DE4331048A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines überstöchiometrisch vormischenden Gasbrenners - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines überstöchiometrisch vormischenden GasbrennersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betreiben eines überstöchiometrisch arbeitenden Gasbren
ners, wobei eine für den Verbrennungszustand repräsentative
Flammeneigenschaft gemessen, hieraus ein Mittelwertsignal ge
bildet und dieses zum Regeln des Gas- und/oder Luftmassenstroms
verwendet wird.
Eine Maßnahme zur Verminderung der NOx-Emmissionen bei Ver
brennungsvorgängen besteht darin, die Flammentemperatur zu sen
ken. Dies kann durch überstöchiometrische Verbrennung gesche
hen. Dem Brenner wird dabei zusätzlich zu der für eine voll
ständige Verbrennung erforderlichen Luftmenge Kühlgas zuge
führt, wobei dieses Kühlgas unter anderem auch Überschußluft
sein kann. Der Verbrennungszustand ist abhängig davon, mit wie
viel Luftüberschuß bzw. Kühlgas gearbeitet wird.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art
(EP O 262 390 B1) wird als für den Verbrennungszustand repräsenta
tive Flammeneigenschaft der Ionisationsstrom gemessen. Das
hieraus gebildet Mittelwertsignal weist über der Luftzahl λ
einen Verlauf auf, der mit zunehmender Luftzahl abfällt, wobei
sich die Annäherung an die Flammenstabilitätsgrenze dadurch
zeigt, daß sich die Kurve der Senkrechten annähert. Eine derar
tige Regelung setzt leistungsabhängige Sollwertkennfelder vor
aus, die jeweils nur für einen begrenzten Heiz- und Brennwert
bereich gelten. Außerdem sind die Signale durch Einflüsse auf
Elektrode und Brennerbauteile nicht langzeitstabil. Änderungen
der Gasart bedingen also eine externe Umschaltung des Reglers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu
schaffen und die Möglichkeit für eine selbsttätige Erkennung
und Berücksichtigung der Gasart vorzusehen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfin
dung dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichungen des
Meßwertes erfaßt, dem Mittelwertsignal zugeordnet, und zusätz
lich zur Einstellung und Regelung verwendet werden.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß der vorstehend zitierte
Stand der Technik bereits die Erfassung der Standardabweichun
gen zum Zwecke der Brennerregelung beschreibt, allerdings nur
als Alternative zum Mittelwertsignal.
Der Erfindung hingegen liegt die Erkenntnis zugrunde, daß
eine gasartabhängige Beziehung zwischen dem Mittelwertsignal
und den Standardabweichungen vorhanden ist. Je nach Gasart ist
einem definierten Wert der Standardabweichungen ein anderes
Mittelwertsignal zugeordnet. Durch Erfassung dieser Zusammen
hänge ist das Regelsystem in der Lage, die Gasart zu erkennen
und den Sollwert des Mittelwertsignals - ggf. unter Berücksich
tigung der eingestellten Leistung - entsprechend vorzugeben, so
daß der Brenner in dem gewünschten Bereich, z. B. in einem ge
wünschten Abstand von der Flammenstabilitätsgrenze oder von ei
ner CO-Emissionsgrenze, betrieben wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird a) der Gas- und/oder
Luftmassenstrom solange variiert, bis ein vorgegebener Schwell
wert der Standardabweichung erreicht ist; b) der Istwert des
Mittelwertsignals wird bei Erreichen des Schwellwertes der
Standardabweichung erfaßt; c) ein Sollwert des Mittelwertsi
gnals wird in einem vorgegebenen Abstand von dem in Schritt b)
erfaßten Istwert des Mittelwertsignals vorgegeben; d) der Gas-
und/oder Luftmassenstrom wird unter Verwendung des in Schritt
c) gewonnenen Sollwertes des Mittelwertsignals geregelt; und e)
die Schritte a) bis d) werden bedarfsabhängig und/oder pe
riodisch wiederholt. Der Schwellwert kann beispielsweise an die
Flammenstabilitätsgrenze gelegt werden. Auch kann er einem kri
tischen Wert der CO-Emissionen zugeordnet sein. Diese zeigen
denselben Verlauf wie die Standardabweichungen. Die Regelung
sorgt dafür, daß der Brenner in zuverlässigem Abstand von der
jeweiligen, durch den Schwellwert der Standardabweichungen re
präsentierten Grenze bleibt. Der wesentliche Vorteil dieses Re
gelkonzeptes liegt darin, daß keine Kennlinien für das Mittel
wertsignal erforderlich sind. Lediglich für den Startvorgang
gibt der Regler bei einer grob eingestellten Leistung ein
"sicheres" Gas-/Luftmassenstromverhältnis vor. Ausgehend hier
von fährt er sodann erstmalig den Schwellwert der Standardab
weichungen an und bestimmt hieraus selbsttätig den Sollwert des
Mittelwertsignals. Hierzu benötigt er lediglich eine Vorgabe
für den Abstand, den dieser Sollwert von demjenigen Istwert des
Mittelwertsignals einhalten soll, welcher dem Schwellwert der
Standardabweichungen zugeordnet ist.
