EP2092241B1

EP2092241B1 - Verfahren zum steuern eines verdampferbrenners

Info

Publication number: EP2092241B1
Application number: EP07816236.9A
Authority: EP
Inventors: Josef Wüest; Erwin Schlup
Original assignee: Glutz AG
Current assignee: Glutz AG
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: WO2008058408A3; WO2008058408A2; EP2092241A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Verdampferbrenners der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche Brenner werden vorteilhaft in Heizungsanlagen von Wohn- und Nichtwohnbauten verwendet. Die vom Brenner beim Verbrennen des Brennstoffs erzeugte Wärme heizt beispielsweise Wasser in einem Heizkessel auf. Bei Brennern für flüssige Brennstoffe wie Schweröl, Heizöl extra leicht oder Kerosin existieren Brenner existieren zwei grundsätzliche Bauarten, nämlich einerseits Brenner, bei denen der flüssige Brennstoff mittels einer Düse zerstäubt wird, die als Zerstäuberbrenner bezeichnet werden, sowie andererseits Brenner, bei denen der flüssige Brennstoff unter Wärmeeinwirkung verdampft wird, die als Verdampferbrenner bezeichnet werden.
Ein Brenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der WO-A1-00/12935 bekannt. Er ist zur Verbrennung von Heizöl extra leicht geeignet. Angeordnet ist ein derartiger Brenner im unteren Bereich des Heizkessels.
Um die Verluste beim Betrieb des Heizkessels möglichst niedrig zu halten, um also eine optimale Energieausbeute zu erhalten, sind Heizkessel als sogenannte kondensierende Kessel gestaltet worden, bei denen das Abgas kondensiert wird, so daß die Kondensationswärme des Abgases genutzt werden kann. Die Kesseltemperatur ist dabei nur so hoch, wie unbedingt nötig. Wenn beispielsweise aufgrund der herrschenden Witterung für den Betrieb der Heizung eine Vorlauftemperatur von 30 Grad Celsius ausreicht, so hat der Kessel diese Temperatur. Ein solcher Brenner ist aus WO-A1-2004/109183 bekannt.
In WO-A1-00/12935 ist beschrieben, dass die Verdampferkammer beim Start des Brenners elektrisch beheizt wird. Sobald die Flamme brennt, erfolgt dann eine Beheizung der Verdampferkammer durch die an der Verdampferkammer vorbei strömenden heißen Verbrennungsgase, was mittels eines Umlenkkragens erreicht wird. Somit kann dann die elektrische Heizung abgeschaltet werden.
Bei dem aus WO-A1-2004/109183 bekannten Brenner bedarf es eines solchen Umlenkkragens nicht, weil die Flamme unterhalb der Verdampferkammer brennt, so dass die aufsteigenden heißen Verbrennungsgase ohne zusätzliche Hilfsmittel die Verdampferkammer aufheizen. Gezeigt sind hier aber auch Ausführungsbeispiele eines besonders gestalteten Mantels, womit der der Aufheizung der Verdampferkammer dienende Teil der heißen Verbrennungsgase beeinflussbar ist.
Aus JP-A-5-312 320 ist ein Brenner bekannt, der eine Vergasungskammer aufweist. Aus der Tatsache, dass gemäß der Figur die Brennstoffzufuhr von einem Mantel von Verbrennungsluft umgeben ist, lässt sich eventuell schließen, dass es sich um einen Zerstäuberbrenner handelt. Aufgrund des Signals eines Temperaturfühlers in der Wand der Vergasungskammer wird der Inbetriebsetzungsvorgang gesteuert, wobei es die Aufgabe ist, das Zündverhalten für den vergasten Brennstoff zu verbessern.
Ähnliches gilt für JP-A-8-42 846 , das ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart. Hier wird dann, wenn die an der Vergasungskammer gemessene Temperatur höher ist als ein Grenzwert, die Luftmenge erhöht und gleichzeitig die Brennstoffmenge reduziert. Dies dient offenbar dem Zweck, eine Überhitzung der Vergasungskammer zu vermeiden, denn bei einer solchen Überhitzung könnte es zu einem Zurückschlagen der Flamme in die Vergaserkammer kommen, was vermieden werden muss.
