EP0644376A1 - Verfahren zur Regelung eines Brenners - Google Patents

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EP0644376A1
EP0644376A1 EP94111935A EP94111935A EP0644376A1 EP 0644376 A1 EP0644376 A1 EP 0644376A1 EP 94111935 A EP94111935 A EP 94111935A EP 94111935 A EP94111935 A EP 94111935A EP 0644376 A1 EP0644376 A1 EP 0644376A1
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EP
European Patent Office
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power
output
burner
independent
manipulated variable
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EP94111935A
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Josef Wüest
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Electrowatt Technology Innovation AG
Original Assignee
Landis and Gyr Bussiness Support AG
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • F23N5/006—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties the detector being sensitive to oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N2223/36—PID signal processing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/48—Learning / Adaptive control
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2235/00—Valves, nozzles or pumps
    • F23N2235/02—Air or combustion gas valves or dampers
    • F23N2235/06—Air or combustion gas valves or dampers at the air intake

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a burner for a burner-operated furnace, which can be switched in stages or in a modulating manner in accordance with the preamble of claim 1.
  • the O2 control can also significantly reduce the pollutant emissions of a combustion system and be kept within prescribed limits.
  • Firing systems with burners which are often operated at different power levels, pose the problem of non-optimal combustion and Limitation of pollutant emissions when switching from a first power level to a second power level.
  • pollutant emissions during the switchover phase can be considerably above the normal values that occur during operation at a fixed power level. The reason for such deviations is that the control processes cannot be fully controlled during the transitions.
  • control parameters of the control device are generally determined individually for each of the existing power levels using a separate method.
  • the control parameters of the control device must be switched over, which causes discontinuities during the transition and ultimately means non-optimal combustion during the transitions.
  • the data sheet 7851D from September 1990 by Landis & Gyr describes an oxygen controller of the type RWF61.190 with signal-dependent control parameters for modulatable burners. It is a PI controller with signal-adaptive behavior for O2 controls in burner systems. Modular means that the burner can be switched continuously in terms of output. Of course, different power levels are also effective with modulating control.
  • the control parameters for this controller are determined individually from measurements of step responses on the open control circuit at two power levels, namely at maximum burner output and at minimum burner output. The control parameters determined in this way are then set on corresponding potentiometers of the controller.
  • the control parameters for a PI controller are the control gain K R and the reset time T N.
  • control gain K R and the reset time T N are used for a PI controlled system with dead time adjusted according to the method of Ziegler and Nichols (see, for example, in the Handbook for High Frequency and Electrical Engineers, Volume IV, page 596, Formula 134; by the Verlag für Radio-Foto-Kinotechnik GmbH, Berlin-Bosigwalde).
  • control variable is calculated from the control deviation, which represents the difference between the O2 target value and the O2 actual value, which contains a proportional component, an integral component and a power-dependent gain factor.
  • the actuating variable controls the actuator, for example an air flap that regulates the ratio of air to fuel.
  • a PI control of this type has the disadvantage that in the case of step-by-step switching from a first power level to a second power level in the transition stage, the manipulated variable, which in the adjusted state essentially corresponds to the integral part of the PI controller, initially in the new operating state on the second Power level is taken over.
  • the integral part of the PI controller contains a part proportional to the respective power level, its size has not yet been adjusted to the new operating conditions of the second power level, so it initially has an incorrect value. Although this incorrect value is subsequently corrected, it causes more pollutants to be emitted in the transition stage due to non-optimal combustion.
  • the object is to provide a method for regulating a burner for a burner-operated combustion system which can be switched in stages or modulating in terms of output, and which has a more favorable course of combustion during the transition between the output stages.
  • the solution is based on the fact that a performance-independent manipulated variable is calculated.
  • the advantage of the invention is that when switching between different burner outputs, fewer pollutants are generated and energy losses are reduced.
  • FIG. 1 shows a burner system with O2 control in a schematic representation, with a boiler 1, a burner 2, which can be switched between several power levels, and an exhaust gas duct 3.
  • the burner 2 has a fuel supply 4 and an air supply 5, the air supply 5 there is an actuator, for example an air flap 6 or a fan, for adapting the quantity of air supplied to the quantity of fuel supplied.
  • Exhaust gases 7 from the combustion are passed on via the exhaust duct 3.
