EP0643265A1 - Method and device for controlling excess-air premix gas burners - Google Patents

Method and device for controlling excess-air premix gas burners Download PDF

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EP0643265A1
EP0643265A1 EP94113828A EP94113828A EP0643265A1 EP 0643265 A1 EP0643265 A1 EP 0643265A1 EP 94113828 A EP94113828 A EP 94113828A EP 94113828 A EP94113828 A EP 94113828A EP 0643265 A1 EP0643265 A1 EP 0643265A1
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EP
European Patent Office
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gas
standard deviations
signal
mean value
Prior art date
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EP94113828A
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Detlef Dr.-Ing. Altemark
Hans-Jürgen Kruczek
Ulrich Prof.-Dr. Spicher
Jürgen Dr. Sterlepper
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EON Ruhrgas AG
Original Assignee
Ruhrgas AG
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Publication date
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N2235/00—Valves, nozzles or pumps
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    • F23N2235/16—Fuel valves variable flow or proportional valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2239/00—Fuels
    • F23N2239/06—Liquid fuels

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a gas burner operating above stoichiometry, wherein a flame property representative of the combustion state is measured, an average value signal is formed therefrom and this is used to regulate the gas and / or air mass flow.
  • One measure to reduce NO x emissions during combustion processes is to lower the flame temperature. This can be done by stoichiometric combustion. In addition to the amount of air required for complete combustion, the burner is supplied with cooling gas, which cooling gas can also include excess air. The combustion state depends on how much excess air or cooling gas is used.
  • the ionization current is measured as the flame property representative of the combustion state.
  • the mean value signal formed from this has a profile over the air ratio ⁇ , which decreases with increasing air ratio, the approximation to the flame stability limit being shown by the fact that the curve approximates the normal.
  • Such a control requires performance-dependent setpoint maps, which only apply to a limited heating and condensing range.
  • the signals are not long-term stable due to influences on the electrode and burner components. Changes in the gas type therefore require the controller to be switched externally.
  • the object of the invention is to remedy this and to provide the possibility for automatic detection and consideration of the type of gas.
  • the method according to the invention is characterized in that the standard deviations of the measured value are detected, assigned to the mean value signal, and additionally used for setting and control.
  • the invention is based on the knowledge that there is a gas type-dependent relationship between the mean value signal and the standard deviations. Depending on the type of gas, a different mean signal is assigned to a defined value of the standard deviations. By detecting these relationships, the control system is able to recognize the type of gas and to set the target value of the mean value signal accordingly - taking into account the set output, if necessary - so that the burner is in the desired range, e.g. is operated at a desired distance from the flame stability limit or from a CO emission limit.
  • a) the gas and / or air mass flow is varied until a predetermined threshold value of the standard deviation is reached; b) the actual value of the mean value signal is detected when the threshold value of the standard deviation is reached; c) a target value of the mean value signal is specified at a predetermined distance from the actual value of the mean value signal acquired in step b); d) the gas and / or air mass flow is regulated using the setpoint value of the mean value signal obtained in step c); and e) steps a) to d) are repeated as required and / or periodically.
  • the threshold value can, for example, be set at the flame stability limit. It can also be assigned a critical value for CO emissions. These show the same course as the standard deviations.
  • the control ensures that the burner remains at a reliable distance from the respective limit represented by the threshold value of the standard deviations.
  • the main advantage of this control concept is that no characteristic curves are required for the mean signal. Only for the starting process the controller specifies a "safe" gas / air mass flow ratio for a roughly set output. Proceeding from this, he then approaches the threshold value of the standard deviations for the first time and automatically determines the target value of the mean value signal from this. To do this, he only needs a specification for the distance that this setpoint should maintain from the actual value of the mean value signal which is assigned to the threshold value of the standard deviations.
  • the threshold value of the standard deviations is approached periodically, the length of the periods being dependent on the stability of the operating conditions.
  • the adaptation of the setpoint value may be necessary, for example, when the gas type is changed, the output is changed, the air temperature changes or as a result of any disturbance affecting the state of the flame.
  • a particularly good control behavior can be achieved by periodically adapting in addition to the need-based adaptation of the target value of the mean value signal.
  • the periods can be chosen to be relatively long.
  • a further improvement of the control concept is achieved in that gas type-dependent characteristic values for the threshold value of the standard deviations, the actual value of the mean value signal assigned to this threshold value and the distance of the setpoint value of the mean value signal from this actual value are specified such that when the threshold value of the standard deviations is approached from the assigned actual value of Mean value signal, the gas type is recognized and that depending on the gas type, the associated threshold value and the associated distance of the target value of the mean value signal from the actual value of the mean value signal assigned to this threshold value are selected.
