DE3526384A1 - Verfahren und anordnung zur feinregulierung des brennstoffmengenstromes an brennerbetriebenen feuerungsanlagen durch messung des restsauerstoffes und des kohlenmonoxidgehaltes in den abgasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Feinregulierung der Brennstoffzuführung mittels eines Mengenstromfeinreglers an brennerbetriebenen Feuerungsanlagen.

Nutz- und Prozeßwärme wird gegenwärtig zum größten Teil durch Verbrennung von fossilen Energieträgern, wie Erdöl, Erdgas und Kohle, gewonnen. In Anbetracht dessen, daß das natürliche Vorkommen dieser Rohstoffe begrenzt ist und die Verarbeitung des Ausgangsmaterials zu ständigen Preissteigerungen geführt hat, ist man bestrebt, durch geeignete Maßnahmen eine spürbare Verbrauchsreduzierung und Wirkungsgradsteigerung der eingesetzten Energie zu erzielen.

Außerordentlich aktuell ist hierbei der Gesichtspunkt einer bestmöglichen jedoch zumindest den neuesten Verordnungen entsprechenden Verminderung des Schadstoffauswurfes zum Schutze der Umwelt. Herkömmliche Brennerfeuerungen sind bezüglich der Schadstoffbildung (NO _x , SO₂, SO₃, C _n H _m , CO) stark von der angesetzten Einstellungs- und Wartungssorgfalt abhängig. Zur Kompensation ausbrandbeeinflussender Parameter (Mischeinrichtung, Brennstoff, Witterung usw.) werden häufig uneffektive Luftüberschüsse eingestellt, die zwar bis zu einem gewissen Grad der Schadstoffbildung entgegenwirken, andererseits aber die optimale Umsetzung der Brennstoffenergie in verfügbare Nutzwärme negativ beeinflussen.

Feuerungsanlagen ohne Restsauerstoffmessung, jedoch mit Ausbrandkontrolle in Form einer Restsauerstoffbewertung über Ist-Soll-Vergleich und hieraus abgeleitetes Stellsignal zur unmittelbaren Beeinflussung der Luft- und/oder Brennstoffmenge anhand eines in Reihe zum Luft- und/oder Brennstoffhauptstrom geschaltetes Steuerglied, dessen Wirkungsweise im einzelnen folgend klassifiziert wird, arbeiten mit folgenden Methoden:
- TRIMM-METHODE: Das Stellglied beeinflußt in Abhängigkeit des Restsauerstoffes den Wirkhub des Brennstoff-Luft-Verbundreglergestänges nur auf der Lufthauptstromseite.
- KONSTANT-EINGANGSHEIZWERT-METHODE: Das Stellglied beeinflußt in Abhängigkeit des Restsauerstoffes einen zusätzlich vor den Brennstoff-Luft-Regler in den Brennstoffhauptstrom plazierten Mengenstromregler.
- VERBUNDFREIE METHODE: Das Stellglied arbeitet in Abhängigkeit des Restsauerstoffes als eigenständiger Lufthauptstrom-Nachlaufregler. Die Stellung des Brennstoff-Hauptstromreglers beinflußt den o. g. Nachlauf ausschließlich über den Ausbrand bzw. über den dadurch entstehenden Luftmangel oder Luftüberschuß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die problemlose Steuerung eines restsauerstoffgeführten Mengenstromfeinreglers ermöglicht, wobei der Mikroprozessor des Feinreglers nach einem absolvierten Lernprogramm, das für jede Anlage spezifisch ist, automatisch die Feinregelung des Brennstoffmengenstromes ermöglicht.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein Verfahren zur Feinregulierung des Brennstoffmengenstromes an brennerbetriebenen Feuerungsanlagen für fossile Energieträger durch Messung des Restsauerstoffgehaltes vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß als Kenngröße zur Bewertung des optimalen Stoffumsatzes das im Abgas enthaltene CO verwendet wird, wobei der Feinregler einen Mikroprozessor enthält, der mittels einer Softwareroutine und anhand eines CO-Monitors mit entsprechender Schnittstelle das Einlesen der zu einem jeweiligen Brennermischkopf und zu einer jeweilig eingestellten Ausbrandluftmenge gehörenden, realen Kohlenmonoxidkonzentration (ppm) erlaubt, wobei der Mikroprozessor des Feinreglers in der Weise ein Lernprogramm einleitet, das bei der ersten Inbetriebnahme der Anlage mittels eines digitalisierenden CO-Meßgerätes den CO-Wert und mittels einer O₂-Meßsonde den O₂-Wert im Abgas laufend mißt und den zunächst zugeregelten Mengenstromfeinregler Stufe für Stufe auffährt, bis der CO-Gehalt stark zunimmt, wobei der zugehörige O₂-Wert im Speicher des Mikroprozessors gespeichert wird und schließlich der Lernvorgang Laststufe für Laststufe bis zur kompletten Aufnahme und Speicherung der brennertypischen Ausbrandkennlinie im Speicher des Mikroprozessors ausgeführt wird.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wenn die zuvor erwähnte komplette Kennlinie aufgenommen ist, diese mit einem rechnerisch ermittelten Luftsicherheitszuschlag versehen, damit bei Ausregelvorgängen der Lambda-Wert innerhalb einer optimalen Hysterese bleibt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere Vorteile erreicht. So kann zunächst der Luftüberschuß für den späteren Brennerbetrieb in sehr engen Grenzen gehalten werden. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der mit beliebig vielen Eichpunkten ansetzbaren Auflösung der feuerungsleistungsabhängigen Ausbrandkennlinie einer in Betracht gezogenen Anlage.

