EP0088975A2 - Verfahren zur Überwachung von Feuerungsanlagen - Google Patents
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- F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
- F23N5/006—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties the detector being sensitive to oxygen
Definitions
- the invention relates to a method for monitoring Feuerunganlagen using a responsive to the 0 2 partial pressure in the exhaust gas sensor.
- the air ratio is determined by quantitative measurement of the 0 2 partial pressure in the gas and this is adjusted to a predetermined constant value by appropriate control of the combustion system or the gas and air supply. In this way, the combustion quality can be monitored and kept constant at a favorable value.
- this known use of an op-partial pressure sensor as a measuring element for the ongoing control of the combustion quality presupposes that the exhaust gas temperatures are in a relatively high temperature range of 500 to 600 ° C. At lower exhaust gas temperatures, the sensor is only suitable for a quantitative measurement of the 0 2 partial pressure in the exhaust gas if it is heated accordingly.
- recuperator burners or jacket radiant tubes or also other recuperators connected downstream can be damaged in such a way that they undergo expensive repairs or even have to be replaced.
- Periodic maintenance of the combustion system or checking the combustion conditions, as they are usually carried out, are of little help, since the combustion conditions can change significantly immediately after a maintenance cycle.
- Another problem with the operation of firing systems was the leakage of solenoid valves, which are used to shut off the gas supply lines to radiant heating pipes. In the case of leaking gas solenoid valves, there is a risk that unburned gas will be introduced into the exhaust system. This cannot be tolerated. This problem has hitherto been countered by arranging double shut-off valves with a blow-off device in the glass feed line. Such an installation is extremely expensive.
- the invention has for its object to provide a method that allows sensitive and reliable monitoring of the combustion devices even at low exhaust gas temperatures with little equipment, so that Jacket radiant tubes and recuperator burners can be monitored continuously.
- the method should also offer the possibility of monitoring recuperator burners and jacket radiant tubes for other operational or technical malfunctions.
- the sensors that can be used here show a sudden change in their output signal when used under high exhaust gas temperatures of 500-600 ° C. What is new and exploited by the invention is that this abrupt change can still be ascertained in a defined manner and can be used for switching purposes if the measurement characteristic of the sensor becomes discontinuous due to the low exhaust gas temperatures and a quantitative detection of the 0 2 partial pressure is excluded.
- a sudden change in the sensor output signal indicates that the combustion has, for example, changed from excess air to insufficient air. Accordingly, the furnace must be serviced immediately.
- a switching signal to shut off the gas supply and possibly other media inlets and outlets, further use of the combustion system under unfavorable combustion conditions can be avoided. With the aid of a warning signal, the operating personnel can alternatively or additionally switch off manually and immediate maintenance of the furnace must be stopped.
- a corresponding monitoring option is also given in the case of jacket radiant heating tubes or recuperator burners which are operated under stoichiometry, for example for producing a protective gas.
- a safety chain consisting of a gas shut-off element and an end position indicator confirming the open and closed position of the gas shut-off element is preferably used to monitor radiant heating tubes.
- the tightness of such a gas shut-off device for example a solenoid valve, can be checked with the method according to the invention simply by comparing the sensor output signal with a predetermined lower limit value after the gas shut-off device has been closed and the closed position has been confirmed by the end position indicator. If the actual value of the sensor output signal is above this limit value, a warning signal is generated.
- a manual shut-off valve can then be closed immediately to shut off the associated gas supply line.
- the penetration of foreign gas into a jacket radiant tube can also be determined by the method according to the invention.
- the penetration of extraneous gas leads to a shift in the sensor output signal. Based on these All flow media inlets and outlets connected to the jacket radiant tube can be blocked.
- FIG. 1 shows a firing system with a jacket radiant tube 1 which has a central feed tube 2 for gas and a chamber 3 surrounding it for the supply of the combustion air.
- the combustion gas and the air are mixed in a burner mouth 4.
- the combustion pipe 5, in which the combustion takes place, is connected to the burner mouth 4.
- the exhaust gases are conducted back in a jacket tube 6 concentrically surrounding the combustion tube and preheat the combustion air in the heat exchange section of the jet heating tube 1 adjacent to the annular chamber 3.
- a sensor 8 is arranged, which responds to the 0 2 partial pressure in the exhaust gas.
- EMF electrical output signal
- a safety chain comprising a solenoid valve 13 arranged in the gas line 12 and a mechanical limit switch 14 is provided, which determines the open and closed positions of the gas solenoid valve 13.
- a position indicator 15 is connected to the mechanical limit switch 14, which converts the mechanically tapped end position into an electrical signal and inputs it into the controller 9.
- a further shut-off element in the form of a solenoid valve 17 is arranged in the air supply line 16 and a shut-off element in the form of a solenoid valve 19 is arranged in the exhaust gas line 18.
- a manual shut-off valve 20 is connected upstream of the solenoid valve 13 and serves as a safety shut-off if the solenoid valve 13 fails.
- the controller 9 generates a warning signal, for example via the acoustic fault indicator 10 or a switching signal for immediately switching off at least the gas supply by means of the solenoid valve 13.
- the closed position of the solenoid valve 13 is confirmed via the limit switch 14 and the end position indicator 15 to the controller 9. If, in this confirmed closed position, an output signal is given to the controller 9 via the sensor 8 that exceeds a lower limit value specified in the controller, a warning signal is issued so that the manual shut-off valve 20 can be closed immediately. In this way, continuous monitoring of leaks of the relevant shut-off elements is possible with the help of the same ° 2 partial pressure sensor 8.
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Abstract
Ein Verfahren zur Überwachung von Mantelstrahlheizrohren und Rekuperatorbrennern unter Verwendung eines auf den O2-Partialdruck im Abgas ansprechenden Meßfühlers. Bei niedrigen Abgastemperaturen bis hinunter zu 200 - 300°C wird eine durch den Übergang von überstöchiometrischer auf unterstöchiometrische Verbrennung, und umgekehrt, auftretende sprunghafte Änderung des Meßfühler-Ausgangssignals ermittelt und als Schalt- und/oder Warnsignal wiedergegeben. Das Verfahren kann auch zur Flammenüberwachung, zur Feststellung von Leckstellen und Rissen in Mantelrohren und zur Überwachung der Dichtigkeit von abgesperrten Gas-Magnetventilen verwendet werden.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von Feuerunganlagen unter Verwendung eines auf den 02-Partialdruck im Abgas ansprechenden Meßfühlers.
- Bei bekannten Verfahren dieser Art wird durch quantitatives Messen des 02-Partialdrucks im Gas die Luftzahl ermittelt und diese durch entsprechende Regelung der Feuerungsanlage bzw. der Gas- und Luftzufuhr auf einen vorgegebenen konstanten Wert eingeregelt. Hierdurch kann die Verbrennungsqualität überwacht und laufend auf einem günstigen Wert konstant gehalten werden. Diese bekannte Verwendung eines Op-Partialdruck-Meßfühlers als Meßglied für die laufende Regelung der Verbrennungsqualität setzt aber voraus, daß die Abgastemperaturen in einem relativ hohen Temperaturbereich von 500 bis 600°C liegen. Bei niedrigeren Abgastemperaturen ist der Meßfühler nur dann zu einer quantitativen Messung des 02-Partialdrucks im Abgas geeignet, wenn er entsprechend beheizt wird.
- Bei Feuerungsanlagen für Industrieöfen, insbesondere solchen für Wärmebehandlungsöfen der Stahlindustrie, sind aber relativ niedrige Abgastemperaturen erwünscht. In jüngster Zeit wird das Abgas bevorzugt zum Vorheizen der Verbrennungsluft verwendet. Dies geschieht beispielsweise in Mantelstrahlheizrohren und Rekuperatorbrennern. Bei derartigen Verbrennungseinrichtungen wurde bisher eine kontinuierliche Überwachung des Abgases nicht durchgeführt. Derzeit gebräuchliche Abgaseanalysegeräte sind für eine solche Überwachung zu teuer und außerdem zu träge. Der Einsatz von beheizten Meßfühlern in jeder Verbrennungseinrichtung ist ebenfalls zu teuer. Ohne eine ständige Überwachung der Verbrennungsverhältnisse besteht aber die Gefahr, daß die Feuerungsanlage unter ungünstigen Verbrennungsverhältnissen arbeitet und beispielsweise von Luftüberschuß auf Luftunterschuß übergegangen ist. Werden unter diesen Umständen nicht sofortige Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen getroffen, so können Rekuperatorbrenner oder Mantelstrahlheizrohre oder auch weitere nachgeschaltete Rekuperatoren derart beschädigt werden, daß sie aufwendigen Reparaturen unterzogen oder sogar ausgetauscht werden müssen. Eine periodische Wartung der Feuerungsanlage oder Überprüfung der Verbrennungsverhältnisse, wie sie üblicherweise vorgenommen werden, helfen wenig, da sich die Verbrennungsverhältnisse unmittelbar nach einem Wartungszyklus wesentlich ändern können. Ein weiteres Problem beim Betrieb von Feuerungsanlagen stellten Undichtigkeiten von Magnetventilen dar, die zum Absperren der Gaszufuhrleitungen zu Strahlheizrohren dienen. Bei undichten Gas-Magnetventilen besteht die Gefahr, daß unverbranntes Gas in das Abgasnetz eingeleitet wird. Dies kann nicht toleriert werden. Diesem Problem ist man bisher dadurch begegnet, daß man Doppelabsperrarmaturen mit einer Abblaseinrichtung in der Glaszufuhrleitung angeordnet hat. Eine solche Installation ist außerordentlich kostenaufwendig.
- Eine weitere Störung, die bei der Verwendung von Mantelstrahlheizrohren auftreten kann, ist ein Riß oder eine sonstige Beschädigung des Mantelrohrs. Dabei diffundiert der im Abgas befindliche Sauerstoff in den mit Schutzgas gefüllten Ofenraum. Die Folge ist eine Oxydation des im Ofenraum befindlichen Wärmgutes. Bisher war es nur durch Einzelabschaltung und einzelnes Abdrücken der Strahlheizrohre möglich, das schadhafte Strahlheizrohr ausfindig zu machen. Es ist daher erwünscht, auch Risse oder sonstige Schäden der Mantelrohre von Mantelstrahlheizrohren ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen laufend feststellen zu können.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das mit geringem gerätetechnischen Aufwand eine empfindliche und zuverlässige Überwachung der Verbrennungseinrichtungen auch bei niedrigen Abgastemperaturen ermöglicht, so daß auch Mantelstrahlheizrohre und Rekuperatorbrenner laufend überwacht werden können. Neben der Feststellung ungünstiger Verbrennungsverhältnisse, die zur Beschädigung von Rekuperatorbrennern oder Mantelstrahlheizrohren führen können, soll das Verfahren auch die Möglichkeit einer Überwachung von Rekuperatorbrennern und Mantelstrahlheizrohren auf andere betriebliche oder gerätetechnische Störungen bieten.
- Ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art, ist erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehen, daß bei niedrigen Abgastemperaturen bis hinunter zu etwa 200 bis 300°C oder sogar darunter eine durch den Übergang von überstöchiometrischer auf unterstöchiometrische Verbrennung, und umgekehrt, auftretende sprunghafte Änderung des Meßfühlerausgangssignals ermittelt und in wenigstens ein Schalt- und/oder Warnsignal umgesetzt wird.
- Es ist zwar bekannt, daß die hier verwendbaren Meßfühler beim Einsatz unter hohen Abgastemperaturen von 500-600°C eine sprunghafte Änderung ihres Ausgangssignals zeigen. Neu und durch die Erfindung ausgenutzt ist aber, daß diese sprunghafte Änderung auch dann noch definiert feststellbar und zu Schaltzwecken verwendbar ist, wenn die Meßkennlinie des Meßfühlers wegen der niedrigen Abgastemperaturen unstetig wird und eine quantitative Erfassung des 02-Partialdrucks ausgeschlossen ist. Eine sprunghafte Änderung des Meßfühler-Ausgangssignals zeigt an, daß die Verbrennung beispielsweise von Luftüberschuß auf Luftunterschuß üb.er- gegangen ist. Dementsprechend ist eine sofortige Wartung der Feuerungsanlage erforderlich. Durch Abgabe eines Schaltsignals zum Absperren der Gaszufuhr und ggf. anderer MedienZu- und -Abgänge kann eine weitere Benutzung der Feuerungsanlage unter ungünstigen Verbrennungsverhältnissen vermieden werden. Mit Hilfe eines Warnsignals kann alternativ oder zusätzlich das Bedienungspersonal zu einer Handabschaltung und sofortigen Wartung der Feuerungsanlage angehalten werden.
- Eine entsprechende Überwachungsmöglichkeit ist auch bei solchen Mantelstrahlheizrohren oder Rekuperatorbrennern gegeben, die beispielsweise zur Herstellung eines Schutzgases unterstöchiometrisch betrieben werden.
- Zur Überwachung von Strahlheizrohren findet vorzugsweise eine Sicherheitskette aus einem Gas-Absperrorgan und einem die Auf- und Zu-Stellung des Gas-Absperrorgans bestätigenden Endstellungsrückmelder Verwendung. Die Dichtigkeit eines solchen Gas-Absperrorgans, beispielsweise eines Magnetventils, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach dadurch überprüft werden, daß nach dem Schließen des Gas-Absperrorgans und der Bestätigung der Zu-Stellung durch den Endstellungsrückmelder das Meßfühlerausgangssignal mit einem vorgegebenen unteren Grenzwert verglichen wird. Liegt der Istwert des Meßfühlerausgangssignals oberhalb dieses Grenzwerts, so wird ein Warnsignal erzeugt. Daraufhin kann eine Handabsperrarmatur sofort geschlossen werden, um die zugehörige Gaszufuhrleitung abzusperren.
- Mit Hilfe des °2-partialdruck-Meßfühlers kann zusätzlich auch eine laufende Flammenüberwachung durchgeführt werden. Findet bei geöffneter Gaszufuhr keine Verbrennung statt, so ist das Ausgangssignal des Meßfühlers deutlich außerhalb des Sollbereichs bei normaler Verbrennung. Unter dieser Bedingung wird automatisch ein Schaltsignal entwickelt, das die Gaszufuhr zum Strahlheizrohr abschaltet.
- Das Eindringen von Fremdgas in ein Mantelstrahlheizrohr, wie es beispielsweise bei einem Riß im Mantelrohr auftritt, läßt sich ebenfalls durch das erfindungsgemäße Verfahren feststellen. Das Eindringen von Fremdgas führt nämlich zu einer Verschiebung des Meßfühler-Ausgangssignals. Aufgrund dieser Verschiebung können alle am Mantelstrahlheizrohr angeschlossenen Strömungsmedien-Zugänge und -Abgänge abgesperrt werden.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- Figur 1 eine schematische Darstellung eines Mantelstrahlheizrohrs mit Absperrorganen in allen Medienzugängen und -abgängen und einem 0 - Partialdruck-Meßfühler im Abgasstrom; un6
- Figur 2 eine exemplarische Kennlinie eines auf °2-Partialdruck ansprechenden Meßfühlers, wobei die Kennlinie die Änderung des Meßfühler-Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Sauerstoffpartialdruck im überstöchiometrischen und im unterstöchiometrischen Bereich veranschaulicht.
- In Figur 1 ist eine Feuerungsanlage mit einem Mantelstrahlheizrohr 1 gezeigt, das ein zentrales Zuführrohr 2 für Gas und eine diese umgebende Kammer 3 für die Zufuhr der Verbrennungsluft aufweist. Das Verbrennungsgas und die Luft werden in einem Brennermund 4 gemischt. An den Brennermund 4 schließt sich das Verbrennungsrohr 5 an, in dem die Verbrennung stattfindet. Die Abgase werden in einem das Verbrennungsrohr konzentrisch umgebenden Mantelrohr 6 im Rückstrom zurückgeleitet und wärmen in dem der Ringkammer 3 benachbarten Wärmetauschabschnitt des Strahlheizrohrs 1 die Verbrennungsluft vor. Im Abgasstrom (Rohrstutzen 7) des Mantelstrahlheizrohrs 1 ist ein Meßfühler 8 angeordnet, der auf den 02-Partialdruck im Abgas anspricht. Sein elektrisches Ausgangssignal (EMK) wird in einem Regler 9 ermittelt und bei einer entsprechenden Signaländerung in ein Warnsignal über den akustischen Störungsmelder 10 und/oder in ein oder mehrere Schaltsignale zum Absperren der Medien-Zugänge und -Abgänge umgesetzt.
- Bei der in Figur 1 gezeigten Feuerungsanlage ist eine Sicherheitskette aus einem in der Gasleitung 12 angeordneten Magnetventil 13 und einem mechanischen Endschalter 14 vorgesehen, der die Auf- und Zu-Stellungen des Gasmagnetventils 13 feststellt. Mit dem mechanischen Endschalter 14 ist ein Stellungsrückmelder 15 verbunden, der die mechanisch abgegriffene Endstellung in ein elektrisches Signal umsetzt und in den Regler 9 eingibt.
- In der Lufzufuhrleitung 16 ist ein weiteres Absperrorgan in Form eines Magnetventils 17 und in der Abgasleitung 18 ist ein Absperrorgan in Form eines Magnetventils 19 angeordnet. Eine Handabsperrarmatur 20 ist dem Magnetventil 13 vorgeschaltet und dient als Sicherheitsabsperrung bei Ausfall des Magnetventils 13.