  • the burner can be operated very closely, for example at the flame stability limit or the CO emission limit.
  • these limits are assigned different threshold values of the standard deviations.
  • the distance that the setpoint value of the mean value signal should maintain from the actual value assigned to the respective threshold value can also be selected differently depending on the gas type.
  • the level of the limit of the time frequency (e.g. 1000 / s) is not critical.
  • the controller in a further development of the invention and as an alternative to the map-free control, it is proposed to base the control on gas-type and power-dependent maps for the mean value signal and the standard deviations and to automatically switch to the corresponding, in particular adjacent gas type when the actual value of the standard deviations shows the map the current gas type.
  • the characteristic diagrams can be set up, for example, according to the distance from the flame stability limit and / or according to predetermined limit values for the pollutant emissions.
  • the controller begins in the map of the gas type in which it worked before it was switched off.
  • the controller increases the gas supply, causing the actual value of the standard deviations to move downwards out of the associated map. If the limit is exceeded, the controller switches to the map of the neighboring gas type with a lower calorific value. If, on the other hand, the instantaneous gas has a higher calorific value than the gas from the last operating phase, the controller tries to maintain the setpoint of the mean value signal by increasing the air supply. This causes the signal of the standard deviations to rise and to run upwards out of the associated map, the controller in turn switching to another map, namely that of the gas type adjacent in this direction. If there is a change in the type of gas during operation, the control processes run accordingly. For the rest, the regulation takes place on the basis of the power-dependent mean value signal with reference to the associated one Gas type-dependent setpoint map, and the gas type is recognized on the basis of the map of the standard deviation.
  • the gas type and performance-dependent maps are created by adapting them by approaching the corresponding threshold value of the standard deviation.
  • the measured value of the flame property representing the combustion state is preferably used for flame monitoring, i. H. to turn off the burner if the flame goes out.
  • An essential development of the invention consists in measuring the light intensity as a flame property representative of the combustion state. It was found that the standard deviations of the light intensity, particularly at the flame stability limit, have a concise course in an exactly detectable correlation to the mean signal. In addition, the light intensity causes the burner to be switched off immediately when the flame is extinguished. The light intensity can also be detected in a simple manner in terms of equipment and converted into corresponding measurement signals. Above all, measuring the light intensity enables reliable detection of the respective gas type. The measurement is inertia and allows the detection of an integral flame area. Finally, it was found that the light intensity is dependent on the power only to a comparatively small extent. Above all, this benefits the mapless, adaptive control concept.
  • suitable Selection of the radiation bands can avoid interference from radiating system components.
  • the different radiation characteristics of the individual gas types can be taken into account when selecting the radiation bands, and thus an optimal measurement signal for the gas type can be generated. It is also possible to identify gas types on the basis of the measured value acquisition over one or more radiation bands.
  • a preferred device for carrying out the method according to the invention comprises a gas burner which has a mixing zone or chamber and a combustion chamber connected downstream thereof, a gas line leading to the mixing zone and containing an actuator, an air line leading to the mixing zone and containing an actuator and one associated with the combustion chamber Transducer for measuring a flame property representing the combustion state, an evaluation device connected to the transducer and a controller connected to the evaluation device and the actuators, this device being characterized in that the transducer is a light guide directed into the combustion chamber.
  • the frequency range of the light guide preferably excludes infrared radiation. The measurement is therefore not falsified by heated parts in the vicinity of the flame.
  • a photomultiplier or a semiconductor has proven to be an advantageous sensor.
  • Optics for determining the field of view size are preferably provided at the inlet of the light guide.
  • the field of view should be large enough to cover a representative flame area.
  • a relatively small angle can be used since the flame has a very uniform structure. The more intensive the premix, the more this applies.
  • muzzle-mixing burners on the other hand, a relatively large flame area must be detected.
  • the optics can also be designed as a heat shield, so that the light guide can be brought close to the flame accordingly.
  • the light guide can be brought as close as possible to the flame. Furthermore, the service life of the light guide is further optimized through the use of coolants. It is also possible to use less expensive light guides with lower temperature resistance.
  • the light guide can be surrounded by a gas curtain, preferably by an air curtain, to protect it from contamination.
  • the device according to FIG. 1 comprises an over-stoichiometric premixing gas burner 1 with a combustion chamber 2 and an upstream mixing chamber 3.
  • a gas line 4 leads to the mixing chamber 3, in which an actuator 5 in the form of a motor-driven gas throttle valve is arranged.
  • the gas line 4 also contains a safety valve 6.
  • An air line 7 also leads to the mixing chamber 3, in which an actuator 8 in the form of a motor-driven air throttle valve is arranged.
  • the burner 1 is also provided with a light guide 9 which detects the light intensity within the combustion chamber 2.