  • the exhaust duct 3 there is an O2 probe 8, which measures the residual oxygen content (O2) in the exhaust gas 7.
  • the O2 actual values measured by the O2 probe 8 O 2I are fed to a control device 9, where they have an O2 setpoint O 2S are compared, whereupon the air flap 6 is controlled by the control device 9 on the basis of the performance of the burner 2 and the difference determined.
  • the optimal air supply or the optimal excess air for combustion is performance-dependent.
  • the control device 9 serves the purpose of controlling the amount of air supplied to the burner 2 so that the residual oxygen content (O2) measured in the exhaust gas 7 reaches the set O2 setpoint O 2S . In the ideal case, an almost stoichiometric combustion of the fuel is achieved, which also means that the pollutant content in the exhaust gas 7 with respect to the gases CO and NO x is minimal.
  • the O2 control loop and its dependence on the power P B of the burner 2 is shown schematically.
  • a comparator 10 the O2 setpoint O 2S which is dependent on the power P B of the burner is compared with the actual O2 value O 2I , ie a control deviation 11 results from the difference between the two values.
  • the control deviation 11 becomes a PID controller 12 supplied, which first calculates a performance-independent manipulated variable Y R from the control deviation 11.
  • the PID controller 12 also receives control information 14, such as the power P B of the burner 2 and the type of fuel.
  • the power-independent manipulated variable Y R is converted by a correction element 12a into a manipulated variable 13 dependent on the power P B of the burner.
  • the manipulated variable 13 is fed to the actuator, in this case the air flap 6, the setting value of which, namely an air flap position 15, influences a controlled system 16.
  • a controlled system 16 the entirety of air supply 5, fuel supply 6, burner 2, boiler 1 and exhaust duct 3 is to be understood up to the O2 probe 8.
  • the result of the chain of action of PID controller 12, correction element 12a, air flap 6 and controlled system 16 is a certain O2 value which represents the controlled variable O2 and measured by the O2 probe as O2 actual value O 2I and fed back to comparator 10.
  • the PID controller 12 is used because both permanent and temporary deviations from the O2 setpoint can be kept to a minimum.
  • ⁇ O 2IST difference in the O2 value in the exhaust gas
  • ⁇ POS difference in air damper position
  • K S line reinforcement
  • TU, TG, ⁇ O 2IST and ⁇ POS are obtained from measurements of step responses on the open control loop according to FIG. 3.
  • the open control loop ie when the burner is running at a certain power level, but with the O2 control switched off, it is initially necessary to wait until the O2 value measured by the O2 probe 8 is stable. Then the position of the air flap 6 is abruptly changed by the value ⁇ POS and maintained until the O2 value measured by the O2 probe 8 is stable again and has set itself to a sufficiently different value from the starting position. This is the starting position for measuring the step response.
  • control parameters determined in this way for the PID controller must be determined and stored for each fuel used and for each output level of the burner 2.
  • the current control parameters to be used are communicated to the PID controller via the control information 14 (see FIG. 2).
  • control deviation 11 is smaller than the O2 difference that results for the smallest possible actuation step, no correction is made, since otherwise the control system tends to oscillate.
  • the power-independent integral part Y IR of the power-independent manipulated variable Y R is used as the initial value for the power-independent manipulated variable Y R at the second power level.
  • K Sa distance reinforcement for performance level
  • the control deviation 11 is zero. Only the integral component Y IR makes a contribution to maintaining this state.
  • Actuating variable 13 immediately after switching the power level: in which Y b output-dependent manipulated variable 13 in the regulated state when operating at output level B.
