DE3900151C2 - Sicherheitstechnische Überwachung eines drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses - Google Patents
Sicherheitstechnische Überwachung eines drehzahlgesteuerten VerbrennungsluftgebläsesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die sicherheitstechnische
Überwachung der Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses
für einen Öl-, Gas- oder Zweistoff-Brenner (DE 30 37 935 C2).
Die zur Verbrennung notwendige Luftmenge wird bei
einem Öl-, Gas- oder Zweistoff-Gebläsebrenner durch
ein Verbrennungsluftgebläse gefördert. Die Luftmenge
wird der Brennstoffmenge entweder durch eine
Drosselklappe zugeführt; dies kann auch durch eine
veränderbare Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses
erreicht werden. Die sicherheitstechnische Überwachung
des drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses
dient dazu, bei Abweichungen vom festgelegten
Brennstoff-Luft-Verhältnis vor dem Auftreten von
unzulässig hohen Schadstoffemissionen die Feuerung
sicher abzuschalten.
Nach dem Stand der Technik wird bei Öl-, Gas- oder
Zweistoff-Gebläsebrennern, im folgenden Brenner
genannt, zur Anpassung der Brennerleistung an den
Wärmebedarf der Anlage der Brennstoff und die
Verbrennungsluft mechanisch gekoppelt verändert.
Die für die Verbrennung des jeweils vorgegebenen
Brennstoffes notwendige Luftmenge wird über eine
Luftklappe auf das für ein bestimmtes Brennstoff-
Luft-Verhältnis erforderliche Maß bei konstanter,
von der Netzfrequenz bestimmter Drehzahl des
Verbrennungsluftgebläses gedrosselt. Alternativ
zu diesem Vorgehen kann die benötigte Luftmenge
auch durch eine Veränderung der Drehzahl des
Verbrennungsluftgebläses des Brenners erreicht werden.
Daraus ergeben sich die Vorteile einer Reduzierung
der erforderlichen elektrischen Energie sowie einer
Geräuschminderung. Im Falle der drehzahlabhängigen
Luftmengensteuerung nimmt man eine Überwachung durch
Messung der Massenströme der Verbrennungsluft und
des Brennstoffes vor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Öl-,
Gas- oder Zweistoff-Brennern, deren
Verbrennungsluftmenge durch Drehzahländerung des
Verbrennungsluftgebläses bestimmt wird, das Verhältnis
von Brennstoff- zu Luftmenge sicherheitstechnisch
zuverlässig zu überwachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen
gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das Verändern der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses
und somit der geforderten Verbrennungsluftmenge
mechanisch unabhängig von der vorgegebenen
Brennstoffmenge verlangt eine Absicherung des
Brennstoff-Luft-Verhältnisses für einen sicheren
Brennerbetrieb. Im Gegensatz zur bekannten Überwachung
durch Messung der Massenströme der Verbrennungsluft
und des Brennstoffes wird das vorgegebene Brennstoff-
Luft-Verhältnis erfindungsgemäß durch die selbsttätig
fehlererkennend und somit in eigensicherer Funktion
stattfindende Überwachung der Drehzahl des
Verbrennungsluftgebläses in Abhängkeit von der Stellung
des Stellgliedes für die Brennstoffmenge vorgenommen.
Abhängig vom Wärmebedarf der Feuerungsanlage wird
von einem Leistungsregler ein Stellglied angesteuert,
welches die Brennstoffmenge bestimmt. Über die
Drehzahlsteuerung wird der vorgegebenen Brennstoffmenge
die zur Verbrennung notwendige Luftmenge zugeordnet.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Drehzahl
des Drehstrom-Asynchron-Motors des Verbrennungs
luftgebläses über einen statischen Frequenzumrichter
durch Variation der Frequenz und Spannung eingestellt.