Im einfachsten Fall wird der Schwellwert der Standardabwei
chungen periodisch angefahren, wobei die Länge der Perioden von
der Stabilität der Betriebsbedingungen abhängig sein kann. Vor
zuziehen allerdings ist eine bedarfsabhängige Adaption des
Sollwerts, wie sie beispielsweise in den Ansprüchen 3 und 4 ge
kennzeichnet ist. Die Adaption des Sollwerts kann beispiels
weise bei einem Wechsel der Gasart, einer Verstellung der Lei
stung, einer Änderung der Lufttemperatur oder als Folge irgend
einer auf den Zustand der Flamme einwirkenden Störung erforder
lich werden.
Ein besonders gutes Regelverhalten läßt sich dadurch errei
chen, daß zusätzlich zu der bedarfsabhängigen Adaption des
Sollwertes des Mittelwertsignals periodisch adaptiert wird. Die
Perioden können dabei relativ lang gewählt werden.
Eine weitere Verbesserung des Regelkonzeptes wird dadurch
erzielt, daß gasartabhängige Kennwerte für den Schwellwert der
Standardabweichungen, den diesem Schwellwert zugeordneten Ist
wert des Mittelwertsignals und den Abstand des Sollwertes des
Mittelwertsignals von diesem Istwert vorgegeben werden, daß
beim Anfahren des Schwellwertes der Standardabweichungen aus
dem zugeordneten Istwert des Mittelwertsignals die Gasart er
kannt wird und daß in Abhängigkeit von der Gasart der zugehö
rige Schwellwert und der zugehörige Abstand des Sollwertes des
Mittelwertsignals von dem diesem Schwellwert zugeordneten Ist
wert des Mittelwertsignals gewählt werden.
Auf diese Weise kann der Brenner sehr eng beispielsweise an
der Flammenstabilitätsgrenze oder der CO-Emissionsgrenze be
trieben werden. Diesen Grenzen sind nämlich, abhängig von der
Gasart, unterschiedliche Schwellwerte der Standardabweichungen
zugeordnet. Auch kann der Abstand, den der Sollwert des Mittel
wertsignals von dem dem jeweiligen Schwellwert zugeordneten
Istwert einhalten soll, je nach Gasart unterschiedlich gewählt
werden. Durch gasartspezifische Vorgabe dieser Werte läßt sich
also das Regelkonzept sehr verfeinern. Allerdings wird dieser
Vorteil dadurch erkauft, daß dem Regler eine größere Zahl von
Kennwerten vorgegeben werden muß.
Beispielsweise beim Anfahren der Flammenstabilitätsgrenze
ist es von Wichtigkeit, das Erreichen des Schwellwertes der
Standardabweichungen zuverlässig zu erfassen. Dies bereitet
dann Schwierigkeiten, wenn der Meßwert der den Verbrennungszu
stand repräsentierenden Flammeneigenschaft aufgrund von Störun
gen schwankt, da diese Störungen in die Standardabweichungen
eingehen. Demgegenüber hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
beim Anfahren des Schwellwertes der Standardabweichungen die
zeitliche Häufigkeit der Schwellwertüberschreitungen zu erfas
sen und den Schwellwert der Standardabweichungen nur dann als
erreicht gelten zu lassen, wenn die Schwellwertüberschreitungen
mit einer vorgegebenen Häufigkeit auftreten. Auf diese Weise
wird sichergestellt, daß die Regelung nicht auf jede kurzzei
tige Schwellwertüberschreitung reagiert. Die Höhe des Grenz
wertes der zeitlichen Häufigkeit (z. B. 1000/s) ist dabei nicht
kritisch.