- Im Betrieb des Mantelstrahlheizrohrs 1 gemäß Figur 1 wird der 02-Partialdruck bei relativ niedrigen Abgastemperaturen bis hinunter zu 200 bis 3000C über den Meßfühler 8 laufend überwacht. In dem in Figur 2 dargestellten normalen Arbeitsbereich (überstöchiometrisch) ändert sich das elektrische Ausgangssignal des Meßfühlers 8 nur gering, und der Regler 9 gibt innerhalb dieses Sollbereichs des Ausgangssignals weder ein Warnsignal noch ein die Absperrorgane schließendes Schaltsignal ab. Wenn aber die Verbrennung aus dem überstöchiometrischen in den unterstöchiometrischen Bereich überwechselt, so ergibt sich,wie die gestrichelte Kennlinie in Figur 2 zeigt, eine starke sprunghafte Änderung des Ausgangssignals. Diese ist für den Regler eindeutig erkennbar obwohl die Meßkennlinie wegen der niedrigen Abgastemperaturen relativ unstetig ist und sich quantitativ nicht auswerten läßt. Eine solche sprunghafte Änderung des Meßfühler-Ausgangssignals ist als Anzeichen dafür zu werten, daß die Feuerungsanlage, hier das Mantelstrahlheizrohr 1, bei ungünstigen Verbrennungsverhältnissen arbeitet oder die Flamme erloschen ist, so daß vom Bedienungspersonal die entsprechenden Wartungsmaßnahmen durchgeführt werden müssen. Der Regler 9 erzeugt ein Warnsignal beispielsweise über den akustischen Störmelder 10 oder ein Schaltsignal zur sofortigen Abschaltung zumindest der Gaszufuhr mittels des Magnetventils 13.
- Die geschlossene Stellung des Magnetventils 13 wird über den Endschalter 14 und den Endstellungsrückmelder 15 zum Regler 9 bestätigt. Wenn in dieser bestätigten Zu-Stellung über den Meßfühler 8 an den Regler 9 ein Ausgangssignal gegeben wird, das einen im Regler vorgegebenen unteren Grenzwert übersteigt, wird ein Warnsignal abgegeben, damit die Handabsperrarmatur 20 sofort geschlossen werden kann. Auf diese Weise ist eine laufende Überwachung auch von Undichtigkeiten der maßgeblichen Absperrorgane mit Hilfe desselben °2-partialdruck-Meßfühlers 8 möglich.
- Bei einem Einbruch eines Fremdgases von außen in das Mantel strahlheizrohr 1 ergibt sich ebenfalls eine deutliche Verschiebung des Meßsignals des Meßfühlers 8. Bei einer solchen Verschiebung werden alle am Mantelstrahlheizrohr 1 angeschlossenen Medienzu- und -abgänge über die Magnetventile 13, 17 und 19 abgesperrt. Auf diese Weise lassen sich auch Risse im Mantelrohr 6 relativ rasch feststellen und die erforderlichen Gegenmaßnahmen einleiten.
Claims (5)
1. Verfahren zur Überwachung von Feuerungsanlagen unter Verwendung eines auf 02-Partialdruck im Abgas ansprechenden Meßfühlers, dadurch gekennzeichnet , daß bei niedrigen Abgastemperaturen bis hinunter zu etwa 200 bis 300 C und darunter eine durch den Übergang von überstöchiometrischer auf unterstöchiometrische Verbrennung, und umgekehrt, auftretende sprunghafte Änderung des Meßfühlerausgangssignals ermittelt und in wenigstens ein Schalt- und/oder Warnsignal umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des O2-Partialdrucks im Abgasstrom erfolgt, nachdem dem Abgas in wenigstens einem Rekuperator oder in einem Mantelstrahlheizrohr Wärme entzogen worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Überwachung von Strahlheizrohren, unter Verwendung einer Sicherheitskette aus einem Gas-Absperrorgan und einem die Auf- und Zu-Stellungen des Gas-Absperrorgans bestätigenden Endstellungsrückmelder, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schließen des Gas-Absperrventils und der Bestätigung der Zu-Stellung durch den Endstellungsrückmelder das Meßfühlerausgangssignal mit einem vorgegebenen unteren Grenzwert verglichen wird und ein Warnsignal erzeugt wird, wenn das Meßfühlerausgangssignal oberhalb des unteren Grenzwerts liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Überwachung von Strahlheizrohren, unter Verwendung einer Sicherheitskette aus einem Gas-Absperrorgan und einem die Auf- und Zu-Stellungen des Gas-Absperrorgans bestätigenden Endstellungsrückmelder, dadurch gekennzeichnet, daß bei geöffnetem Gas-Absperrorgan und bestätigter Auf-Stellung das Ausbrechen des Meßfühlerausgangssignals aus einem vorgegebenen Sollbereich ermittelt und in ein Schaltsignal zum Absperren der Gaszufuhr umgesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas-Absperrorgan elektromagnetisch betätigt wird, daß die Stellung des Absperrorgans von einem Endschalter mechanisch abgetastet wird und die mechanisch abgetastete Endstellung in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wobei das elektrische Signal zur Rückmeldung der Endstellung übertragen wird.
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