  • the light guide 9 observes the combustion chamber 2 through a central opening in a burner plate 10.
  • the field of view which is determined by optics (not shown) that form a heat shield, is narrow because the burner works with intensive premixing.
  • the main transmission range is between 200 and 600 nm, so it excludes infrared radiation.
  • the light guide 9 is connected to a controller 12 in the form of a computer with the interposition of a transducer 11 in the form of a photomultiplier or semiconductor. This is connected via a relay stage 13 to the actuators 5 and 8 and to the safety valve 6. The controller also receives feedback from the actuators.
  • controller 12 is provided with an operating device 14, a digital-analog stage 15 and an output device 16 for the process control variables.
  • the light intensity represents a flame property that represents the combustion state within the combustion chamber 2 of the gas burner 1.
  • the light intensity is detected by the light guide 9 and fed to the controller 12 as a measurement signal. From the measurement signal, this forms an average signal Um and a signal SN for the averaged standard deviations.
  • the diagram in FIG. 2 shows the course of these two signals, plotted against the air ratio ⁇ , for a given gas type and a given power. As the air ratio increases, the mean signal signal decreases, while the standard deviations increase. When the flame stability limit is reached, the initially gradual increase turns into a steep characteristic curve.
  • the two curves shown in FIG. 2 simultaneously represent the pollutant emissions, namely around the NO x curve and SN the CO curve, see the diagram according to FIG. 3.
  • the course of the curves in the diagram according to FIG. 2 is dependent on the type of gas and the power.
  • a diagram can be created with families of curves for the two signals, the parameter of which is the power.
  • the invention is based on the finding that there is a gas type-dependent relationship between the mean value signal and the standard deviations. If a certain value of the standard deviations is defined, different mean signals are assigned to this value depending on the gas type. From this relationship, the controller recognizes the current gas type and specifies a corresponding setpoint for the mean value signal for further control.
  • the burner can be started with a roughly predetermined output and an air ratio that is in the safe range.
  • the flame stability limit which is defined as the threshold value of the standard deviations, is then approached by increasing the air ratio.
  • the controller detects the associated actual value of the mean value signal and, based on this, specifies a target value that is a certain amount higher than the detected actual value. Since the detected actual value at the flame stability limit also represents the current gas type, the distance between the setpoint and the actual value can be varied depending on the gas type, possibly by adjusting the threshold value depending on the gas type.
  • the controller moves to the flame stability limit as required, for example when changing the gas type, when the air temperature rises or when other faults occur. He recognizes the need, for example, by the fact that the value of the standard deviations changes significantly compared to the value stored for each setpoint adaptation. The relationship between the actual values of the standard deviation and the mean value signal can also be monitored. A significant deviation of this ratio from the ratio between the one standard deviation value stored in the setpoint adaptation and the setpoint itself can also be taken as an indication of the need. Alternatively or in addition a periodic approach to the flame stability limit may be provided.
  • the frequency with which the threshold values are exceeded is recorded and a corresponding limit value is defined for this, for example 1000 exceedances per second.
  • the level of this limit is not critical.
  • maps are used, as shown in FIGS. 4 to 8.
  • the standard deviations are recorded as long-term standard deviations LSN in order to prevent the controller from considering short-term disturbances as a gas type change.
  • a setpoint characteristic curve of the mean value signal Um is specified for each gas type, and plotted against the power.
  • the corresponding diagram is shown in Fig. 4.
  • the power is shown here and also in the following diagrams as air mass flow.
  • FIGS. 5, 6 and 7 show corresponding diagrams, namely FIG. 5 for butane, FIG. 6 for natural gas and FIG. 7 for a test gas known under the name G 110, which is 51% hydrogen and 24% nitrogen and consists of 25% methane.
  • the first concept is that no maps are required for the standard deviations.
  • the threshold value of the standard deviations defining the flame stability limit must not be chosen too low, since otherwise it cannot be distinguished from normal burner operation with different gas.
  • the result is a corresponding level of CO emissions.
  • the increase in CO emissions occurs only briefly and can be tolerated under certain circumstances, since it does not significantly increase the total emissions. Otherwise, this disadvantage does not apply if afterburning is ensured.
  • the second control concept is more complex. To do this, it can always work at a safe distance from the flame stability limit.
  • the specified setpoints can take the permissible CO values into account for every gas type and every power level.
  • the measured value of the light intensity supplied by the evaluation device 11 can also be used for Flame monitoring is used, namely to switch off the safety valve 6.
  • the arrangement is not limited to a central alignment of the sensor. Rather, it can be assigned to the combustion chamber in any way.
  • the controller operates according to a value of the standard deviations, for example, representing the flame stability limit, provided that the corresponding CO emissions can be tolerated. It is also possible to specify a distance from this limit. Like the distance of the mean value signal in the case of the adaptive control concept, this can be predetermined mechanically, for example as the number of adjusting steps of the air and / or gas throttle valve.

