DE3526384C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Nutz- und Prozeßwärme werden 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.

In der DE-OS 30 39 994 ist ein Verfahren zur Einstellung von Verbundreglern für Brenner in Wärmeerzeugungsanlagen beschrieben, die in Stufen auf je nach Wärmebedarf unterschiedliche Heizleistungen und Brennstoffdurchsätze einstellbar sind. Dabei sollen ein motorisch gesteuertes Luftregelventil und ein motorisch gesteuertes Brennstoffregelventil über Befehlsumsetzer von einem Mikroprozessor gesteuert werden. Zur Ermittlung und Einspeicherung der Luft : Brennstoff-Wertepaare bei der ersten Inbetriebnahme oder einer Inspektion der Anlage soll der Mikroprozessor durch einen Rechner ersetzt werden, der programmgesteuert den Arbeitsbereich des Brenners durchfährt. In jedem Zeitpunkt soll mittels einer Sonde der Abgaszustand erfaßt und durch Nachstellen des Luft zu Brennstoffverhältnisses der Abgaszustand auf den Sollwert gebracht werden. Die so ermittelten Luft zu Brennstoff-Wertepaare werden dann in einen Speicher eingeschrieben.

Dieses Verfahren besteht also in einem Feuerungsleistungsregelverfahren auf Prozessorbasis. Die Stellgrößen für die Luft-Brennstoff-Servos sind hauptsächlich von der momentanen Leistungsanforderung geprägt. Hierzu sind Wertepaare erforderlich, da die Leistungsregelung des Brenners über die obengenannte "verbundfreie Trimm-Methode" gefahren wird. Hierbei werden Luft und Brennstoff getrennt beeinflußt.

Ferner wird die Ausbrandkennlinie bei dem vorbekannten Verfahren zwar auch an beliebig vielen Lastpunkten aufgenommen, aber das grenzstöchiometrische Verhalten der Gesamtanlage wird durch manuelle Annäherung, d. h. empirisch, unter Zuhilfenahme eines Rechners ermittelt. Hiernach wird die Anlage mit festen Brennstoff zu Luft-Wertepaaren gefahren, die keine Kompensation von Brennwertstreuungen ermöglichen.

Es wird zwar in der vorbekannten Druckschrift angegeben, daß das Luft zu Brennstoffverhältnis durch eine O₂-Sonde beeinflußt werden kann, deren Ausgangssignal dem Mikroprozessor zugeführt wird, der eine entsprechende, geringfügig zulässige Anpassung der Luftklappe oder des Brennstoffregelventils vornimmt. Diese Angabe gilt nur innerhalb gewisser, relativ enger Grenzen, die beispielsweise durch atmosphärische Einflüsse gegeben sind, das Luft zu Brennstoffverhältnis zu beeinflussen. Eine zwingend notwendige, ständige aktive O₂-Messung ist aber bei dem Verfahren gemäß der DE-OS 30 39 994 nicht erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die problemlose Steuerung eines restsauerstoffgeführten Mengenfeinstromreglers ermöglicht, wobei der Mikroprozessor des Mengenfeinstromreglers nach einem absolvierten Lernprogramm, das für jede Anlage spezifisch ist, automatisch die Feinregelung des Brennstoffmengenstromes ermöglicht, um bei bester thermischer Nutzung eine minimale Schadstoffauswirkung zu erhalten.

Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 gelöst durch dessen Merkmale im kennzeichnenden Teil.

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 angepaßte 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 Koinzidenz 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 mittels eines in einer neben dem Hauptregler in der Brennstoffzuführungsleitung als Nebenschlußleitung angeordneten Feinreglers in brennerbetriebenen Feuerungsanlagen für fossile Energieträger durch Messung des Restsauerstoffgehaltes der Abgase, wobei als Kenngröße zur Bewertung des optimalen Stoffumsatzes das im Abgas enthaltene CO verwendet wird, unter Anwendung einer Mikroprozessoranordnung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) mittels eines mit dem Feinregler (9) verbundenen Mikroprozessors (10) wird durch eine Software-Routine anhand eines Monitors mit entsprechender Schnittstelle die zum jeweiligen Mischkopf des Brenners (2) gehörende, reale Kohlenmonoxidkonzentration (ppm) eingelesen;
• b) der Mikroprozessor wird dann einer Lernphase unterzogen, indem bei der ersten Inbetriebnahme des Brenners der CO-Wert mittels eines CO-Meßgerätes (24) und der O₂-Wert mittels einer O₂-Meßsonde (11) laufend gemessen werden;
• c) der zunächst zugeregelte Feinregler (9) wird nun Stufe für Stufe aufgefahren, bis der CO-Gehalt stark zunimmt, wobei der zugehörige O₂-Wert im RAM-Speicher (21) des Mikroprozessors gespeichert wird;
• d) die nächste Laststufe wird durch definierte Einstellung des Brennstoff-Luft-Hauptreglers (7, 6) angewählt, wobei der Mikroprozessor jetzt unter Wiederholung der vorgenannten Schritte die nächste Stufe aufnimmt, bis zur kompletten Aufnahme und Speicherung der brennertypischen Kennlinie im RAM-Speicher (21) des Mikroprozessors (10).

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 oder 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 Mengenfeinstromregler 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. Ablaufprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Anordnung nach der Erfindung, gekennzeichnet durch folgenden Ablauf:
 1. Schalter schließen durch Einleitung der Lernphase,
 2. CO-Meßgerät anschließen,
 3. erste und zweite Stufe der Last einstellen,
 4. Mengenfeinregler schließen,
 5. Wert der Laststufe ermitteln,
 6. Messung des O₂- und CO-Gehaltes,
 7. Vergleich der gemessenen Werte zur Bestimmung des Anstiegspunktes des CO-Wertes,
 8. If-Then-Verzweigung, Feinregler um einen Schritt öffnen und Rücksprung zum Schritt 6.,
 9. gemessenen O₂-Wert abspeichern,
10. Wert der entsprechenden Laststufe abspeichern,
11. nächsten Lastschritt einstellen,
12. Ermittlung der Anzahl der gemessenen Werte,
13. If-Then, wenn nicht, Rücksprung zum Schritt 3.,
14. Sicherheitswert für die gemessene Kurve berechnen,
15. Sprung zur Reglerroutine.