DE3711998A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermeiden von luftmangel bei der regelung von verbrennungsanlagen - Google Patents

Description

Verbrennungsanlagen, wie beispielsweise in Heizanlagen, Wärmekraftwerken und dergleichen, werden einerseits mit Luftüberschuss betrieben, um eine vollständige Verbrennung des eingesetzten Brennstoffes zu sichern und die Bildung unangenehmer Verbrennungsprodukte (beispielsweise Russ, Kohlenmonoxid) zu vermeiden. Andererseits darf der Luftüberschuss nicht zu gross sein, da sonst Energie zum Erwärmen der überflüssigen Luft verschwendet wird.

Bei gegebenen Bedingungen wird als Mass für den Luftbedarf ein Luftfaktor verwendet, der als das Verhältnis der tatsächlich zur Verbrennung verwendeten Luftmenge zu der stöchiometrisch dafür benötigten Luftmenge definiert ist und im allgemeinen zwischen 1,05 und 2,0 liegt. Bei demjenigen Luftfaktor, bei dem sich ein Maximum an ausnutzbarer Energie ergibt, ohne dass unerwünschte Verbrennungsprodukte in nennenswerter Menge entstehen, arbeitet die Verbrennungsanlage am wirtschaftlichsten, er wird "wirtschaftlichster Luftfaktor" genannt. Wird nach der Verbrennung das Verbrennungsgas zur Durchführung von Prozessaufgaben benutzt, kann der Luftfaktor wesentlich höher liegen. Wir nennen aber auch dann den für den Gesamtprozess optimalen Luftfaktor den "wirtschaftlichsten Luftfaktor".

Um stets eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten, wird in der Praxis mit beträchtlichem Abstand über dem wirtschaftlichsten Luftfaktor gearbeitet, so dass keine Gefahr besteht, dass durch Schwankungen in den Bedingungen ein Luftmangel entsteht, die Verbrennung also unvollständig wird. Somit hängt es von der Güte der Regelung einer Verbrennungsanlage ab, wie weit man aus Sicherheitsgründen von der wirtschaftlichsten Arbeitsweise abweichen muss.

Es sind Regelungen von Verbrennungsanlagen bekannt, bei denen durch Koppelung die Brennstoff- und die Luftzufuhr gemeinsam erhöht oder erniedrigt werden. Bei solchen Regelungen wird beispielsweise die Brennstoff- und die Luftzufuhr erhöht, wenn die Temperatur des Kesselwassers absinkt, der Energiebedarf sich also erhöht hat. Der in der Praxis für eine saubere Verbrennung benötigte höhere Luftbedarf pro Einheit der Brennstoffmenge beim Übergang in Richtung zum Kleinlastbereich wird bei dieser Regelungsart beispielsweise durch eine nichtlineare Regelungskurve für die Luftzufuhr ausgeglichen.

Solche Regelungen können den Einfluss von Störgrössen, wie beispielsweise Temperatur und Druck der Luft sowie Viskosität und Heizwert des Brennstoffs, nicht ausgleichen. In den letzten Jahren hat man daher die obengenannte Regelung durch eine zugeordnete Regelschleife ergänzt, bei welcher der Restsauerstoffgehalt im Verbrennungsgas als Mass für den Luftfaktor gemessen und entsprechend diesem Messwert die durch die Regelung einzustellende Luftmenge korrigiert wird. Die Firmenschrift "Sauerstoff-Messeinrichtung für O₂-Messungen in Rauchgasen von öl- oder gasbefeuerten Wärmeerzeugern" der Landis & Gyr, Zug, Schweiz, vom August 1982 beschreibt eine solche Anlage. Sie erlaubt, Verbrennungsanlagen bei niedrigeren Luftfaktoren zu betreiben, als dies bei Anlagen ohne eine solche Sauerstoffregelung möglich ist.