  • K Sb line reinforcement for performance level B
  • Y IR integral part independent of power

Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung eines hinsichtlich der Leistung stufig oder modulierend umschaltbaren Brenners (2) für eine brennerbetriebene Feuerungsanlage zur Regelung des Restsauerstoffgehaltes mittels einer O2-Sonde (8) im Abgas (7) wird eine Regelungsvorrichtung (9) mit einem PID-Regler eingesetzt. Die Regelparameter für den PID-Regler werden für die vorhandenen Leistungsstufen des Brenners (2) individuell aus Messungen von Sprungantworten am offenen Regelkreis ermittelt. Aus der Regelabweichung wird vom PID-Regler eine leistungsunabhängige Stellgrösse berechnet, die einen leistungsunabhängigen Integralanteil enthält. Die leistungsunabhängige Stellgrösse wird anschliessend mit einer leistungsabhängigen Streckenverstärkung multipliziert. Ein Stellglied, beispielsweise eine Luftklappe (6) wird nach dem Produkt aus leistungsunabhängiger Stellgrösse und leistungsabhängiger Streckenverstärkung gesteuert. Bei der Umschaltung von einer ersten Leistungsstufe auf eine zweite Leistungsstufe wird der leistungsunabhängige Integralteil der leistungsunabhängigen Stellgrösse als Anfangswert für die leistungsunabhängige Stellgrösse beim Betrieb des Brenners (2) auf der zweiten Leistungsstufe verwendet. Durch den Einsatz des PID-Reglers und der Einführung der leistungsunabhängigen Stellgrösse wird erreicht, dass bei der Umschaltung des Brenners (2) zwischen den Leistungsstufen weniger Schadstoffe entstehen und Energieverluste vermindert werden. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Brenners für eine brennerbetriebene Feuerungsanlage, der hinsichtlich der Leistung stufig oder modulierend umschaltbar ist, gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Energieeinsparungen und Umweltschutz kommt heute bei brennerbetriebenen Feuerungsanlagen eine zentrale Bedeutung zu, da selbst bei einmal optimal eingestellten Gas-, Oel- oder anderen Brenneranlagen nie ganz verhindert werden kann, dass während der Betriebsdauer Schadstoffe entstehen und wertvolle Energie verloren geht. Da bekannt ist, dass der Restsauerstoff- bzw. O₂-Gehalt in den Abgasen ein Mass für die Qualität und den Wirkungsgrad der Verbrennung darstellt, werden immer häufiger Feuerungsanlagen mit O₂-Regelungen ausgerüstet. Dabei wird mittels einer O₂-Messonde im Abgaskanal und einer Regelungsvorrichtung das Verhältnis der zugeführten Luftmenge zum zugeführten Brennstoff derart geregelt, dass die Konzentration des Restsauerstoffes in den Abgasen den eingestellten Sollwert erreicht. Damit wird im Idealfall eine fast stöchiometrische Verbrennung des Brennstoffes erreicht.
  • Da weiterhin bekannt ist, dass die Summe der Schadstoffe (CO, NOx) in den Abgasen im wesentlichen etwa dort ein Minimum erreicht, wo auch die annähernd vollständige Verbrennung des Brennstoffes stattfindet, kann mit einer O₂-Regelung auch der Schadstoffausstoss einer Feuerungsanlage beträchtlich reduziert und innerhalb vorgeschriebener Grenzwerte gehalten werden.
  • Bei Feuerungsanlagen mit Brennern, die häufig auf verschiedenen Leistungsstufen betrieben werden, stellt sich das Problem der nicht-optimalen Verbrennung und der Begrenzung des Schadstoffausstosses bei der Umschaltung von einer ersten Leistungsstufe auf eine zweite Leistungsstufe. Insbesondere bei Grossanlagen kann der Schadstoffausstoss während der Umschaltphase beträchtlich über den Normalwerten liegen, die während des Betriebs auf einer festen Leistungsstufe auftreten. Der Grund für solche Abweichungen liegt darin, dass die Regelungsvorgänge während der Uebergänge nicht vollständig beherrschbar sind.
  • Werden O₂-Regelungen verwendet, so erfordert dies, dass im allgemeinen die Regelungsparameter der Regelungseinrichtung für jede der vorhandenen Leistungsstufen individuell mit einem gesonderten Verfahren ermittelt werden. Bei der Umschaltung von einer ersten Leistungsstufe auf eine zweite Leistungsstufe müssen jeweils die Regelungsparameter der Regelungseinrichtung umgeschaltet werden, was Unstetigkeiten während des Ueberganges bewirkt und letztlich nicht-optimale Verbrennung während der Uebergänge bedeutet.
