EP0644376B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Brenners - Google Patents

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EP0644376B1
EP0644376B1 EP94111935A EP94111935A EP0644376B1 EP 0644376 B1 EP0644376 B1 EP 0644376B1 EP 94111935 A EP94111935 A EP 94111935A EP 94111935 A EP94111935 A EP 94111935A EP 0644376 B1 EP0644376 B1 EP 0644376B1
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EP
European Patent Office
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burner
independent
regulator
adjusting parameter
Prior art date
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EP94111935A
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EP0644376A1 (de
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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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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • 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
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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 and a device 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 claims 1 and 6.
  • control parameters of the control device are generally determined individually for each of the available 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 02 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.
  • the control gain K R and the reset time T N are set for a PI controlled system with dead time using the Ziegler and Nichols method (see, for example, in this regard in the handbook for radio frequency and electrical engineers, volume IV, page 596, formula 134; by the publishing house for Radio-Foto-Kinotechnik GmbH, Berlin-Bosigwalde).
  • control variable is calculated from the control deviation, which represents the difference between the O 2 setpoint and the actual O 2 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 a gradual changeover from a first power level to a second power level in the transition stage, the manipulated variable, which in the regulated 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.
  • a controller is known from JP-A-57-174 618, in which a load-dependent setpoint for the oxygen content is generated and in which the resulting control deviation is processed by a PID controller.
  • This PID controller (in particular the differential component) serves to prevent the blower to be overshooted, which has a high inertia and therefore a not inconsiderable dead time.
  • the integral part of the PID controller contains a part proportional to the respective power level, the size of which is not matched to the new operating conditions of the second power level, so that the controller initially has an incorrect value when the power changes. Since the output signal of the PID controller is therefore not power-independent, an overshoot or undershoot or a momentary unfavorable regulation cannot be prevented during the transition phase.
  • the object of the invention is to provide a method and a device 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 O 2 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, in which 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 actual O 2 values O 2I measured by the O 2 probe 8 are fed to a control device 9, where they have an O 2 target value 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 such that the residual oxygen content (O 2 ) measured in the exhaust gas 7 reaches the set O 2 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.
  • FIG. 2 shows the O 2 control loop and its dependence on the power P B of the burner 2 schematically.
  • the O 2 setpoint O 2S which is dependent on the power P B of the burner, is compared in a comparator 10 with the actual O 2 value O 2I , ie a control deviation 11 results from the difference between the two values.
  • 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.
  • the control path 16 is to be understood as the entirety of air supply 5, fuel supply 6, burner 2, boiler 1 and exhaust duct 3 up to the O 2 probe 8.
  • the result of the chain of action of the PID controller 12, the correction element 12a, the air damper 6 and the controlled system 16 results in a specific O 2 value which is the controlled variable O 2 represents and the is measured by the O 2 probe as the actual O 2 value O 2I and is returned to comparator 10.
  • the PID controller 12 is used because both permanent and temporary deviations from the O 2 setpoint can be kept to a minimum.
  • the values for 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 with the burner running at a certain power level, but with the O 2 control switched off, it is initially necessary to wait until the O 2 value measured by the O 2 probe 8 is stable. Then the position of the air flap 6 is changed abruptly by the value ⁇ POS and maintained until the O 2 value measured by the O 2 probe 8 is stable again and has set itself to a sufficiently different value than 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 designated in this and in the following formulas with the letter e. Because the scheme is microprocessor-controlled, the formulas are listed in the discrete form of representation suitable for the calculation with microprocessors, namely with reference to the calculated or measured values at a respective discrete sampling time (s).
  • the proportional component Y PR , the integral component Y IR and the differential component Y DR in the forms set out above are determined as performance-independent components.
  • the integral component When switching from a first power level to a second power level, the integral component must be available in a power-independent form.
  • the manipulated variable 13 is fed to the air flap 6 and causes a change in the air flap position.
  • the air supply to the burner 2 changes, which ultimately manifests itself with a delay, the reaction time of the controlled system 16, as a change in the O 2 content in the exhaust gas 7 in the O 2 probe 8.
  • 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. This is illustrated below by considering the manipulated variable 13 before and after the power level changeover:
  • the control deviation 11 is zero. Only the integral component Y IR makes a contribution to maintaining this state.
  • the control deviation 11 remains initially zero due to the reaction time of the control. Only the power-independent integral component Y IR , which is retained during the transition provides a contribution to maintaining the state.
  • the route gain K Sb which is decisive for operation at the new performance level B, is applied at the beginning of operation at the new performance level B. This measure ensures that the integral part taken over during the transition is not distorted by old control parameter influences, which are no longer valid for operation at the current power level and which would otherwise have to be corrected first. This improves combustion during the transition from one power level to the next during operation, and this also results in lower pollutant emissions.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Brenners für eine brennerbetriebene Feuerungsanlage, der hinsichtlich der Leistung stufig oder modulierend umschaltbar ist, gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 und 6.
  • Energieeinsparungen und Umweltschutz kommt heute bei brennerbetriebenen Feuerungsanlagen eine zentrale Bedeutung zu, da selbst bei einmal optimal eingestellten Gas-, Öl- 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. 02-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-Meßsonde 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 02-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.
