EP0655583B1 - Verfahren zur Regelung und Überwachung von Verbrennung - Google Patents

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EP0655583B1
EP0655583B1 EP94118375A EP94118375A EP0655583B1 EP 0655583 B1 EP0655583 B1 EP 0655583B1 EP 94118375 A EP94118375 A EP 94118375A EP 94118375 A EP94118375 A EP 94118375A EP 0655583 B1 EP0655583 B1 EP 0655583B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
oxygen
exhaust gas
sensor
hydrogen sensor
combustion
Prior art date
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EP94118375A
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EP0655583A1 (de
Inventor
Albrecht Dr. Vogel
Gunar Dr. Baier
Harald Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lamtec Mess- und Regeltechnik fur Feuerungen GmbH
Original Assignee
Lamtec Mess- und Regeltechnik fur Feuerungen & Co KG GmbH
LAMTEC MESS und REGELTECHNIK F
Lamtec Mess- und Regeltechnik fur Feuerungen & Co KG GmbH
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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
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2223/00—Signal processing; Details thereof
    • F23N2223/08—Microprocessor; Microcomputer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/12—Burner simulation or checking
    • F23N2227/16—Checking components, e.g. electronic

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling and monitoring the combustion according to the preamble of claim 1.
  • a circuit for regulating the air flow required for a combustion process for the burner of a steam generator is known.
  • the circuit is designed so that flue gas is continuously removed from the flue gas duct and fed to a flue gas analysis device for determining the oxygen content in the exhaust gas. Based on this analysis, the specified fuel-air ratio is corrected and the desired value set.
  • the output signal of the flue gas analysis device is processed in a transducer and compared in a first controller with a fixed setpoint. Depending on the current setpoint deviation, a signal appears at the output of the controller, which is connected to a control loop via the signal path. Since the burner does not allow driving with a constant excess of air, the setpoint is corrected accordingly using a setpoint generator. In addition, the proportion of unburned substances in the form of Co, H in the exhaust gas is measured.
  • DE-A-3 517 471 describes a regulation for the fuel-air ratio of a gas-heated circulating water heater.
  • the control is provided with a sensor for the composition of the exhaust gases, a setpoint generator and a controller as well as a sensor for determining the oxygen content and a sensor for determining the carbon monoxide content in the exhaust gas.
  • the controller outputs a manipulated variable as long as one of the measured variables deviates from the setpoint. If a heat request signal is present, a signal corresponding to this is given to the burner, which can be varied in terms of its output, via an actuator in order to generate a specific burner output. A further signal is derived from this signal, with which the air throughput of the burner is changed. If a setpoint for the maximum carbon monoxide or carbon dioxide content is exceeded, the gas throughput is throttled while the air throughput remains constant.
  • DE-A-25 10 717 describes a method in which the exhaust gas is checked with the aid of two oxygen sensors. The amount of unburned constituents is determined directly after the flame from the voltage signals from these sensors.
  • the disadvantage here is that the sensors in the case of burns with excess air only indicate the content of unburned constituents with very small signals which cannot be easily evaluated, so that only serious defects of the incineration plant can be detected with this arrangement.
  • a device which can directly determine the pollutant emissions, in particular the content of carbon monoxide.
  • the fuel / air ratio is regulated by setting an oxygen setpoint in the exhaust gas via an oxygen sensor.
  • the oxygen setpoint is predetermined by the signal from a sensor for combustible components, in which the minimum excess air is determined, at which unburned components, preferably in the range from 200 to 400 ppm, occur.
  • a semiconducting metal oxide sensor is used as a sensor for the unburned components, the performance of which depends on the content of combustible components.
  • DE-A-38 07 752 describes a device with two ceramic sensors, one of which is provided for the determination of combustible components in the exhaust gas and the second for the determination of gaseous oxygen.
  • the first sensor is formed by a solid electrolyte made of zirconium dioxide. This is provided with an electrode exposed to a reference gas and an electrode made of molybdenum disilicate which is exposed to the measuring gas.
  • the second sensor also has a solid electrolyte made of zirconium dioxide.
  • the first sensor is heated to an operating temperature that differs from the operating temperature of the second sensor. In this way, a broad concentration range of the combustible components in an exhaust gas to be measured can be determined by calculation based on the output power of the two sensors for the gaseous oxygen.
  • the object of the invention is to demonstrate a method with which it is possible to keep the exhaust gas of an incineration plant of the type mentioned at the outset continuously free of pollutants.
  • FIG. 1 shows a control and monitoring device 1 which has an oxygen sensor 2, a hydrogen sensor 3, a processing unit 4 and a control device 5.
  • the oxygen sensor 2 and the hydrogen sensor 3 are installed in the exhaust duct 21 of an incinerator 20.
  • the structure and the mode of operation of the oxygen sensor 2 are disclosed in DE-C-29 45 698.