  • Das Datenblatt 7851D vom September 1990 der Firma Landis & Gyr beschreibt einen Sauerstoff-Regler vom Typ RWF61.190 mit signalabhängigen Regelparametern für modulierbare Brenner. Es handelt sich um einen PI-Regler mit signaladaptivem Verhalten für O₂-Regelungen bei Brenneranlagen. Modulierbar heisst, dass der Brenner hinsichtlich der Leistung stufenlos umschaltbar ist. Natürlich sind auch bei modulierender Steuerung unterschiedliche Leistungsstufen wirksam. Die Regelparameter für diesen Regler werden individuell aus Messungen von Sprungantworten am offenen Regelkreis bei zwei Leistungsstufen, nämlich bei maximaler Brennerleistung und bei minimaler Brennerleistung, ermittelt. Die so ermittelten Regelparameter werden anschliessend an entsprechenden Potentiometern des Reglers eingestellt. Die Regelparameter für einen PI-Regler sind die Regelverstärkung KR und die Nachstellzeit TN . Die Regelverstärkung KR und die Nachstellzeit TN werden für eine PI-Regelstrecke mit Totzeit nach der Methode von Ziegler und Nichols eingestellt (siehe dazu beispielsweise im Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker, IV.Band, Seite 596, Formel 134; vom Verlag für Radio-Foto-Kinotechnik GmbH, Berlin-Bosigwalde).
  • Die Funktionsweise dieses PI-Reglers ist so, dass aus der Regelabweichung, die die Differenz zwischen O₂-Sollwert und O₂-Istwert darstellt, eine Stellgrösse berechnet wird, die einen Proportionalanteil, einen Integralanteil und einen leistungsabhängigen Verstärkungsfaktor enthält. Mit der Stellgrösse wird das Stellglied, beispielsweise eine Luftklappe, die das Verhältnis von Luft zu Brennstoff reguliert, gesteuert.
  • Eine PI-Regelung dieser Art hat den Nachteil, dass im Fall der stufenweisen Umschaltung von einer ersten Leistungsstufe auf eine zweite Leistungsstufe im Uebergangsstadium die Stellgrösse, die im ausgeregelten Zustand im wesentlichen dem Integralanteil des PI-Reglers entspricht, zunächst im neuen Betriebszustand auf der zweiten Leistungsstufe übernommen wird. Da der Integralanteil des PI-Reglers jedoch einen zur jeweiligen Leistungsstufe proportionalen Anteil enthält, ist dessen Grösse noch gar nicht auf die neuen Betriebsverhältnisse der zweiten Leistungsstufe abgestimmt, hat also zunächst einen falschen Wert. Dieser falsche Wert wird zwar in der Folge ausgeregelt, bewirkt aber, dass im Uebergangsstadium wegen nicht-optimaler Verbrennung vermehrt Schadstoffe ausgestossen werden.
  • Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Regelung eines hinsichtlich der Leistung stufig oder modulierend umschaltbaren Brenners für eine brennerbetriebene Feuerungsanlage anzugeben, das einen günstigeren Verlauf der Verbrennung beim Uebergang zwischen den Leistungsstufen aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gegebene Lehre gelöst.
  • Die Lösung beruht darauf, dass eine leistungsunabhängige Stellgrösse berechnet wird.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei der Umschaltung zwischen verschiedenen Leistungen des Brenners weniger Schadstoffe entstehen und Energieverluste vermindert werden.
  • Im folgenden wird das neue Verfahren unter Beizug von Figuren näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine Brenneranlage mit O₂-Regelung in schematischer Darstellung,
    Fig. 2
    den O₂-Regelkreis in schematischer Darstellung, und
    Fig. 3
    die Messung der Sprungantwort am offenen O₂-Regelkreis.