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Abstract

The burner is operated at a distance from the flame stability limit. The light intensity is measured as the flame characteristic which represents the state of combustion. A mean value signal is formed therefrom, as is a signal for the standard deviations. Furthermore, a specific value of the standard deviations is defined. This value is assigned a different mean value signal depending on the type of gas. The controller detects from this assignment the type of gas with which the burner is being operated, and prescribes a corresponding desired value for the mean value signal, doing so with the aid of a family of characteristics (characteristics map), or as the distance from the actual value of the mean value signal assigned to the defined value of the standard deviations. <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.The invention relates to a method and a device for operating a gas burner operating above stoichiometry, wherein a flame property representative of the combustion state is measured, an average value signal is formed therefrom and this is used to regulate the gas and / or air mass flow.

Eine Maßnahme zur Verminderung der NOx-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.One measure to reduce NO x emissions during combustion processes is to lower the flame temperature. This can be done by stoichiometric combustion. In addition to the amount of air required for complete combustion, the burner is supplied with cooling gas, which cooling gas can also include excess air. The combustion state depends on how much excess air or cooling gas is used.

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.In a known method of the type mentioned at the outset (EP0262390B1), the ionization current is measured as the flame property representative of the combustion state. The mean value signal formed from this has a profile over the air ratio λ, which decreases with increasing air ratio, the approximation to the flame stability limit being shown by the fact that the curve approximates the normal. Such a control requires performance-dependent setpoint maps, which only apply to a limited heating and condensing range. In addition, the signals are not long-term stable due to influences on the electrode and burner components. Changes in the gas type therefore require the controller to be switched externally.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und die Möglichkeit für eine selbsttätige Erkennung und Berücksichtigung der Gasart vorzusehen.The object of the invention is to remedy this and to provide the possibility for automatic detection and consideration of the type of gas.

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.To achieve this object, the method according to the invention is characterized in that the standard deviations of the measured value are detected, assigned to the mean value signal, and additionally used for setting and control.

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.It should be noted that the prior art cited above already describes the detection of standard deviations for the purpose of burner control, but only as an alternative to the mean signal.

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.The invention, on the other hand, is based on the knowledge that there is a gas type-dependent relationship between the mean value signal and the standard deviations. Depending on the type of gas, a different mean signal is assigned to a defined value of the standard deviations. By detecting these relationships, the control system is able to recognize the type of gas and to set the target value of the mean value signal accordingly - taking into account the set output, if necessary - so that the burner is in the desired range, e.g. is operated at a desired distance from the flame stability limit or from a CO emission limit.

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.In a further development of the invention a) the gas and / or air mass flow is varied until a predetermined threshold value of the standard deviation is reached; b) the actual value of the mean value signal is detected when the threshold value of the standard deviation is reached; c) a target value of the mean value signal is specified at a predetermined distance from the actual value of the mean value signal acquired in step b); d) the gas and / or air mass flow is regulated using the setpoint value of the mean value signal obtained in step c); and e) steps a) to d) are repeated as required and / or periodically. The threshold value can, for example, be set at the flame stability limit. It can also be assigned a critical value for CO emissions. These show the same course as the standard deviations. The control ensures that the burner remains at a reliable distance from the respective limit represented by the threshold value of the standard deviations. The main advantage of this control concept is that no characteristic curves are required for the mean signal. Only for the starting process the controller specifies a "safe" gas / air mass flow ratio for a roughly set output. Proceeding from this, he then approaches the threshold value of the standard deviations for the first time and automatically determines the target value of the mean value signal from this. To do this, he only needs a specification for the distance that this setpoint should maintain from the actual value of the mean value signal which is assigned to the threshold value of the standard deviations.

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.In the simplest case, the threshold value of the standard deviations is approached periodically, the length of the periods being dependent on the stability of the operating conditions. However, it is preferable to adapt the setpoint as required, as is characterized, for example, in claims 3 and 4. The adaptation of the setpoint value may be necessary, for example, when the gas type is changed, the output is changed, the air temperature changes or as a result of any disturbance affecting the state of the flame.

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.A particularly good control behavior can be achieved by periodically adapting in addition to the need-based adaptation of the target value of the mean value signal. The periods can be chosen to be relatively long.

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.A further improvement of the control concept is achieved in that gas type-dependent characteristic values for the threshold value of the standard deviations, the actual value of the mean value signal assigned to this threshold value and the distance of the setpoint value of the mean value signal from this actual value are specified such that when the threshold value of the standard deviations is approached from the assigned actual value of Mean value signal, the gas type is recognized and that depending on the gas type, the associated threshold value and the associated distance of the target value of the mean value signal from the actual value of the mean value signal assigned to this threshold value are selected.

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.In this way, the burner can be operated very closely, for example at the flame stability limit or the CO emission limit. Depending on the type of gas, these limits are assigned different threshold values of the standard deviations. The distance that the setpoint value of the mean value signal should maintain from the actual value assigned to the respective threshold value can also be selected differently depending on the gas type. By specifying these values specifically for the gas type, the control concept can be very refined. However, this advantage is paid for by the controller having to be given a larger number of characteristic values.