  • Aus JP-A-57-174 618 ist ein Regler bekannt, bei dem ein lastabhängiger Sollwert für den Sauerstoffgehalt generiert wird und bei dem die sich ergebende Regelabweichung von einem PID-Regler verarbeitet wird. Dieser PID-Regler (insbesondere der Differentialanteil) dient zur Verhinderung des Überschwingens des zu regelnden Gebläses, welches eine hohe Trägheit und damit eine nicht zu vernachlässigende Totzeit aufweist. Auch hier enthält der Integralanteil des PID-Reglers einen zur jeweiligen Leistungsstufe proportionalen Anteil, dessen Grösse nicht auf die neuen Betriebsverhältnisse der zweiten Leistungsstufe abgestimmt ist, so daß der Regler bei einer Leistungsänderung auch hier zunächst einen falschen Wert aufweist. Da somit das Ausgangssignal des PID-Reglers nicht leistungsunabhängig ist, kann ein Über- oder Unterschwingen, bzw. eine momentane ungünstige Regelung während der Übergangsphase nicht verhindert werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung 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 der Patentansprüche 1 und 6 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: K R = 1 K S ·1,2· T G (T U + T S ) ≈ K R = 1 K S ·1,2· T G T U
    Figure imgb0001
     T N = (T U + T S /2) 2 (T U + T S ) ≈ T U
    Figure imgb0002
     T V = (T U + T S ) 2 ≈ T U 2
    Figure imgb0003
     mit K S = ΔO 2IST Δ POS
    Figure imgb0004
     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 imgb0005
     wobei:
    • YPR = leistungsunabhängiger Proportionalteil
    • YIR = leistungsunabhängiger Integralanteil
    • YDR = leistungsunabhängiger Differentialanteil
  • Der leistungsunabhängige Proportionalteil YPR errechnet sich dabei wie folgt: Y PR (n)=e(n)·1,2· T G T U
    Figure imgb0006
        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 imgb0007
        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 imgb0008
        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. Y = 1 K S ·Y R
    Figure imgb0009
        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 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: Y a = 1 K Sa ·Y IR
    Figure imgb0010
        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: Y b = 1 K Sb ·Y IR
    Figure imgb0011
        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 (6)

  1. Verfahren zur Regelung eines Brenners (2) für eine Feuerungsanlage, der hinsichtlich der Leistung stufig oder modulierend umschaltbar ist, mit
    - einer 02-Sonde (8) zur Messung des Restsauerstoffgehaltes in den Abgasen, wobei der gemessene Restsauerstoffgehalt als O2-Istwert (O2I) in einer O2-Regelung verwendet wird,
    - einem Stellglied (6) zur Regulierung des Luftüberschusses zum Brenner (2) und mit
    - einem Regler (12, 12a) zur Berechnung einer Stellgrösse (13) zur Steuerung des Stellglieds (6) aufgrund einer Regelabweichung (11), die aus der Differenz zwischen einem leistungsabhängigen 02-Sollwert (O2S) und dem O2-Istwert (O2I) berechnet wird, wobei Regelparameter für die vorhandenen Leistungsstufen des Brenners (2) individuell aus Messungen von Sprungantworten am offenen Regelkreis ermittelt und in Abhängigkeit von der Leistungsstufe, auf der der Brenner (2) betrieben wird, im Regler (12, 12a) eingesetzt werden,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein PID-Regler (12) eingesetzt wird,
    daß der PID-Regler (12) aus der Regelabweichung (11) eine leistungsunabhängige Stellgrösse (YR) berechnet,
    daß die leistungsunabhängige Stellgrösse (YR) aus einem leistungsunabhängigen Proportionalanteil (YPR), einem leistungsunabhängigen Differentialanteil (YDR) und einem leistungsunabhängigen Integralanteil (YIR) besteht, und
    daß das Produkt aus der leistungsunabhängigen Stellgrösse (YR) und einer leistungsabhängigen Streckenverstärkung die Stellgrösse (13) ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    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.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    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 vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die leistungsabhängige Streckenverstärkung im wesentlichen umgekehrt proportional zur Leistung des Brenners (2) auf der gewählten Leistungsstufe ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Stellglied (6) eine Luftklappe ist.
  6. Vorrichtung zur Regelung eines Brenners (2) für eine Feuerungsanlage, der hinsichtlich der Leistung stufig oder modulierend umschaltbar ist, mit
    - einer O2-Sonde (8) zur Messung des Restsauerstoffgehaltes in den Abgasen, wobei der gemessene Restsauerstoffgehalt als 02-Istwert (O2I) in einer 02-Regelung verwendbar ist,
    - einem Stellglied (6) zur Regulierung des Luftüberschusses zum Brenner (2) und mit
    - einem Regler (12, 12a) zur Berechnung einer Stellgrösse (13) zur Steuerung des Stellglieds (6) aufgrund einer Regelabweichung (11), die aus der Differenz zwischen einem leistungsabhängigen O2-Sollwert (O2S) und dem O2-Istwert (O2I) berechenbar ist, wobei Regelparameter für die vorhandenen Leistungsstufen des Brenners (2) individuell aus Messungen von Sprungantworten am offenen Regelkreis ermittelbar und in Abhängigkeit von der Leistungsstufe, auf der der Brenner (2) betrieben wird, im Regler (12, 12a) einsetzbar sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Regler (12) ein PID-Regler ist,
    daß der Regler (12) aus der Regelabweichung (11) eine leistungsunabhängige Stellgrösse (YR) berechnet,
    daß die leistungsunabhängige Stellgrösse (YR) aus einem leistungsunabhängigen Proportionalanteil (YPR), einem leistungsunabhängigen Differentialanteil (YDR) und einem leistungsunabhängigen Integralanteil (YIR) besteht, und daß die Stellgrösse (13) aus dem Produkt aus der leistungsunabhängigen Stellgrösse (YR) und einer leistungsabhängigen Streckenverstärkung besteht.
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