Schließlich besteht ein wesentlicher Vorteil darin, daß durch die vorprogrammierte und den jeweiligen Gegebenheiten angepaßten Ausbrandkennlinie eine wesentliche Verringerung des Primärenergiebedarfs bei gleichzeitiger Senkung des Schadstoffauswurfes erzielt wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche gekennzeichnet ist durch einen stellmotorgetriebenen Mengenstromfeinregler, der in einem Nebenschlußkreis der Brennstoffversorgung des Brenners angeordnet ist und von einem Mikroprozessor gesteuert wird, der mit einer O₂-Sonde und mit einem Geberglied für die jeweils gefahrene Laststufe verbunden ist.

Die Mikroprozessorrecheneinheit besteht im wesentlichen aus einer CPU-Logik inklusive A/D-Wandler und D/A Wandler, deren Aufgabe es ist, die über ein bidirektionelles Bussystem nebst zugehörigem I/O-Port von dem während des Lernvorganges angeschlossenen CO-Meßgerät, der festangeschlossenen O₂-Sondenelektronik und dem Laststufengeberglied kommenden Daten so zu verarbeiten, daß eine definierte Führungsgröße als Stellwert für den Mengenstromfeinregler entsteht, wobei die CPU-Logik über einen batteriegepufferten RAM-Arbeitsspeicher für die Speicherung der aus dem Lernzyklus resultierenden O₂-Werte sowie einen Betriebssoftware beinhaltenden ROM-Speicher und verschiedene Zeitglieder verfügt.

Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Anordnung das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Prinzipzeichnung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung der Mikroprozessoreinrichtung.

Fig. 3 zeigt im Prinzip ein Ablaufdiagramm eines Programms, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht die Feuerungsanlage aus einem Verbrennungsraum 1 mit einem Brenner 2, welchem über eine Zufuhr 3 die Luft und über die Leitung 4 der Brennstoff, beispielsweise Öl oder Gas zugeführt wird.

In der Luftzufuhr 3 ist eine von einem Stellmotor 5 gesteuerte Klappe 6 angeordnet, wobei der Stellmotor 5 auch den Brennstoff- Hauptregler 7 in der Zuleitung 4 steuert.

Hauptbestandteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Nebenschlußleitung 8, die den Regler 7 in der Zuführungsleitung 4 überbrückt und in welcher ein Mengenstromfeinregler 9 geschaltet ist, der mit dem in Fig. 2 beschriebenen Mikroprozessor 10 verbunden ist.

Die Mikroprozessorrecheneinheit 10 ist ferner mit einer O₂-Sonde 11 verbunden und steht über eine weitere Leitung 12 mit einem Laststufengeberglied 13 in Verbindung, welches mit dem Stellmotor 5 gekoppelt ist.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, besteht der Mikroprozessor im wesentlichen aus der CPU-Einheit 14, die über einen BUS 15 mit einem I/O-Port 16, einem A/D-Wandler 17, einem Anzeigemodul 18, einer Sondenelektronik 19 und einem D/A-Wandler 20 verbunden ist. Die CPU-Einheit ist ferner mit einem batteriegepufferten RAM 21, einem ROM 22 und ggf. einem "Watchdog" 23 verbunden. Der A/D-Wandler 17 kann mit einem CO-Meßgerät 24 während der Lernphase verbunden werden.

