EP2466204B1

EP2466204B1 - Regeleinrichtung für eine Brenneranlage

Info

Publication number: EP2466204B1
Application number: EP10195526.8A
Authority: EP
Inventors: Rainer Lochschmied; Bernd Schmiederer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: CA2762751C; ES2441226T3; JP5602714B2; JP2012127644A; US9651255B2; DK2466204T3; EP2466204A1; PL2466204T3; US20120156628A1; CA2762751A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine Brenneranlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Um äußere Störeinflüsse wie Änderung der Brennstoffqualität, Temperatur oder Druckschwankungen auf die Verbrennungsqualität korrigieren zu können, kann das Verhältnis von Luft zu Brennstoff, die sogenannte Luftzahl λ, eingeregelt werden. Ein entsprechender Aufbau wird auch als Brennstoff-Luft-Verbund bezeichnet. Ein besonders kostengünstiger Sensor zur Erfassung der Luftzahl ist die Ionisationselektrode. Mit einer angelegten Wechselspannung fließt durch Elektrode und Flamme ein Ionisationsstrom der auf einen in Abhängigkeit von der jeweiligen Leistung des Brenners vorgegebenen Sollwert eingeregelt wird. Mit einer solchen Anordnung kann die Luftzahl geregelt werden, da der Ionisationsstrom von der Luftzahl am jeweiligen Leistungspunkt abhängig ist.
In DE-A1-19627857 und DE-A1-10220773 sind solche Luftzahlregelungen beschrieben. Testschritte um den Sollwert für das Ionisationssignal ab und zu neu zu berechnen werden nicht durchgeführt.
Eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in EP-B1-0770824 beschrieben. Dort wird die Luftzahl so eingeregelt, dass sie über dem stöchiometrischen Wert von λ = 1 liegt, beispielsweise bei λ = 1,3. Für eine Kalibrierung des Regelsollwertes wird das Maximum des Ionisationsstroms bei λ = 1 ermittelt und ausgehend vom Maximum der nächste Sollwert berechnet. Bei der Berechnung wird die Differenz des aktuellen Ionisationsstromwertes zum gemessenen Maximum beibehalten. Eine gute Reproduzierbarkeit der Stellgliedlinie ist bei diesem Verfahren nicht zwingend erforderlich, allerdings tritt bei einem Überfahren von λ = 1 kurzzeitig eine erhebliche CO-Emission auf.
EP-B1-0 697 637 zeigt ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Steuer- oder Regelsystems, welches regelmäßig den normalen Betrieb unterbricht. Es wird ein Fehlersignal ausgegeben, falls Testwerte des Systemsensors eine vorgegebene Abweichung von Referenzwerten überschreiten, wobei Abweichung und Referenzwerte in einem Referenzzyklus bestimmt wurden. Es wird auch vorgeschlagen, dass in diesem Referenzzyklus Störgrößen, wie Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit, variiert werden, um die sinnvollen Betriebszustände des Systems einzugrenzen und daraus die maximalen Abweichungen als Referenzwerte festzulegen. Die Funktionsüberwachung berücksichtigt aber nicht schleichende Änderungen des Systems innerhalb des durch die Referenzwerte vorgegebenen Betriebsbereiches. Auch eine Abweichung aus dem über die Referenzwerte definierten Betriebsbereich hinaus durch Störungen, die das Testergebnis selbst verfälschen, wird nicht aufgedeckt. Eine automatische Korrektur des Regelsollwertes wird nicht vorgeschlagen.
DE-A1-10 319 835 zeigt eine Regeleinrichtung für eine Brenneranlage, mit der die Luftzahl mittels einer Ionisationselektrode über wacht wird.
In EP-B1-1'293'727 wird eine Kalibrierung im Regelbetrieb beschrieben. Ausgehend von einer fest eingestellten Brennerleistung wird ein Stellglied, das die Zufuhrmenge von Brennstoff oder Luft in Abhängigkeit von einem Stellsignal beeinflusst, durch eine Sollwertvorgabe des Ionisationssignals in Richtung λ = 1 verstellt. Dabei wird jedoch λ = 1 nicht überfahren. Das Verhalten des Stellglieds wird dabei beobachtet und mit gespeicherten Werten verglichen. Dieser Vorgang wird ein- oder mehrmalig ausgeführt und es wird danach bewertet, ob der Brennerbetrieb abgeschaltet, unverändert fortgesetzt oder mit einer korrigierten Ionisationssollwertkurve fortgesetzt werden soll. Das bekannte Verfahren erfordert jedoch, dass die Stellgliedkennlinie des beobachteten Stellglieds genau reproduzierbar und in einem engen Toleranzbereich liegen muss.