Beim Anfahren der Flammenstabilitätsgrenze besteht die Ge
fahr, daß kurz vor Erreichen des Schwellwertes der Standardab
weichungen die CO-Emissionen stark ansteigen. Diese Gefahr
nimmt zu, je höher die Leistung des Brenners und je niedriger
der Brennwert des Gases ist. Allerdings treten die CO-Spitzen
werte nur sehr kurzfristig auf und verschlechtern daher die ge
samten Schadstoffemissionen des Brenners nur geringfügig. Im
merhin kann es sich bei hohen Brennerleistungen empfehlen, für
eine Nachoxidation des Kohlenmonoxids zu sorgen.
Allerdings können derartige Emissionsspitzen vermieden wer
den, wenn von einem Anfahren der Grenzwerte abgegangen wird.
Hierzu wird in wesentlicher Weiterbildung der Erfindung und als
Alternative zur kennfeldlosen Regelung vorgeschlagen, der Rege
lung gasart- und leistungsabhängige Kennfelder für das Mittel
wertsignal und die Standardabweichungen zugrunde zu legen und
automatisch auf die entsprechende, insbesondere jeweils benach
barte Gasart umzuschalten, wenn der Istwert der Standardabwei
chungen das Kennfeld der aktuellen Gasart verläßt. Die Kenn
felder können beispielsweise nach dem Abstand von der Flammen
stabilitätsgrenze und/oder nach vorgegebenen Grenzwerten der
Schadstoffemissionen aufgestellt werden. Beim Start des Bren
ners, der wieder unter grober Vorgabe einer bestimmten Leistung
und eines "sicheren" Gas-/Luftmassenstromverhältnisses erfolgt,
beginnt der Regler im Kennfeld derjenigen Gasart, in der er vor
dem Abstellen gearbeitet hat. Ist die momentane Gasart
brennwertärmer, so erhöht der Regler die Gaszufuhr, wodurch der
Istwert der Standardabweichungen nach unten aus dem zugehörigen
Kennfeld herauswandert. Beim Überschreiten der Grenze schaltet
der Regler um auf das Kennfeld der benachbarten
brennwertärmeren Gasart. Ist hingegen das momentane Gas brenn
wertreicher als das Gas der letzten Betriebsphase, so versucht
der Regler, den Sollwert des Mittelwertsignals durch erhöhte
Luftzufuhr einzuhalten. Dies läßt das Signal der Standardabwei
chungen ansteigen und nach oben aus dem zugehörigen Kennfeld
herauslaufen, wobei der Regler wiederum auf ein anderes Kenn
feld umschaltet, und zwar auf dasjenige der in dieser Richtung
benachbarten Gasart. Sofern während des Betriebes eine Änderung
der Gasart eintritt, laufen die Regelungsvorgänge entsprechend
ab. Im übrigen erfolgt die Regelung anhand des leistungsabhän
gigen Mittelwertsignals unter Bezugnahme auf das zugehörige
gasartabhängige Sollwertkennfeld, und die Gasart wird anhand
des Kennfeldes der Standardabweichung erkannt.
Im einfachsten Fall werden die gasart- und leistungsabhän
gigen Kennfelder dadurch erstellt, daß sie durch Anfahren des
entsprechenden Schwellwertes der Standardabweichung adaptiert
werden.
Um auch bei obiger Art der Regelung dafür zu sorgen, daß
Meßwertstörungen nicht als Gasartänderungen erkannt werden,
wird als vorteilhafte Maßnahme vorgeschlagen, die Standardab
weichungen als über ein Zeitfenster gemittelte Langzeit-Stan
dardabweichungen zu erfassen.
Vorzugsweise wird der Meßwert der den Verbrennungszustand
repräsentierenden Flammeneigenschaft zur Flammenüberwachung
verwendet, d. h. zum Abstellen des Brenners im Falle eines Er
löschens der Flamme.
Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
als für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigen
schaft die Lichtintensität zu messen. Es wurde gefunden, daß
die Standardabweichungen der Lichtintensität insbesondere an
der Flammenstabilitätsgrenze einen prägnanten Verlauf in exakt
erfaßbarer Zuordnung zum Mittelwertsignal aufweisen. Hinzu
kommt, daß die Lichtintensität ein sofortiges Abstellen des
Brenners beim Erlöschen der Flamme bewirkt. Auch läßt sich die
Lichtintensität in apparativ einfacher Weise erfassen und in
entsprechende Meßsignale umwandeln. Vor allen Dingen ermöglicht
die Messung der Lichtintensität eine zuverlässige Erkennung der
jeweiligen Gasart. Die Messung ist trägheitslos und läßt die
Erfassung eines integralen Flammenbereichs zu. Schließlich
wurde gefunden, daß die Lichtintensität nur in vergleichsweise
geringem Umfang leistungsabhängig ist. Dies kommt vor allen
Dingen dem kennfeldlosen, adaptiven Regelkonzept zugute.
