DE2733289C2

DE2733289C2 - Vorrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu einem Heißwasser- oder Heißdampferzeuger

Info

Publication number: DE2733289C2
Application number: DE2733289A
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Highland Park Ill. McInerney
Original assignee: Vapor Corp
Current assignee: Vapor Corp
Priority date: 1976-07-23
Filing date: 1977-07-22
Publication date: 1987-05-14
Also published as: US4067684A; JPS6331692B2; FR2359376A1; CA1055835A; DE2733289A1; JPS5313228A; GB1571348A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu einem Heißwasser- oder Heißdampferzeuger in Abhängigkeit vom Wärmebedarf mit folgenden Merkmalen: einem Wärmetauscher, einer Verbrennungskammer mit einem Brenner zum Erzeugen von Wärme für den Wärmetauscher, einer Einrichtung zum Regeln der Zufuhr von Luft, einem Brennstoffregelventil zum Regeln der Zufuhr von Brennstoff zum Brenner, sowie Steuereinrichtungen, die auf den Wärmebedarf des Wärmetauschers ansprechen, um die Einrichtungen zum Regeln der Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft zu steuern und hierdurch die Leistung des Wärmetauschers zu regeln.
Eine derartige Regelvorrichtung ist bekannt. Sie ermöglicht eine Anpassung an den jeweiligen Wärmebedarf, in dem die Brennstoffzufuhr erhöht oder gedrosselt und die Luftzufuhr entsprechend geregelt wird. Dabei wird von einem Brennstoff mit im wesentlichem konstantem Heizwert ausgegangen.
In einer Reihe von Anwendungsfällen ist es jedoch erwünscht, den Brenner wahlweise mit einem von mehreren Brennstoffen zu betreiben, die sich hinsichtlich ihres Heizwertes unterscheiden. Als unterschiedliche Brennstoffe kommen beispielsweise Erdgas, Klärgas oder Faulschlammgas bzw. Heizöl in Betracht. Dabei führt der Einsatz von Brennstoffen mit niedrigem Heizwert zu Schwierigkeiten, denn beim Übergang von einem Brennstoff mit hohem Heizwert zu einem Brennstoff mit niedrigem Heizwert wird normalerweise der Druck des der Verbrennungskammer zugeführten gasförmigen Brennstoffes verändert. Das kombinierte Brennstoff- Luft-Gemisch, das bei einer mit hohem Wirkungsgrad arbeitenden Verbrennungsanlage verwendet wird, bei der mit Hilfe von erzwungender Konvektion ein Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsgasen des Brenners und den Wärmetauscherflächen herbeigeführt wird, die von den Verbrennungsgasen überstrichen werden, enthält gewöhnlich außer dem gasförmigen Brennstoff Primär-, Sekundär- und Tertiärluft, und alle diese Anteile müssen in der Verbrennungskammer gründlich gemischt werden. Wenn das richtige Gemisch erzielt werden soll, muß man für den Brennstoff mit dem höheren Heizwert einen Mindestwert des niedrigsten Drucks festlegen. Dies hat seinen Grund darin, daß der Bedarf an Verbrennungsluft bei einer praktisch brauchbaren Brenner- und Wärmetauscherkonstruktion, die zum Verbrennen einer bestimmten Brennstoffmenge geeignet ist, einen bestimmten Mindestwert des statischen Drucks in der Verbrennungskammer bzw. dem Luftkasten vorgibt.

Es ist bereits eine Kesselanlage für den Betrieb mit Brennstoffen von unterschiedlichem Heizwert bekannt (US-PS 24 18 383, 31 05 540 und 31 59 345). Hier wird jedoch in aufwendiger Weise mit mehreren Brennern und mit einer entsprechend komplizierten Regeleinrichtung gearbeitet, damit ein ununterbrochener Betrieb während des Übergangs vom einen gasförmigen Brennstoff auf einen anderen gasförmigen Brennstoff mit anderem Heizwert gewährleistet ist.

Es ist auch bekannt, Schwankungen im Heizwert eines gasförmigen Brennstoffs dadurch zu begegnen, daß fortlaufend der Durchsatz und die Dichte des Gases gemessen werden und aus diesen Messungen ein Steuersignal für eine angepaßte Betätigung der Luftklappe im Verbrennungsluftstrom gebildet wird (DE-AS 10 12 724).

