DE19853567A1 - Verfahren zur Luftzahlregelung eines vollvormischenden Gasbrenners - Google Patents

Abstract

Bei einem mit einem Lüfter und einem Gas-Regelventil versehenen voll- oder teilvormischenden Gasbrenner wird im Flammenbereich ein Ionisationssignal mit Hilfe einer Ionisations-Elektrode gemessen. Ferner wird die Lüfterdrehzahl erfaßt. Aus dem Ionisationssignal und der Lüfterdrehzahl wird dann ein für die aktuelle Luftzahl repräsentatives Signal abgeleitet und dieses mit einem vorgegebenen Wert verglichen. In Abhängigkeit von diesem Vergleich wird ein Stellsignal für das Gas-Regelventil bestimmt. Um den Gasbrenner über einen langen Zeitraum sicher im optimalen Luftzahlbereich betreiben zu können, wird in regelmäßigen Zeitabständen oder in Abhängigkeit von spezifischen Ereignissen das Gas-Luft-Verhältnis des Gasbrenners überprüft. Dazu wird aus dem Ionisationssignal ein für die aktuelle Luftzahl und die aktuelle Leistung repräsentatives Signal abgeleitet und dieses mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Aus diesem Vergleich lassen sich ohne besonderen Aufwand Informationen über den Betriebszustand des Gasbrenners ableiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftzahlrege­ lung eines mit einem Lüfter und mit einem Gas-Regelventil versehenen wenigstens teilvormischenden, vorzugsweise voll­ vormischenden Gasbrenners, wobei im Flammenbereich Ionisa­ tionssignale mit Hilfe einer Ionisations-Elektrode gemessen werden, die Lüfterdrehzahl erfaßt wird, aus dem aktuellen Ionisationssignal ein für die aktuelle Luftzahl repräsenta­ tives erstes Signal abgeleitet und dieses mit einem vorgege­ benen Sollwert verglichen wird, wobei die Lüfterdrehzahl bei der Ableitung des ersten Signals und/oder bei der Auswahl des Sollwertes berücksichtigt wird, und aus dem Vergleich ein Stellsignal für das Gas-Regelventil abgeleitet wird.

Die Luftzahlregelung von Gasbrennern nimmt in der Praxis immer stärker an Bedeutung zu. Mit Hilfe der Luftzahlrege­ lung gelingt es, Gasbrenner im optimalen Arbeitsbereich zu betreiben, in dem die Schadstoffemissionen, insbesondere die CO- und NO_x-Emissionen, gering sind, die thermische Be­ lastung des Gasbrenners sehr gleichmäßig ist und sowohl das Brennverhalten als auch der Wirkungsgrad des Gasbrenners op­ timal sind. Es hat sich herausgestellt, daß der optimale Ar­ beitsbereich bei einer Luftzahl zwischen 1,15 und 1,3 liegt. Mit einer Luftzahlregelung kann zudem die Störanfälligkeit des Gasbrenners verringert und ein sicherer und geräuschar­ mer Brennerbetrieb sichergestellt werden.

Statt einer einmaligen Luftzahleinstellung ist eine Luftzahlregelung erforderlich, da die Zusammensetzung des von dem Versorgungsnetz gelieferten Brenngases stark schwan­ ken kann. Dementsprechend stark schwankt auch die Gasbe­ schaffenheit, insbesondere der Wobbeindex des Brenngases. Ändert sich die Gasbeschaffenheit des Brenngases, so greift die Luftzahlregelung ein und ändert die Gaszufuhr mit Hilfe des Gas-Regelventils derart, daß der Gasbrenner weiterhin bei der gewünschten Luftzahl arbeitet.

Zur Luftzahlregelung kann die Luftzahl mit Hilfe von verschiedenen Meßgrößen bestimmt werden. Es hat sich jedoch bewährt, die Luftzahl über das mit Hilfe einer Ionisations- Elektrode erfaßte Ionisationssignal zu bestimmen (vgl. DE 196 27 857 C2). Die Ionisations-Elektrode stellt einen standfesten, leicht zu wartenden und gleichzeitig preisgün­ stigen Luftzahlsensor dar, der zudem mit äußerst geringem Aufwand installiert werden kann, sofern er nicht ohnehin zur Flammenüberwachung bereits vorhanden ist. Außerdem erlaubt das Ionisationssignal eine sehr zuverlässige und genaue Be­ stimmung der Luftzahl.

Da die Lüfterdrehzahl bekannt ist, kann aus dem Ionisa­ tionssignal dann die aktuelle Luftzahl bestimmt und mit einer für die jeweilige Lüfterdrehzahl charakteristischen Kennlinie geregelt werden.

Alternativ kann aus dem Ionisationssignal und der Lüf­ terdrehzahl bei Vetwendung entsprechender Auswerteschaltun­ gen ein für die aktuelle Luftzahl repräsentatives Signal ab­ geleitet werden, welches in einem bestimmten Leistungsbe­ reich im wesentlichen unabhängig von der Brennerleistung ist. Dies hat den Vorteil, daß die Luftzahl über diesen Lei­ stungsbereich mit einer einzigen Kennlinie geregelt werden kann. Das für die aktuelle Luftzahl repräsentative Signal wird mit dem für die gewünschte Luftzahl vorgegebenen Soll­ wert der Kennlinie verglichen, und aus diesem Vergleich wird ein Stellsignal für das Gas-Regelventil abgeleitet.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß mit der Zeit Veränderun­ gen am Zuluft- bzw. Abluftsystem des Gasbrenners auftreten können, welche dazu führen, daß der Gasbrenner trotz der obigen Luftzahlregelung nicht mehr im optimalen Arbeitsbe­ reich arbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei dem eingangs ge­ nannten Verfahren die Überprüfung des Betriebszustandes des Gasbrenners zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein für die aktuelle Leistung repräsentatives zweites Signal erfaßt wird und dieses mit einem vorgegebenen Wert vergli­ chen wird, wobei aus diesem Vergleich Informationen über den Betriebszustand des Gasbrenners abgeleitet werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sofern Veränderungen am Zuluft- bzw. Abluftsystem des Gasbrenners auftreten, die über die Lüfterdrehzahl eingestellte Brenner­ leistung nicht mehr der tatsächlichen Brennerleistung ent­ spricht. In diesem Fall kann die fehlende Korrelation zwi­ schen Lüfterdrehzahl und Brennerleistung dadurch erfaßt und kompensiert werden, daß ein anderes für die aktuelle Lei­ stung repräsentatives Signal erfaßt wird. Weicht das für die aktuelle Leistung repräsentative zweite Signal von dem für die eingestellte Leistung vorgegebenen Wert ab, erbringt der Gasbrenner nicht die gewünschte Leistung.

In diesem Fall kann z. B., wenn die Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, eine Wartungsanzeige aktiviert werden. Bei einer besonders großen Abweichung kann ferner ein Abschaltmechanismus eingreifen, welcher den Gas­ brenner automatisch abschaltet. Alternativ kann die Lüfter­ drehzahl solange variiert werden, bis das für die aktuelle Leistung repräsentative zweite Signal dem vorgegebenen Wert entspricht. Bei dieser Ausführungsform muß der Gasbrenner dann unter Berücksichtigung der geänderten Korrelation zwi­ schen Lüfterdrehzahl und Brennerleistung weiter betrieben werden. Auf diese Weise kann ein Gasbrenner über einen lan­ gen Zeitraum sicher und mit der gewünschten Leistung betrie­ ben werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den Vergleich mit dem zweiten Signal das erste Signal als vorgegebener Wert verwendet wird.

Vorteilhafterweise wird als zweites Signal die Lei­ stungsaufnahme des Lüfters oder das Temperaturniveau des Kessels oder der Luftmassenstrom durch den Lüfter erfaßt.

Ein besonders bevorzugtes alternatives Ausführungsbei­ spiel ist dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal aus einem aktuellen Ionisationssignal abgeleitet wird, wobei das zweite Signal sowohl für die aktuelle Leistung, als auch für die aktuelle Luftzahl repräsentativ ist. Diesem Ausführungs­ beispiel liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Ionisations­ signal selbst zur Überprüfung der aktuellen Leistung verwen­ det werden kann. Da das Ionisationssignal leistungsabhängig ist, kann dem Kundenbedarf entsprechend die aktuelle Be­ triebsleistung in einem sehr breiten Leistungsbereich über­ prüft werden. Weicht das aus dem Ionisationssignal abgelei­ tete, für die aktuelle Luftzahl und die aktuelle Leistung repräsentative zweite Signal von dem für diese Luftzahl und diese Leistung vorgegebenen Wert ab, erbringt der Gasbrenner nicht die gewünschte Leistung. Es können dann die erforder­ lichen Schritte eingeleitet werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß auch als erstes Signal ein sowohl für die ak­ tuelle Leistung als aüch für die aktuelle Luftzahl repräsen­ tatives Signal verwendet wird, wobei das erste und das zwei­ te Signal eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Luft­ zahl und/oder der Leistung aufweisen. Vorteilhafterweise können die Ionisationssignale selbst als erstes und/oder zweites Signal verwendet werden.