Besonders vorteilhaft ist es, als für den Verbrennungszu
stand repräsentative Flammeneigenschaft die Lichtintensität
über ein oder mehrere Strahlungsbänder zu messen. Durch ge
eignete Auswahl der Strahlungsbänder können Störeinflüsse durch
strahlende Systemkomponenten vermieden werden. Insbesondere
können die verschiedenen Strahlungscharakteristika der
einzelnen Gasarten bei der Auswahl der Strahlungsbänder mitbe
rücksichtigt und somit ein für die Gasart optimales Meßsignal
erzeugt werden. Es ist auch möglich, anhand der Meßwerterfas
sung über ein oder mehrere Strahlungsbanden Gasarten zu erken
nen.
Eine bevorzugte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungs
gemäßen Verfahrens umfaßt einen Gasbrenner, der eine Mischzone
bzw. -kammer und eine dieser nachgeschaltete Brennkammer auf
weist, eine zur Mischzone führende, ein Stellglied enthaltende
Gasleitung, eine zur Mischzone führende, ein Stellglied ent
haltende Luftleitung, einen der Brennkammer zugeordneten Meß
wertaufnehmer zum Messen einer den Verbrennungszustand reprä
sentierenden Flammeneigenschaft, eine an den Meßwertaufnehmer
angeschlossene Auswerteeinrichtung und einen mit der Auswerte
einrichtung und den Stellgliedern verbundenen Regler, wobei
diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Meßwer
taufnehmer ein in die Brennkammer gerichteter Lichtleiter ist.
Vorzugsweise schließt der Frequenzbereich des Lichtleiters
Infrarotstrahlung aus. Die Messung wird also nicht durch aufge
heizte Teile in der Umgebung der Flamme verfälscht.
Als vorteilhafter Meßaufnehmer hat sich ein Fotomultiplier
oder auch ein Halbleiter erwiesen.
Vorzugsweise ist am Einlaß des Lichtleiters eine Optik zur
Bestimmung der Blickfeldgröße vorgesehen. Das Blickfeld soll so
groß sein, daß ein repräsentativer Flammenbereich erfaßt wird.
Im Falle von Vormischbrennern beispielsweise kann mit einem re
lativ kleinen Winkel gearbeitet werden, da die Flamme eine sehr
gleichmäßige Struktur aufweist. Dies gilt umso mehr, je inten
siver die Vormischung ist. Bei mündungsmischenden Brennern hin
gegen muß ein relativ großer Flammenbereich erfaßt werden.
Die Optik kann gleichzeitig als Wärmeschild ausgebildet
sein, so daß der Lichtleiter entsprechend dicht an die Flamme
herangeführt werden kann.
Vorteilhaft ist es, außerdem Mittel zum Kühlen des Licht
leiters vorzusehen. Der Lichtleiter kann so beliebig nahe an
die Flamme angenähert werden. Desweiteren wird durch den Ein
satz von Kühlmitteln die Lebensdauer der Lichtleiter weiter op
timiert. Es ist auch möglich kostengünstigere Lichtleiter mit
niedrigerer Temperaturrestistenz zu verwenden.
Der Lichtleiter kann in einer Weiterbildung der Erfindung
mit einem Gasschleier, vorzugsweise mit einem Luftschleier zum
Schutz vor Verschmutzungen umgeben sein.
Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kom
binationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den vorste
hend diskutierten Verknüpfungen abweichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh
rungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä
ßen Vorrichtung;
Fig. 2 bis 8 Diagramme der erfindungsgemäß maßgeblichen
Kennwerte.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 umfaßt einen überstöchiome
trisch vormischenden Gasbrenner 1 mit einer Brennkammer 2 und
einer dieser vorgeschalteten Mischkammer 3. Zur Mischkammer 3
führt eine Gasleitung 4, in der ein Stellglied 5 in Form einer
motorgetriebenen Gasdrosselklappe angeordnet ist. Ferner ent
hält die Gasleitung 4 ein Sicherheitsventil 6. Zur Mischkammer
3 führt außerdem eine Luftleitung 7, in der ein Stellglied 8 in
Form einer motorgetriebenen Luftdrosselklappe angeordnet ist.