Auch aus der WO-A1-2009/110015 ist ein Verfahren während eines Regelbetriebs zur Überwachung einer Flamme bekannt, mit welchem auftretende parasitäre Elemente feststellbar und kompensierbar sind. Hierzu wird eine Wechselspannungsquelle so gesteuert, dass diese ein Wechselspannungssignal mit stark unterschiedlichem Tastverhältnis zwischen positiver und negativer Amplitude mit unterschiedlichen Amplitudenwerten liefert, welches der Ionisationselektrode aufgeschaltet wird. Die Schrift zeigt auf, dass die Genauigkeit einer Gas-Luft-Verbundregelung durch eine Drift des Ionisationsstromsignals infolge von Ablagerungen beziehungsweise Belägen auf der Ionisationselektrode oder dem Brenner oder auch durch ein Verbiegen beziehungsweise Verschieben der Ionisationselektrode beeinträchtigt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Regeleinrichtung für eine Brenneranlage vorzuschlagen, mit der eine Drift des Ionisationsstromes einfach und zuverlässig korrigiert wird, ohne dabei vorgegebene Grenzen der Verbrennungswerte zu überschreiten.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Eine genaue Modellierung aufgrund von Experimentalbeobachtungen hat gezeigt, dass durch einen Test mit einer gezielten Veränderung der Luftzahl in einem Gebiet oberhalb des stöchiometrischen Wertes von λ = 1 und mit Messung des Ionisationssignals eine Berechnung des Sollwerts in guter Näherung vorgenommen werden kann, auch wenn die Luftzahländerung an sich klein ist. Daran liegt auch die Einsicht zugrunde, dass so im Vergleich zu den großen Luftzahlreduzierungen aus EP-B1-0770824 kaum ein Temperaturimpuls und kaum eine Verschmutzung des Brenners und der Ionisationselektrode durch Schadstoffemissionen auftritt. Unter Umständen würden diese eine Verbiegung respektive eine Belagsbildung deutlich verstärken, was wiederum eine Drift zur Folge hätte. Diese Einsicht trägt dazu bei, dass die Genauigkeit des Testergebnisses unerwartet hoch ist. Nach einer Drift des Ionisationssignals konvergiert der Sollwert bei wiederholter Durchführung des Tests zuverlässig zum erwünschten Zielwert, welcher die ursprüngliche, korrekte Luftzahl repräsentiert.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird dabei die Luftzahl auf einen Wert von λ > 1,05 verändert, bevorzugt um einen Wert von Δλ < -0,06 reduziert. Es hat sich nämlich gezeigt, dass in diesem Luftzahlbereich einerseits bei wenig Drift die Ionisationssignalmessung über das Signalrauschen hinaus ausreicht um den Sollwert genau zu berechnen. Anderseits lässt sich die Luftzahlbereichsuntergrenze auch bei viel Drift zuverlässig beibehalten, da eine Drift nur schleichend stattfindet und der Test regelmäßig wiederholt wird, bevorzugt spätestens nach 3000 Brennerbetriebsstunden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird bei der Durchführung des Tests die Stellung eines Aktors, bevorzugt desjenigen für die Brennstoffzufuhr, beibehalten und die des anderen Aktors verändert. Dadurch, dass die Stellung eines der Aktoren beibehalten wird, ist das Testergebnis nicht mehr abhängig von seinen Herstellungstoleranzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird anschließend aufgrund des berechneten Sollwerts und gespeicherter Daten die gespeicherte Sollwertkennlinie für das Ionisationssignal ersetzt. Optional kann bei extremer Veränderung der Sollwertkennlinie eine Warnmeldung oder eine Störabschaltung ausgelöst und insbesondere der Aktor für die Zufuhr von Brennstoff geschlossen werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 schematisch eine Brenneranlage mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, welche mit Hilfe eines Ionisationssignals geregelt wird,
Figur 2 ein elektrisches Schaltbild des Flammenverstärkers in der Regeleinrichtung nach Figur 1 für eine Ionisationsstrommessung,
Figur 3 ein aus dem Schaltbild nach Figur 2 abgeleitetes elektrisches Gleichstrom-Ersatzschaltbild für eine Ionisationsstrommessung,
Figur 4 simulierte Ionisationsstromwerte am Ausgang vom Flammenverstärker in der Regeleinrichtung nach Figur 1 als Funktion der Gebläsedrehzahl n und der Luftzahl λ ohne Fehlerwiderstand,
Figur 5 simulierte Ionisationsstromwerte am Ausgang vom Flammenverstärker in der Regeleinrichtung nach Figur 1 als Funktion der Gebläsedrehzahl n und der Luftzahl λ mit einem Fehlerwiderstand und
Figur 6 simulierte Ionisationsstromwerte am Ausgang vom Flammenverstärker in der Regeleinrichtung nach Figur 1 als Funktion der Gebläsedrehzahl n und der Luftzahl λ mit einem Fehlerwiderstand aber nach Durchlauf einer Korrekturschleife.

Figur 1 zeigt schematisch eine Brenneranlage mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, welche im Normalbetrieb als Brennstoff-Luft-Verbund-Regelung arbeitet. Ein Ionisationsstrom durch eine von einem Brenner erzeugte Flamme (1) wird über eine Ionisationselektrode (2) von einem Flammenverstärker (3) erfasst. Der Stromkreis wird durch den Anschluss des Flammenverstärkers (3) an die Brennermasse geschlossen. Das vom Flammenverstärker (3) verarbeitete Ionisationssignal (4) wird an eine Stelleinrichtung (5) weitergegeben, welche im Normalbtrieb das Ionisationssignal (4) als Eingangssignal für eine Regelung nutzt. Das Ionisationssignal (4) ist als analoges elektrisches Signal ausgeführt, kann aber alternativ als digitales Signal oder Variable zweier Software-Moduleinheiten realisiert sein.
Die Stelleinrichtung (5) erhält ein externes Anforderungssignal (11), mit der die Wärmeleistung vorgegeben wird. Außerdem kann mit dem Anforderungssignal (11) die Regelung ein- und ausgeschaltet werden. Beispielsweise wird eine Wärmeanforderung von einem übergeordneten, hier nicht eingezeichneten, Temperaturregelkreis erzeugt. Eine solche Leistungsvorgabe kann natürlich von einem anderen externen Verbraucher generiert werden oder aber auch direkt von Hand, zum Beispiel über ein Potentiometer vorgegeben werden.
Wie üblich wird das Anforderungssignal (11) mit Hilfe von in der Stelleinrichtung (5) hinterlegten Daten auf einen der beiden Aktoren (6, 7) abgebildet. In bevorzugter Weise wird das Anforderungssignal (11) auf Drehzahlsollwerte für ein Gebläse als ersten Aktor (6) abgebildet. Die Drehzahlsollwerte werden mit einem von einem Gebläse (6) zurückgegebenen Drehzahlsignal (9) verglichen. Mit einem in der Stelleinrichtung (5) integrierten Drehzahlregler wird das Gebläse (6) über ein erstes Stellsignal (8) auf die Sollfördermenge der Luft (12) für das vorgegebene Anforderungssignal (11) gesteuert. Natürlich kann alternativ das Anforderungssignal (11) direkt auf das erste Stellsignal (8) des Gebläses (6) abgebildet werden. Umgekehrt ist auch die Abbildung des Anforderungssignals (11) auf ein Brennstoffventil als ersten, leistungsführenden Aktor (6) möglich.
Mit dem zweiten Aktor (7), in bevorzugter Weise einem Brennstoffventil, wird über die Zufuhr des Brennstoffs (13) die Luftzahl nachgeführt. Dies erfolgt, indem in der Stelleinrichtung (5) das vorgegeben Anforderungssignal (11) über eine Funktion in einen Ionisationssollwert abgebildet wird. Dieser Sollwert wird mit dem Ionisationssignal (4) verglichen. Mit der Regeldifferenz wird, über eine in der Stelleinrichtung (5) realisierte Regeleinheit, das die Luftzahl nachführende Brennstoffventil (7) geregelt. Somit bewirkt eine Änderung des Ionisationssignals (4) über ein zweites Stellsignal (10) eine Änderung der Stellung des Brennstoffventils (7) und damit des Durchflusses der Menge des Brennstoffs (13). Der Regelkreis wird geschlossen, indem bei der vorgegebenen Luftmenge eine Änderung der Brennstoffmenge eine Änderung des Ionisationsstromes durch Flamme (1) und Ionisationselektrode (2) bewirkt und damit auch eine Änderung des Ionisationssignals (4), bis sein Istwert wieder gleich dem vorgegebenen Sollwert ist.
Figur 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild des Flammenverstärkers (3) für eine Ionisationsstrommessung. Es ist entsprechend Figur 3A in EP-A1-2154430 ausgeführt. Dabei wird an die Ionisationselektrode eine Wechselspannung angelegt. Aufgrund der gleichrichtenden Wirkung der Flamme fliest ein Ionisationsstrom in nur einer Richtung durch die Flamme. Die Größe des Ionisationsstroms ist dabei vom Flammenwiderstand der Flamme (1) abhängig und bildet ein Maß für die Luftzahl.
Die Schaltung ist aus einer Wechselspannungsquelle (14), einem Begrenzungswiderstand (15), dem elektrischen Äquivalent für die Flamme (1) und der Ionisationselektrode (2) - dargestellt als eine Flammenersatzschaltung (16) - und einem linearen Verstärker (17) aufgebaut, an dessen Ausgang (18) das Ionisationssignal (4) ausgegeben wird. Der Ausgang (18) liefert direkt das Ionisationssignal (4). Alternativ können aber auch Schaltungsteile zur galvanischen Entkopplung zwischen Ausgang (18) und der Stelleinrichtung (5) geschaltet sein. Die Wechselspannungsquelle (14) ist in diesem Schaltungsbeispiel durch einen Transformator realisiert, an dem eine Eingangswechselspannung anliegt.
Der Verstärker (17) misst den Ionisationsstrom durch die Flammenersatzschaltung (16), wobei der Anschluss an die Wechselspannungsquelle (14) virtuell auf Masse gelegt wird. Der Verstärker (17) mittelt den Ionisationsstrom und entkoppelt den Ausgang (18) vom eigentlichen Ionisationskreis. Der gemittelte Ionisationsstrom kann aus der Spannung am Ausgang (18) und dem Gegenkopplungswiderstand des Verstärkers (17) direkt berechnet werden. Der gemittelte Ionisationsstrom entspricht einem quasistationären Gleichstromwert. Quasistationär bedeutet hier, dass Zeitglieder in der Schaltung und durch die Wechselspannungsquelle (14) verursachte reine Wechselspannungssignale am Ausgang (18) keine Rolle spielen. Das Signal am Ausgang (18) folgt daher nur noch den wesentlich langsameren Änderungen des Widerstandes in der Flammenersatzschaltung (16). Für den gemittelten Ionisationsstrom kann somit ein einfacheres abstraktes Ersatzschaltbild gewonnen werden, das in Figur 3 dargestellt ist.
Eine Gleichspannungsquelle (19) erzeugt durch ihre Gleichspannung (U) einen Gleichstrom (22) durch den Begrenzungswiderstand (15), einen Flammenwiderstand (20) und einen Fehlerwiderstand (21).
Der Widerstand im elektrischen Äquivalent der Flammenersatzschaltung (16) kann als resultierender Widerstand aus zwei in Serie geschalteten Widerständen gesehen werden, aus dem eigentlichen Flammenwiderstand (20) bei normalem bestimmungsgemäßen Betrieb und einem Fehlerwiderstand (21), welcher von den oben genannten Belägen auf der Ionisationselektrode (2) oder dem Brenner verursacht wird. Die Beläge entstehen durch Ablagerungen auf der Ionisationselektrode oder dem Brenner, verursacht insbesondere durch Oxidationsprozesse, Russbildung bei unsauberer Ölverbrennung oder durch Eintrag von Stäuben über die Luftzufuhr. Hierbei können stark isolierende Beläge entstehen, die über einen Anstieg des Fehlerwiderstandes (21) den Betrag des quasistationären Gleichstroms (22) verändern.
Weiter unten wird ein Modell beschrieben, mit dessen Hilfe gezeigt wurde, dass kleine Luftzahländerungen für den Test ausreichen, ja sogar bessere Ergebnisse liefern können, um die Sollwerte zuverlässig neu zu berechnen und zu korrigieren. Damit kann die Luftzahl auf ihrem Zielwert gehalten werden.
Eine Verbiegung, beziehungsweise Verschiebung, der Ionisationselektrode (2) wird ebenfalls weitgehend durch den Fehlerwiderstand (21) im Ersatzschaltbild von Figur 3 berücksichtigt, wobei der Fehlerwiderstand (21) dann auch einen negativen Wert erhalten könnte.
Weiterhin können auch nicht dargestellte parasitäre leitfähige Pfade im Bereich der Flamme (1) parallel zur eigentlichen Flammenersatzschaltung (16) einbezogen werden. Bei dauerhafter Präsenz eines solchen Pfades kann dieser über den Flammenwiderstand (20), bei einem zeitlich variierenden parasitären Pfad kann er über den Fehlerwiderstand (21) eingerechnet oder seine Wirkung berücksichtigt werden.
Die Gleichspannung (U) der Gleichspannungsquelle (19) ergibt sich aus der Zeitdauer, mit der ein durch die Wechselspannungsquelle (14) verursachter Strom in Figur 2 wirksam durch die Flamme (1), also durch die Flammenersatzschaltung (16), fließt. Er berechnet sich als Mittelwert aus dem Spannungsmittelwert über die leitende Halbwelle und dem Spannungswert gleich 0 über die gesperrte Halbwelle. Bei der sinusförmigen Wechselspannung der Wechselspannungsquelle (14) mit einer Amplitude (U₁) beträgt die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle (19) U = U1/π.
Der Gleichstrom (22) kann direkt aus der Spannung am Ausgang (18) und dem Gegenkopplungswiderstand des Verstärkers (17) ermittelt werden. Er steht am Eingang der nachgeschalteten Stelleinrichtung (5) als Ionisationssignal (4) zur Verfügung.
Das abstrakte Ersatzschaltbild in Figur 3 ist natürlich nicht nur für die Schaltung in Figur 2 anwendbar. Das Ersatzschaltbild kann grundsätzlich für viele Systeme zur Flammensignalerfassung angewendet werden, deren Ausgangssignal für die Stelleinrichtung (5) einem quasistationären Gleichstrom (22) zugeordnet werden kann, der durch die Änderung des Flammenwiderstandes verursacht wird.
Dabei wird in der elektrischen Schaltung zur Flammensignalerfassung ein Gleichstrom erzeugt, der in den quasistationären Gleichstrom (22) der Schaltung nach Figur 3 abgebildet werden kann. Der reale Flammenwiderstand wird in den Flammenwiderstand (20) des Ersatzschaltbildes nach Figur 3 abgebildet, wobei auch andere Schaltungselemente, zum Beispiel Messwiderstände, in den Wert des Flammenwiderstandes (20) eingerechnet werden. In gleicher Weise kann der Fehlerwiderstand (21), der Begrenzungswiderstand (15) und die Gleichspannungsquelle (19) als Ergebnis einer Abbildung aus einer anderen Schaltung verstanden werden.
Figur 4 zeigt in einer dreidimensionalen Abbildung simulierte Ionisationsstromwerte (I) am Ausgang (18) vom Flammenverstärker (3) als Funktion der Gebläsedrehzahl (n) und der Luftzahl (λ). In einer durch die Gebläsedrehzahl und die Luftzahl definierten Fläche (F1) ist eine Kurve (I1) des Ionisationsstromes dargestellt. Durch eine gespeicherte Sollwertkennlinie (S1) kann für jede Gebläsedrehzahl (n) der Ionisationsstrom auf den vorgegebenen Sollwert geregelt werden. Man erhält dann bei einer angenommen konstanten Luftzahl und variablen Gebläsedrehzahl (n) entsprechend der Luftzahlkurve (L1) in der n/λ-Ebene über die brennerspezifische Fläche (F1) den Verlauf der Ionisationsstromkurve (I1) in der Fläche (F1), und damit die Sollwertkennlinie (S1) in der n/I-Ebene.
Die in Figur 4 gezeigten Verhältnisse gelten unter der Bedingung, dass keine Drift des Ionisationsstromes und somit kein Fehlerwiderstand (21) auftritt. In diesem Fall kann mit Hilfe einer als gut qualifizierten Referenzmessstrecke die Summe aus Begrenzungswiderstand (15) und Flammenwiderstand (20) aus der bekannten Gleichspannung (U) der Gleichspannungsquelle (19) und dem Wert des gemessenen oder ermitteltem Gleichstroms (22) berechnet werden.
Tritt eine Drift des Ionisationsstromes und folglich ein Fehlerwiderstand (21) auf, so ergeben sich die in Figur 5 dargestellten Verhältnisse, wobei die Fläche (F2) gegenüber der in Figur 4 gezeigten Fläche (F1) im gezeigten Beispiel annähernd formgleich nach unten versetzt ist.
Durch die Drift erhält man somit bei der gleichen Sollwertkennlinie (S1) für die Ionisationsstromsollwerte eine andere Ionisationsstromkurve (I2) und damit eine andere Luftzahlkurve (L2) in der n/λ - Ebene, nach welcher die Luftzahl bei verschiedenen Gebläsedrehzahlen und somit bei verschiedenen Brennerleistungen überhaupt nicht mehr ihren erwünschten, konstanten Wert hält.
Zur Erkennung einer Drift wird ein Testverfahren verwendet. Dazu wird die Brennstoff-Luft-Verbundregelung auf einem bevorzugt festen Startpunkt (A) eingestellt. Dafür fahren die Gebläsedrehzahl (n) und der daraus resultierende Luftvolumenstrom auf den gespeicherten Wert des Startpunktes (A). Das zweite Stellsignal (10) zum Brennstoffventil (7) und damit der Brennstoffvolumenstrom werden im geschlossenen Regelkreis nachgeführt. Die Luftzahl endet wieder auf ihrem gemäß Sollwertkennlinie (S1) vorgegebenen Wert und entspricht dem erwünschten Wert falls keine Drift vorliegt. In bevorzugter Weise wird über eine Mittelwertbildung in einem Zeitfenster die Stellung des Brennstoffventils ermittelt.
Als zweiter Schritt im Test erfolgt aus dem geregelten, stabilen Zustand vom Startpunkt (A) die Bewegung zu Testpunkt (B) dadurch, dass die Drehzahl (n) des Luftgebläses um einen gespeicherten Wert reduziert wird, wobei die Stellung des Brennstoffventils (7) konstant gehalten wird. Dabei verringert sich die Luftzahl um eine mehr oder weniger konstante Luftzahländerung (Δλ). Nun wird der Ionisationsstrom durch Mittelwertbildung innerhalb eines Zeitfensters gemessen.
Im dritten, nachstehend erläuterten Testschritt wird mit Hilfe des Messwertes am Testpunkt (B) der Sollwert für den Ionisationsstrom an einem Vergleichspunkt (C) neu berechnet.
In einer Alternative findet bei dem bisherigen Sollwert einen Übergang von Testpunkt (B) nach Vergleichspunkt (C) statt, in welchem die Gebläsedrehzahl des Luftgebläses unverändert bleibt, das Brennstoffventil jedoch auf die vorgegebene Luftzahl nach Ionisationsstromkurve (I1) nachgeregelt wird. Bevorzugt wird vor der Freigabe der Regelung das Brennstoffventil auf einen gespeicherten Wert gesteuert, der der zu erwartenden Stellung bereits entspricht. Die Luftzahländerung (Δλ) zwischen den Punkten (B) und (C) ist, wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, ohne und mit Fehlerwiderstand (21) nahezu gleich groß. Mit dem vorherigen Sollwert jedoch wäre der Ionisationsstromhub (H2) in Figur 5 aufgrund des Fehlerwiderstandes (21) deutlich geringer als der entsprechende Ionisationsstromhub (H1) in Figur 4. Der Ionisationsstromhub (H2) in Antwort auf die Luftzahländerung (Δλ) deckt somit eine Regelung auf eine veränderte Luftzahl auf. Mit dem gemessenen Ionisationsstromhub (H2) kann ein verbesserter Sollwert berechnet und die Luftzahl korrigiert werden.
Schließlich endet der Drifttest, in dem der Normalbetrieb mit Regelung nach dem Anforderungssignal (11) wieder hergestellt wird.
Der Drifttest kann an einem oder mehreren Testpunkten durchgeführt werden. Bei mehreren Testpunkten kann eine etwaige Abhängigkeit des Fehlerwiderstandes (21) von der Brennerleistung erkannt und bei einer Korrektur entsprechend berücksichtigt werden.
In einem Einstellverfahren für den betroffenen Brennertyp wird vorzugsweise der Testpunkt (B) so gewählt, dass der Ionisationsstromwert dort stabil ist und dies bei einem großen Unterschied zwischen den Steigungen an Testpunkt (B) und Vergleichspunkt (C) auf einer Funktion I = f(λ) bei der gewählten Gebläsedrehzahl (n). Damit wird ein großer Signal-Rausch-Abstand erreicht. Der Testpunkt (B) kann unter diesen Randbedingungen in einem weiten Bereich entlang der Funktion I = f(λ) gewählt werden. Form und Verlauf der Funktion bleiben dabei unbekannt. Vorausgesetzt wird nur, dass die Funktion im Messbereich von Testpunkt (B) monoton steigend oder fallend ist. Dank der nachstehend beschriebenen Berechnungsmethodik für den Sollwertkorrektur hat sich gezeigt, dass bei einer Veränderung der Luftzahl auf λ > 1,05 diese Bedingungen typisch gegeben sind. Vorteilhaft wird dabei die Luftzahl um mindestens Δλ < -0,06 von seinem eingeregelten Zustand reduziert. Für einen spezifischen Brennertyp, in dem die Luftzahl auf λ = 1,3 eingestellt wurde, wurde eine optimale Luftzahländerung von Δλ = -0,15 festgestellt. Alternativ wird die Luftzahl um mindestens Δλ = +0,08 vergrößert. Die Wahl dieser Alternative ist bei Brennern mit entsprechend unterschiedlichem Steigungsverlauf am Punkt B zu Punkt C ebenfalls mit einer sehr guten Konvergenz und einer geringen Anzahl von Iterationsschritten sinnvoll. Bei einer zu großen Luftzahländerung, beispielsweise um Δλ > +0,5, besteht die Gefahr, dass die Verbrennung wegen der tieferen Flammentemperatur zu Schadstoffemissionen führt, oder sogar dass die Flamme (1) erlischt.
Der in Figur 4 dargestellte Startpunkt (A) ergibt sich direkt aus dem eingestellten Testpunkt (B), indem die Luftzahl über die Luftmenge um Δλ verändert wird.
Die Gebläsedrehzahlen (n) der Punkte (A) und (B) wurden als Vorgabewerte vor dem normalen Betrieb in der Regeleinrichtung gespeichert. Vorzugsweise wurde der Ionisationsstromwert bei Testpunkt (B) an einem System ohne Fehlerwiderstand (21) über mehrere Messungen gemittelt und zur Berechnung der Korrekturwerte in der Stelleinrichtung (5) gespeichert.
Der Vergleichspunkt (C) ergibt sich durch die Wahl des Testpunktes (B) mit der Gebläsedrehzahl von Testpunkt (B) auf der Ionisationsstromkurve (I1).
Für die Berechnung des neuen Sollwertes zwecks Driftkorrektur im dritten Testschritt wird die Tatsache genutzt, dass unabhängig vom Fehlerwiderstand (21) die Gebläsedrehzahl so geändert wird, dass sich die Luftzahl um ein nahezu konstantes Δλ ändert. Aufgrund der geringen Ionisationsstromänderung im Bereich des Testpunkts (B) kann dort der Flammenwiderstand (20) in erster Näherung als konstant angenommen werden. Unter der Annahme der gleichen Fehlerwiderstände (21) am Testpunkt (B) und am Vergleichspunkt (C) kann ein korrigierter Sollwert berechnet werden, indem der ohne Fehlerwiderstand (21) ermittelte Ionisationstromwert verwendet wird. Außerdem kann auch der Fehlerwiderstand (21) ermittelt werden.
Durch iterative Durchführung des oben genannten Tests mit Neuberechnung des Sollwertes am Vergleichspunkt (C) konvergiert man schnell auf einen Sollwert am Vergleichspunkt (C), der sich ohne Änderung des Fehlerwiderstandes (21) bei weiteren Iterationen nicht mehr ändert.
Figur 6 zeigt die nach einem ersten Test erhaltenen Linien (S2, I3, L3), wobei der Fehlerwiderstand (21) am Testpunkt (B) und am Vergleichspunkt (C) als gleich angenommen wurde. Eine korrigierte Sollwertkennlinie (S2) kann mit dem aus den oben genannten Berechnungen bekannten Fehlerwiderstand (21) und einer gespeicherten Sollwertkennlinie (S1) berechnet werden. In der Fläche (F2) von Figur 6 ist die Ionisationsstromkurve (I3) dargestellt. Die Luftzahlkurve (L3) in der n/λ-Ebene entspricht nach dem ersten Test schon relativ nahe der in Figur 4 gezeigten Luftzahlkurve (L1). Der Ionisationsstromhub (H3) vergrößert sich auf einem konstanten Wert ungleich (H1). Nach ein oder zwei Iterationen ist praktisch keine Abweichung mehr von (L3) zu (L1) vorhanden.
Unterscheiden sich die Fehlerwiderstände (21) an Vergleichspunkt (C) und Testpunkt (B) signifikant dann muss dies auch bei der Korrekturberechnung des Sollwerts berücksichtigt werden. Dies kann in Form eines Korrekturfaktors K erfolgen, der das Verhältnis zwischen Fehlerwiderstand (21) an Vergleichspunkt (C) und Testpunkt (B) ausdrückt. Der Korrekturfaktor K als Verhältnis des Fehlerwiderstands (21) am Vergleichspunkt (C) zum Fehlerwiderstand (21) am Testpunkt (B) ist abhängig von der Zusammensetzung der Belagsschicht und liegt in der Regel zwischen 1 und 2.
Die Fehlerwiderstände (21) am Vergleichspunkt (C) werden dann aus dem Fehlerwiderstand (21) am Testpunkt (B) und dem Korrekturfaktor K ermittelt und die neue Sollwertkennlinie (S2) kann an jedem Punkt aus der Sollwertkennlinie (S1) wie folgt erhalten werden.
Am Testpunkt (B) wird aus dem gemessenen Ionisationsstrom und dessen gespeicherten Wert aus einer gleichen Brenneranlage ohne Fehlerwiderstand der Fehlerwiderstand (21) berechnet. Unter Verwendung der gegebenen Sollwertkennlinie (S1) wird der neue Sollwert am Vergleichspunkt (C) und jeder weitere Punkt der neuen Sollwertkennlinie (S2) berechnet. Bei mehreren Testpunkten (B), wird an jedem Testpunkt der neue Sollwert am Vergleichspunkt (C) berechnet sowie die anderen Sollwertkennlinienpunkte aus der gegebenen Sollwertkennlinie (S1) und dem über dem Gebläsedrehzahlabstand gewichteten Mittelwert der beiden Korrekturwerte ermittelt. Natürlich können auch andere Berechnungsmethoden angewendet werden.
Normalerweise schaltet bei extrem großer Absenkung einer korrigierten Sollwertkennlinie (S2) gegenüber der anfänglichen Sollwertkennlinie (S1) das System im Normalbetrieb ab, da dann der Flammenwiderstand (20) gegenüber dem Fehlerwiderstand (21) nicht mehr ausreichend aufgelöst werden kann und eine Mitkopplung stattfindet. Optional kann bereits bei so großer Abweichung dieser Sollwertkennlinien an sich ein Warnhinweis oder eine Störabschaltung erzeugt werden.
Die Ionisationsstromwerte an den Punkten (B) und (C) wurden für eine solche Brenneranlage ohne Fehlerwiderstand (21) vorab in einem Einstellverfahren ermittelt. Dabei wurde mit Hilfe von Sensoren, mit denen die Luftzahl direkt oder indirekt messbar ist, eine Sollwertkennlinie (S1) mit der vorgegebenen Luftzahl für einen Prototypen erstellt. Damit ist der Sollwert I_CO für den Ionisationsstrom für den Vergleichspunkt (C) bekannt. Außerdem wurde am Prototyp der Testpunkt (B) eingestellt und der zugehörige Ionisationsstrom I_BO gemessen. I_BO und die Werte der Sollwertkennlinie (S1) einschließlich I_CO wurden für eine spätere Weiterverarbeitung im Betrieb in der Stelleinrichtung (5) gespeichert.
Im Betrieb, während der aufeinanderfolgenden Tests, wird der Ionisationsstromwert I_B1, später I_B2 ... I_Bn am Testpunkt (B) erfasst, der möglicherweise aufgrund einer inzwischen aufgetretenen Drift von I_BO abweicht. Die erfassten Ionisationsstromwerte können über mehrere Tests gemittelt, um Streuungen zu verringern. Die Korrektur von I_BO erfolgt dann mit Hilfe der gemittelten Messwerte.
Tritt nun während des normalen Betriebs ein Fehlerwiderstand (21) auf, wobei dieser nicht nur positive Werte, sondern prinzipiell auch negative Werte annehmen kann, so ändert sich der gemessene Ionisationsstromwert I_B1 sowohl aufgrund des geänderten Luftzahlwertes als auch aufgrund des Fehlerwiderstandes (21), wobei dieser eine Projektion der Fläche (F1) nach der Fläche (F2) bewirkt, wie dies in den
Figuren 4 und 5 gezeigt ist.
Aufgrund der geringeren Steigung der Funktion I = f(λ) am Testpunkt (B) gegenüber der Steigung am Vergleichspunkt (C) ändert sich der Flammenwiderstand (20) am Testpunkt (B) weniger als der am Vergleichspunkt (C). Daher kann in erster Näherung der Flammenwiderstand (20) am Testpunkt (B) mit und ohne Fehlerwiderstand als gleich angenommen werden. Gemäß dem Ersatzschaltbild nach Figur 3 kann der korrigierte Ionisationsstrom-Sollwert am Vergleichspunkt (C), welcher im Regelbetrieb nach dem Test dem dortigen Ionisationsstrom (I_C1) gleichkommt, zu $\frac{1}{I_{C 1}} = \frac{1}{I_{B 1}} - \frac{1}{I_{B 0}} + \frac{1}{I_{C 0}}$

berechnet werden, wenn man die Fehlerwiderstände (21) am Testpunkt (B) und Vergleichspunkt (C) als gleich annimmt. Im Test berechnet die Stelleinrichtung (5) gemäß dieser Formel neue Sollwerte. Vorteilhalt ist sie dazu fest in einem Programmablauf auf einem Mikroprozessor vorgegeben. Für die nächste Iteration der Korrektur liegt der Testpunkt (B) schon näher am Zielwert, so dass der Flammenwiderstand (20) mit und ohne Fehlerwiderstand (21) noch besser angenähert ist und sich der Sollwert zu $\frac{1}{I_{C 2}} = \frac{1}{I_{B 2}} - \frac{1}{I_{B 0}} + \frac{1}{I_{C 0}}$

ergibt. Bei gleich bleibendem Fehlerwiderstand mit der k-ten Iteration konvertiert der neue Sollwertstrom über $\frac{1}{I_{Ck}} = \frac{1}{I_{Bk}} - \frac{1}{I_{B 0}} + \frac{1}{I_{C 0}}$

auf einen konstanten Wert.
Dies kann man äquivalent für jeden Punkt der Sollwertkennlinie (S1) durchführen, indem man dem Stromwert I_CO durch den Strom I_no = f(n) der Sollwertkennlinie (S1) ersetzt und erhält nach der k-ten Iteration den Wert I_nk durch $\frac{1}{I_{nk}} = \frac{1}{I_{Bk}} - \frac{1}{I_{B 0}} + \frac{1}{I_{n 0}} .$
Die Werte von I_nk ergeben die Werte der Sollwertkennlinie (S2) nach der k-ten Iteration. Entsprechend Figur 6 erhält man nach dem ersten Test schon recht gute Korrekturwerte für die Sollwertkennlinie (S2). Nach der ersten und zweiten Iteration ist praktisch schon der Endwert erreicht.
Kann aufgrund der Belagsbeschaffenheit der Fehlerwiderstand (21) an den Punkten (B) und (C) nicht als gleich angesehen werden, so können die oben dargestellten Formeln um den Faktor K zwischen den Fehlerwiderständen angepasst werden $\frac{1}{I_{nk}} = K \cdot (\frac{1}{I_{Bk}} - \frac{1}{I_{B 0}}) + \frac{1}{I_{n 0}} .$
Der Faktor K hängt von der Beschaffenheit des Belags ab und kann experimentell im Einstellverfahren ermittelt werden.
Wird der Test an zwei oder mehreren Punkten vorgenommen, zum Beispiel bei großer Leistung und kleiner Leistung, so können die verschiedenen Werte der Fehlerwiderstände (21) im Verhältnis mit der Gebläsedrehzahl oder einem anderen vorhandenen Leistungswert zur Ermittlung der korrigierten Sollwertkennlinie (S2) gewichtet werden.

Bezugszeichenliste:

1: Flamme
2: Ionisationselektrode
3: Flammenverstärker
4: Ionisationssignal
5: Stelleinrichtung
6: Erster Aktor
7: Zweiter Aktor
8: Erstes Stellsignal
9: Drehzahlsignal
10: Zweites Stellsignal
11: Anforderungssignal
12: Luft
13: Brennstoff
14: Wechselspannungsquelle
15: Begrenzungswiderstand
16: Flammenersatzschaltung
17: Verstärker
18: Ausgang
19: Gleichspannungsquelle
20: Flammenwiderstand
21: Fehlerwiderstand
22: Gleichstrom
U: Gleichspannung
n: Drehzahl
λ: Luftzahl
I: Ionisationsstromwert
A: Startpunkt
B: Testpunkt
C: Vergleichspunkt
F1: Fläche
S1: Sollwertkennlinie
I1: Ionisationsstromkurve
L1: Luftzahlkurve
Δλ: Luftzahländerung
H1: Ionisationsstromhub
F2: Fläche
S2: Sollwertkennlinie
I2: Ionisationsstromkurve
L2: Luftzahlkurve
H2: Ionisationsstromhub
I3: Ionisationsstromkurve
L3: Luftzahlkurve
H3: Ionisationsstromhub

Claims

Regeleinrichtung für eine Brenneranlage zumindest mit einem Brenner, Aktoren mit denen die Zufuhr von Brennstoff und Luft zum Brenner eingestellt wird, und einer im Flammenbereich angeordneten Ionisationselektrode,
wobei die Regeleinrichtung zumindest mit einem Flammenverstärker an der Ionisationselektrode ausgestattet ist um ein Ionisationssignal zu erzeugen und einer Stelleinrichtung die im Regelbetrieb einen ersten Aktor stellt und einen zweiten Aktor mittels eines entsprechenden Sollwerts für das Ionisationssignal regelt,
und wobei die Stelleinrichtung in einem ersten Testschritt einen Regelbetrieb durchführt, in einem zweiten Testschritt die Aktoren auf ein geändertes Zufuhrverhältnis hin steuert und dabei das Ionisationssignal erfasst, und in einem dritten Testschritt daraus und aus gespeicherten Daten einen Sollwert berechnet,
dadurch gekennzeichnet, dass
im zweiten Testschritt die Stelleinrichtung (5) die Aktoren (6, 7) auf ein Zufuhrverhältnis hin steuert das einer Luftzahl über dem stöchiometrischen Wert von λ = 1 entspricht.
Regeleinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
im zweiten Testschritt die Stelleinrichtung (5) die Luftzahl auf einen Wert von λ > 1,05 verändert.
Regeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
im zweiten Testschritt die Stelleinrichtung (5) die Luftzahl um einen Wert von Δλ < -0,06 auf λ > 1,05 reduziert.
Regeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Stelleinrichtung (5) den Test nach spätestens 3000 Betriebsstunden wiederholt.
Regeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
im zweiten Testschritt die Stelleinrichtung (5) die Stellung eines Aktors (7) beibehält und die des anderen Aktors (6) verändert.
Regeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
im zweiten Testschritt die Stelleinrichtung (5) die Stellung des zweiten Aktors (7) für die Zufuhr von Brennstoff (13) beibehält und die des ersten Aktors (6) für die Zufuhr von Luft (12) verändert.
Regeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Stelleinrichtung (5) den ersten, zweiten und dritten Testschritt bei unterschiedlicher Zufuhr von Luft oder von Brennstoff wiederholt.
Regeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
in einem vierten Testschritt die Stelleinrichtung (5) aufgrund von zumindest einem berechneten Sollwert (I_C11, I_C21, ... I_Cn1) und gespeicherter Daten die gespeicherte Sollwertkennlinie (S1) für das Ionisationssignal ersetzt.
Regeleinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
in einem vierten Testschritt die Stelleinrichtung (5) aufgrund von zumindest einem berechneten Sollwert (I_C11, I_C21, ... I_Cn1) und gespeicherter Daten eine Störabschaltung bewirkt und insbesondere den zweiten Aktor (7) für die Zufuhr von Brennstoff (13) schließt.
Regeleinrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, wobei die gespeicherten Daten zumindest teilweise die in einem Einstellverfahren erfasste Sollwertkennlinie für das Ionisationssignal beinhalten.