  • a hydrogen sensor 3, as used in the device 1, is described in DE-A-40 21 929.
  • the hydrogen sensor 3 has the property that it can also be operated as an oxygen sensor in the event that the exhaust gas has no combustible components.
  • the signal inputs and outputs of the two sensors 2 and 3 are connected to the signal inputs and outputs of the processing unit 4, from which, among other things, all fault messages are output.
  • the output signal of the processing unit 4 is fed to the control device 5. This can control the air supply for the combustion system 20 with the aid of an air flap 7 with an output signal which is fed to an actuator 6.
  • the fuel that is supplied via the line 9 is mixed with just enough air that the fuel / air mixture that the combustion system 20 is fed via line 8, just allows complete combustion. If the burner characteristic changes, which can be caused by changes in the fuel's calorific value, fluctuations in air pressure and temperature, blockages in the nozzles or changes in the load of the combustion system, incomplete combustion begins. To avoid this, periodic reviews are carried out the operating point of the incinerator. If there is a deviation from complete combustion, the operating point is reset immediately. If no new operating point can be found, the processing unit 4 issues a corresponding fault message.
  • FIG 2 the cyclic control of the operating point and its readjustment is shown in a diagram.
  • the control is based on the actual state, ie on the current operating point of the incineration plant 20.
  • the air supply via the line 8 to the incineration plant 20 is reduced so that the rest of the oxygen in the exhaust gas is reduced by an amount of X% is reduced by 0.1%.
  • the decrease in the residual oxygen in the exhaust gas 22 can be detected with the help of the oxygen probe 2.
  • the voltage signal of the hydrogen probe 3 is checked. By reducing the oxygen supply, the incinerator 20 will transition from complete combustion to incomplete combustion. This means that the voltage signal U of the hydrogen sensor 3 rises.
  • the difference U d U n ⁇ U v between the voltage signal U v before the reduction in the oxygen supply and the voltage signal U n after the reduction in the oxygen supply is formed in the processing unit 4.
  • the proportion of hydrogen in the exhaust gas 22 increases suddenly during the transition from a complete combustion to an incomplete combustion.
  • FIG. 4 shows, this also applies to the voltage signal that is formed between the two electrodes of the hydrogen sensor 3.
  • the difference U d formed between the two voltage signals U n and U v is compared with a threshold value or limit value. This limit value is stored in the processing unit 4 and has a value of 100 mV in the example described here.
  • Figure 5 shows another way of operating point control and setting.
  • the oxygen supply is reduced in such a way that the remaining proportion of oxygen in the exhaust gas 22 is reduced by X%, equal to 0.1%.
  • the processing unit 4 in turn forms the difference U d between the voltage signals U v and U n , which are tapped at the hydrogen probe 3 before and after the reduction in oxygen in the exhaust gas.
  • the processing unit 4 then forms the quotient U d / X% from the voltage difference U d and the percentage X% of the reduction in the residual oxygen in the exhaust gas.
  • the processing unit 4 now checks whether this quotient is greater or less than a limit value that is stored in the processing unit 4. In the example described here, the limit is set at 2000 mV /%.
  • the oxygen supply to the combustion system 20 is reduced again, in such a way that the proportion of the remaining oxygen in the exhaust gas is reduced by another 0.1%. Then the quotient U d / X% is again formed and compared with the limit value. These process steps are carried out until the quotient U d / X% is greater than the limit value. Then the air supply to the incinerator 20 is increased by D%, equal to 0.3%, so that just a complete one Combustion takes place. The incinerator is then operated with this excess oxygen until the next check.
  • the periodic monitoring of the sensors 2 or 3 and the O 2 is also necessary -Regulation at regular intervals e.g. B. required daily. This can also be carried out with the aid of the control and monitoring device according to the invention.
  • the operating point of the combustion system 20 is first reset, specifically as described above. If the hydrogen sensor 3 for flammable components shows an increased signal rise, the operating point is reset again. If a new operating point is found, a message is output that a check of the operating parameters is required.
  • the air supply to the combustion system 20 is increased with the aid of the control device 5 to such an extent that the combustion takes place with excess air.
  • the voltage signal U of the hydrogen sensor becomes smaller, which is equivalent to a shift in the operating point in the direction of complete combustion.
  • information is output that the hydrogen sensor is OK, but the oxygen control is defective.
  • a message is also output that the incinerator continues to operate with mechanically adjusted excess air. If the size of the voltage signal U at the hydrogen sensor 3 is not reduced by the mechanical increase in the air supply to the combustion system 20, the sensor 3 is defective. There is a message that the hydrogen sensor 3 is defective and the combustion system 20 continues to be operated with a mechanically adjusted excess air.
  • the two sensors 2 and 3 are checked as in FIG. 7, such that the air supply to the incinerator 20 is increased to such an extent that the oxygen content in the exhaust gas 22 has an excess of V%, which can be, for example, between 6.5% and 9%. It is now checked whether the voltage signal U of the hydrogen sensor 3 is within a permissible bandwidth of, for example, 5 to 60 mV. If this is not the case, a fault message is output that the H 2 sensor is defective and the oxygen content of the exhaust gas after a permanently programmed one Map is set in the processing unit 4.
  • the air supply to the incineration plant is changed three times so that the oxygen content in the exhaust gas 22 at three different O 2 values R%, S%, T%, for example at 7% , 5% and 3%.
  • the oxygen fraction is calculated according to the voltage characteristic of the hydrogen sensor 3 with the help of the processing unit 4. If these values do not match the oxygen values determined by the oxygen sensor 2, a fault message is issued that the H 2 sensor or the O 2 sensor is defective and the combustion system 20 is operated at a fixed operating point with a large excess of air.
  • the air supply to the combustion system 20 is throttled for a short time so that the oxygen content in the exhaust gas is only U%, for example only 0.8%. If the voltage signal of the hydrogen sensor 3 then rises, the processing unit issues a message that the O 2 sensor is defective, and that the hydrogen probe is OK. If the voltage signal does not rise, a message is output that the air supply to the incinerator according to a permanently programmed characteristic curve.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Zur Energieeinsparung und Vermeidung von Umweltschäden ist die Überwachung bzw. Regelung von Verbrennungsprozessen in Verbrennungsanlagen unbedingt notwendig. Die Messung des Sauerstoffgehalts in Abgasen allein kann keinen Hinweis auf eine unvollständige Verbrennung liefern. Deshalb ist es besonders wichtig, die Anteile der im Abgas enthaltenen nicht verbrannten Bestandteile zu erfassen und zu minimieren. Zu diesen unverbrannten Bestandteilen gehören Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Tritt eine unvollständige Verbrennung ein, so treten im Abgas Wasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen immer gemeinsam auf. Das genaue Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid kann dagegen je nach Brennereinstellung, Lastfaktor, Brennstoffbeschaffenheit sowie Lufttemperatur und Luftdruck schwanken. Als Leitgröße, an der sich erkennen läßt, ob eine unvollständige Verbrennung einsetzt, kann das Auftreten von Wasserstoff ebenso wie das Auftreten von Kohlenmonoxid im Abgas herangezogen werden.
  • Aus der DE-A-2 035 016 ist eine Schaltung zum Regeln des für einen Verbrennungsvorgang benötigten Luftstroms für den Brenner eines Dampferzeugers bekannt. Mit ihr soll die Leistung des Dampferzeugers durch eine Verbrennungsvorgang mit gutem dynamischen Verhalten und hoher statischer Genauigkeit im vorgeschriebenen optimalen Bereich auch bei Störungen wie Heizwertänderungen des Brennstoffes aufrechterhalten werden, so daß schädliche Auswirkungen der Hoch- und Niedertemperaturkorrosion sowie Wirkungsgradabsenkungen vermieden werden. Die Schaltung ist so ausgebildet, daß dem Rauchgaskanal kontinuierlich Rauchgas entnommen und einer Rauchgasanalyseeinrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas zugeführt. Auf Grund dieser Analyse wird das vorgegebene Brennstoff-Luftverhältnis korrigiert und der gewünschte Wert eingestellt. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal der Rauchgasanalyseeinrichtung in einem Meßwertumformer verarbeitet und in einem ersten Regler mit einem fest eingestellten Sollwert verglichen. Je nach der momentan anstehenden Sollwertabweichung erscheint am Ausgang des Reglers ein Signal, das über den Signalpfad mit einem Stellregelkreis verbunden ist. Da der Brenner ein Fahren mit einem konstanten Luftüberschuß nicht gestattet, wird der Sollwert über einen Sollwertgeber entsprechend korrigiert. Zusätzlich wird der Anteil an unverbrannten Stoffen in Form von Co, H im Abgas gemessen.
  • In der DE-A-3 517 471 ist eine Regelung für das Brennstoff-Luftverhältnis eines gasbeheizten Umlaufwasserheizers beschrieben. Die Regelung ist mit einem Meßfühler für die Zusammensetzung der Abgase, einem Sollwertgeber und einem Regler sowie einem Meßfühler zum Ermitteln des Sauerstoffgehalt und einem Meßfühler zur Bestimmung des Kohlenmonoxydgehalt im Abgas vorgesehen. Der Regler gibt solange eine Stellgröße ab, wie eine der Meßgrößen vom Sollwert abweicht. Beim Vorliegen eines Wärmeanforderungssignals wird ein diesem entsprechendes Signal zum in seiner Leistung variierbaren Brenner über ein Stellglied gegeben, um eine bestimmte Brennerleistung zu erzeugen. Von diesem Signal wird ein weiteres Signal abgeleitet, mit welchem der Luftdurchsatz des Brenner verändert wird. Beim Überschreiten eines Sollwert für den maximalen Kohlenmonoxid- oder Kohlendioxidgehalt wird der Gasdurchsatz bei konstant bleibendem Luftdurchsatz gedrosselt.
  • In der DE-A-25 10 717 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe von zwei Sauerstoffsensoren das Abgas geprüft wird. Die Menge an unverbrannten Bestandteilen wird direkt nach der Flamme aus den Spannungssignalen dieser Sensoren ermittelt. Nachteilig hierbei ist, daß die Sensoren bei Verbrennungen mit Luftüberschuß den Gehalt an unverbrannten Bestandteilen nur mit sehr kleinen Signalen anzeigen, die nicht leicht auswertbar sind, so daß mit dieser Anordnung nur schwerwiegende Defekte der Verbrennungsanlage nachgewiesen werden können.
  • Aus der DE-B-34 35 902 ist eine Vorrichtung bekannt, welche die Schadstoffemissionen, insbesondere den Gehalt an Kohlenmonoxid, direkt bestimmen kann. Das Brennstoff-/Luftverhältnis wird dadurch geregelt, daß über einen Sauerstoffsensor ein Sauerstoffsollwert im Abgas eingestellt wird. Der Sauerstoffsollwert wird durch das Signal eines Sensors für brennbare Bestandteile vorgegeben, in dem der minimale Luftüberschuß bestimmt wird, bei dem unverbrannte Bestandteile, vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400 ppm auftreten. Als Sensor für die unverbrannten Bestandteile wird ein halbleitender Metalloxidsensor verwendet, dessen Leistungsfähigkeit vom Gehalt an brennbaren Bestandteilen abhängt. Da eine Konzentration an Kohlenmonoxid von mehr als 100 ppm heute bereits als Fehlfunktion einer Verbrennungsanlage gilt, der verwendete Halbleitersensor jedoch nur zur einer Regelung der unverbrannten Bestandteile in einem Bereich von 200 bis 400 ppm geeignet ist, entspricht diese Vorrichtung den heutigen Anforderungen nicht mehr.
  • In der DE-A-38 07 752 ist eine Vorrichtung mit zwei keramischen Sensoren beschrieben, wobei der ein erster Sensor für die Bestimmung von brennbaren Bestandteilen im Abgas und der zweite für die Ermittlung von gasförmigem Sauerstoff vorgesehen ist. Der erste Sensor wird durch einen Festelektrolyten aus Zirkoniumdioxid gebildet. Dieser ist mit einer einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode und einer vom Meßgas beaufschlagten Elektrode aus Molybdändisilikat versehen. Der zweite Sensor weist ebenfalls einen Festelektrolyten aus Zirkondioxid auf. Der erste Sensor wird auf eine Betriebstemperatur erwärmt, die sich von der Betriebstemperatur des zweiten Sensors unterscheidet. Auf diese Weise läßt sich ein breiter Konzentrationsbereich der brennbaren Bestandteile in einem zu messenden Abgas durch Berechnung auf der Basis der Abgabeleistung der beiden Sensoren für den gasförmigen Sauerstoff bestimmen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, das Abgas einer Verbrennungsanlage der eingangs genannten Art ständig schadstoffrei zu halten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgmäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 2 gelöst.
  • Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Regel- und Überwachungsvorrichtung,
    Fig. 2
    die zyklische Kontrolle des Arbeitspunktes im Diagramm,
    Fig. 3
    den sprunghaften Anstieg des Wasserstoffanteils im Abgas bei Änderung der Verbrennung,
    Fig. 4
    den Verlauf des Meßsignals eines Wasserstoffsensors,
    Fig. 5
    eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Diagramms,
    Fig. 6
    die Überprüfung der O2-Regelung im Diagramm,
    Fig. 7
    die Überprüfung der O2- und H2-Sensoren im Diagramm.
  • Figur 1 zeigt eine Regel- und Überwachungsvorrichtung 1, die einen Sauerstoffsensor 2, einen Wasserstoffsensor 3, eine Verarbeitungseinheit 4 sowie eine Regeleinrichtung 5 aufweist. Der Sauerstoffsensor 2 und der Wasserstoffsensor 3 sind in den Abgaskanal 21 einer Verbrennungsanlage 20 eingebaut. Der Aufbau und die Funktionsweise des Sauerstoffsensors 2 sind in der DE-C-29 45 698 offenbart. Ein Wasserstoffsensor 3, wie er in der Vorrichtung 1 verwendet wird, ist in der DE-A-40 21 929 beschrieben. Der Wasserstoffsensor 3 weist die Eigenschaft auf, daß er für den Fall, daß das Abgas keine brennbaren Bestandteile aufweist, ebenfalls als Sauerstoffsensor betrieben werden kann. Die Signalein- und Ausgänge der beiden Sensor 2 und 3 sind mit den Signalein-und -ausgängen der Verarbeitungseinheit 4 verbunden, von der unter anderem alle Störmeldungen ausgegeben werden. Das Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 4 wird der Regeleinrichtung 5 zugeführt. Diese kann mit einem Ausgangssignal, das einem Stellglied 6 zugeleitet wird, die Luftzufuhr für die Verbrennungsanlage 20 mit Hilfe einer Luftklappe 7 steuern.
  • Damit das aus der Verbrennungsanlage 20 kommende Abgas 22 keinen, oder nur einen sehr geringen Anteil an brennbaren Bestandteilen aufweist, wird dem Brennstoff, der über die Leitung 9 zugeführt wird, gerade so viel Luft beigemischt, daß das Brennstoff-/Luftgemisch, das der Verbrennungsanlage 20 über die Leitung 8 zugeführt wird, gerade noch eine vollständige Verbrennung ermöglicht. Ändert sich die Brennerkennlinie, was auf Grund von Heizwertänderungen des Brennstoffs, von Luftdruck- und Temperaturschwankungen, Düsenverstopfungen oder auch Laständerungen der Verbrennungsanlage hervorgerufen werden kann, so setzt eine unvollständige Verbrennung ein. Um diese zu vermeiden, werden zyklische Überprüfungen des Arbeitspunktes der Verbrennungsanlage durchgeführt. Bei Abweichung von einer vollständigen Verbrennung wird sofort eine Neueinstellung des Arbeitspunktes durchgeführt. Kann kein neuer Arbeitspunkt gefunden werden, so gibt die Verarbeitungseinheit 4 eine entsprechende Störmeldung aus.
  • In Figur 2 ist in einem Diagramm die zyklische Kontrolle des Arbeitspunktes und dessen Neueinstellung dargestellt. Bei der Kontrolle wird von dem Istzustand ausgegangen, d. h. von dem augenblicklichen Arbeitspunkt der Verbrennungsanlage 20. Mit Hilfe der Regeleinrichtung 5 wird die Luftzufuhr über die Leitung 8 zur Verbrennungsanlage 20 so reduziert, daß der Rest des Sauerstoffs im Abgas um einen Betrag von X%, gleich 0,1% reduziert wird. Die Abnahme des Restsauerstoffs im Abgas 22 kann mit Hilfe der Sauerstoffsonde 2 erfaßt werden. Gleichzeitig wird das Spannungssignal der Wasserstoffsonde 3 überprüft. Durch die Reduzierung der Sauerstoffzufuhr wird die Verbrennungsanlage 20 von einer vollständigen Verbrennung zu einer unvollständigen Verbrennung übergehen. Dies bedeutet, daß das Spannungssignal U des Wasserstoffsensors 3 ansteigt. In der Verarbeitungseinheit 4 wird die Differenz Ud = Un - Uv zwischen dem Spannungssignal Uv vor der Reduzierung der Sauerstoffzufuhr und dem Spannungssignal Un nach der Reduzierung der Sauerstoffzufuhr gebildet. Wie anhand der Figuren 3 und 4 zu sehen ist, steigt der Anteil des Wasserstoffs im Abgas 22 beim Übergang von einer vollständigen Verbrennung zu einer unvollständigen Verbrennung sprunghaft an. Wie Figur 4 zeigt, gilt das auch für das Spannungssignal, das sich zwischen den beiden Elektroden des Wasserstoffsensors 3 ausbildet. Die zwischen den beiden Spannungssignalen Un und Uv gebildete Differenz Ud wird mit einem Schwellwert bzw. Grenzwert verglichen. Dieser Grenzwert ist in der Verarbeitungseinheit 4 gespeichert und hat bei dem hier beschriebenen Beispiel einen Wert von 100 mV. Ist die Differenz Ud kleiner, so wird die Sauerstoffzufuhr für die Verbrennungsanlage 20 nochmals reduziert, derart, daß sich der Sauerstoffanteil im Abgas 22 nochmals um 0,1% reduziert. Dieser Vorgang wird solange durchgeführt, bis die Differenz Ud größer als der Grenzwert ist. Ist das der Fall, so wird die Arbeitspunkteinstellung fortgesetzt. Die Luftzufuhr für die Verbrennungsanlage 20 wird jetzt um einen Betrag von D% erhöht, so daß gerade wieder eine vollständige Verbrennung erfolgt. Dieser Werts liegt bei 0,3%. Damit ist der neue Arbeitspunkt eingestellt. Die Verbrennungsanlage wird nun mit dieser Arbeitspunkteinstellung bis zur nächsten Prüfung betrieben.
  • Figur 5 zeigt eine andere Möglichkeit, der Arbeitspunktkontrolle und -einstellung. Hierfür wird die Sauerstoffzufuhr gemindert, und zwar so, daß der restliche Anteile des Sauerstoffs im Abgas 22 um X%, gleich 0,1% reduziert wird. In der Verareitungseinheit 4 wird wiederum die Differenz Ud zwischen den Spannungssignalen Uv und Un gebildet, die vor und nach der Reduzierung des Sauerstoffs im Abgas an der Wasserstoffsonde 3 abgegriffen werden. Anschließend bildet die Verarbeitungseinheit 4 den Quotienten Ud/X% aus der Spannungsdifferenz Ud und dem prozentualen Anteil X% der Reduzierung des Restsauerstoffes im Abgas. Nun wird von der Verarbeitungseinheit 4 geprüft, ob dieser Quotient größer oder kleiner als ein Grenzwert ist, der in der Verarbeitungseinheit 4 gespeichert ist. Bei dem hier beschriebenen Beispiel ist der Grenzwert auf 2000 mV/% festgelegt. Ist der Quotient Ud/X% kleiner, so wird die Sauerstoffzufuhr zur Verbrennungsanlage 20 nochmals reduziert, und zwar derart, daß sich der Anteil des restlichen Sauerstoffs im Abgas um nochmal 0,1% reduziert. Anschließend wird wieder der Quotienten Ud/X% gebildet und mit dem Grenzwert verglichen. Diese Verfahrensschritte werden solange durchgeführt, bis der Quotient Ud/X% größer ist als der Grenzwert. Anschließend wird die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage 20 um D%, gleich 0,3% erhöht, so daß gerade wieder eine vollständige Verbrennung erfolgt. Die Verbrennungsanlage wird dann bis zur nächsten Überprüfung mit diesem Überschuß an Sauerstoff betrieben. Die besonderen Vorteile dieser hier beschriebenen Quotientenbildung als Kriterium zur Erkennung des Einsetzens einer unvollständigen Verbrennung liegen darin, daß kleine Änderungen der Spannung U des Wasserstoffsensors keinen Einfluß auf die Funktionen haben, da ja nur relative Signaländerungen betrachtet werden. Die Verringerung der absoluten Sensorempfindlichkeit durch Elektrodenalterung hat zudem keinen Einfluß auf die Funktion, da die Steigung der Sensorkennlinie, die in Figur 4 dargestellt ist, auch noch deutlich zwischen vollständiger und unvollständiger Verbrennung unterscheidet, wenn der absolute Signalwert im steilen Ast der Kennlinie auf Grund von Elektrodenalterung abnimmt. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Steigung der Sensorkennlinie nach Figur 4 bereits ansteigt, sobald der Übergang zu einem Zustand unvollständiger Verbrennung erfolgt. Mit dieser Art der Regelung wird also die Wasserstoffemission auf Werte unterhalb von 100 ppm begrenzt. Die Regel- und Überwachungsvorrichtung 1 erlaubt eine stündliche Überwachung und Neueinstellung des Arbeitspunktes.
  • Da sich der Arbeitspunkt nicht nur durch eine Änderung der Kennlinie der Verbrennungsanlage 20 verschieben kann, sondern auch auf Grund eines Fehlverhaltens einer der Sensors 2 oder 3 oder der O2-Regelung, ist auch die periodische Überwachung der Sensoren 2 oder 3 und der O2-Regelung in regelmäßigen Intervallen z. B. täglich erforderlich. Das kann ebenfalls mit Hilfe der erfindungsgemäßen Regel- und Überwachungseinrichtung durchgeführt werden. Bei der Überwachung der O2-Regelung, wie sie in Figur 6 dargestellt ist, wird zunächst der Arbeitspunkt der Verbrennungsanlage 20 neu eingestellt, und zwar wie oben beschrieben. Zeigt der Wasserstoffsensor 3 für brennbare Bestandteile einen erhöhten Signalanstieg, so wird der Arbeitspunkt nochmals neu eingestellt. Ist ein neuer Arbeitspunkt gefunden, so wird eine Meldung ausgegeben, daß eine Überprüfung der Betriebsparameter erforderlich ist. Wird kein neuer Arbeitspunkt gefunden, so wird mit Hilfe der Regeleinrichtung 5 die Luftzufuhr zur Verbrennunganlage 20 soweit erhöht, daß die Verbrennung mit Luftüberschuß erfolgt. Dies hat zur Folge, daß das Spannungssignal U des Wasserstoffsensors kleiner wird, was gleichbedeutend ist mit einer Verschiebung des Arbeitspunktes in Richtung einer vollständigen Verbrennung. In diesem Fall wird eine Information ausgegeben, daß der Wasserstoffsensor in Ordnung ist, jedoch die Sauerstoffregelung defekt. Ferner wird eine Meldung ausgegeben, daß die Verbrennungsanlage weiter mit mechanisch eingestelltem Luftüberschuß arbeitet. Wird durch die mechanische Erhöhung der Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage 20, die Größe des Spannungssignals U am Wasserstoffsensor 3 nicht reduziert, so ist der Sensor 3 defekt. Es erfolgt eine Meldung, daß der Wasserstoffsensor 3 defekt und die Verbrennungsanlage 20 weiter mit mechanisch eingestelltem Luftüberschuß betrieben wird.
  • Wird der Arbeitspunkt der Verbrennunganlage 20 zyklisch eingestellt, und weist das Spannungssignals U des Wasserstoffsensors 3 trotzdem einen erhöhten Anstieg auf, so ist dies ein Hinweis darauf, daß sich die Kennlinie der Verbrennungsanlage drastisch verändert hat, oder der Sauerstoff- bzw. der Wasserstoffsensor defekt ist.
  • Die Überprüfung der beiden Sensoren 2 und 3 erfolgt, wie in Figur. 7 dargestellt, derart, daß die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage 20 soweit erhöht wird, daß der Sauerstoffanteil im Abgas 22 einen Überschuß von V% aufweist, der beispielsweise zwischen 6,5% und 9% liegen kann. Nun wird geprüft, ob das Spannungssignal U des Wasserstoffsensors 3 innerhalb einer zulässigen Bandbreite von beispielsweise 5 bis 60 mV liegt. Ist das nicht der Fall, so wird eine Störmeldung ausgegeben, daß der H2-Sensor defekt ist, und der Sauerstoffanteil des Abgases nach einem fest einprogrammierten Kennfeld in der Verarbeitungseinheit 4 eingestellt wird. Weist das Spannungssignal der Wasserstoffsonde 3 einen Wert zwischen 5 und 60 mV auf, so wird die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage dreimal so verändert, daß der Sauerstoffanteil im Abgas 22 bei drei verschiedenen O2-Werten R%, S%, T% beispielsweise bei 7%, 5% und 3% liegt. Aus den hieraus resultierenden Spannungssignalen UR, US und UT des Wasserstoffsensors 3 wird der Sauerstoffanteil gemäß der Spannungskennlinie des Wasserstoffsensors 3 mit Hilfe der Verarbeitungseinheit 4 berechnet. Stimmen diese Werte nicht mit den Sauerstoffwerten überein, die von dem Sauerstoffsensor 2 ermittelt werden, wird eine Störmeldung ausgegeben, daß der H2-Sensor oder der O2-Sensor defekt ist, und die Verbrennungsanlage 20 auf festem Arbeitspunkt mit hohem Luftüberschuß gefahren wird. Stimmen die ermittelten Sauerstoffwerte mit den gemessenen Sauerstoffwerten des Sauerstoffsensors 2 überein, so wird die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage 20 kurzfristig so gedrosselt, daß der Sauerstoffanteil im Abgas nur noch U%, beispielsweise nur noch 0,8% beträgt. Steigt daraufhin das Spannungssignal der Wasserstoffsensor 3 an, so wird von der Verarbeitungseinheit eine Meldung ausgegeben, daß der O2-Sensor defekt ist, und daß der Wasserstoffsonde in Ordnung ist Steigt das Spannungssignal nicht an, wird eine Meldung ausgegeben, daß die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage gemäß einer fest einprogrammierten Kennlinie erfolgt.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Verbrennungsanlage (20) für strömende gasförmige oder flüssige Brennstoffe, der ein Wasserstoff- und ein Sauerstoffsensor (2 und 3) nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung des Arbeitspunktes der Verbrennungsanlage auf eine gerade noch vollständige Verbrennung die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage (20) soweit reduziert wird, daß sich der restliche Sauerstoffanteil im Abgas um X% reduziert, daß aus den Spannungssignalen Uv, Un des Wasserstoffsensors (3), die vor und nach der Reduzierung des Sauerstoffanteils im Abgas (22) gemessen werden, die Differenz Ud = Un - Uv gebildet und mit einem Grenzwert verglichen wird, daß der Sauerstoffanteil im Abgas (22) stufenweise solange um X% reduziert wird, bis die gebildete Differenzspannung Ud größer ist als der vorgegebene Grenzwert, daß im Anschluß daran die Sauerstoffzufuhr zur Verbrennungsanlage (20) soweit erhöht wird, daß der restliche Anteil des Sauerstoffs im Abgas um D% erhöht wird und damit gerade noch eine vollständige Verbrennung erfolgt, wobei die Werte X% = 0,1% und D% = 0,3% gewählt werden, und dass diese Einstellung bis zur nächsten Prüfung als neuer Arbeitspunkt dient und die Kontrolle dieser Einstellung, die Kontrolle der O2-Regelung sowie die des Wasserstoff- und des Sauerstoffsensors zyklisch erfolgt.
  2. Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Verbrennungsanlage (20) für strömende gasförmige oder flüssige Brennstoffe, der ein Wasserstoff- und ein Sauerstoffsensor (2 und 3) nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage (20) so reduziert wird, daß sich der restliche Anteil des Sauerstoff im Abgas um X% reduziert, daß aus den Spannungssignalen Uv, Un des Wasserstoffsensors (3), die vor und nach der Reduzierung ermittelt werden, die Differenz Ud = Un-Uv gebildet und hieraus zusammen mit dem prozentualen Anteil von X% der reduzierten Sauerstoffmenge der Quotient Ud/X% gebildet wird, daß dieser Quotient mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen und die Reduzierung des restlichen Sauerstoffs im Abgas in Stufen von X% solange durchgeführt wird, bis der Quotient größer als der vorgegebene Grenzwert ist, und daß anschließend die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage (20) soweit vergrößert wird, daß der restliche Anteil des Sauerstoffs im Abgas um D% erhöht wird und damit gerade noch eine vollständige Verbrennung erfolgt, wobei die Werte X% = 0,1% und D% = 0,3% gewählt werden, und dass diese Einstellung bis zur nächsten Prüfung als neuer Arbeitspunkt dient und die Kontrolle dieser Einstellung, die Kontrolle der O2-Regelung sowie die des Wasserstoff- und des Sauerstoffsensors zyklisch erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung der O2-Regelung bei erhöhtem Spannungssignal (U) des Wasserstoffsensors ( 3) eine Neueinstellung des Arbeitspunktes vorgenommen wird, daß bei Nichterreichen eines neuen Arbeitspunktes die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage (20) mechanisch so vergrößert wird, daß die Verbrennung mit Luftüberschuß erfolgt, daß bei einer hieraus resultierenden Reduzierung des Spannungssignals (U) des Wasserstoffsensors eine Meldung ausgegeben wird, daß die Sauerstoffregelung defekt ist, und daß bei einer hierdurch nicht erreichten Reduzierung des Spannungssignals (U) eine Meldung ausgegeben wird, daß der Wasserstoffsensor (3) defekt ist, und daß bei defektem Sauerstoffsensor (2) bzw. defektem Wasserstoffsensor (3) zusätzlich eine Meldung ausgegeben wird, daß die Verbrennungsanlage weiter auf mechanisch eingestelltem Luftüberschuß arbeitet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur gegenseitigen Überprüfung der Sensoren (2 und 3) die Luftzufuhr der Verbrennungsanlage (20) soweit erhöht wird, daß der restliche Anteil des Sauerstoffs im Abgas (22) auf V% ansteigt, wobei V% zwischen 6,5% und 9% liegt, daß bei einem hieraus resultierenden Spannungssignal (U) des Wasserstoffsensors (3) außerhalb des zulässigen Intervalls eine Störmeldung H2-Sensor defekt ausgegeben wird, daß die Verbrennungsanlage gemäß einem fest einprogrammierten Kennfeld mit einem geringstmöglichen Sauerstoffüberschuß im Abgas betrieben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorliegen eines Spannungssignals des Wasserstoffsensors (3) im zulässigen Bereich nach Erhöhung des Sauerstoffanteils in Abgas (20) auf V% die Luftzufuhr zur Verbrennungsanlage (20) in drei Stufen auf R%, S% und T% des restlichen Sauerstoffanteil im Abgas (20) eingestellt wird, daß aus den jeweils gemessenen Spannungssignalen (UR, US und UT) des Wasserstoffsensors (3) bei R%, S% und T% Sauerstoffanteil im Abgas der zugehörige Sauerstoffwert aus der Kennlinie des Wasserstoffsensor (3) ermittelt wird, daß die berechneten Sauerstoffwerte mit dem gemessenen Sauerstoffwerten im Abgas verglichen und bei Nichtübereinstimmung eine Störmeldung Sauerstoffsensor (2) oder Wasserstoffsensor (3) defekt und die Verbrennungsanlage (20) arbeitet mit überhöhtem Luftüberschuß ausgegeben wird, daß bei Übereinstimmung die Luftmengenzufuhr der Verbrennungsanlage (20) kurzzeitig so reduziert wird, daß der Sauerstoffanteil im Abgas auf U% reduziert wird, daß bei steigendem Spannungssignal des Wasserstoffsensors (3) eine Meldung Wasserstoffsensor (3) in Ordnung ausgegeben wird, und daß im anderen Fall eine Störmeldung Wasserstoffsensor (3) defekt ausgegeben und die Verbrennungsanlage gemäß einer fest einprogrammierter Kennlinie so betrieben wird, daß das Abgas (22) den geringstmöglichen Sauerstoffüberschuß aufweist, wobei die Werte R% =7%, S% = 5% , T% = 3%, U% = 0,8% und V% zwischen 6,5% und 9% gewählt werden.
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