Der Brenner 1 ist ferner mit einem Lichtleiter 9 versehen,
der die Lichtintensität innerhalb der Brennkammer 2 erfaßt. Im
vorliegenden Fall beobachtet der Lichtleiter 9 die Brennkammer
2 durch eine zentrale Öffnung in einer Brennerplatte 10. Das
Blickfeld, das von einer nicht dargestellten, ein Wärmeschild
bildenden Optik bestimmt wird, ist schmal, da der Brenner mit
intensiver Vormischung arbeitet. Der Haupttransmissionsbereich
liegt zwischen 200 und 600 nm, schließt Infrarotstrahlung also
aus.
Der Lichtleiter 9 ist unter Zwischenschaltung eines Meßwer
taufnehmers 11 in Form eines Fotomultipliers oder Halbleiters
an einen als Rechner ausgebildeten Regler 12 angeschlossen.
Dieser steht über eine Relaisstufe 13 mit den Stellgliedern 5
und 8 sowie mit dem Sicherheitsventil 6 in Verbindung. Ferner
nimmt der Regler die Rückmeldungen der Stellglieder auf.
Im übrigen ist der Regler 12 mit einer Bedienungseinrich
tung 14, einer Digital-Analog-Stufe 15 und einer Ausgabeein
richtung 16 für die Prozeßkontrollgrößen versehen.
Die Lichtintensität stellt eine Flammeneigenschaft dar, die
den Verbrennungszustand innerhalb der Brennkammer 2 des Gas
brenners 1 repräsentiert. Die Lichtintensität wird von dem
Lichtleiter 9 erfaßt und als Meßsignal dem Regler 12 zugelei
tet. Dieser bildet aus dem Meßsignal ein Mittelwertsignal Um
sowie ein Signal SN für die gemittelten Standardabweichungen.
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt den Verlauf dieser beiden Signale,
aufgetragen über der Luftzahl λ, und zwar für eine vorgegebene
Gasart und eine vorgegebene Leistung. Mit steigender Luftzahl
fällt das Mittelwertsignal ab, während die Standardabweichungen
ansteigen. Der anfänglich allmähliche Anstieg geht bei Errei
chen der Flammenstabilitätsgrenze in einen hierfür charakteri
stischen steilen Verlauf über. Die beiden in Fig. 2 gezeigten
Kurven repräsentieren gleichzeitig die Schadstoffemissionen,
und zwar Um den NOx-Verlauf und SN den CO-Verlauf, siehe das
Diagramm nach Fig. 3.
Der Verlauf der Kurven in dem Diagramm nach Fig. 2 ist gas
art- und leistungsabhängig. Für jede Gasart läßt sich ein Dia
gramm erstellen mit Kurvenscharen für die beiden Signale, deren
Parameter die Leistung ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine gas
artabhängige Beziehung zwischen dem Mittelwertsignal und den
Standardabweichungen vorhanden ist. Wird also ein bestimmter
Wert der Standardabweichungen definiert, so sind diesem Wert je
nach Gasart unterschiedliche Mittelwertsignale zugeordnet. Aus
dieser Beziehung erkennt der Regler die momentane Gasart und
gibt für die weitere Regelung einen entsprechenden Sollwert für
das Mittelwertsignal vor.
Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung kann der
Brenner mit einer grob vorgegebenen Leistung und einer im
sicheren Bereich liegenden Luftzahl gestartet werden. Sodann
wird durch Erhöhung der Luftzahl die Flammenstabilitätsgrenze
angefahren, die als Schwellwert der Standardabweichungen defi
niert ist. Sobald dieser Schwellwert erreicht ist, erfaßt der
Regler den zugehörigen Istwert des Mittelwertsignals und gibt,
ausgehend hiervon, einen Sollwert vor, der um einen bestimmten
Betrag höher ist als der erfaßte Istwert. Da der erfaßte Ist
wert an der Flammenstabilitätsgrenze gleichzeitig die momentane
Gasart repräsentiert, kann der Abstand des Sollwertes vom Ist
wert gasartabhängig variiert werden, ggf. unter gasartabhängi
ger Verstellung des Schwellwertes.
Das Anfahren der Flammenstabilitätsgrenze führt der Regler
bedarfsabhängig durch, beispielsweise bei einem Gasartwechsel,
bei einer Erhöhung der Lufttemperatur oder beim Auftreten son
stiger Störungen. Den Bedarf erkennt er beispielsweise daran,
daß sich der Wert der Standardabweichungen gegenüber dem bei
jeder Sollwertadaption gespeicherten Wert signifikant ändert.
Genauso kann das Verhältnis der Istwerte der Standardabweichung
und des Mittelwertsignals überwacht werden. Eine signifikanten
Abweichung dieses Verhältnisses von dem Verhältnis zwischen dem
einen bei der Sollwertadaption gespeicherten Wert der Stan
dardabweichung und dem Sollwert selbst kann genauso als Indiz
für den Bedarf genommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann
ein periodisches Anfahren der Flammenstabilitätsgrenze vorge
sehen sein.
Damit das System nicht auf jede kurzzeitige Überschreitung
des die Flammenstabilitätsgrenze definierenden Schwellwertes
der Standardabweichungen anspricht, wird die zeitliche Häufig
keit der Schwellwertüberschreitungen erfaßt und hierfür ein
entsprechender Grenzwert festgelegt, beispielsweise 1000 Über
schreitungen pro Sekunde. Die Höhe dieses Grenzwertes ist un
kritisch.
Nach einer zweiten Weiterbildung der Erfindung wird mit
Kennfeldern gearbeitet, wie sie in den Fig. 4 bis 8 darge
stellt sind. Dabei werden die Standardabweichungen als Lang
zeit-Standardabweichungen LSN erfaßt, um zu verhindern, daß der
Regler kurzzeitige Störungen als Gasartwechsel betrachtet.
Für jede Gasart wird eine Sollwertkennlinie des Mittelwert
signals Um vorgegeben, und zwar aufgetragen über der Leistung.
Das entsprechende Diagramm ist in Fig. 4 dargestellt. Die Lei
stung wird hier und auch in den folgenden Diagrammen wiederge
geben als Luftmassenstrom.
Zusätzlich zu dem Diagramm nach Fig. 4 wird für jede Gasart
ein Kennfeld für die Langzeit-Standardabweichungen LSN vorgege
ben, und zwar ebenfalls aufgetragen über der Leistung, hier
über dem Luftmassenstrom. Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen ent
sprechende Diagramme, und zwar Fig. 5 für Butan, Fig. 6 für
Erdgas und Fig. 7 für ein unter der Bezeichnung G 110 bekanntes
Prüfgas, das zu 51% aus Wasserstoff, zu 24% aus Stickstoff
und zu 25% aus Methan besteht.
Für die nähere Erläuterung der Regelvorgänge sei angenom
men, daß der Brenner mit Erdgas arbeitet, siehe Fig. 8, die in
soweit mit Fig. 6 übereinstimmt. Dabei liegt der LSN-Wert auf
dem Punkt A, während der Regler den Um-Wert bei dieser Leistung
auf der Kennlinie nach Fig. 4 hält. Erfolgt nun ein Übergang
auf Butan, so führt dessen höherer Brennwert dazu, daß das Mit
telwertsignal Um eine ansteigende Tendenz erhält. Dieser Ten
denz wirkt der Regler durch Reduzierung der Gaszufuhr entgegen.
Um wird also konstant gehalten. Dadurch steigt zwangsläufig der
LSN-Wert an und bewegt sich in Richtung auf den Punkt B in Fig.
8. Bereits im Punkt C verläßt er den Kennfeldbereich. Dieser
Übergang wird vom Regler erfaßt und zu einer Umschaltung auf
das Kennfeld nach Fig. 5 benutzt.
Wird andererseits bei einem Betrieb mit Erdgas auf das
Prüfgas G 110 umgeschaltet, so sinkt der LSN-Wert ab und ver
läßt den Kennfeldbereich gemäß Fig. 8 an der unteren Grenze.
Dies führt dazu, daß der Regler auf das Kennfeld nach Fig. 7
umschaltet.
Beide beschriebenen Konzepte haben ihre Vorteile. Der des
ersten Konzeptes liegt darin, daß keine Kennfelder für die
Standardabweichungen erforderlich sind. Dafür besteht beim An
fahren der Flammenstabilitätsgrenze die Gefahr, daß es zu einem
starken Anstieg der CO-Emissionen kommt. Diese Gefahr ist um so
größer, je brennwertärmer die Gasart und je höher die Leistung
ist. Der die Flammenstabilitätsgrenze definierende Schwellwert
der Standardabweichungen darf nicht zu niedrig gewählt werden,
da er sonst bei unterschiedlichem Gas nicht vom normalem
Brennerbetrieb unterschieden werden kann. Legt man ihn
andererseits nahe an die Flammenstabilitätsgrenze, so ist ein
entsprechender Pegel der CO-Emissionen die Folge. Der Anstieg
der CO-Emission tritt allerdings nur kurzzeitig auf und kann
unter Umständen toleriert werden, da er den Gesamtausstoß nicht
wesentlich erhöht. Im übrigen entfällt dieser Nachteil, sofern
für eine Nachverbrennung gesorgt ist.