  • Figur 1 zeigt eine Brenneranlage mit O₂-Regelung in schematischer Darstellung, mit einem Heizkessel 1, einem Brenner 2, der zwischen mehreren Leistungsstufen umschaltbar ist, und einem Abgaskanal 3. Der Brenner 2 hat eine Brennstoffzufuhr 4 und eine Luftzufuhr 5, wobei in der Luftzufuhr 5 ein Stellglied, beispielsweise eine Luftklappe 6 oder ein Ventilator, zur Anpassung der zugeführten Luftmenge an die zugeführte Brennstoffmenge vorhanden ist. Abgase 7 aus der Verbrennung werden über den Abgaskanal 3 fortgeleitet. Im Abgaskanal 3 befindet sich eine O₂-Sonde 8, die den Restsauerstoffgehalt (O₂) im Abgas 7 misst. Die von der O₂-Sonde 8 gemessenen O₂-Istwerte O2I werden einer Regelungsvorrichtung 9 zugeführt, wo sie mit einem O₂-Sollwert O2S verglichen werden, worauf aufgrund der Leistung des Brenners 2 und der ermittelten Differenz die Luftklappe 6 von der Regelungsvorrichtung 9 gesteuert wird. Die optimale Luftzufuhr bzw. der optimale Luftüberschuss für die Verbrennung ist leistungsabhängig. Die Regelungsvorrichtung 9 dient dem Zweck, die dem Brenner 2 zugeführte Luftmenge so zu steuern, dass der im Abgas 7 gemessene Restsauerstoffgehalt (O₂) den eingestellten O₂-Sollwert O2S erreicht. Damit wird im Idealfall eine fast stöchiometrische Verbrennung des Brennstoffes erreicht, was auch bedeutet, dass der Schadstoffgehalt im Abgas 7 bezüglich der Gase CO und NOX minimal wird.
  • In der Figur 2 ist der O₂-Regelkreis und dessen Abhängigkeit von der Leistung PB des Brenners 2 schematisch dargestellt. In einem Vergleicher 10 wird der von der Leistung PB des Brenners abhängige O₂-Sollwert O2S mit dem O₂-Istwert O2I verglichen, d.h. aus der Differenz der beiden Werte ergibt sich eine Regelabweichung 11. Die Regelabweichung 11 wird einem PID-Regler 12 zugeführt, der aus der Regelabweichung 11 zunächst eine leistungsunabhängige Stellgrösse YR berechnet. Der PID-Regler 12 erhält ausserdem Steuerungsinformationen 14, wie beispielsweise die Leistung PB des Brenners 2 und die Art des Brennstoffes. Die leistungsunabhängige Stellgrösse YR wird von einem Korrekturglied 12a in eine von der Leistung PB des Brenners abhängige Stellgrösse 13 umgesetzt. Die Stellgrösse 13 wird dem Stellglied, in diesem Fall der Luftklappe 6, zugeführt, deren Einstellwert, nämlich eine Luftklappenstellung 15, eine Regelstrecke 16 beeinflusst. Als Regelstrecke 16 ist die Gesamtheit von Luftzufuhr 5, Brennstoffzufuhr 6, Brenner 2, Heizkessel 1 und Abgaskanal 3 bis zu der O₂-Sonde 8 zu verstehen. An dem Punkt im Abgaskanal 3, an dem sich die O₂-Sonde 8 befindet, ergibt sich als Resultat der Wirkungskette von PID-Regler 12, Korrekturglied 12a, Luftklappe 6 und Regelstrecke 16 ein bestimmter O2-Wert, der die Regelgrösse O₂ darstellt und der von der O₂-Sonde als O₂-Istwert O2I gemessen und zum Vergleicher 10 zurückgeführt wird.
  • Der PID-Regler 12 wird deshalb eingesetzt, weil damit sowohl bleibende wie auch vorübergehende Abweichungen vom O₂-Sollwert am kleinsten gehalten werden können.
  • Die Regelparameter werden für den PID-Regler für jede Leistungsstufe individuell bestimmt. Die Regelparameter des PID-Reglers 12 sind:
    • Die Regelverstärkung KR (P-Anteil)
    • Die Nachstellzeit TN (I-Anteil)
    • Die Vorhaltzeit TV (D-Anteil)
  • Die Regelverstärkung KR und die Nachstellzeit TN und die Vorhaltezeit TV werden für die PID-Regelstrecke mit Totzeit im wesentlichen nach der Methode von Ziegler und Nichols eingestellt (siehe dazu beispielsweise im Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker, IV.Band, Seite 596, Formel 136; vom Verlag für Radio-Foto-Kinotechnik GmbH, Berlin-Bosigwalde). Da die Regelung mikroprozessorgesteuert ist und somit eine Abtastregelung darstellt, beinhalten die Formeln auch eine Abtastzeit TS.