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.For example, when approaching the flame stability limit, it is important to reliably detect when the standard deviations have reached the threshold value. This is difficult if the measured value of the flame property representing the combustion state fluctuates due to disturbances, since these disturbances are included in the standard deviations. In contrast, it has proven to be advantageous to record the temporal frequency of the threshold deviations when the threshold value of the standard deviations is approached, and to only allow the threshold value of the standard deviations to be considered reached if the threshold value violations occur with a predetermined frequency. This ensures that the control system does not react to every short-term exceeding of the threshold value. The level of the limit of the time frequency (e.g. 1000 / s) is not critical.

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.When the flame stability limit is approached, there is a risk that the CO emissions will rise sharply shortly before the threshold value for the standard deviations is reached. This risk increases the higher the performance of the burner and the lower the calorific value of the gas. However, the peak CO values occur only very briefly and therefore only slightly deteriorate the total pollutant emissions of the burner. After all In the case of high burner outputs, it may be advisable to post-oxidize the carbon monoxide.

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.However, such emission peaks can be avoided if the limit values are not approached. For this purpose, in a further development of the invention and as an alternative to the map-free control, it is proposed to base the control on gas-type and power-dependent maps for the mean value signal and the standard deviations and to automatically switch to the corresponding, in particular adjacent gas type when the actual value of the standard deviations shows the map the current gas type. The characteristic diagrams can be set up, for example, according to the distance from the flame stability limit and / or according to predetermined limit values for the pollutant emissions. At the start of the burner, which is again based on a rough specification of a certain output and a "safe" gas / air mass flow ratio, the controller begins in the map of the gas type in which it worked before it was switched off. If the current gas type has a lower calorific value, the controller increases the gas supply, causing the actual value of the standard deviations to move downwards out of the associated map. If the limit is exceeded, the controller switches to the map of the neighboring gas type with a lower calorific value. If, on the other hand, the instantaneous gas has a higher calorific value than the gas from the last operating phase, the controller tries to maintain the setpoint of the mean value signal by increasing the air supply. This causes the signal of the standard deviations to rise and to run upwards out of the associated map, the controller in turn switching to another map, namely that of the gas type adjacent in this direction. If there is a change in the type of gas during operation, the control processes run accordingly. For the rest, the regulation takes place on the basis of the power-dependent mean value signal with reference to the associated one Gas type-dependent setpoint map, and the gas type is recognized on the basis of the map of the standard deviation.

Im einfachsten Fall werden die gasart- und leistungsabhängigen Kennfelder dadurch erstellt, daß sie durch Anfahren des entsprechenden Schwellwertes der Standardabweichung adaptiert werden.In the simplest case, the gas type and performance-dependent maps are created by adapting them by approaching the corresponding threshold value of the standard deviation.

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.In order to ensure, even with the above type of control, that measured value disturbances are not recognized as gas type changes, it is proposed as an advantageous measure to record the standard deviations as long-term standard deviations averaged over a time window.

Vorzugsweise wird der Meßwert der den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammeneigenschaft zur Flammenüberwachung verwendet, d. h. zum Abstellen des Brenners im Falle eines Erlöschens der Flamme.The measured value of the flame property representing the combustion state is preferably used for flame monitoring, i. H. to turn off the burner if the flame goes out.

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.An essential development of the invention consists in measuring the light intensity as a flame property representative of the combustion state. It was found that the standard deviations of the light intensity, particularly at the flame stability limit, have a concise course in an exactly detectable correlation to the mean signal. In addition, the light intensity causes the burner to be switched off immediately when the flame is extinguished. The light intensity can also be detected in a simple manner in terms of equipment and converted into corresponding measurement signals. Above all, measuring the light intensity enables reliable detection of the respective gas type. The measurement is inertia and allows the detection of an integral flame area. Finally, it was found that the light intensity is dependent on the power only to a comparatively small extent. Above all, this benefits the mapless, adaptive control concept.

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.It is particularly advantageous to measure the light intensity over one or more radiation bands as a flame property representative of the combustion state. By suitable Selection of the radiation bands can avoid interference from radiating system components. In particular, the different radiation characteristics of the individual gas types can be taken into account when selecting the radiation bands, and thus an optimal measurement signal for the gas type can be generated. It is also possible to identify gas types on the basis of the measured value acquisition over one or more radiation bands.

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.A preferred device for carrying out the method according to the invention comprises a gas burner which has a mixing zone or chamber and a combustion chamber connected downstream thereof, a gas line leading to the mixing zone and containing an actuator, an air line leading to the mixing zone and containing an actuator and one associated with the combustion chamber Transducer for measuring a flame property representing the combustion state, an evaluation device connected to the transducer and a controller connected to the evaluation device and the actuators, this device being characterized in that the transducer is a light guide directed into the combustion chamber.