Die Aufnahme der Winkelposition bzw. der Leistung des Brenners erfolgt über das Geberglied 25.

Die O₂-Sonde 11 ist über die Sondenelektronik 19 mit dem Ausgabeport 28 verbunden. Die gemessene O₂-Konzentration wird über das Bussystem 15 eingelesen. Die Vorgabe der minimal und maximal zulässigen Regelabweichung wird mit den Stellgliedern 26 und 27 geprägt.

Der Port 16 ist mit den verschiedensten Ein- und Ausgängen versehen, die zur Erfüllung der Aufgabe wenigstens mit nachstehenden Organen verbunden sind: Mengenstromfeinregler, Brenner, Feuerungsautomat, Zeitglieder, Luft-Leistungs-Stufe, Brennermotor, Alarmausgabe, Modusschalter "Lernen-Ausführen", Anzeigemodul und ggf. weitere Pfade.

In Fig. 3 ist das Ablaufdiagramm zur Steuerung des Mikroprozessors während der Lernphase dargestellt.

Bei jedem Brenneranlauf wird die Freigabe für die O₂-Regelung durch ein anzugsverzögerndes Zeitglied 29 bestimmt. Dieses Zeitglied muß einstellbar sein, um den Eigenheiten der jeweiligen Feuerungsanlagen gerecht zu werden. Dabei fragt der Mikroprozessor den Betriebsstatus des Brenners laufend ab und vergleicht den O₂-Wert vor und nach Bildung der Flamme. Während der Vorbelüftungsphase ( 30 Sec.) und nach Ablauf der o. g. Anzugsverzögerung (10 25 Sec.) wird geprüft, ob der Sauerstoffgehalt im Abgaskollektor wenigstens 20 Vol.% beträgt. Spätestens eine Sekunde nach Öffnen des Brennstoffventiles muß die Flammenbildung erfolgen. Mit Öffnen des Brennstoffventiles wird eine weitere Zeitroutine von ca. 10 Sec. aktiv, nach welcher die O₂-Sonde prüft, ob der Restsauerstoffgehalt im Abgas auf die von der Grundeinstellung des Luft-Brennstoff-Hauptreglers abhängige Konzentration, jedoch nicht mehr als 4 Vol.% O₂, abgesunken ist. Erst nach erfolgreicher Quittierung dieser Anfahrbedingungen wird der Mengenstromfeinregler vom Mikroprozessor über das I/O-Port angesprochen und aus der initialisierten Grundstellung in Abhängigkeit von der Brennstoff-Luft-Hauptregler-Stellung proportional aufgefahren, bis der Restsauerstoffgehalt der Abgase in Übereinstimmung mit der errechneten Ausbrandkennlinie steht. Im weiteren Verlauf des Brennerbetriebes wird der Mengenstromfeinregler auf jede Veränderung der Winkelstellung (gefahrene Brennerleistung) und auf jede Streuung des Brennstoffbrennwertes (kW/m³) durch entsprechendes Auf- oder Zuregeln seines Stellantriebes reagieren, so daß die Restsauerstoffkonzentration auf jeden Fall innerhalb der mit den Stellgliedern 26, 27 geprägten Hysterese bleibt und in Koenzidenz mit der anläßlich der Lernphase rechnerisch optimierten Ausbrandkennlinie steht.

Das Geberglied 25 soll auf Drahtbruch und Kurzschluß überwacht und das Vorhandensein einer dieser Fehler über das Anzeigemodul 18 bei gleichzeitiger Aktivierung einer Strömungsmeldung ausgewiesen werden.

Der Lernprozeß des Reglers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren läuft dabei wie folgt ab. Die Mikroprozessorrecheneinheit wird bei der ersten Inbetriebnahme des Brenners einer Lernphase unterzogen. Als Kenngröße zur Bewertung des stofflichen Umsatzes dient dabei das im Abgas enthaltene CO. Bei der ersten Inbetriebnahme wird mittels des CO-Meßgerätes 24, dessen Analogausgang im A/D-Wandler digitalisiert wird, der CO-Wert und mittels der O₂-Sonde 11 der O₂-Wert laufend gemessen, wobei der Mikroprozessor den Mengenstromfeinregler 9 zunächst initialisiert, d. h. daß der Brenner mit dem vom Brennstoff-Luft-Hauptregler geprägten Luftüberschuß arbeitet. Der Mengenstromfeinregler wird nun Stufe für Stufe aufgefahren, und zwar so lange, bis der CO-Gehalt stark zunimmt. Der entsprechende O₂-Wert wird im RAM 21 gespeichert. Dann wird die nächste Laststufe durch definierte Einstellung des Brennstoff-Luft-Hauptreglers angewählt, und der Mikroprozessor nimmt jetzt unter Wiederholung der vorgenannten Schritte die nächste Stufe auf.