Besonders einfach läßt sich das erfindungsgemäße Verfah­ ren dadurch realisieren, daß das aktuelle Ionisationssignal, aus welchem das erste Signal abgeleitet wird, mit Hilfe einer ersten Speisespannung gemessen wird, und das aktuelle Ionisationssignal, aus welchem das zweite Signal abgeleitet wird, mit Hilfe einer zweiten Speisespannung gemessen wird.

Vorteilhafterweise werden die Ionisationssignale dadurch gemessen, daß eine Wechselspannung, vorzugsweise von 230 V, an die Ionisations-Elektrode angelegt wird. Der Polaritäts­ effekt der Flamme bewirkt, daß nur bei jeweils einer Halb­ welle ein Ionisationsstrom fließt. Dadurch läßt sich aus einem Gleichanteil der abgegriffenen Spannung das Ionisa­ tionssignal ableiten. Ein auf diese Weise gemessenes Ionisa­ tionssignal läßt sich besonders zuverlässig und genau aus­ werten. Zur Auswertung wird das Signal in der Regel zunächst an ein Tiefpaßfilter angelegt.

Alternativ können die Ionisationssignale dadurch gemes­ sen werden, daß eine Dreiecksspannung oder eine Rechteck­ spannung an die Ionisations-Elektrode angelegt wird.

Das zur Ableitung des für die aktuelle Luftzahl reprä­ sentativen Signals gemessene Ionisationssignal und das zur Ableitung des für die aktuelle Luftzahl und die aktuelle Leistung repräsentativen Signals gemessene Ionisationssignal müssen nicht durch Anlegen der gleichen Spannung an die Io­ nisations-Elektrode gemessen werden. Z. B. kann das Ionisa­ tionssignal zur Bestimmung des für die aktuelle Luftzahl re­ präsentativen Signals mit Hilfe einer Wechselspannung und das Ionisationssignal zur Bestimmung des für die aktuelle Luftzahl und für die aktuelle Leistung repräsentativen Signals mit Hilfe einer Dreiecksspannung oder einer Recht­ eckspannung gemessen werden oder umgekehrt.

Vorzugsweise werden die Ionisationssignale abwechselnd zur Ableitung des ersten Signals und zur Ableitung des zwei­ ten Signals genutzt.

Der Gasbrenner kann dadurch langfristig im optimalen Be­ triebsbereich gehalten werden, daß das zweite Signal in re­ gelmäßigen Zeitabständen, z. B. einmal pro Minute, erfaßt wird.

Zur Eichung des Systems ist es vorteilhaft, daß bei dem Betriebsstart des Gasbrenners Referenzmessungen durchgeführt werden, bei denen Referenzsignale für verschiedene Leistun­ gen und verschiedene Luftzahlen erfaßt und diese als vorge­ gebener Wert für den Vergleich mit dem zweiten Signal ge­ speichert werden. Sofern das zweite Signal aus einem aktuel­ len Ionisationssignal abgeleitet wird, werden bei dem Be­ triebsstart des Gasbrenners vorzugsweise Referenzmessungen durchgeführt, bei denen Referenz-Ionisationssignale für ver­ schiedene Lüfterdrehzahlen und verschiedene Luftzahlen er­ faßt und diese als vorgegebener Wert für den Vergleich mit dem zweiten Wert gespeichert werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel veranschaulichendes Diagramm; und

Fig. 2 zwei ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungs­ beispiel veranschaulichende Diagramme.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in dem die Spannung eines Meßsignals gegen die Luftzahl λ aufgetragen ist. Es sind sechs verschiedene Meßsignalkurven dargestellt. Bei den mit Signall bezeichneten Meßsignalkurven handelt es sich um die für die aktuelle Luftzahl repräsentativen Signale. Diese wurden aus dem bei einer Wechselspannung von 230 V gemessenen Ionisationssignal und der Lüfterdrehzahl mit Hilfe einer speziellen Auswerteschaltung abgeleitet. Die Signale sind für verschiedene Leistungen dargestellt. Wie zu sehen ist, liegen die Kurven fast vollständig übereinander, d. h. diese Signale sind tatsächlich leistungsunabhängig.

