EP0913643A2 - Verfahren zur automatischen Überwachung einer Feuerungsanlage - Google Patents

Abstract

Zur Überwachung der Verbrennungskonstanz einer Feuerungsanlage misst der Fühler (4) die Temperatur der Abgase nach dem Heizkessel. Er liefert seine Messwerte über das Kabel (2) zu einer in das Gehäuse (1) eingebauten Elektronik. Diese vergleicht die Messwerte mit einer eingespeicherten Basiskurve (BK) und aktiviert, je nach Grad der Abweichung des Istwertes der Abgastemperatur von der Basiskurve, eine der Leuchtdioden (5). Dieser Vorgang wiederholt sich zu Beginn jedes Brennerstarts. Die Leuchtdioden weisen unterschiedliche Farben auf, sodass die Güte der Verbrennung und der Zustand des Heizkessels sofort beurteilt werden können. Bei Uberschreitung eines zulässigen Grenzwertes der Abgastemperatur wird der Brenner automatisch abgestellt.

Durch diese einfache Kontrollmöglichkeit ist selbst ein Laie in der Lage, die Verbrennungskonstanz seiner Anlage jederzeit zu überprüfen und im Bedarfsfalle den Servicedienst zu avisieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Überwachung der Verbrennungskonstanz einer im wesentlichen aus Heizkessel und Brenner bestehenden Feuerungsanlage und ein Überwachungsgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.

Allein in der Schweiz stehen über 800.000 Feuerungsanlagen in Betrieb. Die Verbrennung wird in der Regel nur alle 2 Jahre anlässlich der Abgaskontrolle oder bei Anlagen mit Serviceabonnement jährlich einmal gemessen. Während des zeitlichen Zwischenraums von Messung zu Messung erfolgt die Verbrennung trotz ihrer dauernden Veränderung weitgehend unkontrolliert. Wenn keine offensichtliche Betriebsstörung auftritt, geht der Betreiber von der Annahme aus, die Verbrennung sei in Ordnung. Dies ist ein weitverbreiteter Trugschluss, welcher dazu führt, dass schlechte Verbrennungen immer wieder viel zu lange unbemerkt bleiben und unsere Umwelt unnötigerweise erheblich belasten.

Bei der verbrennungstechnischen Beurteilung von Feuerungsanlagen ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen der momentan erreichten Verbrennungsgüte bei bestmöglicher Einstellung des Brenners (z.B. anlässlich einer Einregulierung) und der zeitlichen Verbrennungskonstanz, die in regelmässige Abständen von 2 - 3 Monaten Betriebsdauer durch einen Fachmann kontrolliert bzw. nachgemessen werden sollte. Dabei ist es unerlässlich, den Verschmutzungsgrad des Heizkessels bei diesen Nachmessungen in die Bewertung einzuschliessen.

Während heute praktisch alle Feuerungsanlagen bei der Inbetriebnahme sowie bei jeder späteren Einregulierung eine sehr hohe Verbrennungsgüte und einen ebenso hohen Virkungsgrad erreichen, hat sich das Langzeitverhalten, nämlich die Verbrennungskonstanz gegenüber früher eher verschlechtert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die heutigen Brenner mit einer wesentlich höheren "Flammenpressung" arbeiten, was zu einer starken Verengung der Luftdurchlassöffnungen mit entsprechend höherer Verschmutzungsempfindlichkeit geführt hat. Um einer erhöhten Störungsanfälligkeit zu entgehen, werden neuartige Überwachungssonden so eingebaut, dass praktisch nur noch ein Ausbleiben der Flammenbildung erfasst wird.

So ist davon auszugehen, dass speziell bei Kleinanlagen bis 30 kW/h sich die Verbrennung bei einem erheblichen Teil dieser Anlagen bereits nach einem Jahr Betriebsdauer ausserhalb jeder Toleranz befindet. Wenn die Verbrennungsluft auch noch mit Textilfasern aus Waschküchen oder Trocknungsräumen belastet ist, kann dies fast als sicher angenommen werden.

In diesem Umfeld hat der Betreiber der Anlage keine Möglichkeit, den Grad der Verbrennungsgüte seines Brenners zu kontrollieren, es sei denn, er verfüge über die entsprechenden Kenntnisse und Einrichtungen, um Messungen durchzuführen. Dies führt dazu, dass auch sehr starke Verbrennungsabweichungen vom Betreiber gar nicht oder viel zu spät als solche erkannt werden. In der Praxis sind immer wieder Fälle bekannt geworden, in denen sogar tagelang eine schwarze Russfahne dem Kamin entwichen ist, bis der Servicedienst avisiert wurde. Die Folge solcher Vorfälle ist nebst grober Umweltverschmutzung und hohem Brennstoffverbrauch ein mit Russ angefüllter Heizkessel und ein total verrusstes Amin, deren Reinigung zusammen mit der Instandstellung des Brenners erhebliche Kosten verursacht. Zudem besteht bei diesem schlechten Zustand der Feuerungsanlage eine stark erhöhte Brandgefahr.

Dass sich eine Feuerungsanlage im Verlaufe des Betriebes verändert, ist absolut normal und in sich selbst begründet. Es ist nur die Frage, wie schnell und wie stark eine solche Veränderung vor sich geht, und ob das Erreichen eines kritischen Punktes rechtzeitig erkannt wird.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die automatische Überwachung einer Feuerungsanlage anzugeben, mit welchem sich deren Verbrennungskonstanz, ihre Funktionstüchtigkeit und die qualitative Güte der Verbrennung jederzeit und raschest erkennen und beurteilen lassen, und ein Gerät zu schaffen, um dieses Verfahren zu verwirklichen.

Dabei war davon auszugehen, dass für die überwachung einer Feuerungsanlage sich vor allem zwei Kriterien anbieten. Dies ist entweder die kontinuierliche Messung des Restsauerstoffes im Abgas oder eine ebenfalls kontinuierliche Messung der Abgastemperatur. Beide Werte sind Grundlage für eine Wirkungsgradberechnung und somit von grosser Bedeutung. Die Messung und überwachung des Restsauerstoffes ist sehr aufwendig und teuer und bleibt deshalb für Grossanlagen vorbehalten. Jahrzehntelange Erfahrung hat immer wieder gezeigt, dass jede Veränderung der Verbrennung eine Veränderung der Abgastemperatur zur Folge hat. De wurde daher dieses Kriterium als Grundlage gewählt.

Die Lösung der obenstehenden Aufgabe wurde darin gefunden, dass der Istwert der Abgastemperatur in zumindest einem wählbaren Zeitpunkt nach jedem Brennerstart gemessen, elektronisch mit einem festgelegten Sollwert verglichen und die relative Lage des gemessenen Wertes zum Sollwert optisch ablesbar angezeigt wird.

Mit Hilfe dieses Verfahrens lässt sich sofort, sozusagen auf einen Blick erkennen, ob die Verbrennung in Ordnung ist oder zumindest die natürliche, zeitlich bedingte Veränderung noch nicht so gravierend ist, dass der Eingriff eines Fachmannes notwendig wäre. Da der Vergleich der gemessenen Abgastemperatur mit einem Sollwert automatisch bei jedem Brennerstart, normalerweise also täglich mehrmals erfolgt, gibt die optische Anzeige immer den neuesten Stand an. So lässt sich jedereit eine Aussage über die Verbrennungskonstanz der Feuerungsanlage und über den Verschmutzungsgrad des Heizkessels machen. Durch das rechtzeitige Erkennen jeder Verbrennungsveränderung kann ein erheblicher Teil der emittierten Schadstoffe vermindert und der Brennstoffvenbrauch herabgesetzt werden. Bei über- oder Unterschreitung festgelegter Grenzwerte der Abgastemperatur wird der Brenner automatisch abgeschaltet.

Das entsprechende Überwachungsgerät erfordert weder Bedienung noch Unterhalt seitens des Betreibers. Es ist auch für die empfindlicheren Kleinanlagen bis 70 kW/h, welche 80 % aller Heizanlagen ausmachen, einsetzbar und über die Einsparungen in nützlicher Frist amortisierbar.

In der beiliegenden Zeichnung ist ein Überwachungsgerät als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 das Gerät von vorne;

Fig.2 den zugehörigen Temperaturfühler von der Seite;

Fig.3 ein Zeit-Temperatur-Diagramm des Abgases.

Nach den Figuren 1 und 2 ist in das zweiteilige Gehäuse 1 eine (nicht gezeichnete) Elektronik eingebaut. Sie ist über das Kabel 2 mit dem Anschlusskästchen 3 verbunden, an dem der Temperaturfühler 4 befestigt ist. Dieser ist an geeigneter Stelle, vorzugsweise im Bereich der vorhandenen Messöffnung, derart an das Rauchrohr montiert, dass es in die Abgase hineinragt. Seine Messwerte gelangen über das Kabel 2 zur Elektronik, die mit den Leuchtdioden 5 in Verbindung steht. Das Gerät selbst ist an einer leicht zugänglichen, vor allem aber gut sichtbaren Stelle angebracht.

Die Leuchtdioden könnten alle von gleicher Farbe sein, doch wäre dann unter Umständen, insbesondere im Finstern, nicht leicht feststellbar, welche der Dioden gerade leuchtet. Dieser Mangel kann in einfacher Weise behoben werden, wenn Dioden mit unterschiedlichen Farben verwendet werden. Für den Bedarfsfall ist auch noch die Beschriftung 6 zu jeder Diode vorgesehen.

Die Funktionsweise des Gerätes soll anhand des Diagramms nach Fig.3 dargelegt werden, das nirgends tatsächlich aufscheint und nur zur Erklärung dient.

Nachdem der Brenner - es kann gleicherweise ein Öl- oder ein Gasbrenner sein - bei gereinigtem (oder bei einem neuen) Heizkessel auf optimale Verbrennungswerte eingestellt worden ist, wird die Taste 7 am Überwachungsgerät betätigt. Die Kesseltemperatur soll in diesem Moment ca. 50 - 60°C ohne bzw. 70 - 80°C mit Warmwasseraufbereitung betragen. Auf diesen Auslösebefehl wird nach der Brennstoff-Freigabe während einer kurzen Zeitspanne der Verlauf der Abgastemperatur, der einer Idealkurve gleichkommt, als Basiskurve BK für die folgenden pressungen in die Elektronik eingespeichert.

Für die späteren Vergleichsmessungen wird nur ein Teil der Basiskurve herangezogen, z.B, der Messbereich M in der Zeitspanne zwischen 1' und 5'. In diesem Bereich M steigt die Abgastemperatur T_A bei einer guten Verbrennung von ca. 100° auf 140°C an.

In der Folge wird nach jedem Brennerstart während der gleichen, eben genannten Zeitspanne die Kurve des Verlaufs der Abgastemperatur von der Elektronik erfasst, mit der gespeicherten Basiskurve verglichen, ausgewertet und durch die Leuchtdioden signalisiert, wobei selbstverständlich die jeweiligen Vergleichspunkte zeitlich genau übereinstimmen müssen.

Eine Abweichung der gemessenen Temperaturkurve von der Basiskurve um ± 20°C ist noch nicht zu beanstanden. Es ist dies der Bereich 8 im Diagramm. Am Gerät leuchtet eine grüne Diode auf, die mit der Beschriftung "Verbrennung in Ordnung" versehen ist.

Liegt die Abweichung der gemessenen Werte im Bereich 9, laut Diagramm also zwischen + 20° und + 40°C, so ist Vorsicht geboten und eine Kontrolle empfehlenswert. Es leuchtet eine gelbe Diode auf mit der Beschriftung "Abweichung vorhanden".

Leuchtet eine rote Diode auf mit der Beschriftung "Servicedienst avisieren", so liegen die Messwerte im Bereich 10, die Abweichung von der Basiskurve beträgt zwischen + 40° und + 60°C. Es besteht die Gefahr einer grösseren Havarie und ein Fachmann ist raschest beizuziehen. Werden die 60° noch überschritten, dann wird der Brennerbetrieb automatisch unterbrochen und die rote Diode beginnt zu blinken.

Ein Absinken der Abgastemperatur unter die Basis kurve ist gefährlicher als ein Ansteigen darüber hinaus. Bei einer Abweichung bis zu - 20°C ist die Verbrennung noch in Ordnung, wie schon zur grünen Diode ausgeführt wurde. Unterschreitet jedoch die Abweichung der Abgastemperatur einen Grenzwert von - 20°C, so ist bereits Gefahr in Verzug, der Brenner schaltet ab und eine blaue Diode mit der Beschriftung "Servicedienst avisieren" fängt zu blinken an.

Die Dioden leuchten nicht bloss während der Messung auf, sondern bleiben aktiv bis zum nächsten Brennerstart, worauf vielleicht eine andere Diode einen geänderten Zustand der Verbrennungskonstanz anzeigt.

Durch die unterschiedlichen Farben der Leuchtdioden lässt sich sofort, selbst im Finstern, der Momentanzustand einer Feuerungsanlage erkennen. Durch eine regelmässige Ablesung des Überwachungsgeräts kann die Verbrennungskonstanz leicht kontrolliert und ein grösserer Schaden vermieden werden.

Nach erfolgter Inszandstellung von Brenner und Heizkessel und Einstellung der Feuerung wird vom Monteur die Taste 7 gedrückt, wodurch eine neue Basiskurve in die Elektronik eingespeichert und gleichzeitig die alte gelöscht wird.

Die oben angeführten Bereiche werden werkseitig eingestellt, können aber vom Fachmann je nach Anlage auch Individuell angepasst werden. Die Messgenauigkeit liegt unterhalb von ± 1 %, das Gerät ist aber trotzdem sehr unempfindlich und für eine lange Einsatzzeit vorgesehen, denn es werden keine eigentlichen Verschleissteile verwendet.

Es sei noch erwähnt, dass bei einem Abstellen des Brenners und dem damit eintretenden Blinken der roten oder blauen Diode auch ein akustisches Signal ausgelöst werden kann, was nur einen geringen Aufwand erfordert.

Wenn bisher ein bestimmter Messbereich bzw. eine gewisse Zeitspanne für den Vergleich des Istwertes der Abgastemperatur mit einem durch die Basiskurve festgelegten Sollwert für die überwachung herangezogen wurde, so ist das nicht die einzige Möglichkeit. Der Vergleich erfolgt hier sozusagen, zeitlich gesehen, von Punkt zu Punkt. Für einen einfacheren Überwachungsvorgang würde auch ein einzelner Messpunkt genügen, z.B. 4' nach dem Brennerstart. Eine solche Messung ist aber weniger aussagekräftig, weil eventuell auftretende, kurzzeitige Unregelmässigkeiten das Resultat verfälschen könnten.

Durch eine zeitliche Anhebung des Grundtoleranzfeldes (z.B. in Schritten von +1°C pro 100 Betriebsstunden ab letzter Kesselreinigung) kann die auch bei einwandfreier Verbrennung auftretende, durch zunehmenden Kesselbelag bedingte Veränderung vorprogrammiert und so berücksichtigt werden. Gestützt darauf können die durch die Verbrennung verursachten Veränderungen zwischen zwei Kesselreinigungen zeitlich erfasst und exakt ausgewertet werden. Diese Operationen lassen sich in einfacher Weise von der Elektronik ausführen.

Es kann auch bei jedem Brennerstart die Anfangstemperatur, welche stets in einem bestimmten Verhältnis zur Heizkesseltemperazur steht, durch die Elektronik registriert und daraus ein entsprechender Umrechnungsfaktor ermittelt werden. Die 3asiskurve wird für die darauf folgende Messung automatisch um den ermittelten Wert korrigiert. Damit werden die durch unterschiedliche Heizkesseltemperaturen bedingten Abweichungen kompensiert.

Mit den vorgenannten Schritten ist eine wesentliche Verfeinerung der Verbrennungsüberwachung möglich.

Neben der eigentlichen Verbrennungsüberwachung wird erstmals auch ein verlässlicher Massstab als Basis für einen künftigen bedarfsabhängigen Unterhalt durch Kalainfeger oder Servicedienst geschaffen. Gegenüber der heutigen Praxis sind dadurch bei vielen Anlagen wesentliche Kostensenkungen möglich.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die amtlich angeordneten periodischen Abgaskontrollen Feinmessungen sind, welche die umfängliche chemische Zusammensetzung der Abgase erfassen. Sie werden in der Regel alle 2 Jahre durchgeführt und können natürlich durch das erfindungsgemässe Überwachungssystem nicht ersetzt werden. Dieses dient ausschliesslich der Konstanzüberwachung zwischen zwei Abgas kontrollen. Hingegen ergibt ein Zusammenwirken von Kontrolle und Überwachung ein höchstmögliches Mess an Sicherheit, welches von den Abgaskontrollen allein nie gewährleistet werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur automatischen Überwachung der Verbrennungskonstanz einer im wesentlichen aus Heizkessel und Brenner bestehenden Feuerungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert, der Abgastemperatur in zumindest einem wählbaren Zeitpunkt nach jedem Brennerstart gemessen, elektronisch mit einem festgelegten Sollwert verglichen und die relative Lage des gemessenen Wertes zum Sollwert optisch ablesbar angezeigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Abgastemperatur während eines wählbaren Zeitabschnittes dauernd erfolgt und die gemessenen Werte mit entsprechenden Sollwerten einer festgelegten 3asiskurve (BK) elektronisch verglichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Abgastemperaturkurve des überprüften, einwandfrei funktionierenden Brenners elektronisch gespeichert wird und für den weiteren Betrieb der feuerungsanlage als Basiskurve (BK) dient.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim elektronischen Vergleich der jeweiligen Abgastemperatur mit der eingespeicherten Basiskurve (BK) eine von der Betriebsdauer ab letzter Kesselreinigung und/oder von der Heizkesseltemperatur abhängige Einflussgrösse berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeicherung der Basiskurve (BK) nach der Betätigung einer Taste (7) automatisch erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Einspeicherung einer neuen Basiskurve (BK) die bisher gültige automatisch gelöscht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines Maximalwertes und bei Unterschreitung eines Minimalwertes der Abgastemperatur der Brennerbetrieb automatisch unterbrochen wird.
8. Überwachungsgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in ein Gehäuse (1) eingebaute elektronik, die mit Leuchtdioden (5) für eine optische anzeige in Verbindung steht, von denen jeweils eine in Abhängigkeit sowohl vom Messwert eines Abgastemperaturfühlers (4) als auch von einer in die Elektronik eingespeicherten Basiskurve (BK) von aussen sichtbar aufleuchtet.
9. Überwachungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (4) in das Rauchrohr der Feuerungsanlage hineinragt.
10. Überwachungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (5) unterschiedliche Farben aufweisen.

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