Wenn die komplette Kurve aufgenommen und gespeichert ist, wird die Kurve mit einem angepaßten Luftsicherheitszuschlag versehen, damit bei Ausregelvorgängen der Lambda-Wert innerhalb einer optimalen Hysterese bleibt.

Am Anzeigemodul 18 wird ausgewiesen, wieviel Setpoints vorgegeben wurden und welche gerade gelernt werden, wobei der Soll- und der Ist-Wert bzw. der eingelesene, der rechnerisch ermittelte und der beim Regelbetrieb des Brenners vorhandene Restsauerstoffgehalt angezeigt werden können.

Von besonderem Vorteil ist dabei, daß die Wirkungsweise des Brennstoff-Luft-Hauptreglers nicht angetastet wird und daß die O₂-Regelung eine autonome Feinregulierung in Richtung maximaler Verbrennungsgüte vornimmt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit des Rechenprogramms zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Claims (5)

1. Verfahren zur Feinregulierung des Brennstoffmengenstromes an brennerbetriebenen Feuerungsanlagen für fossile Energieträger durch Messung des Restsauerstoffgehaltes der Abgase, dadurch gekennzeichnet, daß als Kenngröße zur Bewertung des optimalen Stoffumsatzes das im Abgas enthaltene CO verwendet wird, wobei der Feinregler einen Mikroprozessor enthält, der mittels einer Softwareroutine und anhand eines CO-Monitors mit entsprechender Schnittstelle das Einlesen der zu einem jeweiligen Brennermischkopf und zu einer jeweilig eingestellten Ausbrandluftmenge gehörenden, realen Kohlenmonoxidkonzentration (ppm) erlaubt, wobei der Mikroprozessor des Feinreglers in der Weise ein Lernprogramm einleitet, das bei der ersten Inbetriebnahme der Anlage mittels eines digitalisierenden CO-Meßgerätes den CO-Wert und mittels eine O₂-Meßsonde den O₂-Wert im Abgas laufend mißt und den zunächst zugeregelten Mengenstromfeinregler Stufe für Stufe auffährt, bis der CO-Gehalt stark zunimmt, wobei der zugehörige O₂-Wert im Speicher des Mikroprozessors gespeichert wird und schließlich der Lernvorgang Laststufe für Laststufe bis zur kompletten Aufnahme und Speicherung der brennertypischen Ausbrandkennlinie im Speicher des Mikroprozessors ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufnahme der kompletten brennertypischen Ausbrandkennlinie diese mit einem rechnerisch ermittelten Luftsicherheitszuschlag versehen wird, damit bei Ausregelvorgängen der Lambdawert innerhalb einer optimalen Hysterese bleibt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Mikroprozessor-Recheneinheit, deren Steuerausgang auf einen als Nebenschluß in der Brennstoffversorgung angeordneten, stellmotorbetätigten Mengenstromfeinregler wirkt und deren Eingänge im wesentlichen mit einer O₂-Sonde und einem Geberglied für die jeweils gefahrene Laststufe verbunden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroprozessor-Recheneinheit aus einer CPU-Logik inklusive A/D-Wandler und D/A-Wandler besteht, deren Aufgabe es ist, die über ein bidirektionelles Bussystem nebst zugehörigem I/O-Port von dem während des Lernvorganges angeschlossenen CO-Meßgerät, der fest angeschlossenen O₂-Sondenelektronik und dem Laststufengeberglied kommenden Daten so zu verarbeiten, daß eine definierte Führungsgröße als Stellwert für den Mengenstromfeinregler entsteht, wobei die CPU-Logik über einen batteriegepufferten RAM-Arbeitsspeicher für die Ablage der aus dem Lernzyklus resultierenden O₂-Werte sowie einen Betriebssoftware beinhaltenden ROM und verschiedene Zeitglieder verfügt.

5. Rechenprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Anordnung nach der Erfindung, gekennzeichnet durch folgenden Ablauf: