DE69308820T2

DE69308820T2 - Verfahren und einrichtung zur brennstoff-luftregelung von brenner mit oberflächenverbrennung

Info

Publication number: DE69308820T2
Application number: DE69308820T
Authority: DE
Inventors: Martin Zabielski
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1993-01-15
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2013-01-16
Also published as: EP0621938A1; WO1993014349A1; DE69308820D1; EP0621938B1; US5222887A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsprozesse und, mehr insbesondere, auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses von Brennern mit Oberflächenverbrennung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brenner mit Oberflächenverbrennung bieten eine ausgezeichnete Methode zum Minimieren der Stickoxid- und Kohlenmonoxidbildung bei der Verbrennung von gasförmigem Brennstoff und ermöglichen eine hohe Strahlungswärmeübertragung in kommerziellen und industriellen Anwendungsfällen. Die Regelung des Brennstoff/Luft- Verhältnisses oder der Stöchiometrie ist bei diesen mit voller Vorvermischung arbeitenden Systemen kritisch, wenn die Vorteile dieses Typs von Brenner erzielt werden sollen. Um eine Regelung zu erzielen, sind Brennstoff/Luft-Regeltechniken, die auf der optischen Emission von der Brenneroberfläche basieren, in der Vergangenheit entwickelt worden. Bei Standardtechniken wird von einem Sensorsignal Gebrauch gemacht, das die Menge an Sauerstoff (O&sub2;) oder Kohlenmonoxid (CO) in dem Rauchgas angibt, um die Brennstoffzufuhr zu einem Brenner zu modifizieren. Brenner, die gemäß dem Stand der Technik arbeiten, können Systeme mit mehreren Brennern nicht wirksam steuern, weil die Emissionen von allen Brennern in dem Rauchgasabzugskanal vermischt sind. Deshalb kann ein Brenner brennstoffreich arbeiten, während ein anderer brennstoffarm arbeitet.
Das US-Patent Nr. 4 927 350 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennungsregelung, welches bei verschiedenen Belastungen eine Brennstoff/Luft-Scheitelbeziehung für die Scheitelinfrarotstrahlung bestimmt. Ein gewünschtes Brennstoff/Luft-Betriebsverhältnis wird als die Verschiebung zwischen der Beziehung und dem Verhältnis berechnet. Eine Nacheichung des Regelsystems erfolgt später durch Bestimmen der neuen Brennstoff/Luft-Scheitelbeziehung, und die Verschiebung wird benutzt, um den Brenner mit Oberflächenverbrennung zu steuern.
Das US-Patent Nr. 4 959 010 beschreibt einen automatisch geregelten Verbrennungsprozeß. In dem '010-Prozeß wird Brennstoff mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einem einstellbaren Verhältnis vermischt. Das Abgas, das durch das Verbrennen erzeugt wird, wird mit ultravioletter Strahlung beaufschlagt, so daß positive und negative Ladungsträger in dem Abgas mit Hilfe eines photoelektrischen Ladungstrennprozesses erzeugt werden. Die Menge oder die Art der positiven und/oder negativen Ladungsträger wird erfaßt, um einene Meßwert zu erzeugen, welcher die Menge und/oder die Ladung der Träger wiedergibt. Ein Steuersignal wird daraus gewonnen, und das Mischungsverhältnis des Sauerstoff enthaltenden Gases und des Brennstoffes (Lambda-Faktor) wird aufgrund des Steuersignals eingestellt, um den Wirkungsgrad der Verbrennung zu verbessern.
Das US-Patent Nr. 5 037 291 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren des Brennstoff/Luft-Verhältnisses in einem Verbrennungsgas eines Strahlungsbrenners. Die Strömungsleistung des zugeführten gasförmigen Brennstoffes wird konstant gehalten und die Strömungsleistung der zugeführten Luft wird eingestellt, um das relative Verhältnis von Luft zu Brennstoff auf einen optimalen Wert zu bringen. Ein Sensor wird benutzt, um die Intensität der Strahlung zu messen, die durch den Brenner emittiert wird, während die Luftzufuhr zu dem Brenner verändert wird. Aus den erzielten Messungen werden die Steuerparameter gewonnen, die dann benutzt werden, um die Strömungsleistung der zugeführten Luft auf einen Wert einzustellen, der das optimale Verhältnis von Luft und Brennstoff in dem Gemisch ergibt.
Noch eine weitere Brennersteuervorrichtung, die ein optisches Sensorsignal analysiert, ist in dem US-Patent Nr. 4 934 926 beschrieben. Ein Brennerbetriebsluftäquivalenzverhältnis wird überwacht. Der Brenner wird durch ein Verfahren gesteuert, bei dem die OH-Radikal-Spektralemissionsintensität an einer Basis einer Flamme gemessen wird, während die Verbrennung vonstatten geht. Eine lineare Beziehung zwischen der Emissionsintensität und dem aktuellen Brennerbetriebsluftäquivalenzverhältnis wird benutzt, um dieses Verhältnis zu bestimmen, während die Verbrennung vonstatten geht. Das berechnete Verhältnis wird mit dem gewünschten Brennerbetriebsluftäquivalenzverhältnis verglichen, um die Differenz zwischen denselben zu ermitteln. Die Menge an Luft, die dem Brenner zugeführt wird, wird auf der Basis dieser Differenz geregelt.
Das US-Patent Nr. 4 927 351 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Regeln der Zufuhr von Brennstoff und Luft zu einem Ofen. Ein Regler wird für mehrere Brennerbaugruppen bei der '351-Vorrichtung benutzt, von denen jede ihr eigenes Luftventil zum Steuern der Strömung von Verbrennungsluft hat. Ein Sensor ist bei jedem Brenner vorgesehen, um einen Zustand zu bestimmen, der die individuelle Leistung der separaten Brennerbaugruppe wiedergibt. Der Regler betätigt jedes einzelne Luftventil aufgrund der die Leistung wiedergebenden Zustände, die durch die Sensoren erfaßt werden.
Ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Regler ist in dem US-Patent Nr. 4 913 647 beschrieben. Der '647-Regler bestimmt und regelt das Brennstoff/Luft-Gemisch, um ein vorbestimmtes Brennstoff/Luft- Gemisch aufrechtzuerhalten, unter Verwendung einer bekannten Beziehung zwischen den Strahlungsintensitätsverhältnissen von ausgewählten chemischen Spezies in den Verbrennungsprodukten und der Brennstoffzahl als Basis zum Einstellen des Anteils des Brennstoffes in dem Luft/Brennstoff-Gemisch, um den Brenner mit der gewünschten Brennstoffzahl zu steuern.
Bei dem Brennstoffverbrennungsregelsystem, das in dem US-Patent Nr. 4 545 009 beschrieben ist, wird von einem Sauerstoffsensor in dem Abgas und von dem Ausmaß, in welchem das Brennstoffregelventil bei einer entsprechenden Brennstoffdurchflußleistung geöffnet ist, Gebrauch gemacht. Ein Kompensationskoeffizient wird durch das System auf der Basis der geschätzten Brennstoffdurchflußleistung berechnet, und die tatsächliche Brennstoffdurchflußleistung wird auf der Basis des Kompensationskoeffizienten geregelt. Ein geschätztes Überschußluftverhältnis wird durch das System berechnet, indem Daten benutzt werden, welche die Beziehung zwischen der Öffnungsrate der Luftsteuerklappe und der Luftströmungsleistung darstellen. Die tatsächliche Brennstoffströmungsleistung und die Luftströmungsleistung werden in Abhängigkeit von der vorbestimmten Beziehung von Werten zwischen dem geschätzten Überschußluftverhältnis und dem gewünschten Überschußluftverhältnis geregelt.
Ein weiteres Verfahren zum Steuern eines Brennerbetriebes, bei dem ein optisches Signal zur Rückführung ausgenutzt wird, wird bei der Vorrichtung benutzt, die in dem US-Patent Nr. 4 830 601 beschrieben ist. Bei der Vorrichtung und dem Verfahren nach dem '601-Patent wird die Brennerflamme während der Verbrennung mit Hilfe eines optischen Sensors ständig überwacht. Das Licht daraus wird einer Spektralanalyse unterzogen, um den Augenblickswert eines Luftfaktors in den Verbrennungsgasen zu bestimmen. Die Intensität der Spektren von verschiedenen Verbindungen wie Sauerstoff (O&sub2;) Kohlendioxid (CO&sub2;) und Wasserstoff (H&sub2;) werden bei dem '601-Verfahren benutzt. Das US-Patent Nr. 4 622 004 beschreibt ein Gasbrennersystem, welches einen Detektor aufweist, dessen Ausgangssignal durch eine Steuereinheit benutzt wird, um die Menge an Kohlenmonoxid in dem verbrannten Gas zu bestimmen. Immer dann, wenn diese Konzentration einen gewissen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird ein Steuersignal zu einem Ventilator oder einem Gasventil geschickt, um das Luft/Brennstoff-Gemisch zu verändern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoff/Luft-Regelsystem zu schaffen, welches das Einsetzen der Zunahme von Kohlenmonoxid in der Emission eines Brenners bestimmt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelsystem des vorgenannten Typs zu schaffen, das zusammen mit mehreren Brennern benutzt werden kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelsystem des vorgenannten Typs zu schaffen, das gleichzeitig eine Flammenerfassung vornehmen kann.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Regelsystem des vorgenannten Typs zu schaffen, das ein Brennstoff/Luft-Verhältnis auswählen kann, ohne den Brennstoff, die Luftströmung oder Abgasemissionen tatsächlich zu messen.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein System zur Verwendung bei dem Regeln des Betriebes eines Brenners einen Detektor zum Erzeugen von elektrischen Signaläquivalenten, die der Intensität von elektromagnetischer Abstrahlung der Brennerflamme entsprechen, ein Luftventil zum Versorgen des Brenners mit einer gesteuerten Luftzufuhr gemäß empfangenen Luftventilstellsignalen und ein Brennstoffventil zum Versorgen des Brenners mit einer gesteuerten Brennstoffzufuhr gemäß empfangenen Brennstoffventilstellsignalen. Ein Regler ist außerdem vorgesehen zum Erzeugen der Brennstoffventil- und Luftventilsignale derart, daß ein Brennstoff/Luft-Verhältnis festgelegt wird. Das System ist dadurch gekennzeichnet, daß der Regler eine Einrichtung aufweist zum Erzeugen der Brennstoffventil- und Luftventilsignale über einem ausgewählten Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen, eine Einrichtung zum Abtasten der Detektoreinrichtungssignale für jedes der Brennstoff/Luft-Verhältnisse in dem ausgewählten Bereich und eine Einrichtung zum Bestimmen einer mathematischen Beziehung zwischen den abgetasteten Detektoreinrichtungssignalen und den ausgewählten Brennstoff/Luft-Verhältnissen, eine Einrichtung zum Berechnen einer ersten Differentialbeziehung aus der mathematischen Beziehung sowie einer zweiten Differentialbeziehung aus der ersten Differentialbeziehung, eine Einrichtung zum Berechnen von Wurzeln einer quadratischen Beziehung, wobei die zweite Differentialbeziehung gleich null gesetzt wird, eine Einrichtung zum Identifizieren einer der Wurzeln, die einer Lösung für die quadratische Beziehung innerhalb des ausgewählten Brennstoff/Luft- Verhältnisbereiches entspricht, wobei die identifizierte Wurzel einem Brennstoff/Luft-Verhältnis entspricht, bei dem das Einsetzen einer Kohlenmonoxidzunahme erfolgt, bei dem die Kohlenmonoxidkonzentration in der Größe zuzunehmen beginnt, und zum Erzeugen der Luftventil- und Brennstoffventilstellsignale, um den Oberflächenbrenner mit dem Brennstoff/Luft-Verhältnis zu betreiben, das der akzeptablen Wurzel entspricht.
Weiter schafft die Erfindung ein Verfahren zum Regeln des Betriebes eines Oberflächenbrenners, der eine Flamme erzeugt, die Emissionen produziert, welche eine Kohlenmonoxidkonzentration haben, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: Erzeugen von elektrischen Signaläquivalenten, die der Intensität von elektromagnetischer Abstrahlung der Flamme entsprechen; Erzeugen von Stellsignalen für ein Luftventil, um den Oberflächenbrenner mit einer gesteuerten Luftströmung zu versorgen;
Erzeugen von Stellsignalen für ein Brennstoffventil, um den Oberflächenbrenner mit einer gesteuerten Brennstoffzufuhr zu versorgen; und
Steuern der Brennstoffventil- und Luftventilsignale derart, daß ein Brennstoff/Luft-Verhältnis festgelegt wird,
gekennzeichnet durch folgende Schritte
Erzeugen der Brennstoffventil- und Luftventilsignale über einem ausgewählten Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen;
Abtasten der Detektoreinrichtungssignale für jedes der Brennstoff/Luft-Verhältnisse in dem ausgewählten Bereich;
Bestimmen einer mathematischen Beziehung zwischen den abgetasteten Detektoreinrichtungssignalen und den ausgewählten Brennstoff/Luft-Verhältnissen;
Berechnen einer ersten Differentialbeziehung aus der mathematischen Beziehung;
Berechnen einer zweiten Differentialbeziehung aus der ersten Differentialbeziehung;
Berechnen von Wurzeln einer quadratischen Beziehung, wobei die zweite Differentialbeziehung gleich null gesetzt wird;
Identifizieren derjenigen Wurzel, die einer Lösung für die quadratische Beziehung innerhalb des ausgewählten Brennstoff/Luft- Verhältnisbereiches entspricht, wobei die identifizierte Wurzel einem Brennstoff/Luft-Verhältnis entspricht, bei dem das Einsetzen einer Kohlenmonoxidzunahme erfolgt, bei welchem die Kohlenmonoxidkonzentration in der Größe zuzunehmen beginnt; und Erzeugen der Luftventil- und Brennstoffventilstellsignale gemäß der akzeptablen Wurzel, um den Oberflächenbrenner mit der identifizierten Wurzel zu betreiben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nun beispielshalber mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Brennstoff/Luft-Regelsystems nach der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Diagramm ist, das die Beziehung von mehreren Parametern zeigt, die durch das Regelsystem nach Fig. 1 verarbeitet werden;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Regelalgorithmus ist, der durch das Regelsystem nach Fig. 1 ausgeführt wird; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Regelalgorithmus ist, der durch das Regelsystem nach Fig. 1 ausgeführt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein Regelsystem 10 schematisch gezeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die optische Emission, die von einer Oberfläche eines Brenners 12 ausgeht, wird durch einen Photodetektor 14 für einen Bereich von Brennstoff/Luft-Einstellungen erfaßt. Bei dem Brenner handelt es sich vorzugsweise um den Strahlungs- oder Oberflächenverbrennungstyp wie z.B. einen Alzeta-Standard- PB(packaged