Bekannte Einrichtungen zur Messung des Restsauerstoffgehaltes in Verbrennungsgasen haben eine merkliche Einstellzeit, die durch den zur Bildung eines gleichmässigen Verbrennungsgasgemisches notwendigen Abstand zwischen der Flamme und der Messstelle bedingt ist, weiter tritt dazu noch die Gaswechselzeit im Messvolumen des Sauerstoffsensors. Diese Trägheit führt bei Regelanlagen wie bei der genannten dazu, dass sie im Übergangszustand eine vorübergehende Verkleinerung des Luftfaktors hervorruft, wenn eine Sollwertnachstellung in Richtung zu niederen Restsauerstoffwerten erfolgt. Deshalb ist es beim Gebrauch einer solchen Regelanlage notwendig, die Verbrennungsanlage bei einem an sich vermeidbaren, immer noch etwas zu hohen Luftfaktor zu betreiben, um Luftmangel, bei dem die Verbrennung unvollständig ist, auch im Übergangszustand zu vermeiden. Dies beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit der Verbrennung in einem Masse, das bei grossen Anlagen nicht mehr vernachlässigbar zu sein braucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren zu schaffen, bei dem ein solcher Luftmangel in keiner Phase der Regelung eintreten kann, so dass der Sollwert für den Luftfaktor, mit dem die Verbrennungsanlage betrieben werden soll, möglichst nahe an den wirtschaftlichsten Luftfaktor gelegt werden kann. Dabei ist es erwünscht, dass die entsprechende Erweiterung nur geringe Kosten verursacht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1 gelöst, die weiteren Ansprüche beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie auf vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung zu seiner Durchführung.

Ausführungsformen der Erfindung und Erläuterungen zum Verfahrensablauf werden beispielhaft an Hand der Zeichnung angegeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Regelschaltbild einer Verbrennungsanlage,

Fig. 2 ein Schaltungsbeispiel für eine Sollwertnachstellung für den Restsauerstoffgehalt,

Fig. 3 ein Regelgrössendiagramm für eine Sollwertnachstellung nach dem Stand der Technik und

Fig. 4 ein Regelgrössendiagramm für die beschriebene Sollwertnachstellung.

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft ein vereinfachtes Regelschaltbild einer Verbrennungsanlage. In ihr sind der Kessel, der Brenner, die Hauptluftleitung, die Hilfsluftleitung, die Kesselwasserleitung und der Abzug des Verbrennungsgases nicht gezeichnet. Ein Brennstoffventil 1 und eine Hauptluftklappe 2 werden von einem einzigen Hauptmotor 3 betätigt. Dieser erhält beim Start von einem Feuerungsautomaten 4, später von einem Leistungsregler 7 über einen Haupt-Auf-Schalter 5 den Auf-Befehl, über einen Haupt-Zu-Schalter 6 den Zu-Befehl. Der Feuerungsautomat 4 ist mit dem Ausgang des Leistungsreglers 7, hier einem Temperaturregler, verbunden, desen Eingangsgrösse die mit einem Temperatursensor 8 gemessene Kesselwassertemperatur ist. Sinkt beispielsweise die Temperatur im Kesselwasser, so öffnet der Hauptmotor 3 jeweils um ein entsprechendes Stück sowohl das Brennstoffventil 1 wie auch die Hauptluftklappe 2 und sorgt so für das Konstanthalten der Kesselwassertemperatur bei Beibehaltung des Luftfaktors. Es können auch andere Grössen als die Kesselwassertemperatur als Eingangsgrösse für den Leistungsregler 7 verwendet werden.

Wie weiter oben gesagt, genügt das Beibehalten des Luftfaktors aber nicht, um eine nahe bei dem wirtschaftlichsten Luftfaktor arbeitende Verbrennung bei jeder Leistung der Verbrennungsanlage aufrecht zu erhalten. Die Regelung wird daher durch eine Sauerstoffregelung ergänzt. Diese weist beispielsweise einen selbständigen Hilfsluftstrom zum Brenner auf, der nach den Bedürfnissen der Sauerstoffregelung mit einer Hilfsluftklappe 9 eingestellt wird.

In der Fig. 1 wird die Hilfsluftklappe 9 gezeigt, wie sie von einem Hilfsmotor 10 mit Hilfe eines Hilfs-Auf-Schalters 11 und eines Hilfs-Zu-Schalters 12 betätigt wird. Beide Schalter 11, 12 erhalten ihre Befehle über einen Sauerstoffregler 13 von einem Messumformer 14, dessen Eingangswert von dem im Abzug des Verbrennungsgases angebrachten Sauerstoffsensor 15 geliefert wird. Dem Sauerstoffregler 13 wird weiter ein Restsauerstoffsollwert von einem Potentiometer 16 eingegeben, das von dem Hauptmotor 3 angetrieben wird. Dieser Sollwert ist dem Luftfaktor als Funktion der Verbrennungsleistung proportional. Um die unlineare Abhängigkeit des benutzten Restsauerstoffsollwertes von der Leistung herzustellen, ist ein Funktionsumformer 17 zwischengeschaltet. Der Restsauerstoffsollwert kann auch auf andere Weise eingegeben werden.