Bei den mit Signal 2 bezeichneten Meßsignalkurven handelt es sich um die für die aktuelle Luftzahl und die aktuelle Leistung repräsentativen Signale. Zur Messung wurde wiederum eine Wechselspannung von 230 V an die Ionisations-Elektrode angelegt und das Ionisationssignal anschließend unter Umge­ hung der speziellen Auswerteschaltung durch ein Tiefpaßfil­ ter geschickt. Es fällt auf, daß die wiederum für unter­ schiedliche Leistungen aufgenommenen Kurven stark voneinan­ der abweichen. Die Spannungsunterschiede zwischen den Meß­ signalkurven sind bei einer vorgegebenen Luftzahl im unteren Leistungsbereich besonders groß. Somit kann ein sehr großer Leistungsbereich des Gasbrenners dadurch zuverlässig über­ wacht werden, daß die Luftzahlregelung im Normalbetrieb mit Hilfe der übereinanderliegenden Signall-Kennlinien erfolgt und zur Überprüfung der Leistung die Wechselspannung von 230 V an die Ionisations-Elektrode angelegt und die spezielle Auswerteschaltung umgangen wird. Durch Vergleich des bei letztgenannter Messung erzielten Meßwerts mit den verschie­ denen vorgegebenen Signal 2-Kurven kann festgestellt werden, ob der Gasbrenner tatsächlich die gewünschte Leistung er­ bringt.

Fig. 2 zeigt zwei Diagramme, in denen das Ionisations­ signal gegen die Gebläsedrehzahl für ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung aufgetragen ist. Die dargestell­ ten Meßwerte wurden bei konstanter Luftzahl λ von 1,3 aufge­ nommen. In beiden Diagrammen sind die Ionisationssignale bei einer Speisespannung der Ionisations-Elektrode von 50 V und von 230 V dargestellt. Das obere Diagramm veranschaulicht den normalen Betriebszustand des Kessels. Bei der eingestellten Gaszufuhr ergibt sich bei einer Drehzahl von 2000 min.^-1 ein Ionisationssignal bei einer Speisespannung von 50 V von 109. Dies ist der Sollwert für die Regelung der Luftzahl von 1,3. Zur Überprüfung des Systems wird die Speisespannung der Io­ nisations-Elektrode in regelmäßigen Zeitabständen auf die Kontrollspannung von 230 V umgeschaltet. Wie dem obigen Dia­ gramm zu entnehmen ist, beträgt in diesem Fall das Ionisa­ tionssignal nur ungefähr 102. Die Differenz zwischen beiden Signalen ist somit ungefähr 7. Solange die Differenz zwi­ schen diesen beiden ermittelten Ionisationssignalwerten im Bereich von 7 liegt, ist der Betrieb des Gasbrenners im op­ timalen Arbeitsbereich gesichert.