Die entsprechende Einrichtung ist jedoch vergleichsweise kompliziert und nur auf eine optimale Luftzufuhr abgestellt. Es fehlt bereits an Maßnahmen zur Korrektur von Brennstoffschwankungen und zur Anpassung der Brennstoffzufuhr an einen sich ändernden Wärmebedarf. Dementsprechend ist diese Einrichtung nicht dazu geeignet, den wahlweisen Einsatz verschiedener Brennstoffe mit unterschiedlichen Heizwerten zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie bei einfacher und wirtschaftlicher Konstruktion die Wärmeleistung in Anpassung an den jeweiligen Bedarf auch dann aufrecht zuerhalten vermag, wenn im Wechsel Brennstoffe verwendet werden, die sich bezüglich ihres Heizwertes erheblich unterscheiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Einrichtungen mit Ventilen zum wahlweisen Zu- oder Abschalten einzelner Brennstoffquellen für Brennstoffe von unterschiedlichem Heizwert, die Brennstoffquellen mit dem Brennstoffregelventil verbindende Zuleitungen, in die Zuleitungen eingebaute, auf Druckänderungen ansprechende Brennstoffdurchflußregler mit Ventilen und druckempfindlichen Einrichtungen, sowie eine Anzapfleitung zum Zuführen des an dem Brenner herrschenden kombinierten Brennstoff-Luft-Drucks zu jeder der druckempfindlichen Einrichtungen derart, daß an diesen und am Brenner sich derselbe Druck einstellt.