    dabei wird:
    Figure imgb0001
    mit
    Figure imgb0002
    worin:
       TU= Verzugszeit
       TG= Ausgleichszeit
       TS = Abtastzeit (beispielsweise 0.2 s)
       ΔO2IST = Differenz des O2-Wertes im Abgas
       ΔPOS = Differenz der Luftklappenposition
       KS = Streckenverstärkung
    Dabei werden die Werte für TU, TG, ΔO2IST und ΔPOS aus Messungen von Sprungantworten am offenen Regelkreis gemäss Figur 3 gewonnen. Am offenen Regelkreis, d.h. bei laufendem Brenner auf einer bestimmten Leistungsstufe, aber bei ausgeschalteter O₂-Regelung, wird vorerst abgewartet, bis der von der O₂-Sonde 8 gemessene O₂-Wert stabil ist. Dann wird die Stellung der Luftklappe 6 sprunghaft um den Wert ΔPOS geändert und solange beibehalten, bis der von der O₂-Sonde 8 gemessene O₂-Wert wieder stabil ist und sich auf einem gegenüber der Ausgangsstellung genügend verschiedenen Wert eingestellt hat. Dies ist die Ausgangsstellung für die Messung der Sprungantwort.
  • Sodann wird die Stellung der Luftklappe 6 erneut sprunghaft um den Wert ΔPOS, aber in entgegengesetzter Richtung, geändert und wieder solange beibehalten, bis der von der O₂-Sonde 8 gemessene O₂-Wert stabil ist. Die Differenz zwischen dem gemessenen O₂-Wert vor der sprunghaften Aenderung der Stellung der Luftklappe 6 und dem gemessenen O₂-Wert nach der sprunghaften Aenderung derselben ist ΔO2IST. Aus dem Verlauf der O₂-Messkurve werden die Zeitpunkte bestimmt, an denen die gemessene Aenderung des O₂-Wertes 10% bzw. 63% des Endwertes von ΔO2IST erreicht haben. Dies ergibt die Verzugszeit TU und die Ausgleichszeit TG, wobei TU im wesentlichen die Reaktionszeit bzw. Totzeit der Regelstrecke 16 darstellt. Für grosse Brenneranlagen ergeben sich für TU Werte von 5 bis 10s.
  • Selbstverständlich müssen die so ermittelten Regelparameter für den PID-Regler für jeden verwendeten Brennstoff und für jede Leistungsstufe des Brenners 2 ermittelt und gespeichert werden. Die aktuellen zu verwendenden Regelparameter werden dem PID-Regler über die Steuerungsinformationen 14 mitgeteilt (siehe Figur 2).
  • Das Verfahren zur Regelung des Brenners 2 unter Beizug des PID-Regelalgorithmus läuft wie folgt ab:
  • Der PID-Regler 12 errechnet eine leistungsunabhängige Stellgrösse YR aus der Regelabweichung 11 (siehe auch Figur 2).

    Y R = Y PR + Y IR + Y DR
    Figure imgb0003

    wobei:
    • YPR =
    leistungsunabhängiger Proportionalteil
    YIR =
    leistungsunabhängiger Integralanteil
    YDR =
    leistungsunabhängiger Differentialanteil
    Der leistungsunabhängige Proportionalteil YPR errechnet sich dabei wie folgt:
    Figure imgb0004
       wobei
       e(n) = Regelabweichung 11 zum Zeitpunkt (n)
       TG= Ausgleichszeit
       TU = Verzugszeit
    Die Regelabweichung 11 wird in dieser und in den folgenden Formeln mit dem Buchstaben e bezeichnet. Da die Regelung mikroprozessorgesteuert ist, sind die Formeln in der für die Berechnung mit Mikroprozessoren geeigneten diskreten Darstellungsform, nämlich mit Bezug auf die berechneten oder gemessenen Werte zu einem jeweiligen diskreten Abtastzeitpunkt (n) aufgeführt.
  • Der leistungsunabhängige Integralanteil YIR zum Zeitpunkt (n) errechnet sich wie folgt:
    Figure imgb0005
       wobei
       YIR(n-1) = leistungsunabhängige Integralanteil YIR zum Zeitpunkt (n-1)
       e(n) = Regelabweichung 11 zum Zeitpunkt (n)
       TG= Ausgleichszeit
       TU = Verzugszeit
       TS = Abtastzeit
       TN = Nachstellzeit
    Der leistungsunabhängige Differentialanteil YDR berechnet sich wie folgt:
    Figure imgb0006
       wobei
       e(n) = Regelabweichung 11 zum Zeitpunkt (n)
       e(n-1) = Regelabweichung 11 zum Zeitpunkt (n-1)
       TG= Ausgleichszeit
       TU = Verzugszeit
       TV = Vorhaltezeit
       TS = Abtastzeit
    Für die Erfindung ist es von Bedeutung, dass der Proportionalanteil YPR, der Integralanteil YIR und der Differentialanteil YDR in den vorstehend dargelegten Formen als leistungsunabhängige Komponenten ermittelt werden. Bei der Umschaltung von einer ersten Leistungsstufe auf eine zweite Leistungsstufe muss der Integralanteil in leistungsunabhängiger Form zur Verfügung stehen.