Sofern das Luft-Abgassystem verstopft ist, z. B. durch eine Störung im Schornstein, verschiebt sich der gesamte Ar­ beitsbereich zu höheren Drehzahlen hin, wie in dem unteren Diagramm in Fig. 2 zu sehen ist. Bei der vorgegebenen Gaszu­ fuhr wurde in diesem Fall die Differenz zwischen den beiden Ionisationssignalen bei 2000 min.^-1 ungefähr 14 betragen. Durch Vergleich dieser Abweichung mit der Abweichung von 7 im normalen Betriebszustand kann auf einfache Weise festge­ stellt werden, daß der Gasbrenner nicht die gewünschte Lei­ stung erbringt. Während bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Auswertschaltung umgeschaltet wurde, werden bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel durch Umschaltung der Speise­ spannung zwei Ionisationssignale erzeugt, die eine unter­ schiedliche Abhängigkeit von der aktuellen Leistung des Gas­ brenners haben. In beiden Fällen gelingt es so, einen Gas­ brenner über einen langen Zeitraum sicher und mit der ge­ wünschten Leistung zu betreiben.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Z. B. kann das Ionisationssignal durch Anlegen einer Spannung einer beliebigen Form an die Ionisations-Elektrode erfaßt werden. Genauso kann das Ionisationssignal mit Hilfe einer Gleichspannung gemessen werden. Zur Abtastung des Io­ nisationssignals von der Ionisations-Elektrode kann zur Ab­ leitung des für die aktuelle Luftzahl repräsentativen Signals und des für die aktuelle Luftzahl und die aktuelle Leistung repräsentativen Signals der gleiche Meßwertaufneh­ mer verwendet werden. Alternativ können zwei Meßwertaufneh­ mer der Ionisations-Elektrode zugeordnet werden oder im Flammenbereich des Gasbrenners sogar zwei separate Ionisa­ tions-Elektroden angeordnet werden. Schließlich können die Referenzmessungen statt beim Betriebsstart bereits vorher herstellerseitig durchgeführt werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Luftzahlregelung eines mit einem Lüfter und einem Gas-Regelventil versehenen wenigstens teilvor­ mischenden Gasbrenners, wobei
im Flammenbereich Ionisationssignale mit Hilfe einer Io­ nisations-Elektrode gemessen werden,
die Lüfterdrehzahl erfaßt wird,
aus dem aktuellen Ionisationssignal ein für die aktuelle Luftzahl repräsentatives erstes Signal abgeleitet und dieses mit einem Sollwert verglichen wird, wobei die Lüfterdrehzahl bei der Ableitung des ersten Signals und/oder bei der Aus­ wahl des Sollwertes berücksichtigt wird, und
aus dem Vergleich ein Stellsignal für das Gas-Regelven­ til abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
ein für die aktuelle Leistung repräsentatives zweites Signal erfaßt wird und dieses mit einem vorgegebenen Wert verglichen wird,
wobei aus diesem Vergleich Informationen über den Be­ triebszustand des Gasbrenners abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Vergleich mit dem zweiten Signal das erste Si­ gnal als vorgegebener Wert verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als zweites Signal die Leistungsaufnahme des Lüfters oder das Temperaturniveau des Kessels oder der Luft­ massenstrom durch den Lüfter erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Signal aus einem aktuellen Ionisa­ tionssignal abgeleitet wird, wobei das zweite Signal sowohl für die aktuelle Leistung als auch für die aktuelle Luftzahl repräsentativ ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch als erstes Signal ein sowohl für die aktuelle Lei­ stung als auch für die aktuelle Luftzahl repräsentatives Signal verwendet wird, wobei das erste und das zweite Signal eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Luftzahl und/oder der Leistung aufweisen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationssignale selbst als erstes und/oder zweites Signal verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aktuelle Ionisationssignal, aus wel­ chem das erste Signal abgeleitet wird, mit Hilfe einer er­ sten Speisespannung gemessen wird, und das aktuelle Ionisa­ tionssignal, aus welchem das zweite Signal abgeleitet wird, mit Hilfe einer zweiten Speisespannung gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationssignale dadurch gemessen werden, daß eine Wechselspannung an die Ionisations-Elek­ trode angelegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationssignale dadurch gemessen werden, daß eine Dreieckspannung oder eine Rechteckspannung an die Ionisations-Elektrode angelegt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationssignale abwechselnd zur Ableitung des ersten Signales und zur Ableitung des zweiten Signals genutzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal in regelmäßigen Zeit­ abständen, z. B. einmal pro Minute, erfaßt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Betriebsstart des Gasbrenners Referenzmessungen durchgeführt werden, bei denen Referenzsi­ gnale für verschiedene Leistungen erfaßt und diese als vor­ gegebener Wert für den Vergleich mit dem zweiten Signal ge­ speichert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Betriebsstart des Gasbrenners Referenzmessungen durchgeführt werden, bei denen Referenz- Ionisationssignale für verschiedene Lüfterdrehzahlen und verschiedene Luftzahlen erfaßt und diese als vorgegebener Wert für den Vergleich mit dem zweiten Signal gespeichert gespeichert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner abgeschaltet oder neu ka­ libriert oder eine Störung angezeigt wird, wenn die Abwei­ chung des zweiten Signals von dem vorgegebenen Wert größer als ein vorgegebener Schwellwert ist.