Durch diese Ausbildung lassen sich die Schwierigkeiten vermeiden, die sich bis jetzt bei bekannten Regelvorrichtungen für Gase von unterschiedlichem Heizwert ergeben. Dabei ist nur ein einziger Brenner vorgesehen, der mit Gasen von unterschiedlichem Heizwert gespeist wird. Desweiteren werden einfache Regeleinrichtungen mit Bauteilen üblicher Bauart verwendet, wobei die betreffenden Teile durch eine neuartige Anordnung in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des Kessels gesteuert werden. Dabei wird eine automatische Heizwertkompensation erzielt, so daß die gewünschte Leistung unabhängig davon erzielt wird, welcher der Brennstoffe von unterschiedlichem Heizwert eingesetzt wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Leistung einer "typischen" Heizeinrichtung, die mit zwei Brennstoffen bei verschiedenen Drücken betrieben wird;
Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Heizleistung einer Heizeinrichtung, die nicht mit einer Kompensationseinrichtung nach der Erfindung versehen ist;
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Heizleistung einer Heizeinrichtung mit einer Kompensationseinrichtung nach der Erfindung; und
Fig. 4 einen modulierenden Flüssigkeitserhitzer, der mit zwei Brennstoffen betreibbar und mit einer erfindungsgemäßen Kompensationseinrichtung ausgerüstet ist.
Wenn gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ein Brenner für Erdgas mit einem Nennheizwert von 8900 kcal/m³ und Faulschlammgas mit einem Nennheizwert von etwa 4450 kcal/m³ verwendet wird, ist es zur Aufrechterhaltung der Heizleistung beim Übergang von dem einen Brennstoff auf den anderen erforderlich, das Gas mit dem höheren Heizwert unter einem Überdruck von etwa 0,07 bar und das Gas mit dem niedrigeren Heizwert unter einem Überdruck von etwa 0,4 bar zuzuführen, wobei in der Verbrennungskammer der Überdruck Null herrscht.
Wird in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise mit einem variablen Luftdruck in der Verbrennungskammer gearbeitet, wobei der niedrigste anwendbare Luftdruck etwa 300 mm WS betragen würde, ist es nicht möglich, den Druck des Brennstoffs mit dem höheren Heizwert bis unter etwa 0,07 bar herabzusetzen, ohne daß die Verbrennung unstabil und die Anlage betriebsunfähig wird. Unter diesen Bedingungen beträgt der Druck für einen Brennstoff mit einem niedrigen Mindestheizwert etwa 0,27 bar. Dies führt in erster Linie wegen der Veränderungen bezüglich des Verhaltens der Gasströme zu einer Verringerung der Heizleistung in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise, denn eine gleichwertige Brennstoffzufuhr kann innerhalb des Modulationsbereichs nur an einem Punkt herbeigeführt werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es jedoch gemäß Fig. 3 möglich, eine solche Verringerung der Heizleistung zu vermeiden, denn gemäß Fig. 3 ist es möglich, gasförmige Brennstoffe mit niedrigem bzw. hohem Heizwert so zu verwenden, daß über den ganzen Betriebsbereich der Heizeinrichtung im wesentlichen die gleiche Heizleistung erzielt wird.
Die Mindestwerte der Menge des Brennstoffs in der Verbrennungsluft bei den betreffenden Drücken sind zwar nur als Beispiele für mit Unterwind arbeitende Verbrennungseinrichtungen zu betrachten, doch bilden sie relative Werte, die zur Erzielung einer einwandfreien Verbrennung aufrechterhalten werden müssen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist zur Regelung des Betriebs einer Einrichtung zum Erhitzen eines Fluides bestimmt, die mit Erdgas bzw. Faulschlammgas betrieben werden soll. Wie erwähnt, hat Erdgas einen Heizwert von etwa 8900 kcal/m³, während der Heizwert von Faulschlammgas nur etwa 4450 kcal/m³ betragen kann. Es sei jedoch bemerkt, daß sich die Erfindung nicht auf eine Verbrennungsregelvorrichtung für Erdgas und Faulschlammgas beschränkt und daß sich die Erfindung auch bei einer beliebigen anderen Anzahl von Brennstoffen mit unterschiedlichen Heizwerten anwenden läßt.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Kessel 10 mit einer Verbrennungseinrichtung 11 und einer Rohrschlangenanordnung 12. Zu der Verbrennungseinrichtung 11 gehört ein Brenner 13, dem ein Brennstoff über eine Hauptbrennstoffleitung 14 zugeführt werden kann. Die Verbrennungsluft wird der Verbrennungseinrichtung 11 durch ein Gebläse 15 bekannter Art zugeführt. Der Kesser 10 kann z. B. gemäß der US-PS 27 35 410 ausgebildet sein, d. h. so, wie er von der Vapor Corporation, Chicago, Illinois, U.S.A., auf den Markt gebracht wird.
Der Brenner 13 ist auf bekannte Weise so ausgebildet, daß er sowohl mit Erdgas als auch mit Faulschlammgas betrieben werden kann. Die Mengen an Gas und Verbrennungsluft, die dem Brenner zugeführt werden, richten sich nach dem Bedarf des Kessels 10. Ein Servoregler 20 spricht auf die Leistung oder den Bedarf des Kessels an und dient dazu, ein Brennstoffregelventil 22 und ein Verbrennungsluftventil 23 zu steuern, um die dem Brenner 13 zugeführten Mengen an Brennstoff und Verbrennungsluft und damit auch den kombinierten Brennstoff- Luft-Druck zu regeln. Wenn es erforderlich ist, die Leistung des Kessels 10 zu erhöhen, bewirkt somit die Servoregeleinrichtung 20, daß größere Mengen an Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt werden und daß der kombinierte Brennstoff- Luft-Druck erhöht wird. Entsprechend führt eine Verringerung des Bedarfs an Kesselleistung zu einer Verringerung der Menge an Brennstoff und Luft sowie des kombinierten Brennstoff-Luft- Drucks am Brenner 13.
Dem Brennstoffregelventil 22 und der Hauptbrennstoffleitung 14 kann entweder Faulschlammgas über eine Leitung 25 oder Erdgas über eine Leitung 26 und ein T-Stück 27 zugeführt werden. Das Faulschlammgas wird der Leitung 25 von einer Quelle 30 aus zugeführt, während die Zufuhr von Erdgas von einer Quelle 31 über die Leitung 26 erfolgt. Ein Absperrventil 32 in der Faulschlammgasleitung 25 regelt die Zufuhr von Faulschlammgas zu dem T-Stück 27, während ein Absperrventil 33 in der Erdgasleitung 26 die Zufuhr von Erdgas zu dem T- Stück regelt. Je nachdem, welches der Ventile 32 und 33 geöffnet ist, wird dem Brennstoffregelventil 22 Faulschlammgas oder Erdgas zugeführt.
Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln der Zufuhr von Brennstoff zu dem Ventil 22 gehören ein auf den Druck des Faulschlammgases einwirkender Brennstoffdurchflußregler 40 und ein auf den Druck des Erdgases einwirkender Brennstoffdurchflußregler 41, die in die Leitungen 25 und 26 eingeschaltet sind und jeweils auf den Druck ansprechen, der als kombinierter Brennstoff-Luft-Druck in einer Anzapfleitung 42 des Brenners 13 der Verbrennungseinrichtung 11 herrscht. Nimmt der in der Anzapfleitung 42 fühlbare Druck zu, wird die Einstellung an den Reglern 40 und 41 verändert, um die Ventile weiter zu öffnen. Zu jedem der Regler 40 und 41 gehört ein Ventil 41 a, das durch eine an die Anzapfleitung 42 angeschlossene zugehörige druckempfindliche Einrichtung 41 b gesteuert wird, so daß eine Erhöhung des von der druckempfindlichen Einrichtung gefühlten Drucks bewirkt, daß das betreffende Ventil weiter geöffnet wird. Zwar könnte man beliebige geeignete druckempfindliche Regler vorsehen, doch wird es vorgezogen, geradlinig durchströmbare Regler zu verwenden, z. B. solche der Bauart Maxitrol, wie sie von der Maxitrol Company auf den Markt gebracht werden. Somit führt jede Änderung des Drucks an dem Brenner 13, der in Beziehung zu dem kombinierten Druck im Luftkasten steht, welcher durch das Ventil 23 geregelt wird, sowie zu dem Brennstoffdruck, der durch das Ventil 22 geregelt wird, zu einer Zu- oder Abnahme des zur Rückkopplung dienenden kombinierten Brennstoff-Luft-Drucks, durch den die Einstellung an den Reglern 40 und 41 verändert wird.
Wenn das Faulschlammgas einen Heizwert von etwa 4450 kcal/m³ und das Erdgas einen Heizwert von etwa 8900 kcal/m³ hat, wird eine automatische Korrektur bezüglich der Änderung des Heizwertes gemäß der Erfindung beim manuellen oder automatischen Übergang vom einen Gas auf das andere Gas bewirkt, wenn die Heizleistung des Kessels auf einem bestimmten Wert gehalten werden soll. Wenn die Anlage gerade mit Erdgas betrieben wird, wobei das Ventil 33 geöffnet und das Ventil 32 geschlossen ist, und wenn vom Betrieb mit Erdgas auf den Betrieb mit Faulschlammgas übergegangen werden soll, wird das Ventil 33 geschlossen, während das Ventil 32 geöffnet wird, um mit der Zufuhr des Gases von niedrigerem Heizwert zu der Verbrennungseinrichtung 11 zu beginnen. Wenn die Heizleistung des Kessels 10 infolge des niedrigeren Heizwertes des zugeführten Brennstoffs abnimmt, bewirkt der Servoregler 20, daß das Brennstoffregelventil 22 und das Gebläseluftventil 23 weiter geöffnet werden, um den Druck am Brenner 13 zu steigern. Dieser erhöhte Druck wird zu dem Regler 40 zurückgemeldet, um ihn zu veranlassen, dem Brenner 13 einen stärkeren Faulschlammgasstrom zuzuführen, damit der niedrigere Heizwert ausgeglichen wird. Auf diese Weise wird die Heizleistung des Kessels auf dem gewünschten Wert gehalten. Entsprechend würde ein Übergang von Faulschlammgas auf Erdgas zu einer Verringerung des kombinierten Brennstoff- Luft-Drucks in der Abzweigleitung 42 und zu einer entsprechenden Abschwächung des Rückkopplungssignals des Brenners 13 führen, so daß der Regler 41 veranlaßt wird, den der Verbrennungseinrichtung zugeführten Erdgasstrom zu verkleinern.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist durch die Erfindung eine einfache Regelvorrichtung geschaffen worden, die es bei Verwendung von Brennstoffen mit unterschiedlichem Heizwert ermöglicht, bei einem Kessel oder dergleichen die Heizleistung auf einem gewünschten Wert zu halten.