So weit ist diese Regelungsanlage nach Fig. 1 Stand der Technik. Sie erzeugt aber bei einer Sollwertnachstellung in Richtung zu niedereren Restsauerstoffwerten eine vorübergehende Verkleinerung des Luftfaktors, die zu einem Luftmangel bei der Verbrennung führen kann, wenn die Regelungsanlage zu nahe über dem wirtschaftlichsten Luftfaktor arbeitet.

Eine Schaltung 25 zur Nachführung des Restsauerstoffsollwertes unter Vermeidung jedes Luftmangels in der Verbrennung zeigt die Fig. 2. Diese Schaltung 25 ist in der Fig. 1 zwischen den Funktionsumformer 17 und den Sauerstoffregler 13 geschaltet, kann aber auch unmittelbar dem Potentiometer 16 nachgeschaltet sein. Der Restsauerstoffsollwert wird über das hier beispielsweise vom Funktionsumformer 17 versorgte Potentiometer 16, das von dem Hauptmotor 3 angetrieben wird, und dem nachgeschalteten Funktionsumformer 17 gebildet. Der so geformte eingehende Sollwert wird von einem ersten Anschlusspunkt 18 am Funktionsumformer 17 der Schaltung 25 zugeführt. Der Anschlusspunkt 18 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 19 verbunden. Vom Ausgang des Verstärkers 19 führt eine Rückkopplungsleitung über einen Schalter, hier eine Diode 20, und einen Rückkopplungswiderstand 21 zum invertierenden Eingang des Verstärkers 19 zurück. Der Rückkopplungswiderstand 21 ist gleichzeitig Teil einer Spannungsteilerkette, die auf der einen Seite des Rückkopplungswiderstandes 21 noch aus einem Widerstand 22 mit deutlich höherem Widerstandswert als der des Rückkopplungswiderstands 21 besteht. Der Widerstand 22 ist auf der vom Rückkopplungswiderstand 21 abliegenden Seite an Masse gelegt. Auf der anderen Seite des Rückkopplungswiderstandes 21 ist ein Speicherelement mit Entlademöglichkeit, hier ein Kondensator 23 angeschlossen, dessen andere Seite ebenfalls an Masse liegt, ebenso ist angeschlossen der zweite Anschlusspunkt 24 für den ausgehenden Sollwert. Besitzt der Funktionsumformer 17 einen Ausgangsverstärker, so kann dieser als Grundlage der Schaltung 25 benutzt werden, als zusätzliche Bauteile benötigt man dann nur die Diode 20, den Widerstand 22 und den Kondensator 23, um die beschriebene Vorrichtung herzustellen.

Anstelle der Schaltung 25 kann auch ein integrierter Schaltkreis verwendet oder seine Aufgaben von einem entsprechend programmierten Mikroprozessor übernommen werden.

Die Schaltung 25 arbeitet folgendermassen: Ist bei einer Sollwertnachstellung der eingehende Restsauerstoffsollwert gleich oder höher als der bis dahin anliegende Sollwert, so leitet die Diode 20, der Verstärker 19 arbeitet, der Kondensator 23 wird rasch auf die dem neuen Sollwert entsprechende Spannung gebracht und der neue Sollwert kann am Anschlusspunkt 24 abgenommen werden. Der ausgehende Sollwert wird also nahezu unverzüglich nachgeführt.

Ist der eingehende Sollwert tiefer als der bis dahin anliegende Sollwert, so sperrt die Diode 20. Der den Wert des ausgehenden Sollwerts bestimmende Kondensator 23 wird über die Spannungsteilerkette 21, 22 so lange entladen, bis er die dem eingehenden Sollwert entsprechende Spannung erreicht, worauf die Diode 20 wieder leitend wird und die im obigen Abschnitt beschriebenen Verhältnisse hergestellt werden. Während der Entladezeit des Kondensators 23 wird am zweiten Anschlusspunkt 24 ein Sollwert ausgegeben, der sich nur langsam dem Wert des am ersten Anschlusspunkt 18 eingehenden Sollwerts nähert.