burner)-50000-BTU/h-Brenner mit Oberflächenverbrennung, obgleich dem Fachmann klar ist, daß das vorliegende Regelsystem an die Verwendung bei anderen Brennern angepaßt werden kann. Diese Einstellungen werden gewählt, um Zustände von brennstoffarm bis stöchiometrisch zu überspannen. Die Spannung aus dem Photodetektor wird gleichzeitig mit einer Spannung gemessen, die sich auf die Menge(n) von Luft und/oder Brennstoff bezieht, welche mit dem Brennstoff aus dem Brennstoffventil 16 und dem Luftventil 18 vorvermischt wird (werden) wie z.B. einem Honeywell-Ventil (Modell VR8450). Ein Westinghouse- Varilink oder dessen Äquivalent ist vorzugsweise vorgesehen, um eine Computerregelung der Luftströmung zu gestatten.
Diese mehreren Spannungen werden dann in dem Speicher eines Reglers 20 gespeichert, der einen Mikroprozessor eines bekannten Typs enthält. Der Mikroprozessor ist erforderlich, um diesen Datensatz auf eine besondere Weise zu analysieren, die im folgenden beschrieben ist. Die Luft- oder Brennstoffströmung wird, wie im folgenden im einzelnen beschrieben, nach der Verarbeitung auf einen Optimalwert eingestellt, welcher die Strahlungsübertragung maximiert, während akzeptabel niedrige Stickoxid- und Kohlenmonoxidemissionen aufrechterhalten werden. Darüber hinaus wird das Signal aus dem Photodetektor durch den Regler ständig überwacht, um außerdem ein Ausgehen der Flamme oder einen Flammverlust zu erkennen.
Die optische Emission aus dem Brenner wird durch den Photodetektor 14 erfaßt, üblicherweise eine Photodiode (EC&G-VACTEC VTB1112), deren spektrale Empfindlichkeit den Bereich von 1,2 Mikrometer in dem nahen Infrarot bis 0,35 Mikrometer in dem nahen Ultraviolett überdeckt. Um Variationen in der Abstrahlung aufgrund von Oberflächeninhomogenitäten zu vermeiden, wird außerdem bevorzugt, daß keine Punktabbildung der Oberfläche vorgenommen wird. Da der Halbleistungsakzeptanzwinkel des Photodetektors 15 Grad beträgt, überschreitet dadurch der Inhalt der von ihm aufgespannten Oberfläche 5 cm². In Abhängigkeit von der Steuersystemkonfiguration wird das Ausgangssignal aus dem Photodetektor durch eine geeignete Verstärkungsschaltung verstärkt, bei der es sich z.B. um die integrierte Schaltung AD 301 von Analog Devices handeln kann.
In denjenigen Fällen, in denen eine Verstärkungsschaltungsanordnung von Analog Devices benutzt wird, kann der Regler den Computer MACSYM 120 von Analog Devices beinhalten. Dieser Computer ist ein Personal Computer, der von IBM mit industriellen Prozeßsteuerungsspezifikationen für Analog Devices hergestellt wird. Das Betriebssystem für diesen Computer der "XT"-Klasse ist Concurrent CPM86. Die Kommunikation mit den A/D- und D/A- Anschlüssen dieses Computers erfolgt unter Verwendung einer Variante von BASIC, entwickelt von Analog Devices und genannt MACBASIC. Um zu gewährleisten, daß keine Spannungen, die 15 V überschreiten, den Computer erreichen, wird eine Signalschnittstelle, bei der optische Isolatoren benutzt werden, verwendet.
Fig. 2 zeigt eine Kurve 22 von optischen Breitbandemissionsdaten als Funktion der Luftventilsignalspannung. Die Luftventilsignalzunahme entspricht einer Zunahme in der Menge der Luft in dem Luft/Brennstoff-Gemisch und gibt deshalb auch das Brennstoffgemisch an. Die Strahlung, die von der Brenneroberfläche ausgeht, sollte der Stefan-Boltzmann-Beziehung folgen, R = e T&sup4;, wobei R die Strahlung ist, e das Emissionsvermögen ist, die Stefan-Boltzmann-Konstante ist und T die absolute Temperatur ist. Infolgedessen werden die Daten einem Polynom vierter Ordnung angepaßt
wobei Y die Detektorspannung und X die auf die Luftströmung bezogene Spannung ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dieser Realisierung wurde die Brennstoffstörung konstant gehalten; es gibt jedoch von Haus aus keinen Grund, warum nicht die Luft konstant gehalten und der Brennstoff verändert werden kann.
Außerdem sind in Fig. 2 als Kurve 24 die erste Ableitung der angepaßten Funktion gezeigt
sowie eine empirisch gewonnene Kurve 26, die die Kohlenmonoxidkonzentration als eine Funktion des Brennstoffgemisches zeigt. Nichtdispersive Infrarotanalysatoren oder deren Äquivalent können benutzt werden, um den Gehalt an Kohlenmonoxid (CO) in dem Abgas zu bestimmen. Optische Breitbandemissionsdaten (0,35 bis 1,2 Mikrometer) sind mit Gasanalysatordaten, die als eine Funktion der Flammenstöchiometrie erzielt worden sind, korreliert worden. Die die erste Ableitung darstellende Kurve 24 geht durch ein Maximum 28, wo die Kohlenmonoxidkonzentration anzusteigen beginnt, d.h. bei dem Kohlenmonoxidzunahmebeginn oder Kohlenmonoxid-"Knie" 30. Eine Analyse dieser Daten hat eine ausgezeichnete Korrelation zwischen einem Wendepunkt in den optischen Emissionsdaten und dem Knie der CO-Produktionskurve demonstriert. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis bei dem Kohlenmonoxidzunahmebeginn wird im allgemeinen als am energieeffizientesten bei akzeptablen Schadstoffemissionen anerkannt.
Die Korrelation zwischen dem Scheitel in der ersten Ableitung der angepaßten Daten und dem Kohlenmonoxidzunahmebeginn markiert einen wichtigen Punkt der Abweichung der vorliegenden Erfindung von dem Stand der Technik. Anders ausgedrückt, die Korrelation zwischen dem Wendepunkt in der Photodetektoremissionsausgleichskurve und dem Kohlenmonoxid-"Knie" gestattet, das Brennstoff/Luft-Verhältnis auf den optimalen Sollwert einzustellen, ohne daß es notwendig ist, den Brennstoffdurchfluß, die Luftströmung und die Rauchgasemissionen tatsächlich zu messen. Dadurch, daß die zweite Ableitung der Ausgleichskurve gebildet wird, diese gleich null gesetzt wird
und für die Wurzeln der resultierenden quadratischen Gleichung gelöst wird, wird die Luftspannung an dem Kohlenmonoxid-"Knie" bestimmt. Das Lösen der Gleichung zweiter Ordnung ergibt zwei Wurzeln, von denen nur eine physikalisch akzeptabel ist. Im wesentlichen tritt der mathematische Wendepunkt in der Strahlungskurve über dem Brennstoff/Luft-Verhältnis bei dem idealen Brennstoff/Luft-Verhältnis auf.
Fig. 3 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Algorithmus 32, der durch das Regelsystem nach Fig. 1 ausgeführt wird. Wenn die normalen Brennstoff- und Luftzumeßregelungen an dem Brenner stabil sind und sich der Brennstoffquellendruck nicht dramatisch verändert, dann kann die Lufteinlaßspannung ohne weiteres an dem Wendepunkt eingestellt werden. Bei der Initialisierung (Block 34) wird ein Referenzwendepunkt festgelegt. Die optischen Emissionsdaten werden über einem bestimmten stöchiometrischen Bereich gewonnen, der ausreicht, um den Ort des oben beschriebenen Wendepunktes festzulegen (Block 36). Die gemessenen Daten werden durch den Regler verarbeitet, damit sie der oben angegebenen Gleichung genügen (Block 38). Die erste und die zweite Ableitung der resultierenden Funktion werden in den Blöcken 40, 42 berechnet, und die resultierende quadratische Gleichung wird in dem Block 44 gelöst. Die physikalisch mögliche Wurzel wird identifiziert (Block 46) und zu dem Regler geleitet, so daß das Brennstoff/Luft-Verhältnis durch die Darstellung eines Einstellsignals an dem Luft- oder Brennstoffventil eingestellt werden kann (Block 48).
Periodisch kann eine neue Eichkurve bestimmt und die Lufteinlaßspannung entsprechend eingestellt werden. Wie häufig das geschieht, d.h. jede Viertelstunde, halbe Stunde, Stunde, usw. kann für den betreffenden Fall maßgeschneidert werden. Das Regelsystem kann so konfiguriert werden, daß es das Öffnen des Luftventileinlasses verlangt, damit eine Regelung innerhalb von 3% des berechneten Strahlungssollwertes erzielt wird.
Zusätzlich zu dem Steuern des Wendepunktes ist es möglich, bei einem Regelsystem nach der vorliegenden Erfindung eine bestimmte Verschiebungsspannung zu der Wendepunktspannung zu addieren oder von derselben zu subtrahieren und den Regelbetrieb dort aufrechtzuerhalten. Infolgedessen können Arbeitspunkte sowohl auf der mageren als auch auf der fetten Seite des Wendepunktes gewählt werden. Im allgemeinen kann das in einem Analogregelsystem aufgrund von Elektronikdrift nicht zuverlässig erreicht werden.
Bei Systemen, bei denen beträchtliche Schwankungen im Gasversorgungsdruck auftreten, kann die Zeit zwischen Nacheichungen einige Minuten oder weniger betragen. In diesen Situationen ist eine kontinuierlich aktive Regelbetriebsart erwünscht. Um einen solchen Regelalgorithmus zu realisieren, sind Modifikationen des mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen Prozesses notwendig. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen modifizierten Regelalgorithmus 50.
Eine Anfangseichung wird ausgeführt, um den Wendepunkt exakt zu bestimmen, wie es oben beschrieben worden ist. Am Anfang (Block 51) werden die optischen Emissionsdaten über einen bestimmten stöchiometrischen Bereich gewonnen, der ausreicht, um den Ort des oben beschriebenen Wendepunktes zu bestimmen (Block 52). Die gemessenen Daten werden durch den Regler verarbeitet, um der Gleichung zu genügen, die oben angegeben ist (Block 54).
Die erste und die zweite Ableitung der resultierenden Funktion werden in den Blöcken 56, 58 berechnet, und die resultierende quadratische Gleichung wird in einem Block 60 gelöst. Die physikalisch mögliche Wurzel wird identifiziert (Block 62), und das Brennstoff/Luft-Verhältnis wird eingestellt (Block 64). Der Photodetektorsignalspannungswert an dem Wendepunkt wird so gemessen und in einem Speicher abgespeichert, welcher dem Regler zugeordnet ist (Block 66).
Diese gespeicherte Photodetektorspannung wird der Referenzpunkt in einer Regelschleife (Block 68), welche eine konstante Emission aus dem Brenner aufrechterhält. Die Emission aus dem Brenner wird über einem Intervall von 0,050 s wiederholt gemessen (Block 70), in einem Block 72 gemittelt und in einem Block 74 mit der Referenzspannung verglichen. Der Regler stellt die Ventilposition nach Bedarf ein (Block 76). Wenn in einem Block 78 der Wert der Emission kleiner als der Referenzwert ist, erzeugt der Regler Stellsignale, um das Luftventil schrittweise zu schließen (Block 80). Wenn der Wert der Emission größer als der Referenzwert ist, wird das Luftventil schrittweise geöffnet (Block 82). Der Algorithmus kehrt dann zu dem Block 68 zurück.
Ein Unempfindlichkeitsbereich kann so gewählt werden, daß keine Verstellung der Luftventilposition erfolgt, wenn nicht der gemessene Wert außerhalb des Unempfindlichkeitsbereiches um den Referenzpunkt liegt. Die Größe des Inkrements kann ebenfalls gewählt werden, so daß Oszillatoren vermieden werden können, d.h. die Dämpfung des Systems kann für den besonderen Fall ohne weiteres gewählt werden.
Daten können gewonnen werden, indem unterschiedliche Teile der Brenneroberfläche betrachtet werden, und die Korrelation zwischen dem Wendepunkt und dem Einsetzen der CO-Produktion dürfte ausgezeichnet sein. Im übrigen ist dieses Verhalten bei der bevorzugten Ausführungsform sogar dann beobachtet worden, wenn der Photodetektor einen Teil der Brenneroberfläche betrachtet hat, die beschädigt gewesen ist. Ausgedrückt in einer Signalspannung lag der Ort der Scheitel in den Ableitungen in einem Bereich von 2,92 bis 3,06 Volt. Die überschüssige Luft, die dieser Spannung entspricht, variierte von 33% bis 26%, während die CO-Konzentrationen von 22 bis 35 ppm reichten.
Die Daten, die in Fig. 2 gezeigt sind, wurden mit einer Photodiode ermittelt, die auf Strahlung vom nahen Infrarot bis zum nahen Ultraviolett anspricht. Darüber hinaus gilt die Korrelation zwischen dem Strahlungswendepunkt und dem Kohlenmonoxidzunahmebeginn, wenn die Strahlung auf ein schmales Spektralgebiet innerhalb dieses breiten Spektralbereiches begrenzt ist. Obgleich sie empirisch nicht auf das mittlere Infrarotgebiet ausgedehnt worden ist, sollte die Korrelation sogar in den CO&sub2;- und H&sub2;O-Bändern in optisch dicken Situationen gültig sein.
Optische Interferenz und gefärbte Filter können benutzt werden, um den Wendepunkt schärfer zu definieren, es wird aber keine beträchtliche Zunahme der Regelsystemleistungsfähigkeit erzielt werden. Darüber hinaus kann das Ausgangssignal des Detektors zur Flammenerfassung durch eine Schwellenwertfestlegung benutzt werden, d.h., wenn die Detektorspannung unter eine bestimmte Spannung absinkt, wird ein Magnetventil in der Brennstoffleitung geschlossen. In der relativ sauberen Umgebung der bevorzugten Ausführungsform ist diese Methode der Flammenerfassung zuverlässig.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß mehrere Brenner präzise geregelt werden können. Die Regelung ist derjenigen überlegen, bei der von CO-Gassensoren in einem gemeinsamen Abgaskamin Gebrauch gemacht wird, weil bei letzterer Methode nur das gesamte CO gemessen werden kann, d.h. ein Brenner kann brennstoffreich arbeiten, während ein anderer brennstoffarm arbeiten kann, was insgesamt mit dem Effekt eines akzeptablen CO-Wertes verbunden sein kann, aber tatsächlich können beide Brenner ineffizient arbeiten.
Für einen zweiten Brenner kann das erreicht werden, indem zugeordnete Luft- und Brennstoffventile zum Steuern der Luft- und Brennstoffzufuhr zu dem zweiten Brenner vorgesehen werden. Der oben beschriebene Regler wird dann benutzt, um Luft- und Brennstoffventilstellsignale zu erzeugen, damit dieser zweite Brenner mit dem Brennstoff/Luft-Verhältnis betrieben wird, das der akzeptablen Wurzel entspricht, die für den ersten Brenner identifiziert worden ist.
Ebenso ist die Erfindung zwar mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform derselben gezeigt und beschrieben worden, dem einschlägigen Fachmann dürfte jedoch klar sein, daß verschiedene andere Änderungen, Auslassungen und Hinzufügungen bei der Erfindung möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Zum Beispiel, das obige Referenzzeitintervall, das bei dem Algorithmus nach Fig. 4 benutzt wird, kann je nach Anwendungsfall wesentlich verkürzt oder verlängert werden (z.B. ungefähr 15 Minuten).

Claims

1. System zur Verwendung bei dem Regeln des Betriebes eines Oberflächenbrenners (12), der eine Flamme erzeugt, die Emissionen produziert, welche eine Kohlenmonoxidkonzentration haben, wobei das System umfaßt:

eine Detektoreinrichtung (14) zum Erzeugen von elektrischen Signaläquivalenten, die der Intensität von elektromagnetischer Abstrahlung der Flamme entsprechen;

ein Luftventil (18) zum Versorgen des Oberflächenbrenners (12) mit einer gesteuerten Luftzufuhr gemäß empfangenen Luftventilstellsignalen;

ein Brennstoffventil (16) zum Versorgen des Oberflächenbrenners (12) mit einer gesteuerten Brennstoffzufuhr gemäß empfangenen Brennstoffventilstellsignalen;

einen Regler (20) zum Erzeugen der Brennstoffventil- und Luftventilsignale der Art, daß ein Brennstoff/Luft-Verhältnis festgelegt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Regler aufweist

eine Einrichtung (74) zum Erzeugen der Brennstoffventil- und Luftventilsignale über einem ausgewählten Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen;

eine Einrichtung (70, 72) zum Abtasten der Detektoreinrichtungssignale für jedes der Brennstoff/Luft-Verhältnisse in dem ausgewählten Bereich;

eine Einrichtung (70) zum Bestimmen einer mathematischen Beziehung zwischen den abgetasteten Detektoreinrichtungssignalen und den ausgewählten Brennstoff/Luft-Verhältnissen;

eine Einrichtung (56) zum Berechnen einer ersten Differentialbeziehung aus der mathematischen Beziehung;

eine Einrichtung (58) zum Berechnen einer zweiten Differentialbeziehung aus der ersten Differentialbeziehung;

eine Einrichtung (60) zum Berechnen von Wurzeln einer quadratischen Beziehung, wobei die zweite Differentialbeziehung gleich null gesetzt wird; eine Einrichtung (62) zum Identifizieren einer der Wurzeln, die einer Lösung für die quadratische Beziehung innerhalb des ausgewählten Brennstoff/Luft-Verhältnisbereiches entspricht, wobei die identifizierte Wurzel einem Brennstoff/Luft-Verhältnis entspricht, bei dem das Einsetzen einer Kohlenmonoxidzunahme erfolgt, bei dem die Kohlenmonoxidkonzentration in der Größe zuzunehmen beginnt; und

eine Einrichtung (64) zum Erzeugen der Luftventil- und Brennstoffventilstellsignale, um den Oberflächenbrenner mit dem Brennstoff/Luft-Verhältnis zu betreiben, das der akzeptablen Wurzel entspricht.

2. System nach Anspruch 1, wobei die mathematische Beziehung weiter beinhaltet:

wobei Y der Detektoreinrichtungssignalwert ist, an den Koeffizienten entspricht, die die obige Polynomgleichung vierter Ordnung erfüllen, und x ein Signalwert ist, der sich auf das Luft/Brennstoff-Verhältnis bezieht.

3. System nach Anspruch 2, wobei die Beziehung der ersten Ableitung weiter beinhaltet:

4. System nach Anspruch 1, wobei die quadratische Beziehung weiter beinhaltet:

5. System nach Anspruch 1, wobei der Regler (20) die Brennstoff/Luft-Verhältnisse konfiguriert, indem er die Brennstoff- und Luftventilstellsignale so erzeugt, daß der Brennstoffventildurchfluß auf einen vorgewählten Wert eingestellt und die Luftventilströmung verändert wird.

6. System nach Anspruch 1, wobei der Regler (20) die Brennstoff/Luft-Verhältnisse konfiguriert, indem er die Brennstoff- und Luftventilstellsignale so erzeugt, daß die Luftventilströmung auf einen vorgewählten Wert eingestellt wird und der Brennstoffventildurchfluß verändert wird.

7. System nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (14) eine spektrale Empfindlichkeit von ungefähr 1,2 bis 0,35 Mikrometer hat.

8. System nach Anspruch 1, wobei der Regler (20) weiter aufweist:

eine Einrichtung zum Speichern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses, das der akzeptablen Wurzel entspricht, als einen Referenzwert;

eine Einrichtung zum Abtasten von laufenden Detektoreinrichtungssignalen nach dem Verstreichen einer Zeitspanne;

eine Einrichtung zum Berechnen eines laufenden Brennstoff/Luft- Verhältnisses aus den laufenden Detektoreinrichtungssignalen;

und

eine Einrichtung zum Erzeugen von Stellsignalen für die Luft- und Brennstoffventile, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis auf das Brennstoff/Luft-Referenzverhältnis einzustellen.

9. System nach Anspruch 8, wobei die Zeitspanne ungefähr 0,05 Sekunden beträgt.

10. System nach Anspruch 8, wobei die Zeitspanne ungefähr 15 Minuten beträgt.

11. System nach Anspruch 1, weiter mit einem zweiten Brenner, der eine zweite Flamme erzeugt,

einem zweiten Luftventil zum Versorgen des zweiten Brenners mit einer gesteuerten Luftströmung gemäß empfangenen zweiten Luftventilstellsignalen; und

einem zweiten Brennstoffventil zum Versorgen des zweiten Brenners mit einer gesteuerten Brennstoffzufuhr gemäß empfangenen zweiten Brennstoffventilstell signalen;

wobei der Regler (20) die zweiten Luftventil- und Brennstoffventilstellsignale erzeugt, um den zweiten Brenner mit dem Brennstoff/Luft-Verhältnis zu betreiben, das der akzeptablen Wurzel entspricht.

12. System nach Anspruch 1, wobei der Regler (20) die Luftventil- und Brennstoffventilstellsignale erzeugt, um den Brenner (12) mit einem Brennstoff/Luft-Verhältnis zu betreiben, das von der akzeptablen Wurzel abweicht.

13. System nach Anspruch 8, weiter mit einer Einrichtung zum Erzeugen von Stellsignalen für die Luft- und Brennstoffventile, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis nur einzustellen, wenn das laufende Luft/Brennstoff-Verhältnis außerhalb eines Bandes von ausgewählten Luft/Brennstoff-Verhältnissen liegt, das um das Brennstoff/Luft-Referenzverhältnis zentriert ist.

14. Verfahren zum Regeln des Betriebes eines Oberflächenbrenners (12), der eine Flamme erzeugt, die Emissionen produziert, welche eine Kohlenmonoxidkonzentration haben, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet:

Erzeugen von elektrischen Signaläquivalenten, die der Intensität von elektromagnetischer Abstrahlung der Flamme entsprechen;

Erzeugen von Stellsignalen für ein Luftventil (16), um den Oberflächenbrenner (12) mit einer gesteuerten Luftströmung zu versorgen;

Erzeugen von Stellsignalen für ein Brennstoffventil (18), um den Oberflächenbrenner (12) mit einer gesteuerten Brennstoffzufuhr zu versorgen; und

Steuern der Brennstoffventil- und Luftventilsignale derart, daß ein Brennstoff/Luft-Verhältnis festgelegt wird,

gekennzeichnet durch folgende Schritte

Erzeugen (74) der Brennstoffventil- und Luftventilsignale über einem ausgewählten Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen;

Abtasten (70, 72) der Detektoreinrichtungssignale für jedes der Brennstoff/Luft-Verhältnisse in dem ausgewählten Bereich;

Bestimmen (70) einer mathematischen Beziehung zwischen den abgetasteten Detektoreinrichtungssignalen und den ausgewählten Brennstoff/Luft-Verhältnissen;

Berechnen (56) einer ersten Differentialbeziehung aus der mathematischen Beziehung;

Berechnen (58) einer zweiten Differentialbeziehung aus der ersten Differentialbeziehung;

Berechnen (60) von Wurzeln einer quadratischen Beziehung, wobei die zweite Differentialbeziehung gleich null gesetzt wird;

Identifizieren (62) derjenigen Wurzel, die einer Lösung für die quadratische Beziehung innerhalb des ausgewählten Brennstoff/Luft-Verhältnisbereiches entspricht, wobei die identifizierte Wurzel einem Brennstoff/Luft-Verhältnis entspricht, bei dem das Einsetzen einer Kohlenmonoxidzunahme erfolgt, bei welchem die Kohlenmonoxidkonzentration in der Größe zuzunehmen beginnt; und

Erzeugen (64) der Luftventil- und Brennstoffventilstellsignale gemäß der akzeptablen Wurzel, um den Oberflächenbrenner mit der identifizierten Wurzel zu betreiben.

15. Verfahren nach Anspruch 14, weiter beinhaltend die Schritte:

Speichern des Brennstoff/Luft-Verhältnisses, das der akzeptablen Wurzel entspricht, als einen Referenzwert;

Erzeugen von laufenden elektrischen Signaläquivalenten, die der Intensität von elektromagnetischer Abstrahlung der Flamme entsprechen, nach dem Verstreichen einer Zeitspanne;

Berechnen eines laufenden Brennstoff/Luft-Verhältnisses aus den laufenden elektrischen Signaläquivalenten der Flamme; und

Erzeugen von Stellsignalen für die Luft- und Brennstoffventile, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis auf das Brennstoff/Luft-Referenzverhältnis einzustellen.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die mathematische Beziehung weiter beinhaltet:

wobei Y der Detektoreinrichtungssignalwert ist, an den Koeffizienten entspricht, die die obige Polynomgleichung vierter Ordnung erfüllen, und x das Luft/Brennstoff-Verhältnis ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste Ableitungsbeziehung weiter beinhaltet:

18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die quadratische Beziehung weiter beinhaltet: