EP0643265A1

EP0643265A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines überstöchiometrisch vormischenden Gasbrenners

Info

Publication number: EP0643265A1
Application number: EP94113828A
Authority: EP
Inventors: Detlef Dr.-Ing. Altemark; Hans-Jürgen Kruczek; Ulrich Prof.-Dr. Spicher; Jürgen Dr. Sterlepper
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EON Ruhrgas AG
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1994-09-03
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2014-09-03
Also published as: EP0643265B1; DE4331048A1; DE59405770D1

Abstract

Der Brenner wird im Abstand von der Flammenstabilitätsgrenze betrieben, wobei als Flammeneigenschaft, die den Verbrennungszustand repräsentiert, die Lichtintensität gemessen wird. Hieraus wird ein Mittelwertsignal und ein Signal für die Standardabweichungen gebildet. Ferner wird ein bestimmter Wert der Standardabweichungen definiert. Je nach Gasart ist diesem Wert ein unterschiedliches Mittelwertsignal zugeordnet. Aus dieser Zuordnung erkennt der Regler, mit welcher Gasart der Brenner betrieben wird, und gibt für das Mittelwertsignal einen entsprechenden Sollwert vor, sei es anhand eines Kennfeldes, sei es als Abstand zu dem dem definierten Wert der Standardabweichungen zugeordneten Istwert des Mittelwertsignals. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines überstöchiometrisch arbeitenden Gasbrenners, wobei eine für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft gemessen, hieraus ein Mittelwertsignal gebildet und dieses zum Regeln des Gas- und/oder Luftmassenstroms verwendet wird.
Eine Maßnahme zur Verminderung der NO_x-Emmissionen bei Verbrennungsvorgängen besteht darin, die Flammentemperatur zu senken. Dies kann durch überstöchiometrische Verbrennung geschehen. Dem Brenner wird dabei zusätzlich zu der für eine vollständige Verbrennung erforderlichen Luftmenge Kühlgas zugeführt, wobei dieses Kühlgas unter anderem auch Überschußluft sein kann. Der Verbrennungszustand ist abhängig davon, mit wieviel Luftüberschuß bzw. Kühlgas gearbeitet wird.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (EP0262390B1) wird als für den Verbrennungszustand repräsentative 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 derartige Regelung setzt leistungsabhängige Sollwertkennfelder voraus, die jeweils nur für einen begrenzten Heiz- und Brennwertbereich 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 Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichungen des Meßwertes erfaßt, dem Mittelwertsignal zugeordnet, und zusätzlich zur Einstellung und Regelung verwendet werden.
Dabei ist zu berücksichtigen, daß der vorstehend zitierte Stand der Technik bereits die Erfassung der Standardabweichungen 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 Zusammenhänge ist das Regelsystem in der Lage, die Gasart zu erkennen und den Sollwert des Mittelwertsignals - ggf. unter Berücksichtigung der eingestellten Leistung - entsprechend vorzugeben, so daß der Brenner in dem gewünschten Bereich, z.B. in einem gewünschten Abstand von der Flammenstabilitätsgrenze oder von einer CO-Emissionsgrenze, betrieben wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird a) der Gas- und/oder Luftmassenstrom solange variiert, bis ein vorgegebener Schwellwert der Standardabweichung erreicht ist; b) der Istwert des Mittelwertsignals wird bei Erreichen des Schwellwertes der Standardabweichung erfaßt; c) ein Sollwert des Mittelwertsignals 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 periodisch wiederholt. Der Schwellwert kann beispielsweise an die Flammenstabilitätsgrenze gelegt werden. Auch kann er einem kritischen 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 repräsentierten Grenze bleibt. Der wesentliche Vorteil dieses Regelkonzeptes liegt darin, daß keine Kennlinien für das Mittelwertsignal erforderlich sind. Lediglich für den Startvorgang gibt der Regler bei einer grob eingestellten Leistung ein "sicheres" Gas-/Luftmassenstromverhältnis vor. Ausgehend hiervon fährt er sodann erstmalig den Schwellwert der Standardabweichungen 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 Standardabweichungen periodisch angefahren, wobei die Länge der Perioden von der Stabilität der Betriebsbedingungen abhängig sein kann. Vorzuziehen allerdings ist eine bedarfsabhängige Adaption des Sollwerts, wie sie beispielsweise in den Ansprüchen 3 und 4 gekennzeichnet ist. Die Adaption des Sollwerts kann beispielsweise bei einem Wechsel der Gasart, einer Verstellung der Leistung, einer Änderung der Lufttemperatur oder als Folge irgendeiner auf den Zustand der Flamme einwirkenden Störung erforderlich werden.
Ein besonders gutes Regelverhalten läßt sich dadurch erreichen, 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 Istwert 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 erkannt wird und daß in Abhängigkeit von der Gasart der zugehörige Schwellwert und der zugehörige Abstand des Sollwertes des Mittelwertsignals von dem diesem Schwellwert zugeordneten Istwert des Mittelwertsignals gewählt werden.
Auf diese Weise kann der Brenner sehr eng beispielsweise an der Flammenstabilitätsgrenze oder der CO-Emissionsgrenze betrieben werden. Diesen Grenzen sind nämlich, abhängig von der Gasart, unterschiedliche Schwellwerte der Standardabweichungen zugeordnet. Auch kann der Abstand, den der Sollwert des Mittelwertsignals 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 Verbrennungszustand repräsentierenden Flammeneigenschaft aufgrund von Störungen 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 erfassen 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 kurzzeitige Schwellwertüberschreitung reagiert. Die Höhe des Grenzwertes der zeitlichen Häufigkeit (z. B. 1000/s) ist dabei nicht kritisch.
Beim Anfahren der Flammenstabilitätsgrenze besteht die Gefahr, daß kurz vor Erreichen des Schwellwertes der Standardabweichungen 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-Spitzenwerte nur sehr kurzfristig auf und verschlechtern daher die gesamten Schadstoffemissionen des Brenners nur geringfügig. Immerhin kann es sich bei hohen Brennerleistungen empfehlen, für eine Nachoxidation des Kohlenmonoxids zu sorgen.
Allerdings können derartige Emissionsspitzen vermieden werden, wenn von einem Anfahren der Grenzwerte abgegangen wird. Hierzu wird in wesentlicher Weiterbildung der Erfindung und als Alternative zur kennfeldlosen Regelung vorgeschlagen, der Regelung gasart- und leistungsabhängige Kennfelder für das Mittelwertsignal und die Standardabweichungen zugrunde zu legen und automatisch auf die entsprechende, insbesondere jeweils benachbarte Gasart umzuschalten, wenn der Istwert der Standardabweichungen das Kennfeld der aktuellen Gasart verläßt. Die Kennfelder können beispielsweise nach dem Abstand von der Flammenstabilitätsgrenze und/oder nach vorgegebenen Grenzwerten der Schadstoffemissionen aufgestellt werden. Beim Start des Brenners, 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 brennwertreicher als das Gas der letzten Betriebsphase, so versucht der Regler, den Sollwert des Mittelwertsignals durch erhöhte Luftzufuhr einzuhalten. Dies läßt das Signal der Standardabweichungen ansteigen und nach oben aus dem zugehörigen Kennfeld herauslaufen, wobei der Regler wiederum auf ein anderes Kennfeld 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 leistungsabhängigen 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 leistungsabhängigen 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 Standardabweichungen als über ein Zeitfenster gemittelte Langzeit-Standardabweichungen zu erfassen.
Vorzugsweise wird der Meßwert der den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammeneigenschaft zur Flammenüberwachung verwendet, d. h. zum Abstellen des Brenners im Falle eines Erlöschens der Flamme.
Eine wesentliche Weiterbildung der Erfindung besteht darin, als für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft 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 Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft die Lichtintensität über ein oder mehrere Strahlungsbänder zu messen. Durch geeignete Auswahl der Strahlungsbänder können Störeinflüsse durch strahlende Systemkomponenten vermieden werden. Insbesondere können die verschiedenen Strahlungscharakteristika der einzelnen Gasarten bei der Auswahl der Strahlungsbänder mitberücksichtigt und somit ein für die Gasart optimales Meßsignal erzeugt werden. Es ist auch möglich, anhand der Meßwerterfassung über ein oder mehrere Strahlungsbanden Gasarten zu erkennen.
Eine bevorzugte Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen Gasbrenner, der eine Mischzone bzw. -kammer und eine dieser nachgeschaltete Brennkammer aufweist, eine zur Mischzone führende, ein Stellglied enthaltende Gasleitung, eine zur Mischzone führende, ein Stellglied enthaltende Luftleitung, einen der Brennkammer zugeordneten Meßwertaufnehmer zum Messen einer den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammeneigenschaft, eine an den Meßwertaufnehmer angeschlossene Auswerteeinrichtung und einen mit der Auswerteeinrichtung und den Stellgliedern verbundenen Regler, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Meßwertaufnehmer ein in die Brennkammer gerichteter Lichtleiter ist.
Vorzugsweise schließt der Frequenzbereich des Lichtleiters Infrarotstrahlung aus. Die Messung wird also nicht durch aufgeheizte 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 relativ kleinen Winkel gearbeitet werden, da die Flamme eine sehr gleichmäßige Struktur aufweist. Dies gilt umso mehr, je intensiver die Vormischung ist. Bei mündungsmischenden Brennern hingegen 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 Lichtleiters vorzusehen. Der Lichtleiter kann so beliebig nahe an die Flamme angenähert werden. Desweiteren wird durch den Einsatz von Kühlmitteln die Lebensdauer der Lichtleiter weiter optimiert. 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 Kombinationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den vorstehend diskutierten Verknüpfungen abweichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 bis 8: Diagramme der erfindungsgemäß maßgeblichen Kennwerte.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 umfaßt einen überstöchiometrisch 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 enthält 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 Meßwertaufnehmers 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 Bedienungseinrichtung 14, einer Digital-Analog-Stufe 15 und einer Ausgabeeinrichtung 16 für die Prozeßkontrollgrößen versehen.
Die Lichtintensität stellt eine Flammeneigenschaft dar, die den Verbrennungszustand innerhalb der Brennkammer 2 des Gasbrenners 1 repräsentiert. Die Lichtintensität wird von dem Lichtleiter 9 erfaßt und als Meßsignal dem Regler 12 zugeleitet. 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 Erreichen der Flammenstabilitätsgrenze in einen hierfür charakteristischen steilen Verlauf über. Die beiden in Fig. 2 gezeigten Kurven repräsentieren gleichzeitig die Schadstoffemissionen, und zwar Um den NO_x-Verlauf und SN den CO-Verlauf, siehe das Diagramm nach Fig. 3.
Der Verlauf der Kurven in dem Diagramm nach Fig. 2 ist gasart- und leistungsabhängig. Für jede Gasart läßt sich ein Diagramm erstellen mit Kurvenscharen für die beiden Signale, deren Parameter die Leistung ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine gasartabhängige 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 definiert 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 Istwert an der Flammenstabilitätsgrenze gleichzeitig die momentane Gasart repräsentiert, kann der Abstand des Sollwertes vom Istwert gasartabhängig variiert werden, ggf. unter gasartabhängiger Verstellung des Schwellwertes.
Das Anfahren der Flammenstabilitätsgrenze führt der Regler bedarfsabhängig durch, beispielsweise bei einem Gasartwechsel, bei einer Erhöhung der Lufttemperatur oder beim Auftreten sonstiger 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 Abweiung dieses Verhältnisses von dem Verhältnis zwischen dem einen bei der Sollwertadaption gespeicherten Wert der Standardabweichung und dem Sollwert selbst kann genauso als Indiz für den Bedarf genommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein periodisches Anfahren der Flammenstabilitätsgrenze vorgesehen sein.
Damit das System nicht auf jede kurzzeitige Überschreitung des die Flammenstabilitätsgrenze definierenden Schwellwertes der Standardabweichungen anspricht, wird die zeitliche Häufigkeit der Schwellwertüberschreitungen erfaßt und hierfür ein entsprechender Grenzwert festgelegt, beispielsweise 1000 Überschreitungen pro Sekunde. Die Höhe dieses Grenzwertes ist unkritisch.
Nach einer zweiten Weiterbildung der Erfindung wird mit Kennfeldern gearbeitet, wie sie in den Figuren 4 bis 8 dargestellt sind. Dabei werden die Standardabweichungen als Langzeit-Standardabweichungen LSN erfaßt, um zu verhindern, daß der Regler kurzzeitige Störungen als Gasartwechsel betrachtet.
Für jede Gasart wird eine Sollwertkennlinie des Mittelwertsignals Um vorgegeben, und zwar aufgetragen über der Leistung. Das entsprechende Diagramm ist in Fig. 4 dargestellt. Die Leistung wird hier und auch in den folgenden Diagrammen wiedergegeben als Luftmassenstrom.
Zusätzlich zu dem Diagramm nach Fig. 4 wird für jede Gasart ein Kennfeld für die Langzeit-Standardabweichungen LSN vorgegeben, und zwar ebenfalls aufgetragen über der Leistung, hier über dem Luftmassenstrom. Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen entsprechende 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 angenommen, daß der Brenner mit Erdgas arbeitet, siehe Fig. 8, die insoweit 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 Mittelwertsignal Um eine ansteigende Tendenz erhält. Dieser Tendenz 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 verläßt 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 Anfahren 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 vorgegebenen Sollwerte können bei jeder Gasart und jeder Leistungsstufe die zulässigen CO-Werte berücksichtigen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann der von der Auswerteeinrichtung 11 gelieferte Meßwert der Lichtintensität auch zur Flammenüberwachung dienen, nämlich zum Abschalten des Sicherheitsventils 6.
Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So kann an Stelle der Lichtintensität auch eine andere den Verbrennungszustand repräsentierende Flammeneigenschaft gemessen werden, sofern die gasartabhängige Beziehung zwischen dem Mittelwertsignal und den Standardabweichungen ausreichend deutlich erfaßt werden kann. Ferner ist die Anordnung nicht auf eine zentrale Ausrichtung des Meßwertaufnehmers beschränkt. Vielmehr kann dieser in beliebiger Weise der Brennkammer zugeordnet werden. Theoretisch möglich ist auch ein Konzept, bei dem der Regler nach einem beispielsweise die Flammenstabilitätsgrenze repräsentierenden Wert der Standardabweichungen arbeitet, sofern die entsprechenden CO-Emissionen toleriert werden können. Ferner besteht die Möglichkeit, einen Abstand von dieser Grenze vorzugeben. Dieser kann, ebenso wie der Abstand des Mittelwertsignals im Falle des adaptiven Regelkonzeptes, mechanisch vorgegeben werden, beispielsweise als Anzahl der Stellschritte der Luft- und/oder der Gasdrosselklappe.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines überstöchiometrisch arbeitenden Gasbrenners, wobei eine für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft gemessen, eine Meßgröße gewonnen, hieraus ein Mittelwertsignal gebildet und dieses zum Regeln des Gas- und/oder Luftmassenstroms verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Standardabweichungen der Meßgröße erfaßt, dem Mittelwertsignal zur Bestimmung des Verbrennungszustandes zugeordnet und zusätzlich zur Einstellung und Regelung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
a) der Gas- und/oder Luftmassenstrom solange variiert wird, bis ein vorgegebener Schwellwert der Standardabweichung erreicht 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 Mittelwertsignals vorgegeben wird;

d) der Gas- und/oder Luftmassenstrom unter Verwendung des in Schritt c) gewonnenen Sollwertes des Mittelwertsignals geregelt wird; und

e) die Schritte a) bis d) bedarfsabhängig und/oder periodisch wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
f) der im Schritt c) gewonnene Sollwert des Mittelwertsignals 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.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
ein bei Erreichen des Sollwertes des Mittelwertsignals einmalig 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gasartabhängige Kennwerte für den Schwellwert der Standardabweichungen, den diesem Schwellwert zugeordneten Istwert 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 erkannt wird und daß in Abhängigkeit von der Gasart der zugehörige Schwellwert und der zugehörige Abstand des Sollwertes des Mittelwertsignals von dem diesem Schwellwert zugeordneten Istwert des Mittelwertsignals gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anfahren des Schwellwertes der Standardabweichungen die zeitliche Häufigkeit der Schwellwertüberschreitungen erfaßt wird, daß nur dann der Schwellwert der Standardabweichungen als erreicht gilt, wenn die Schwellwertüberschreitungen mit einer vorgegebenen Häufigkeit auftreten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, 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 verläßt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfelder durch Anfahren des entsprechenden Schwellwertes der Standardabweichung adaptiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichungen als über ein Zeitfenster gemittelte Langzeit-Standardabweichungen erfaßt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert der den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammeneigenschaft zur Flammenüberwachung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft die Lichtintensität gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft die Lichtintensität über ein oder mehrere Strahlungsbanden gemessen wird.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 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) enthaltenden Gasleitung (4),
einer zur Mischzone führenden, ein Stellglied (8) enthaltenden Luftleitung (7),
einem der Brennkammer zugeordneten Meßwertaufnehmer zum Messen einer den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammeneigenschaft,
einer an den Meßwertaufnehmer angeschlossenen Auswerteeinrichtung (11) und
einem mit der Auswerteeinrichtung und den Stellgliedern verbundenen Regler (12) ,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßwertaufnehmer ein in die Brennkammer (2) gerichteter Lichtleiter (9) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des Lichtleiters (9) Infrarotstrahlung ausschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (10) als Fotomultiplier oder als Halbleiter ausgebildet ist.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik als Wärmeschild ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (9b) zum Kühlen des Lichtleiters vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter mit einem Gasschleier, vorzugsweise einem Luftschleier zum Schutz vor Verschmutzungen umgeben ist.