Die Schaltung 25 verursacht somit eine Sollwertnachstellung, die den ausgehenden Sollwert in Richtung auf niedrigere Restsauerstoffsollwerte hin zeitlich dämpft, in Richtung auf höhere Restsauerstoffsollwerte hin jedoch ohne merkliche Dämpfung arbeitet.

Die Schaltung 25 enthält im Kondensator 23 einen Speicher. Der in ihm enthaltene Wert bestimmt den Wert des ausgehenden Sollwertes. Bei einer Sollwertnachstellung in Richtung zu niederen Restsauerstoffsollwerten ändert sich der ausgehende Sollwert nur langsam, bis sein Wert den des eingehenden Sollwerts erreicht. Eine Sollwertnachstellung in Richtung zu höheren Restsauerstoffsollwerten arbeitet ohne merkliche Dämpfung.

Nach dieser technischen Lehre lässt sich die beschriebene Sollwertnachführung auch digital aufbauen. Sie enthält dann statt der Diode 20 einen Schalter, statt des Kondensators 23 einen Speicher mit Änderungsmöglichkeit für den Speicherinhalt. Der im Speicher 23 enthaltene Wert bestimmt den Wert des ausgehenden Sollwertes. Der Schalter 20 wird bei der Sollwertnachstellung zu niedrigeren Restsauerstoffsollwerten so gestellt, dass sich der Speicherinhalt nur langsam ändert, bis sein Wert dem des eingehenden Sollwerts entspricht. Zur Sollwertnachstellung zu höheren Restsauerstoffsollwerten wird der Schalter 20 so gestellt, dass der den Wert des ausgehenden Sollwerts darstellende Speicherinhalt unverzüglich dem eingehenden Sollwert nachgeführt wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in Diagrammen die Wirkung beider Sollwertverstellungen. Dabei bedeutet A die Leistung der Verbrennungsanlage, B den ausgehenden Restsauerstoffsollwert, C den Messwert am Sauerstoffsensor, D die Korrektur der einzugebenden Luft und E den Luftfaktor, mit dem die Verbrennungsanlage betrieben wird. Die Grössen sind über die Zeit t aufgetragen, zur Zeit t 1 wird die Leistung A erhöht, zur Zeit t 2 wird sie erniedrigt.

In der Fig. 3 zeigt das Leistungsdiagramm A der Verbrennungsanlage bei t 1 einen Sprung zu höherer Leistung, bei t 2 einen Sprung zurück zur alten Leistung. Da bei höherer Leistung mit kleinerem Luftfaktor gefahren werden kann, zeigt das Diagramm B für den ausgegebenen Sollwert entsprechende Sprünge in umgekehrter Richtung. Der Sauerstoffsensor 15 gibt diese Sprünge in C verzögert und gedämpft wieder. Die durch die Sauerstoffregelung erzwungene Korrektur D ist die Differenz zwischen der Kurve für den ausgegebenen Sollwert B und der durch das Verhalten des Reglers 13, 14 um weniges verzögerten Kurve C für den Messwert des Sauerstoffsensors 15. Sie zeigt eine Untersteuerung der Korrektur D der zugeführten Luft bei abnehmendem Restsauerstoffsollwert und eine Übersteuerung bei zunehmendem Restsauerstoffsollwert. Dasselbe Verhalten zeigt auch der in E dargestellte sich ergebende Luftfaktor.

Während die Übersteuerung des Luftfaktors bei zunehmendem Restsauerstoffsollwert hingenommen werden kann, da davon kurzzeitig nur die Wirtschaftlichkeit der Verbrennungsanlage beeinträchtigt wird, kann durch die Untersteuerung des Luftfaktors bei abnehmendem Restsauerstoffsollwert die vollständige Verbrennung in der Verbrennungsanlage beeinträchtigt werden, wenn der Luftfaktor unter den von der Regelung vorgegebenen Wert absinkt.

In der Fig. 4 werden dieselben Verhältnisse bei der beschriebenen Anlage gezeigt. Hier verläuft die Kurve für den ausgehenden Sollwert B bei Änderung in abnehmender Richtung gedämpft, bei Änderung in zunehmender Richtungt praktisch ungedämpft. Stellt man diese Dämpfungs- oder Veränderungszeit für den ausgehenden Sollwerts bei Sollwertverstellung zu kleinen Restsauerstoffgehalten mindestens gleich oder grösser ein wie die Einstellzeit des Sauerstoffsensors 15, so erleidet die Korrekturkurve D für die Luft bei abnehmendem Restsauerstoffsollwert nur minimale Abweichungen aus der Nullage in Richtung auf einen Luftmangel. Die Kurve des Luftfaktors E zeigt praktisch einen gedämpften Einlauf in seinen neuen, tieferen Wert, so dass sie an keiner Stelle den wirtschaftlichsten Luftfaktor unterschreiten kann. Eine unvollständige Verbrennung kann somit nicht eintreten. Für einen zunehmenden Restsauerstoffsollwert liegen dieselben Verhältnisse wie in Fig. 3 vor.

Die beschriebene Dämpfung des Sollwertes bei abnehmendem Restsauerstoffsollwert verhindert also zuverlässig den Luftmangel und damit das Eintreten einer unvollständigen Verbrennung. Es ermöglicht, die Verbrennungsanlage näher beim wirtschaftlichsten Luftfaktor zu betreiben als Verbrennungsanlagen nach dem Stand der Technik. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsvorganges und verkleinert die Zahl der Störfälle. Ist im Funktionsumformer 17 ein Ausgangs- oder Eingangsverstärker vorhanden, so ist der Aufwand für die benötigten Teile, eine Diode 20, einen Widerstand 22 und ein Kondensator 23, gering.

Claims (8)

1. Verfahren zur Vermeidung von Luftmangel bei einer Verbrennungsanlage, bei der durch eine Regelung die Brennstoff- und die Luftzufuhr gemeinsam gleichsinnig beeinflusst wird, wobei diese Regelung durch eine Sauerstoffregelung unterstützt wird, bei welcher der Restsauerstoffgehalt des Verbrennungsgases als Mass für den Luftfaktor gemessen wird und bei der die Sauerstoffregelung die vorgeregelte Luftzufuhr so korrigiert, dass sie stets möglichst wenig über dem wirtschaftlichsten Luftfaktor liegt, wozu eine automatische Sollwertnachstellung für den Restsauerstoffgehalt dient, dadurch gekennzeichnet, dass diese Sollwertnachstellung in Richtung zu niedrigeren Restsauerstoffwerten zeitlich gedämpft wird und in Richtung zu höheren Restsauerstoffwerten ohne merkliche Dämpfung arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Sollwertnachstellung ausgehende Sollwert durch einen in einem Speicher (23) enthaltenen Wert bestimmt wird, der sich bei der Sollwertnachstellung in Richtung zu niederen Restsauerstoffwerten nur langsam ändert, bis sein Wert dem des neu eingehenden Sollwerts entspricht, und dass zur Sollwertnachstellung in Richtung zu höheren Restsauerstoffwerten der im Speicher (23) enthaltene Wert unverzüglich dem des eingehenden Sollwerts nachgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Sollwertnachstellung in Richtung zu niedrigeren Restsauerstoffwerten die Dämpfungs- oder Änderungsdauer der Sollwertnachstellung mindestens gleich oder grösser ist als die Einstelldauer des Sauerstoffsensors.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schalter (20) und einen Speicher (23) mit Änderungsmöglichkeit (21, 22) für den Speicherinhalt aufweist, dass zur Sollwertnachstellung zu niedrigeren Restsauerstoffwerten der Schalter (20) so eingestellt ist, dass sich der Speicherinhalt langsam ändert, bis er dem Wert des neuen Sollwertes entspricht und dass zur Sollwertnachstellung zu höheren Restsauerstoffwerten der Schalter (20) so eingestellt ist, dass der Speicherinhalt schnellstmöglich dem neuen Sollwert entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verstärker (19) mit Rückkopplungswiderstand (21), ein Halbleiterelement (20) als Schalter und einen Kondensator (20) als Speicher mit einer Entlademöglichkeit (21, 22) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (19) an der Eingangsseite den eingegebenen Sollwert empfängt und an der Ausgangsseite mit der Diode (20) an einen Rückkopplungswiderstand (21) geschaltet ist und dass der Rückkopplungswiderstand (21) auch Teil einer Spannungsteilerkette (21, 22) ist, die die Ladung des mit der Diode (20) verbundenen Kondensators (23) herabsetzt, wenn der Ausgang des Verstärkers (19) auf niedrigerem Potential liegt als das des an die Diode (20) anschliessenden Ausgangs des Kondensators (23), und dass das Potential des Kondensators (23) den ausgehenden Sollwert darstellt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem integrierten Bauelement besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen entsprechend programmierten Mikroprozessor aufweist.