Claims

1. Vorrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu einem Heißwasser- oder Heißdampferzeuger in Abhängigkeit vom Wärmebedarf mit folgenden Merkmalen:

a) einem Wärmetauscher (12),

b) einer Verbrennungskammer (11) mit einem Brenner (13) zum Erzeugen von Wärme für den Wärmetauscher,

c) einem Brennstoffregelventil (22) zum Regeln der Zufuhr von Brennstoff zum Brenner (13),

d) einem Luftregelventil (23) zum Regeln der Zufuhr von Verbrennungsluft zum Brenner, sowie

e) einer Regeleinrichtung (20), die auf den Wärmebedarf des Wärmetauschers (12) anspricht und die Ventile (22, 23) zum Regeln der Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsluft steuert, um hierdurch die Leistung des Wärmetauschers (12) zu regeln,

gekennzeichnet durch

f) Einrichtungen mit Ventilen (32, 33) zum wahlweisen Zu- oder Abschalten einzelner Brennstoffquellen (30, 31) für Brennstoffe von unterschiedlichem Heizwert,

g) die Brennstoffquellen (30, 31) mit dem Brennstoffregelventil (22) verbindende Zuleitungen (25, 26),

h) in die Zuleitungen (25, 26) eingebaute, auf Druckänderungen ansprechende Brennstoffdurchflußregler (40, 41) mit druckempfindlichen Einrichtungen (41 b) und Ventilen (41 a), zum Kompensieren der unterschiedlichen Heizwerte des Brennstoffs,

i) sowie eine Anzapfleitung (42) zum Zuführen des an dem Brenner (13) herrschenden kombinierten Brennstoff-Luft- Drucks zu jeder der druckempfindlichen Einrichtungen (41 b) derart, daß an diesen und am Brenner (13) sich derselbe Druck einstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine zuschaltbare Brennstoffquelle (30) Faulschlammgas und die andere zuschaltbare Brennstoffquelle (31) Erdgas abgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdurchflußregler (40, 41) so ausgebildet sind, daß die druckempfindlichen Einrichtungen (41 b) mit zunehmender Druckbeaufschlagung die Ventile (41 a) weiter aufsteuern.