Vorzugsweise schließt der Frequenzbereich des Lichtleiters Infrarotstrahlung aus. Die Messung wird also nicht durch aufgeheizte Teile in der Umgebung der Flamme verfälscht.The frequency range of the light guide preferably excludes infrared radiation. The measurement is therefore not falsified by heated parts in the vicinity of the flame.

Als vorteilhafter Meßaufnehmer hat sich ein Fotomultiplier oder auch ein Halbleiter erwiesen.A photomultiplier or a semiconductor has proven to be an advantageous sensor.

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.Optics for determining the field of view size are preferably provided at the inlet of the light guide. The field of view should be large enough to cover a representative flame area. In the case of premix burners, for example, a relatively small angle can be used since the flame has a very uniform structure. The more intensive the premix, the more this applies. In the case of muzzle-mixing burners, on the other hand, a relatively large flame area must be detected.

Die Optik kann gleichzeitig als Wärmeschild ausgebildet sein, so daß der Lichtleiter entsprechend dicht an die Flamme herangeführt werden kann.The optics can also be designed as a heat shield, so that the light guide can be brought close to the flame accordingly.

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.It is also advantageous to provide means for cooling the light guide. The light guide can be brought as close as possible to the flame. Furthermore, the service life of the light guide is further optimized through the use of coolants. It is also possible to use less expensive light guides with lower temperature resistance.

Der Lichtleiter kann in einer Weiterbildung der Erfindung mit einem Gasschleier, vorzugsweise mit einem Luftschleier zum Schutz vor Verschmutzungen umgeben sein.In a further development of the invention, the light guide can be surrounded by a gas curtain, preferably by an air curtain, to protect it from contamination.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kombinationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den vorstehend diskutierten Verknüpfungen abweichen.Combinations of the features according to the invention which differ from the links discussed above are also considered to be disclosed as essential to the invention.

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.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments in conjunction with the accompanying drawing. The drawing shows in:
Fig. 1
a schematic representation of a device according to the invention;
2 to 8
Diagrams of the characteristic values relevant according to the invention.

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.The device according to FIG. 1 comprises an over-stoichiometric premixing gas burner 1 with a combustion chamber 2 and an upstream mixing chamber 3. A gas line 4 leads to the mixing chamber 3, in which an actuator 5 in the form of a motor-driven gas throttle valve is arranged. The gas line 4 also contains a safety valve 6. An air line 7 also leads to the mixing chamber 3, in which an actuator 8 in the form of a motor-driven air throttle valve is arranged.

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.The burner 1 is also provided with a light guide 9 which detects the light intensity within the combustion chamber 2. In the present case, the light guide 9 observes the combustion chamber 2 through a central opening in a burner plate 10. Das The field of view, which is determined by optics (not shown) that form a heat shield, is narrow because the burner works with intensive premixing. The main transmission range is between 200 and 600 nm, so it excludes infrared radiation.

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.The light guide 9 is connected to a controller 12 in the form of a computer with the interposition of a transducer 11 in the form of a photomultiplier or semiconductor. This is connected via a relay stage 13 to the actuators 5 and 8 and to the safety valve 6. The controller also receives feedback from the actuators.

Im übrigen ist der Regler 12 mit einer Bedienungseinrichtung 14, einer Digital-Analog-Stufe 15 und einer Ausgabeeinrichtung 16 für die Prozeßkontrollgrößen versehen.Otherwise, the controller 12 is provided with an operating device 14, a digital-analog stage 15 and an output device 16 for the process control variables.

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 NOx-Verlauf und SN den CO-Verlauf, siehe das Diagramm nach Fig. 3.The light intensity represents a flame property that represents the combustion state within the combustion chamber 2 of the gas burner 1. The light intensity is detected by the light guide 9 and fed to the controller 12 as a measurement signal. From the measurement signal, this forms an average signal Um and a signal SN for the averaged standard deviations. The diagram in FIG. 2 shows the course of these two signals, plotted against the air ratio λ, for a given gas type and a given power. As the air ratio increases, the mean signal signal decreases, while the standard deviations increase. When the flame stability limit is reached, the initially gradual increase turns into a steep characteristic curve. The two curves shown in FIG. 2 simultaneously represent the pollutant emissions, namely around the NO x curve and SN the CO curve, see the diagram according to 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.The course of the curves in the diagram according to FIG. 2 is dependent on the type of gas and the power. For each gas type, a diagram can be created with families of curves for the two signals, the parameter of which is the power.

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.The invention is based on the finding that there is a gas type-dependent relationship between the mean value signal and the standard deviations. If a certain value of the standard deviations is defined, different mean signals are assigned to this value depending on the gas type. From this relationship, the controller recognizes the current gas type and specifies a corresponding setpoint for the mean value signal for further control.

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.According to a first development of the invention, the burner can be started with a roughly predetermined output and an air ratio that is in the safe range. The flame stability limit, which is defined as the threshold value of the standard deviations, is then approached by increasing the air ratio. As soon as this threshold value is reached, the controller detects the associated actual value of the mean value signal and, based on this, specifies a target value that is a certain amount higher than the detected actual value. Since the detected actual value at the flame stability limit also represents the current gas type, the distance between the setpoint and the actual value can be varied depending on the gas type, possibly by adjusting the threshold value depending on the gas type.

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.The controller moves to the flame stability limit as required, for example when changing the gas type, when the air temperature rises or when other faults occur. He recognizes the need, for example, by the fact that the value of the standard deviations changes significantly compared to the value stored for each setpoint adaptation. The relationship between the actual values of the standard deviation and the mean value signal can also be monitored. A significant deviation of this ratio from the ratio between the one standard deviation value stored in the setpoint adaptation and the setpoint itself can also be taken as an indication of the need. Alternatively or in addition a periodic approach to the flame stability limit may be provided.

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.So that the system does not respond to every brief exceedance of the threshold value of the standard deviations that defines the flame stability limit, the frequency with which the threshold values are exceeded is recorded and a corresponding limit value is defined for this, for example 1000 exceedances per second. The level of this limit is not critical.

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.According to a second development of the invention, maps are used, as shown in FIGS. 4 to 8. The standard deviations are recorded as long-term standard deviations LSN in order to prevent the controller from considering short-term disturbances as a gas type change.

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.A setpoint characteristic curve of the mean value signal Um is specified for each gas type, and plotted against the power. The corresponding diagram is shown in Fig. 4. The power is shown here and also in the following diagrams as air mass flow.

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.In addition to the diagram according to FIG. 4, a map for the long-term standard deviations LSN is specified for each type of gas, and also plotted against the power, here against the air mass flow. FIGS. 5, 6 and 7 show corresponding diagrams, namely FIG. 5 for butane, FIG. 6 for natural gas and FIG. 7 for a test gas known under the name G 110, which is 51% hydrogen and 24% nitrogen and consists of 25% methane.

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.For a more detailed explanation of the control processes, it is assumed that the burner works with natural gas, see FIG. 8, which in this respect corresponds to FIG. 6. The LSN value lies at point A, while the controller keeps the Um value at this power on the characteristic curve according to FIG. 4. If there is now a transition to butane, its higher calorific value means that the mean signal Um receives an increasing tendency. This tendency the controller counteracts this by reducing the gas supply. At is therefore kept constant. As a result, the LSN value inevitably rises and moves in the direction of point B in FIG. 8. Already at point C, it leaves the map area. This transition is detected by the controller and used to switch to the map shown in FIG. 5.

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.If, on the other hand, a switch is made to the test gas G 110 during operation with natural gas, the LSN value drops and leaves the map area according to FIG. 8 at the lower limit. This leads to the controller switching over to the map according to FIG. 7.

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.Both concepts described have their advantages. The first concept is that no maps are required for the standard deviations. However, when the flame stability limit is approached, there is a risk of a sharp increase in CO emissions. The lower the calorific value of the gas and the higher the output, the greater this risk. The threshold value of the standard deviations defining the flame stability limit must not be chosen too low, since otherwise it cannot be distinguished from normal burner operation with different gas. On the other hand, if it is placed close to the flame stability limit, the result is a corresponding level of CO emissions. However, the increase in CO emissions occurs only briefly and can be tolerated under certain circumstances, since it does not significantly increase the total emissions. Otherwise, this disadvantage does not apply if afterburning is ensured.

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.With regard to the specification of the characteristic diagrams, the second control concept is more complex. To do this, it can always work at a safe distance from the flame stability limit. The specified setpoints can take the permissible CO values into account for every gas type and every power level.

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.As can be seen from FIG. 1, the measured value of the light intensity supplied by the evaluation device 11 can also be used for Flame monitoring is used, namely to switch off the safety valve 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.In the context of the invention, there are quite a number of possible modifications. Instead of the light intensity, it is also possible to measure another flame property that represents the combustion state, provided the gas type-dependent relationship between the mean value signal and the standard deviations can be detected sufficiently clearly. Furthermore, the arrangement is not limited to a central alignment of the sensor. Rather, it can be assigned to the combustion chamber in any way. A concept is also theoretically possible in which the controller operates according to a value of the standard deviations, for example, representing the flame stability limit, provided that the corresponding CO emissions can be tolerated. It is also possible to specify a distance from this limit. Like the distance of the mean value signal in the case of the adaptive control concept, this can be predetermined mechanically, for example as the number of adjusting steps of the air and / or gas throttle valve.