Da diese Ansteuerung als offene Steuerkette wirkt,
kann nicht davon ausgegangen werden, daß in jedem
Fall die richtige Drehzahl entsprechend der vorgegebenen
Brennstoffmenge im Fehlerfall eingehalten wird.
Das erfindungsgemäße Vorgehen zur sicherheitstechni
schen Überwachung des drehzahlgesteuerten Verbren
nungsluftgebläses gilt bei der Fehlerbetrachtung
nach DlN 57116/VDE 0116/79 als fehlersicher.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen, insbesondere in bezug auf
die in der Zeichnung wiedergegebenen
Ausführungsbeispiele, deren nachfolgende Beschreibung
die Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten
Ausführungsform;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten
Ausführungsform, das gegenüber der
ersten Ausführungsform zusätzlich
eine O2-Regelung aufweist;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten
Ausführungsform, das über das zweite
Ausführungsbeispiel hinaus eine
Abgasrückführung enthält.
In Fig. 1 ist die Drehzahlsteuerung und die
sicherheitstechnische Überwachung des drehzahlgesteuer
ten Verbrennungsluftgebläses eines Brenners dargestellt.
Von der Leistungsregelung (1) des Wärmeerzeugers
wird der Antrieb (2) der Stellglieder zur Brennstoff
dosierung (3), (4) angesteuert. Die jeweilige Stellung
dieses Antriebes (2) wird über einen Sensor (5)
erfaßt und als Eingangssignal einem Funktionsgeber
(6) zugeführt. Dieser gibt ein dem
Brennstoff-Luftverhältnis angepaßtes Signal an den
Frequenzumrichter (7) als drehzahlproportionalen
Sollwert. Eine in Frequenz und Spannung variable
Ausgangsspannung des Frequenzumrichters bewirkt
die Einstellung einer vorgegebenen Drehzahl des
Verbrennungsluftgebläses des Brenners (8). Durch
diese offene Steuerkette ist die Funktion des Brenners
bestimmt.
Zur Absicherung der Drehzahl des
Verbrennungsluftgebläses und somit Einhaltung eines
jeweils vorgegebenen Brennstoff-Luftverhältnisses
wird direkt vom Motor ein Tachogenerator (9) zur
Drehzahlerfassung angetrieben, welcher als aktiver
Geber ein eigensicheres, drehzahlproportionales
Signal abgibt. Dieses Signal wird als Drehzahl-Istwert
den beiden Komparatoren (10) und (11) zugeführt.
Ein zweiter unabhängiger Sensor (12), der ebenfalls
vom Antrieb (2) betätigt wird, gibt sein Signal
auf einen zweiten unabhängigen Funktionsgeber (13).
Der im Funktionsgeber (13) gebildete Vergleichs-
Sollwert, welcher dem Drehzahl-Sollwert entspricht,
wird ebenfalls auf die beiden Komparatoren (10)
und (11) aufgeschaltet.
Beide Komparatoren, die als unabhängige Geräte arbeiten,
führen einen Soll-Istwert-Vergleich durch. Tritt
eine unzulässige Abweichung zwischen Soll- und Istwert
auf, geben beide Komparatoren ein Signal an eine
Auswertelogik (14), die nach Ablauf einer zulässigen
Verzögerungszeit eine Abschaltung des Brenners (8)
bewirkt. Somit sind die beiden unabhängigen Steuerketten
zur Istwertbildung und Sollwertbildung zweikanalig
überwacht. Zur Prüfung auf ordnungsgemäße Funktion
der beiden Komparatoren (10) und (11) werden diesen
in periodischen Zeitabständen Testsignale von der
Komparator-Testschaltung (15) aufgeschaltet und
deren funktionsrichtige Auswirkung überwacht. Der
periodische Zeitablauf wird durch bauteilgeprüfte
Zeitglieder bewirkt.
