EP0377441A1 - Sicherheitstechnische Überwachung eines drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses - Google Patents

Sicherheitstechnische Überwachung eines drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses Download PDF

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EP0377441A1
EP0377441A1 EP90100035A EP90100035A EP0377441A1 EP 0377441 A1 EP0377441 A1 EP 0377441A1 EP 90100035 A EP90100035 A EP 90100035A EP 90100035 A EP90100035 A EP 90100035A EP 0377441 A1 EP0377441 A1 EP 0377441A1
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    • F23N3/08—Regulating air supply or draught by power-assisted systems

Definitions

  • the invention relates to the safety monitoring of the speed of a combustion air blower for an oil, gas or dual-fuel burner.
  • the amount of air required for combustion in an oil, gas or dual-fuel forced draft burner is conveyed by a combustion air blower.
  • the amount of air is supplied to the amount of fuel either through a throttle valve; this can also be achieved by changing the speed of the combustion air fan.
  • the safety-related monitoring of the speed-controlled combustion air blower is used to safely switch off the combustion in the event of deviations from the specified fuel-air ratio before the occurrence of impermissibly high pollutant emissions.
  • burners in the case of oil, gas or dual-fuel forced draft burners, hereinafter referred to as burners, the fuel and the combustion air are changed in a mechanically coupled manner in order to adapt the burner output to the heat requirement of the system.
  • the amount of air required for the combustion of the respective predetermined fuel is throttled via an air flap to the level required for a certain fuel-air ratio at a constant speed of the combustion air blower determined by the mains frequency.
  • the required amount of air can also be achieved by changing the speed of the combustion air fan of the burner.
  • monitoring is carried out by measuring the mass flows of the combustion air and the fuel.
  • the invention has for its object in oil, gas or dual-fuel burners, the amount of combustion air is determined by changing the speed of the combustion air fan, the ratio of fuel to air quantity reliably monitored.
  • the predefined fuel-air ratio is carried out according to the invention by the monitoring of the speed of the combustion air blower, which automatically detects errors and thus functions in an intrinsically safe manner, depending on the position of the actuator for the fuel quantity.
  • an actuator is controlled by a power controller, which determines the amount of fuel.
  • the specified amount of fuel is controlled via the speed control assigned the amount of air required for combustion.
  • the speed of the three-phase asynchronous motor of the combustion air blower is set by varying the frequency and voltage via a static frequency converter.
  • FIG 1 the speed control and the safety monitoring of the speed-controlled combustion air fan of a burner is shown.
  • the power control (1) of the heat generator controls the drive (2) of the actuators for fuel metering (3), (4).
  • the respective position of this drive (2) is detected by a sensor (5) and fed to a function transmitter (6) as an input signal.
  • This gives a signal adapted to the fuel-air ratio to the frequency converter (7) as a speed-proportional setpoint.
  • An output voltage of the frequency converter which is variable in frequency and voltage causes the setting of a predetermined speed of the combustion air fan of the burner (8).
  • the function of the burner is determined by this open timing chain.
  • a tachogenerator (9) is driven directly by the engine for speed detection, which emits an intrinsically safe, speed-proportional signal as an active encoder. This signal is fed as an actual speed value to the two comparators (10) and (11).
  • a second independent sensor (12) which is also actuated by the drive (2), sends its signal to a second independent function generator (13).
  • the comparison setpoint formed in the function generator (13), which corresponds to the speed setpoint, is also applied to the two comparators (10) and (11).
  • Both comparators which work as independent devices, carry out a target / actual value comparison. If there is an impermissible deviation between the setpoint and actual value, both comparators send a signal to evaluation logic (14), which causes the burner (8) to be switched off after an allowable delay time has elapsed.
  • evaluation logic 14
  • the two independent control chains for actual value formation and setpoint formation are monitored on two channels.
  • test signals from the comparator test circuit (15) are applied to them at periodic intervals and their functionally correct effect is monitored. The periodic course of time is effected by component-tested timers.
  • the frequency converter (7) receives the speed setpoint, and directly the comparators (10) and (11) the comparison setpoint from 2 independent encoders a correspondingly increased signal to the comparators given.
  • the required air volume is set via an air flap (18) additionally installed in the air duct, the increased pressure of the combustion air being thereby achieved.
  • This air flap (18) is actuated by a second correction actuator (19), which is inevitably activated, via a mechanical connection (20). After ignition, the speed control takes over the fuel Air allocation.
  • the frequency converter (7) is activated and the speed control is deactivated.
  • the air flap (18) is brought into a throttle position via the correction point drive (19) used for the starting sequence.
  • a predetermined fuel-air ratio is achieved over the entire power adjustment range of the burner via a mechanical compound control device (20) and (22).
  • FIG. 2 shows the block diagram of the speed control and safety monitoring with additional acting residual oxygen control device.
  • the O2 probe (23) used to detect the residual oxygen value in the exhaust gas gives its measurement signal processed via an O2 measuring device (24) to a controller (25).
  • the signal formed by the sensor (12) for the comparison setpoint of the speed control is applied in the same way to the controller (25) and a further independent function generator (26).
  • the function transmitter (26) forms an O2 setpoint depending on the burner output.
  • the output of the regulator (25) influences the O2 correction (27), the signal from the function generator (6) to the frequency converter (7).
  • the correction (27) influences the speed setpoint signal only within permissible predetermined limits. These limits are within the permissible range of the speed monitoring device, which are monitored by the two comparators (10) and (11).
  • a limit switch (28) switches off the burner if the residual oxygen content deviates from the target value.
  • Figure 3 shows an expansion of the speed control for the operation of an exhaust gas recirculation.
  • the exhaust gas recirculation in which a quantity of exhaust gas is metered into the flame, reduces the nitrogen oxides that occur during combustion.
  • a separate fan (29) for exhaust gas recirculation works parallel to the frequency and voltage variable output of the frequency converter (7) on which the combustion air fan is operated.
  • the speed of the exhaust gas recirculation fan (29) is also carried in parallel. This means that the speed of the exhaust gas recirculation fan (29) is already monitored by monitoring the combustion air fan of the burner (8). In addition, depending on the burner output, the amount of exhaust gas recirculated can be reduced by a throttle device (30).

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Abstract

Zum Zwecke der sicherheitstechnisch zuverlässigen Überwachung des Verhältnisses von Brennstoff- zu Luftmenge bei Öl-, Gas- oder Zweistoffbrennern wird derart verfahren, daß zur Einhaltung eines jeweils vorgegebenen Brennstoff-Luft-Verhältnisses unter Verzicht auf direkte Messung der Massenströme des Brennstoffes und der Verbrennungsluft ein zweikanalig ausgeführter Soll-Ist-Wertvergleich mit selbsttätiger Fehlererkennung durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die sicherheitstechnische Überwachung der Drehzahl eines Verbrennungsluftgebläses für einen Öl-, Gas- oder Zweistoff-Brenner.
  • 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 Verbrennungs­luftgebläses 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 sicherheitstechni­schen Überwachung des drehzahlgesteuerten Verbren­nungsluftgebläses gilt bei der Fehlerbetrachtung nach DIN 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
    • Figur 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform;
    • Figur 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform, das gegenüber der ersten Ausführungsform zusätzlich eine O₂-Regelung aufweist;
    • Figur 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform, das über das zweite Ausführungsbeispiel hinaus eine Abgasrückführung enthält.
  • In Figur 1 ist die Drehzahlsteuerung und die sicherheitstechnische Überwachung des drehzahlgesteuer­ten Verbrennungsluftgebläses eines Brenners dargestellt. Von der Leistungsregelung (1) des Wärmeerzeugers wird der Antrieb (2) der Stellglieder zur Brennstoff­dosierung (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.
  • Figur 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 des 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.
  • Figur 3 zeigt eine Erweiterung der Drehzahlsteuerung für den Betrieb einer Abgas-Rückführung. Die Abgasrück­führung, 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 drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses für einen Öl-, Gas- oder Zweistoff-Gebläsebrenner zur Einhaltung eines jeweils vorgegebenen Brennstoff-­Luft-Verhältnisses, bei welchem unter Verzicht auf direkte Messung der Massenströme des Brennstoffes und der Verbrennungsluft ein zweikanalig ausgeführter Soll-Ist-Wertvergleich mit selbsttätiger Fehlererkennung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehzahl-Ist-Wert mit einem unabhängig gebilde­ten zweiten Sollwert in zwei unabhängig voneinander arbeitenden 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 von zwei unabhängigen Sensoren gebildet wird und getrennt von zwei nachgeschalteten unabhängigen Funktionsgebern in drehzahlproportionale Sollwerte umgewandelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Komparatoren einer periodischen selbst­tätigen 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 Netzfrequenz ermöglicht wird, bei dem das Brennstoff-Luft-Verhältnis durch eine mechanische Zuordnung vorgenommen 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 Korrek­tur des Drehzahl-Sollwertes nur in den von den Kompara­toren bestimmten Grenzen ermöglicht, wobei der O₂-Soll­wert 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 gleichzei­tig überwacht wird.
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