  • Erst anschliessend wird die leistungsunabhängige Stellgrösse YR mit 1/KS multipliziert. KS ist die Streckenverstärkung und leistungsabhängig. Da KS in vielen Fällen im wesentlichen umgekehrt proportional zur Leistung des Brenners 2 auf der gewählten Leistungsstufe ist, ist in diesen Fällen die Stellgrösse 13 im wesentlichen proportional zur Leistung des Brenners 2 auf der gewählten Leistungsstufe.
    Figure imgb0007
       wobei:
    • Y =
    Stellgrösse 13
    YR =
    leistungsunabhängige Stellgrösse
    KS =
    Streckenverstärkung
    Die Stellgrösse 13 wird der Luftklappe 6 zugeführt und bewirkt eine Veränderung der Luftklappenstellung. Dadurch verändert sich die Luftzufuhr zum Brenner 2, was sich letzlich mit einer Verzögerung, der Reaktionszeit der Regelstrecke 16, als Aenderung des O₂-Gehaltes im Abgas 7 bei der O₂-Sonde 8 bemerkbar macht.
  • Im ausgeregelten Zustand sind die Verhältnisse stabil, das heisst der von der O₂-Sonde 8 gemessene O₂-Gehalt im Abgas 7 bleibt konstant. Da der Istwert der Regelung dem Sollwert der Regelung entspricht (O2S = O2I, siehe auch Figur 2), ist die Regelabweichung 11 gleich Null. Lediglich der Integralanteil YIR liefert einen Beitrag zur Aufrechterhaltung dieses Zustandes.
  • Ist die Regelabweichung 11 kleiner als die O2-Differenz die sich pro kleinstmöglichem Stellschritt ergibt, so wird nicht korrigiert, da sonst die Regelung zum Schrittpendeln neigt.
       wenn |e(n)|<NZO₂/2
    Figure imgb0008
     dann wird e(n)=0 gesetzt
       wobei
       |e(n)| = Regelabweichung 11 zum Zeitpunkt (n)
       NZO₂ = Neutralbereich
    Die in die Berechnung eingehende Regelabweichung 11 ist unterschiedlich, je nachdem, ob Luftmangel oder Luftüberschuss vorhanden ist:
       bei Luftmangel:
       wenn e(n) < 0 dann e(n) = e(n)
       bei Luftüberschuss:
       wenn e(n) > 0 dann e(n) = e(n)/2
       wobei
       e(n) = Regelabweichung 11 zum Zeitpunkt (n)
    Damit wird dem Wunsch entsprochen, die Regelung bei Luftüberschuss langsamer zu machen um Unterschwinger in den CO-Bereich möglichst zu vermeiden.
  • Bei der Umschaltung des Brenners 2 von einer ersten Leistungsstufe auf eine zweite Leistungsstufe wird der leistungsunabhängige Integralteil YIR der leistungsunabhängigen Stellgrösse YR als Anfangswert für die leistungsunabhängige Stellgrösse YR bei der zweiten Leistungsstufe verwendet. Dies wird im folgenden verdeutlicht durch Betrachtung der Stellgrösse 13 vor und nach der Leistungsstufen-Umschaltung:
    Stellgrösse 13 vor der Leistungsstufen-Umschaltung:
    Figure imgb0009
       wobei
       Ya = leistungsabhängige Stellgrösse 13 im ausgeregelten Zustand bei Betrieb auf der Leistungsstufe A
       KSa = Streckenverstärkung für die Leistungsstufe A
       YIR = leistungsunabhängiger Integralteil
    Da die Regelung in ausgeregeltem Zustand ist, entspricht der Istwert der Regelgrösse dem Sollwert der Regelgrösse (O2S = O2I, siehe auch Figur 2). Die Regelabweichung 11 ist gleich Null. Lediglich der Integralanteil YIR liefert einen Beitrag zur Aufrechterhaltung dieses Zustandes.