Zum Start des Brenners ist es notwendig, im Brenner
einen erhöhten Luftdruck zu erzeugen, der der
entstehenden Druckwelle, die durch den Zündvorgang
ausgelöst wird, entgegenwirkt. Über die Startablauf-
Steuerung (16) und (17) wird sowohl dem
Frequenzumrichter (7) der Drehzahl-Sollwert, als
auch direkt den Komparatoren (10) und (11) der
Vergleichs-Sollwert von 2 unabhängigen Gebern ein
entsprechendes erhöhtes Signal den Komparatoren
vorgegeben. Zur Einstellung der vorgegebenen Luftmenge
zum Zünden wird über eine zusätzlich im Luftkanal
angebrachte Luftklappe (18) die geforderte Luftmenge
eingestellt, wobei hierdurch der erhöhte Druck der
Verbrennungsluft erreicht wird. Diese Luftklappe
(18) wird durch einen zwangsläufig angesteuerten
zweiten Korrekturstellantrieb (19) über einen
mechanischen Verbund (20) betätigt. Nach erfolgter
Zündung übernimmt die Drehzahlsteuerung die Brennstoff-
Luftzuordnung.
Als Notbetrieb ist es möglich, das
Verbrennungsluftgebläse direkt am elektrischen Netz
(21) mit der Netzfrequenz zu betreiben. Hierbei
wird der Frequenzumrichter (7) freigeschaltet und
die Drehzahlsteuerung außer Betrieb gesetzt. Über
den für den Startablauf eingesetzten
Korrekturstellenantrieb (19) wird die Luftklappe
(18) in eine Drosselstellung gebracht.
Über eine mechanische Verbundsteuereinrichtung (20)
und (22) wird über den gesamten Leistungs-Stellbereich
des Brenners ein vorgegebenes Brennstoff-Luftverhältnis
erreicht.
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der Drehzalsteuerung
und sicherheitstechnischen Überwachung mit zusätzlich
wirkender Restsauerstoff-Regeleinrichtung. Über
die Messung des Restsauerstoffwertes im Abgas des
Wärmeerzeugers wird über eine nachgeschaltete
Regeleinrichtung das Brennstoff-Luftverhältnis so
beeinflußt, daß bei geringstem Luftüberschuß ein
höchstmöglicher feuerungstechnischer Wirkungsgrad
erreicht wird. Die zur Erfassung des
Restsauerstoffwertes im Abgas eingesetze O2-Sonde
(23) gibt ihr Meßsignal aufbereitet über ein O2-
Meßgerät (24) auf einen Regler (25). Das für die
Vergleichs-Sollwertvorgabe der Drehzahlregelung
vom Sensor (12) gebildete Signal wird in gleicher
Weise auf den Regler (25) und einen weiteren
unabhängigen Funktionsgeber (26) aufgeschaltet.
Der Funkionsgeber (26) bildet brennerleistungsabhängig
einen O2-Sollwert. Der Ausgang des Reglers (25)
beeinflußt über die O2-Korrektur (27) das vom
Funktionsgeber (6) dem Frequenzumrichter (7) zugeführte
Signal. Die Korrektur (27) beeinflußt das Drehzahl-
Sollwertsignal nur in zulässigen vorgegebenen Grenzen.
Diese Grenzen liegen innerhalb des zulässigen Bereiches
der Drehzahlüberwachungseinrichtung, die durch die
beiden Komparatoren (10) und (11) überwacht werden.
Zusätzlich bewirkt ein Grenzwertschalter (28) bei
einer definierten Abweichung des Restsauerstoffgehaltes
vom Sollwert eine Abschaltung des Brenners.
Fig. 3 zeigt eine Erweiterung der Drehzahlsteuerung
für den Betrieb einer Abgas-Rückführung. Die Abgasrück
führung, bei der dosiert eine Abgasmenge der Flamme
zugeführt wird, bewirkt eine Verminderung der bei
der Verbrennung auftretenden Stickoxide. Parallel
zum frequenz- und spannungsveränderbaren Ausgang
des Frequenzumrichters (7), an dem das
Verbrennungsluftgebläse betrieben wird, arbeitet
ein separates Gebläse (29) zur Abgasrückführung.