Claims (19)

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.Method for operating a gas burner operating over-stoichiometrically, wherein a flame property representative of the combustion state is measured, a measured variable is obtained, an average signal is formed therefrom and this is used to regulate the gas and / or air mass flow,
characterized,
that the standard deviations of the measured variable are recorded, assigned to the mean value signal for determining the combustion state and used in addition for setting and control. 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. A method according to claim 1, characterized in that a) the gas and / or air mass flow is varied until a predetermined threshold value of the standard deviation is reached; b) the actual value of the mean value signal is detected when the threshold value of the standard deviation is reached; c) a target value of the mean value signal is specified at a predetermined distance from the actual value of the mean value signal acquired in step b); d) the gas and / or air mass flow is regulated using the setpoint value of the mean value signal obtained in step c); and e) steps a) to d) are repeated as required and / or periodically. 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. A method according to claim 2, characterized in that f) the setpoint value of the mean value signal obtained in step c) is stored; g) a value of the standard deviation recorded once the target value of the mean value signal is reached is stored; h) the ratio of the actual values of the mean value signal and the standard deviation is monitored; i) the ratio according to h) is compared with the ratio of the values stored in steps f) and g); and k) steps a) to d) are repeated if the ratios compared in step i) differ significantly from one another. 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.A method according to claim 2, characterized in that
a value of the standard deviation recorded once when the target value of the mean signal is reached;
the actual value of the standard deviation is monitored;
comparing the actual value of the standard deviation with the stored value of the standard deviation; and
steps a) to d) are repeated if the values compared with one another differ significantly. 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.Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that gas type-dependent characteristic values for the threshold value of the standard deviations, the actual value of the mean value signal assigned to this threshold value and the distance of the target value of the mean value signal from this actual value are specified so that when the threshold value of the standard deviations is approached from the assigned gas value of the mean value signal is recognized and that depending on the gas type the associated threshold value and the associated distance of the target value of the mean value signal from the actual value of the mean value signal assigned to this threshold value are selected. 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.Method according to one of Claims 2 to 5, characterized in that when the threshold value of the standard deviations is approached, the temporal frequency of the threshold value violations is recorded, so that the threshold value of the Standard deviations are considered to be reached if the threshold values are exceeded with a predetermined frequency. 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.A method according to claim 1, characterized in that the control is based on gas type and power-dependent maps for the mean value signal and the standard deviations and that the corresponding, in particular adjacent gas type is automatically switched over when the actual value of the standard deviations leaves the map of the current gas type . Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfelder durch Anfahren des entsprechenden Schwellwertes der Standardabweichung adaptiert werden.Method according to claim 7, characterized in that the characteristic diagrams are adapted by approaching the corresponding threshold value of the standard deviation. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardabweichungen als über ein Zeitfenster gemittelte Langzeit-Standardabweichungen erfaßt werden.Method according to Claim 7 or 8, characterized in that the standard deviations are recorded as long-term standard deviations averaged over a time window. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert der den Verbrennungszustand repräsentierenden Flammeneigenschaft zur Flammenüberwachung verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the measured value of the flame property representing the combustion state is used for flame monitoring. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als für den Verbrennungszustand repräsentative Flammeneigenschaft die Lichtintensität gemessen wird.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the light intensity is measured as the flame property representative of the combustion state. 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.Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the light intensity is measured over one or more radiation bands as a flame property representative of the combustion state. 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.Device for performing the method according to claim 11 or 12, with
a gas burner (1) which has a mixing zone or chamber (3) and a combustion chamber (2) connected downstream thereof,
a gas line (4) leading to the mixing zone and containing an actuator (5),
an air line (7) leading to the mixing zone and containing an actuator (8),
a measuring sensor assigned to the combustion chamber for measuring a flame property representing the combustion state,
an evaluation device (11) connected to the measuring sensor and
a controller (12) connected to the evaluation device and the actuators,
characterized,
that the transducer is a light guide (9) directed into the combustion chamber (2). Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des Lichtleiters (9) Infrarotstrahlung ausschließt.Device according to claim 13, characterized in that the frequency range of the light guide (9) excludes infrared radiation. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (10) als Fotomultiplier oder als Halbleiter ausgebildet ist.Apparatus according to claim 13 or 14, characterized in that the measured value sensor (10) is designed as a photomultiplier or as a semiconductor. 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.Device according to one of claims 14 to 15, characterized in that an optical system (9a) is provided at the inlet of the light guide (9) for determining the field of view. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik als Wärmeschild ausgebildet ist.Apparatus according to claim 16, characterized in that the optics is designed as a heat shield. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (9b) zum Kühlen des Lichtleiters vorgesehen sind.Device according to one of claims 13 to 17, characterized in that means (9b) are provided for cooling the light guide. 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.Device according to one of claims 13 to 18, characterized in that the light guide is surrounded by a gas curtain, preferably an air curtain, for protection against contamination.
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