Im Hinblick auf die Vorgabe der Kennfelder ist das zweite
Regelungskonzept aufwendiger. Dafür kann es ständig in sicherem
Abstand von der Flammenstabilitätsgrenze arbeiten. Die vorgege
benen Sollwerte können bei jeder Gasart und jeder Leistungs
stufe die zulässigen CO-Werte berücksichtigen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann der von der Auswerteein
richtung 11 gelieferte Meßwert der Lichtintensität auch zur
Flammenüberwachung dienen, nämlich zum Abschalten des Sicher
heitsventils 6.
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglich
keiten gegeben. So kann an Stelle der Lichtintensität auch eine
andere den Verbrennungszustand repräsentierende Flammeneigen
schaft gemessen werden, sofern die gasartabhängige Beziehung
zwischen dem Mittelwertsignal und den Standardabweichungen aus
reichend deutlich erfaßt werden kann. Ferner ist die Anordnung
nicht auf eine zentrale Ausrichtung des Meßwertaufnehmers be
schränkt. Vielmehr kann dieser in beliebiger Weise der Brenn
kammer zugeordnet werden. Theoretisch möglich ist auch ein Kon
zept, bei dem der Regler nach einem beispielsweise die Flammen
stabilitätsgrenze repräsentierenden Wert der Standardabweichun
gen arbeitet, sofern die entsprechenden CO-Emissionen toleriert
werden können. Ferner besteht die Möglichkeit, einen Abstand
von dieser Grenze vorzugeben. Dieser kann, ebenso wie der Ab
stand des Mittelwertsignals im Falle des adaptiven Regelkonzep
tes, mechanisch vorgegeben werden, beispielsweise als Anzahl
der Stellschritte der Luft- und/oder der Gasdrosselklappe.
Claims (19)
1. Verfahren zum Betreiben eines überstöchiometrisch arbei
tenden Gasbrenners, wobei eine für den Verbrennungszustand re
präsentative Flammeneigenschaft gemessen, eine Meßgröße gewon
nen, hieraus ein Mittelwertsignal gebildet und dieses zum Re
geln des Gas- und/oder Luftmassenstroms verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Standardabweichungen der Meßgröße erfaßt, dem Mit
telwertsignal zur Bestimmung des Verbrennungszustandes zugeord
net und zusätzlich zur Einstellung und Regelung verwendet wer
den.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Gas- und/oder Luftmassenstrom solange variiert wird, bis ein vorgegebener Schwellwert der Standardabweichung er reicht ist;
- b) der Istwert des Mittelwertsignals bei Erreichen des Schwellwertes der Standardabweichung erfaßt wird;
- c) ein Sollwert des Mittelwertsignals in einem vorgegebenen Abstand von dem in Schritt b) erfaßten Istwert des Mittelwert signals vorgegeben wird;
- d) der Gas- und/oder Luftmassenstrom unter Verwendung des in Schritt c) gewonnenen Sollwertes des Mittelwertsignals gere gelt wird; und
- e) die Schritte a) bis d) bedarfsabhängig und/oder pe riodisch wiederholt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
- f) der im Schritt c) gewonnene Sollwert des Mittelwertsi gnals gespeichert wird;
- g) ein bei Erreichen des Sollwertes des Mittelwertsignals einmalig erfaßter Wert der Standardabweichung gespeichert wird;
- h) das Verhältnis der Istwerte des Mittelwertsignals und der Standardabweichung überwacht wird;
- i) das Verhältnis gemäß h) mit dem Verhältnis der in den Schritten f) und g) gespeicherten Werte verglichen wird; und
- k) die Schritte a) bis d) wiederholt werden, wenn die im Schritt i) verglichenen Verhältnisse signifikant voneinander abweichen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ein bei Erreichen des Sollwertes des Mittelwertsignals ein
malig erfaßter Wert der Standardabweichung gespeichert wird;
der Istwert der Standardabweichung überwacht wird;
der Istwert der Standardabweichung mit dem gespeicherten Wert der Standardabweichung verglichen wird; und
die Schritte a) bis d) wiederholt werden, wenn sich die miteinander verglichenen Werte signifikant unterscheiden.