Bei einer Veränderung der Brennerleistung und somit
der Verbrennungsluftmenge durch Drehzahländerung
wird auch die Drehzahl des Abgasrückführgebläses
(29) parallel mitgeführt. Das bedeutet, daß die
Drehzahl des Abgasrückführgebläses (29) bereits
durch die Überwachung des Verbrennungsluftgebläses
des Brenners (8) überwacht wird. Zusätzlich kann
abhängig von der Brennerleistung die rückgeführte
Abgasmenge durch eine Drosseleinrichtung (30) verringert
werden.
Claims (11)
1. Verfahren zur sicherheitstechnischen Überwachung eines dreh
zahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses für einen Öl-, Gas- oder
Zweistoffbrenner zur Einhaltung eines jeweils vorgegebenen Brennstoff-
Luft-Verhältnisses,
dadurch gekennzeichnet,
daß unter Verzicht auf direkte Messung der Massenströme des
Brennstoffes und der Verbrennungsluft ein mit Hilfe zweier Komparato
ren und somit zweikanalig ausgeführter Vergleich des Drehzahl-Istwer
tes des Gebläseantriebsmotors mit einem drehzahlproportionalen Ver
gleichs-Sollwert mittels einer Komparatortestschaltung selbsttätig ar
beitende Fehlererkennung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehzahl-Ist-Wert mit einem unabhängig gebildeten drehzahl
proportionalen Vergleichs-Sollwert in zwei unabhängig voneinander ar
beitenden Komparatoren verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehzahl-Ist-Wert über einen Tachogenerator als eigensicheren
Geber erfaßt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsgröße, also ein der Brennerleistung proportionales
Signal, von zwei unabhängigen Sensoren gebildet wird und getrennt
von zwei nachgeschalteten unabhängigen Funktionsgebern in drehzahl
proportionale Sollwerte umgewandelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Komparatoren einer periodischen selbst
tätigen Prüfung zur Fehlererkennung unterzogen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer unzulässigen Abweichung eines jeweils
vorzugebenden Brennstoff-Luft-Verhältnisses nach
Ablauf einer zulässigen Zeit eine sichere Abschaltung
der Feuerung vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß über eine zusätzlich im Luftkanal eingebaute
Luftdrosseleinrichtung während des Anfahrvorganges
des Brenners bei zwangsläufig erhöhter Drehzahl zur
Verbesserung der Starteigenschaft ein entsprechender
Überdruck aufgebaut wird, welche Luftdrosseleinrichtung
über ein Korrekturstellglied betätigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß über die Luftdrosseleinrichtung zum Brennerstart ein Notbetrieb
mit konstanter Drehzahl für den Gebläseantriebsmotor bei Netzfrequenz
unter Umgehung des Frequenzumrichters vorgesehen ist, bei dem das
Brennstoff-Luft-Verhältnis durch eine mechanische Zuordnung vorge
nommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß über eine Restsauerstoff-Messung (O2-Messung)
im Abgas des Wärmeerzeugers und eine nachgeschaltete
Regelung der vom Funktionsgeber erzeugte Drehzahl-
Sollwert in der Weise korrigiert wird, daß eine optimale
Verbrennung bei geringstem Luftüberschuß eingehalten
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stellgröße der O2-Regeleinrichtung eine Korrek
tur des Drehzahl-Sollwertes nur in den von den Kompara
toren bestimmten Grenzen ermöglicht, wobei der O2-Soll
wert abhängig von der jeweiligen Brennerleistung
über einen Sollwertbildner vorgegeben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß über die sicherheitstechnische Überwachung des
drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses ein
parallel an diesem Netz betriebenes Abgasrückführgebläse
hinsichtlich seiner vorgegebenen Fördermenge gleichzei
tig überwacht wird.
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