  • Stellgrösse 13 unmittelbar nach der Leistungsstufen-Umschaltung:
    Figure imgb0010
       wobei
       Yb = leistungsabhängige Stellgrösse 13 im ausgeregelten Zustand bei Betrieb auf der Leistungsstufe B
       KSb = Streckenverstärkung für die Leistungsstufe B
       YIR = leistungsunabhängiger Integralteil
    Unter der Annahme, dass während der Umschaltung der O₂-Sollwert (O2S) für die Regelung nicht geändert wird, bleibt wegen der Reaktionszeit der Regelung die Regelabweichung 11 vorerst noch gleich Null. Lediglich der leistungsunabhängige Integralanteil YIR, der während des Ueberganges beibehalten wird, liefert einen Beitrag zur Aufrechterhaltung des Zustandes. Die für den Betrieb auf der neuen Leistungsstufe B massgebende Streckenverstärkung KSb wird gleich zu Beginn des Betriebs auf der neuen Leistungsstufe B angewendet. Mit dieser Massnahme wird erreicht, dass der beim Uebergang übernommene Integralanteil nicht von alten Regelparametereinflüssen verfälscht wird, die für den Betrieb auf der aktuellen Leistungsstufe gar keine Gültigkeit mehr haben und die andernfalls zuerst ausgeregelt werden müssten. Somit verbessert sich die Verbrennung während des Ueberganges beim Betrieb von einer Leistungsstufe auf die nächste und daraus ergibt sich auch ein geringerer Schadstoffausstoss.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Regelung eines Brenners (2) für eine brennerbetriebene Feuerungsanlage, der hinsichtlich der Leistung stufig oder modulierend umschaltbar ist, mit
    - einer O₂-Sonde (8) zur Messung des Restsauerstoffgehaltes O₂ in den Abgasen, wobei der gemessene Restsauerstoffgehalt als O₂-Istwert O2I in einer O₂-Regelung verwendet wird,
    - einem Stellglied zur Regulierung des Luftüberschusses zum Brenner (2),
    - einem Regler zur Berechnung einer Stellgrösse (13) zur Steuerung des Stellglieds aufgrund einer Regelabweichung (11), die als Differenz zwischen einem leistungsabhängigen O₂-Sollwert O2S für den Restsauerstoffgehalt O₂ und dem O₂-Istwert O2I für den Restsauerstoffgehalt O₂ berechnet wird, wobei
    - Regelparameter für die vorhandenen Leistungsstufen des Brenners (2) individuell aus Messungen von Sprungantworten am offenen Regelkreis ermittelt werden und in Abhängigkeit von der Leistungsstufe, auf der der Brenner (2) betrieben wird, im Regler eingesetzt werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - ein PID-Regler (12) eingesetzt wird,
    - aus der Regelabweichung (11) vom PID-Regler (12) eine leistungsunabhängige Stellgrösse YR berechnet wird, die aus einem leistungsunabhängigen Proportionalanteil YPR, einem leistungsunabhängigen Differentialanteil YDR und einem leistungsunabhängigen Integralanteil YIR besteht, und dass
    - die leistungsunabhängige Stellgrösse YR anschliessend mit einer leistungsabhängigen Streckenverstärkung multipliziert wird, wobei das Stellglied von der Stellgrösse (13) nach dem Produkt aus leistungsunabhängiger Stellgrösse YR und leistungsabhängiger Streckenverstärkung gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungsabhängige Streckenverstärkung im wesentlichen umgekehrt proportional zur Leistung des Brenners auf der gewählten Leistungsstufe ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung bei Luftüberschuss verlangsamt wird, indem bei Luftüberschuss die Regelabweichung (11) mit einem Faktor < 1 multipliziert und dann dem PID-Regler (12) zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umschaltung des Brenners (2) von einer ersten Leistungsstufe auf eine zweite Leistungsstufe der leistungsunabhängige Integralteil YIR der leistungsunabhängigen Stellgrösse YR als Anfangswert für die leistungsunabhängige Stellgrösse YR bei der zweiten Leistungsstufe verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied eine Luftklappe (6) ist.
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