der Istwert der Standardabweichung überwacht wird;
der Istwert der Standardabweichung mit dem gespeicherten Wert der Standardabweichung verglichen wird; und
die Schritte a) bis d) wiederholt werden, wenn sich die miteinander verglichenen Werte signifikant unterscheiden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß gasartabhängige Kennwerte für den Schwellwert
der Standardabweichungen, den diesem Schwellwert zugeordneten
Istwert des Mittelwertsignals und den Abstand des Sollwertes
des Mittelwertsignais von diesem Istwert vorgegeben werden, daß
beim Anfahren des Schwellwertes der Standardabweichungen aus
dem zugeordneten Istwert des Mittelwertsignals die Gasart er
kannt wird und daß in Abhängigkeit von der Gasart der zugehö
rige Schwellwert und der zugehörige Abstand des Sollwertes des
Mittelwertsignals von dem diesem Schwellwert zugeordneten-Ist
wert des Mittelwertsignals gewählt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß beim Anfahren des Schwellwertes der Stan
dardabweichungen die zeitliche Häufigkeit der Schwellwertüber
schreitungen erfaßt wird, daß nur dann der Schwellwert der
Standardabweichungen als erreicht gilt, wenn die Schwellwert
überschreitungen mit einer vorgegebenen Häufigkeit auftreten.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Regelung gasart- und leistungsabhängige Kennfelder für das
Mittelwertsignal und die Standardabweichungen zugrunde gelegt
werden und daß automatisch auf die entsprechende, insbesondere
jeweils benachbarte Gasart umgeschaltet wird, wenn der Istwert
der Standardabweichungen das Kennfeld der aktuellen Gasart ver
läßt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kennfelder durch Anfahren des entsprechenden Schwellwertes
der Standardabweichung adaptiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß die Standardabweichungen als über ein Zeitfenster ge
mittelte Langzeit-Standardabweichungen erfaßt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Meßwert der den Verbrennungszustand re
präsentierenden Flammeneigenschaft zur Flammenüberwachung ver
wendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß als für den Verbrennungszustand repräsenta
tive Flammeneigenschaft die Lichtintensität gemessen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß als für den Verbrennungszustand repräsenta
tive Flammeneigenschaft die Lichtintensität über ein oder meh
rere Strahlungsbanden gemessen wird.
13. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach An
spruch 11 oder 12, mit
einem Gasbrenner (1), der eine Mischzone bzw. -Kammer (3) und eine dieser nachgeschaltete Brennkammer (2) aufweist, einer zur Mischzone führenden, ein Stellglied (5) enthal tenden Gasleitung (4),
einer zur Mischzone führenden, ein Stellglied (8) enthal tenden Luftleitung (7),
einem der Brennkammer zugeordneten Meßwertaufnehmer zum Messen einer den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammen eigenschaft,
einer an den Meßwertaufnehmer angeschlossenen Auswerteein richtung (11) und
einem mit der Auswerteeinrichtung und den Stellgliedern verbundenen Regler (12) dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer ein in die Brennkammer (2) gerich teter Lichtleiter (9) ist.
einem Gasbrenner (1), der eine Mischzone bzw. -Kammer (3) und eine dieser nachgeschaltete Brennkammer (2) aufweist, einer zur Mischzone führenden, ein Stellglied (5) enthal tenden Gasleitung (4),
einer zur Mischzone führenden, ein Stellglied (8) enthal tenden Luftleitung (7),
einem der Brennkammer zugeordneten Meßwertaufnehmer zum Messen einer den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammen eigenschaft,
einer an den Meßwertaufnehmer angeschlossenen Auswerteein richtung (11) und
einem mit der Auswerteeinrichtung und den Stellgliedern verbundenen Regler (12) dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer ein in die Brennkammer (2) gerich teter Lichtleiter (9) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Frequenzbereich des Lichtleiters (9) Infrarotstrahlung
ausschließt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (10) als Fotomultiplier
oder als Halbleiter ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß am Einlaß des Lichtleiters (9) eine Optik
(9a) zur Bestimmung der Blickfeldgröße vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Optik als Wärmeschild ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel (9b) zum Kühlen des Lichtleiters
vorgesehen sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mit einem Gasschleier, vor
zugsweise einem Luftschleier zum Schutz vor Verschmutzungen um
geben ist.
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