Bei Brennern solcher Bauart kommt der Verdampfung des Brennstoffs, beispielsweise Heizöl der Sorte extra leicht, außerordentlich große Bedeutung zu. So muss die Temperatur der Verdampferkammer genügend hoch sein, damit der Brennstoff vollständig verdampft. Die Praxis hat gezeigt, dass im Laufe des Betriebs eines solchen Brenners durch Alterungserscheinungen und durch Ablagerungen im Heizkessel Störfälle auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Häufigkeit solcher Störfälle drastisch zu reduzieren, um über lange Zeit einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Aufheizdiagramm für die Verdampferkammer beim Start eines Brenners,

Fig. 2 ein solches Diagramm, in dem eine Regelgröße eingetragen ist,
Fig. 3 ein weiteres solches Diagramm für einen möglichen Betriebsfall,
Fig. 4 ein Temperatur-Leistungs-Diagramm,
Fig. 5 ein weiteres Temperatur-Zeit-Diagramm für ein vorteilhaftes Regelverfahren und
Fig. 6 ein Temperatur-Zeit-Diagramm bei einer Leistungsänderung.

Brenner, bei denen die vorliegende Erfindung angewendet wird, sind wie erwähnt beispielsweise aus WO-A1-00/12935 und WO-A1-2004/109183 bekannt, so dass der Aufbau eines solchen Brenners hier nicht beschrieben werden muss.
In der Fig. 1 ist ein Aufheizdiagramm für die Verdampferkammer beim Start eines Brenners gezeigt. Auf der Abszissenachse ist die Zeit dargestellt, auf der Ordinatenachse die Temperatur der Verdampferkammer. Der Verlauf eines Verdampferkammertemperatur-Istwerts T_VDKIst ist mit durchgezogener Linie gezeigt. Zum Zeitpunkt t₀ wird der Brenner gestartet. Damit beginnt der Inbetriebsetzungsvorgang. Dieser umfasst in bekannter. Weise das Einschalten der elektrischen Heizung der Verdampferkammer und das Vorlüften des Brennraums. In der Folge steigt die Temperatur der Verdampferkammer an. Sobald die Temperatur der Verdampferkammer einen bestimmten Sollwert erreicht hat, wird die Ölzufuhr für den Brenner gestartet und am Brenner entsteht dann durch die Zündung die Flamme. Diese Temperatur wird als Verdampferkammer-Starttemperatur T_VDKSt bezeichnet. Dies geschieht zum Zeitpunkt t₁.
In der Folge wird nun durch die Wärmeentwicklung durch die Flamme die Verdampferkammer weiter aufgeheizt, so dass der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst weiter steigt. Hat dieser Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst eine Schaltgrenze T_VDKSch erreicht, so wird die elektrische Heizung der Verdampferkammer ausgeschaltet. Dies geschieht zum Zeitpunkt t₂. Ab diesem Zeitpunkt t₂ erfolgt nun die weitere Aufheizung der Verdampferkammer allein durch die im Heizkessel produzierte Wärme. Der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst steigt weiter an und erreicht asymptotisch einen Grenzwert T_VDKGrenz.
Feldmessungen haben ergeben, dass der erreichte Grenzwert T_VDKGrenz nicht konstant ist. Anzunehmen ist, dass Schwankungen des Grenzwertes T_VDKGrenz mit dem Heizwert des verwendeten Heizöls zusammenhängen, möglicherweise auch durch die Temperatur der Zuluft für den Verbrennungsvorgang beeinflusst werden. Es hat sich aber auch gezeigt, dass der Grenzwert T_VDKGrenz sich im Laufe der Zeit verändert, also mit dem Zustand des Heizkessels zu tun haben könnte.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass bei in Betrieb befindlichem Brenner der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst auf einen Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll geregelt wird und zwar dadurch, dass die dem Brenner zugeführte Luftmenge variiert wird, was mittels einer Steuerung einer Drehzahl D des Gebläses bewerkstelligt wird. Ist der Verdampfer ammertemperatur-Istwert T_VDKIst größer als der Verdampferkammertemperatur-Sollwe T_VDKSoll, so wird die Drehzahl D des Gebläses erhöht. Weil damit die Menge der dem Brenner zugeführten Luft erhöht wird, sinkt der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst, weil durch den Überschuss der zugeführten kalten Luft die Verdampferkammer abgekühlt wird. Ist der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst kleiner als der Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll, so wird die Drehzahl D des Gebläses reduziert. Weil damit die Menge der dem Brenner zugeführten Luft vermindert wird, steigt der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst an, weil durch die geringere Menge der zugeführten kalten Luft die Verdampferkammer weniger stark abgekühlt wird.
Erfindungsgemäß erfolgt also eine Regelung der Drehzahl D des Gebläses des Brenners durch eine Funktion $D = f (T_{VDKIst})$

so, dass der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst einen Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll erreicht.
Der Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKsoll ist abhängig von der Bauart des Heizkessels und des Brenners und beträgt beispielsweise 480 °C. Bei der Festlegung des optimalen Verdampferkammertemperatur-Sollwerts T_VDKSoll für eine bestimmte Brennerbauart ist es erforderlich, durch Messungen des Abgasstroms sicherzustellen, dass die Immissionsgrenzwerte eingehalten werden. Wenn dies mit der nötigen Sorgfalt geschieht, dann ist durch die Regelung des Verdampferkammertemperatur-Istwerts T_VDKIst auf den Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll gleichzeitig auch sichergestellt, dass der Brenner schadstoffarm betrieben wird.
In der Fig. 2 ist die gleiche Darstellung gewählt wie in der Fig. 1, jedoch ist anstelle des sich ohne eine Regelung der Verdampferkammertemperatur ergebenden Grenzwertes T_VDKGrenz der genannte Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll eingezeichnet. Sobald der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst den Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll erreicht, was zum Zeitpunkt t₃ der Fall ist, setzt die zuvor erwähnte Regelung der Verdampferkammertemperatur ein.
In der Fig. 3 ist ein gleichartiges Diagramm wie in der Fig. 2 gezeigt, jedoch ist hier ein Betriebsfall gezeigt, bei dem der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst den Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll gar nicht erreicht. Das kann beispielsweise ein Indiz dafür sein, dass die Luftmenge zu groß ist. Das Ereignis zum Zeitpunkt t₃ tritt also nicht ein. Für einen solchen Fall ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass nach einer bestimmten Zeit, nämlich zum Zeitpunkt t₄, die Regelung zwangsweise einsetzt. In diesem Fall wird also durch eine entsprechende Verringerung der Drehzahl des Gebläses die Luftmenge vermindert, wodurch dann in der Folge der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst ansteigt. Nun findet also die erfindungsgemäße Regelung der Verdampferkammertemperatur statt. Der Zeitpunkt t₄ ist von der Brennerbauart abhängig. Er kann beispielsweise definiert werden durch einen zeitlichen Abstand zum Zeitpunkt t₂.
Ist der Brenner ein modulierbarer Brenner, bei dem die Heizleistung P zwischen einem Kleinlastwert P_min und einer Nennlast P_Nenn stufenlos oder auch in Stufen variiert werden kann, so ist es vorteilhaft, den Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll von der Heizleistung P gemäß einer Funktion $T_{VDKSoll} = f (P)$

abhängig zu machen. Für eine bestimmte Brennerbauart beträgt der optimale Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll beim Kleinlastwert P_min beispielsweise 450 °C und bei Nennlast P_Nenn beispielsweise 500 °C. Bei Heizleistungen zwischen diesen beiden Grenzen wird der Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll durch eine Interpolation festgelegt.
Dies ist in der Fig. 4 dargestellt. Auf der Abszissenachse ist die Brennerleistung dargestellt, auf der Ordinatenachse die Temperatur der Verdampferkammer. Dem Kleinlastwert P_min ist ein Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSollmin zugeordnet, der Nennlast P_Nenn ein Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSollNenn. Dazwischen wird interpoliert, was durch eine diese beiden Endpunkte verbindende Gerade dargestellt ist.
Anhand der Fig. 2 und 3 war geschildert worden, wann die Regelung der Verdampferkammertemperatur einsetzt, nämlich im Fall der Fig. 2 zum Zeitpunkt t₃, im Fall der Fig. 3 zum Zeitpunkt t₄. In der Fig. 5 ist eine weitere vorteilhafte Lösung gezeigt, die für beide Fälle anwendbar ist. Dabei wird die Regelung der Verdampferkammertemperatur nach Ablauf einer festen Zeitspanne Δt ab dem Zeitpunkt t₂ eingeschaltet. Dies ist als Zeitpunkt t₅ bezeichnet. Erst ab diesem Zeitpunkt ist der Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll wirksam. In der Fig. 5 sind zwei mögliche Fälle gezeigt. Mit durchgezogener Linie ist gezeigt, wie während der Zeitspanne Δt der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst so ansteigt, dass der zum Zeitpunkt t₅ niedriger ist als der Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll-Folglich wird nun durch den Regler die Drehzahl D des Gebläses reduziert, so dass die Regeldifferenz ausgeregelt wird.
Mit punktierter Linie ist ein zweiter Fall gezeigt, bei dem während der Zeitspanne Δt der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst stärker ansteigt, nämlich so, dass der zum Zeitpunkt t₅ höher ist als der Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll. Folglich wird nun durch den Regler die Drehzahl D des Gebläses erhöht, so dass die Regeldifferenz ausgeregelt wird.
In der Fig. 6 ist ein Temperatur-Zeit-Diagramm gezeigt, das einen Betriebsfall betrifft, bei dem zu einem Zeitpunkt t₆ die Brennerleistung aufgrund eines veränderten Leistungsbedarfs verändert wird. Vor dem Zeitpunkt t₆ ist der Brenner mit einer ersten Heizleistung P₁ in Betrieb. Dieser Heizleistung P₁ zugeordnet ist ein bestimmter Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll1- Zum Zeitpunkt t₆ wird die Heizleistung P verändert, nämlich auf eine zweite Heizleistung P₂, die in diesem Falle größer ist als die ersten Heizleistung P₁. Der zweiten Heizleistung P₂ ist in Übereinstimmung mit dem, was in der Fig. 4 dargestellt ist, ein anderer Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll zugeordnet, nämlich ein höherer zweiter Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll2. Zum Zeitpunkt t₆ entsteht somit ein Sollwertsprung.
Die Folge dieses Sollwertsprungs wäre nun, dass die Drehzahl D des Gebläses sofort reduziert werden müsste, weil zum Zeitpunkt t₆ der Verdampferkammertemperatur-Istwert T_VDKIst noch dem Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll1 entspricht, wenn die Verdampferkammertemperatur vor dem Zeitpunkt t₆ die Regeldifferenz ausgeregelt war. Dabei wäre die Reduktion umso größer, je größer der Sollwertsprung ist.
Das könnte nun aber dazu führen, dass die dem Brenner zugeführte Luftmenge so klein wird, dass die Verbrennung nicht mehr vollständig wäre, also unterstöchiometrisch. Somit enthielte das Abgas unverbrannte Kohlenwasserstoffe, was nicht zulässig ist.
Deshalb ist es vorteilhaft, den Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll nicht sprungartig, sondern stetig zu verändern. Dies geschieht durch eine langsame Anpassung des Verdampferkammertemperatur-Sollwerts T_VDKSoll. Der Übergang vom ersten Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll1 auf den zweiten Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll2 geschieht also beispielsweise nach einer linearen Übergangsfunktion stetig. Die stetige Anpassung geschieht während einer Übergangszeit tÜ, so dass erst nach deren Ablauf zu einem Zeitpunkt t₇ der zweite Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll2 erreicht ist. Die Anpassung kann aber auch gemäß einer e-Funktion erfolgen.
Diese stetige Anpassung des Verdampferkammertemperatur-Sollwerts T_VDKSoll ist auch im umgekehrten Fall, bei dem der zweite Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll2 niedriger ist als der erste Verdampferkammertemperatur-Sollwert T_VDKSoll1, sinnvoll, weil damit der Betrieb mit zu hohem Luftüberschuss, der hinsichtlich Wirkungsgrad der Heizung nachteilig ist, vermieden wird.
Die hier vorliegende Regelstrecke zeichnet sich dadurch aus, dass sie relativ träge ist, weil die Masse der Verdampferkammer relativ groß ist und der Wärmeübergang von Luft bzw. Verbrennungsgas auf die Verdampferkammer erfolgen muss. Es liegen also hinsichtlich der Trägheit der Regelstrecke ähnliche Verhältnisse vor wie bei der Regelung einer Raumtemperatur. Infolgedessen ist es vorteilhaft, den zum Einsatz kommenden Regler als PI- oder PID-Regler zu gestalten, so dass beim Regeln des Verdampferkammertemperatur-Istwerts T_VDKIst nach einem PI- oder PID-Regelalorithmus geregelt wird.
Durch die erfindungsgemäße Regelung des Verdampferkammertemperatur-Istwerts T_VDKIst wird eine optimale Verdampfung des Heizöls erreicht. Durch die Erfindung wird außerdem über eine lange Gebrauchszeit ein störungsfreier Brennerbetrieb erreicht, bei dem die Immissionsgrenzwerte eingehalten werden.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Verdampferbrenners, der eine elektrisch aufheizbare Verdampferkammer aufweist, der das zu verbrennende Heizöl zugeführt wird, und der ein Gebläse zur Förderung der Verbrennungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei in Betrieb befindlichem Brenner ein Verdampferkammertemperatur-Istwert (T_VDKIst) auf einen Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll) geregelt wird und zwar dadurch, dass die dem Brenner zugeführte Luftmenge variiert wird, was mittels einer Steuerung einer Drehzahl (D) des Gebläses nach einer von dem Verdampferkammertemperatur-Istwert (T_VDKIst) abhängigen Funktion erfolgt, indem die Drehzahl (D) des Gebläses erhöht wird, wenn der Verdampferkammertemperatur-Istwert (T_VDKIst) größer ist als der Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll), und die Drehzahl (D) des Gebläses vermindert wird, wenn der Verdampferkammertemperatur-Istwert (T_VDKIst) kleiner ist als der Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll) etwa 480 °C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Brenner in seiner Leistung (P) modulierbar ist, bei dem eine Heizleistung (P) zwischen einem Kleinlastwert (P_min) und einer Nennlast (P_Nenn) veränderbar ist, der Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll) gemäß einer von der Heizleistung (P) abhängigen Funktion variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kleinlastwert (P_min) ein Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSollmin) ist und der Nennlast (P_Nenn) ein Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSollNenn) zugeordnet ist und dass beim Betrieb des Brenners mit einer Leistung (P) zwischen diesen Grenzen der der entsprechenden Leistung (P) zugeordnete Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll) durch Interpolation ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dass der dem Kleinlastwert (P_min) zugeordnete Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSollmin) etwa 450 °C und der der Nennlast (P_Nenn) zugeordnete Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSollNenn) etwa 500 °C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem PI-Regelalgorithmus geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem PID-Regelalgorithmus geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn nach dem Brennerstart der Verdampferkammertemperatur-Istwert (T_VDKIst) den Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll) nicht erreicht, die Regelung des Verdampferkammertemperatur-Istwerts (T_VDKIst) zu einem Zeitpunkt (t₄) zwangsweise dadurch eingeleitet wird, dass die Drehzahl (D) des Gebläses und damit die Luftmenge vermindert wird, bis der Verdampferkammertemperatur-Istwert (T_VDKIst) den Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll) erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Verdampferkammertemperatur-Istwerts (T_VDKIst) nach Ablauf einer festen Zeitspanne Δt ab einem Zeitpunkt (t₂), an dem die elektrische Heizung der Verdampferkammer ausgeschaltet wird, einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Heizleistung (P) bei der daraus folgenden Änderung des Verdampferkammertemperatur-Sollwerts (T_VDKSoll) die Änderung von einem ersten Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll1) auf einen zweiten Verdampferkammertemperatur-Sollwert (T_VDKSoll2) in der Weise geschieht, dass während einer Übergangszeit (tÜ) eine stetige Anpassung des Verdampferkammertemperatur-Sollwerts (T_VDKSoll) erfolgt.