebenso pendelt die Stellgröße,
d. h. in diesem Falle die Energiezufuhr, in erheblichem Maße um einen Mittelwert.
Dazu kommt noch, daß die Schwingung der Regelgröße in verzögerter Phasenlage zur
Stellgröße erfolgt. Unter günstigen Bedingungen klingt dieser Schwingungsvorgang
allmählich ab, und es wird nach gewisser Zeit der Sollwert eingeregelt. Unter ungünstigen
Umständen tritt dies jedoch auch manchmal gar nicht ein. Deshalb gilt es also einen
Weg zu finden, die Tot- bzw. Anlaufzeit eines trägen Industrieofens zu ermitteln
und durch geeignete Regelungseinrichtungen zu eliminieren.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Regelung
der Betriebsweise träger Industrieöfen, z. B. der bezeichneten Art. Die erfindungsgemäße
Einrichtung beseitigt nicht nur die eingangs genannten Mängel; sondern schafft auch
gleichzeitig die bisher fehlenden Möglichkeiten einer schnell reagierenden Regelung
und Kontrolle über bisher nicht oder nur schwierig erfaßbare Betriebsgrößen.
Das
Wesen der Erfindung besteht nun darin, daß dem Industrieofen ein verkleinerter,
durch Abzweigleitungen der Betriebsstoffzuleitungen des Industrieofens gespeister,
verhältnisgleich arbeitender Modellofen zugeordnet ist, dessen Abgasleitung in die
Kaminleitung des Industrieofens mündet und in den durch an sich bekannte Regler
alle Regelgrößen für den Industrieofen gemessen und Abweichungen von den Sollwerten
korrigiert und die Korrekturen durch mit den Reglern gekoppelte und von diesen betätigte
Verstellorgane, z. B. Schieber, Klappen, Ventile, proportional auf den Industrieofen
übertragen werden. In die Abgasleitung des Modellofens ist ein Abgasprüfer geschaltet,
der bei Sollwertabweichungen die Mengenregler beeinflußt, die das Brennstoff-Luftzufuhr-Verhältnis
des Modellofens ändernde Verstellorgane betätigen. Der Industrieofen ist mit zusätzlichen,
an sich bekannten Regeleinrichtungen ausgerüstet, die Betriebsstörungen anzeigen
und das den Störungen angepaßte Verhältnis den anderen Reglern aufgeben.
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Der neben den zu kontrollierenden und zu regelnden Industrieofen geschaltete
Modellofen wird unter den verhältnisgleichen Bedingungen betrieben wie der Industrieofen
selbst. Im Modellofen werden alle interessierenden Regelgrößen jeweils verhältnisgleich
abgebildet und die einzelnen, für die Regelung des Industrieofens maßgebenden Faktoren
gemessen. Etwaige Abweichungen von den Sollwerten werden, wie bereits erwähnt, durch
an sich bekannte Regelungseinrichtungen (Regler) korrigiert und proportional auf
den Industrieofen übertragen. In seiner einfachsten Form kann der Modellofen als
Brenner aus einem Rohr bestehen und durch entsprechend verfeinerte Konstruktion
jedem speziellen Zweck angepaßt werden. In jedem Falle unterscheidet er sich vom
Industrieofen durch seine bedeutend kleinere spezifische Wärmekapazität. Deshalb
treten Veränderungen der Temperatur und der weiteren, oben aufgezählten Faktoren
der Ofenführung bei ihm früher in Erscheinung als beim Industrieofen, und entsprechend
früher treten die Regelungseinrichtungen in Funktion. Ein weiterer Vorteil liegt
darin, daß der Modellofen in seiner Formgebung den jeweils verschiedenen Meßzwecken
angepaßt werden kann.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform
rein schematisch dargestellt. Der Modellofen 1 steht zum Industrieofen 2 in einem
je nach Zweckmäßigkeit verschieden zu wählenden Größenverhältnis, z. B. 1 : 20 oder
1 : 50 usw. Der Modellofen 1, der eine kleinere spezifische Wärmekapazität hat,
wird über die Abzweigung 5 und 6 der Brennstoffzuleitung 3 und Luftzuleitung 4 des
Industrieofens 2 gespeist. In einem gleichen, dem Größenverhältnis entsprechenden
Verhältnis, welches durch an sich bekannte Regelungseinrichtungen, hier die Mengenregler
7 und 8, konstant gehalten wird, wird dem '-#lodellofen durch besagte Leitungen
3, 4, 5, 6 Brennstoff und Luft zugeführt. Die Abgase werden in einer gemeinsamen
Abgasleitung 9 vereinigt. Vorher werden jedoch die Abgase des Modellofens 1 mit
Hilfe eines der bekannten Abgasprüfer 10 analysiert und der Sollwert im Folgemengenregler
11 für das Verhältnis Brennstoff zu Luft bei Abweichung von der eingestellten Sollzi,-;ammensetzung
geändert. Die weiterhin je nach Industriezweig interessierenden Regelgrößen werden
am Modellofen 1 ebenfalls gemessen, so z. B. die Temperatur und der Druck des Modellofens,
ebenfalls mit an sich bekannten Temperatur- und Druckreglern 12, 13. Die Regelgrößen
bzw. Meßgrößen werden durch die Meßfühler 5a und 6a usw. erfaßt, den Reglern .zugeleitet,
von diesen in entsprechende Stehbefehle umgewandelt und den zugehörenden Stellgetrieben
übermittelt. Diese betätigen die zugeordneten Verstellorgane 5 b, 6 b, z. B. Schieber,
Klappen, Ventile, wenn die Regelgrößen von den Sollwerten abweichen. Damit ist der
Betrieb des Modellofens 1 geregelt.
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Daran schließt sich die Übertragung der Regelimpulse auf die Verstellorgane
3 b, 4 b des Industrieofens 2, die seine Betriebsverhältnisse proportional dem Modellofen
verändern. Mit 3 a und 4 a sind Meßstellen bezeichnet. So bewirkt z. B. der Folgemengenregler
8 bei einer Änderung der Brennstoffzufuhr zum Modellofen 1 sofort eine Änderung
auch in der Brennstoffzufuhr zum Industrieofen 2, und zwar im gewählten Verhältnis.
Bei den anderen Verstellorganen des Modellofens 1 und des Industrieofens 2 läuft
dies entsprechend ab, so daß jede Änderung im Betrieb des Modellofens 1 sich beim
Betrieb des Industrieofens 2 proportional auswirkt. Aus Zweckmäßigkeitsgründen empfiehlt
es sich, den Industrieofen 2 in ein- oder mehrfacher Hinsicht gesondert zu kontrollieren,
um auf etwa nur bei ihm auftretende Störungsursachen aufmerksam zu werden, so z.
B. übernormale Nebenluft durch Reißen des Ofenmantels. Dadurch würde das Verhältnis
zwischen Modellofen 1 und Industrieofen 2 zwangläufig gestört werden. Bei erheblichen
Abweichungen vom gewählten bisherigen Verhältnis, die einen Weiterbetrieb des Industrieofens
2 untersagen, kann durch das zusätzliche Kontrollgerät 12 a ein Warnsignal
ausgelöst werden. Handelt es sich nur um eine unerhebliche Störung, die einen Weiterbetrieb
des Industrieofens 2 ohne weiteres zuläßt, so kann das neue Verhältnis durch diesen
Regler 12a den übrigen Reglern als neuer Sollwert aufgegeben werden.