EP2682679B1 - Verfahren zur Überwachung eines brenngasbetriebenen Brenners - Google Patents

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EP2682679B1
EP2682679B1 EP13174488.0A EP13174488A EP2682679B1 EP 2682679 B1 EP2682679 B1 EP 2682679B1 EP 13174488 A EP13174488 A EP 13174488A EP 2682679 B1 EP2682679 B1 EP 2682679B1
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speed
abheben
fan
ratio
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Richard Fischbuch
Thomas Ernst
Sascha Menser
Heinz-Jörg Tomczak
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Vaillant GmbH
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Vaillant GmbH
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    • F23N2900/00—Special features of, or arrangements for controlling combustion
    • F23N2900/05181—Controlling air to fuel ratio by using a single differential pressure detector

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a burner powered by gas.
  • gas-fired burners For a low-emission combustion, gas-fired burners must be operated in a certain range of the fuel gas-air ratio. Burners that are too rich or too lean form excessively toxic carbon monoxide CO.
  • the fuel gas / air ratio changes with the same unit design and setting unchanged. Therefore, changes to the device must be made when changing the gas type. If this is not done, because, for example, the device is not connected or retrofitted by an expert, this has an effect on the exhaust gas behavior.
  • zero-pressure controls are used, among others, in which the fuel gas supply and the air supply are dimensioned such that a volume flow or differential pressure sensor in a connecting line between fuel gas supply and air supply no volume flow or no differential pressure (zero signal) measures.
  • a volume flow or differential pressure sensor in a connecting line between fuel gas supply and air supply no volume flow or no differential pressure (zero signal) measures are in EP 2 405 198 A1 .
  • EP 2 428 732 A and EP 2 466 202 A2 described. If the signal of the sensor deviates from the zero signal, the air or fuel gas flow is changed until a zero signal is measured again.
  • EP 2 405 198 A1 discloses the features of the preamble of claim 1. When a gas type change, the system must be readjusted, otherwise there is an unsuitable fuel gas to air ratio at zero signal.
  • the invention has for its object to detect a wrong device setting.
  • the burner can be turned off when a detected setting error.
  • the leaning of the fuel gas to air ratio can be achieved by increasing the speed of the fan while reducing the speed for enrichment.
  • a valve in the fuel gas line can be closed continuously for leaning out the fuel gas / air ratio and be opened continuously to enrich this valve.
  • FIG. 1 schematically shows a heat cell of a heater.
  • a fan 7 causes an air flow through a combustion air line 14 to a burner 9.
  • a combustion air line 14 opens downstream of a throttle point 12, a fuel gas line 2 with a gas orifice 5, in which an electronically adjustable throttle 1 is located.
  • a mass flow sensor 4 is arranged between the fuel gas line 2 and the combustion air line 14 upstream of the throttle point 12 in a measuring line 3.
  • An ionization current sensor 11 is arranged in the immediate vicinity of the burner 9.
  • a controller 13 is connected to the electronic components.
  • the amount of fuel gas is adjusted via the electronically adjustable throttle 1 and admixed via a gas orifice 5 the air flow and that is precisely so much that in the mass flow sensor 4 just no mass flow is detected (zero pressure condition).
  • test program is started.
  • the degree of opening of the electronically adjustable throttle 1 is kept constant.
  • the amount of air is steadily increased by increasing the speed of the fan 7 and at the same time checks the ionization signal for the flame detection via the ionization current sensor 11. Due to the increase in the air ratio associated with the speed increase of the fan, the flame tends to be lifted. If the flame comes into the range of the lift, the flame resistance increases strongly, which is directly reflected in the ionization signal. The tendency to lift the flame is detected by the ionization current.
  • the device-specific lifting of the flames is, according to experience, detected at an air ratio of lambda ⁇ 1.7.
  • an air ratio of lambda ⁇ 1.7 At this air ratio, either a predetermined limit ionization voltage U limit or a predetermined limit ionization current I limit is detected.
  • the current speed n limit is stored. This speed n limit is multiplied by designed factors to approach operating points with different air numbers. Starting from Lambda 1.7, the operating points ⁇ Test1 and then ⁇ Test2 are approached, where ⁇ Test1 is smaller than the setpoint airspeed and ⁇ Test2 is greater than the setpoint airspeed. In FIG. 2 the nominal air ratio is 1.25. After setting the desired speed for ⁇ Test1 and ⁇ Test2 , the current value of the mass flow sensor 4 is checked.
  • FIG. 2 shows the pressure difference ⁇ p at the mass flow sensor 4.
  • the pressure difference ⁇ p is equivalent to the mass flow.
  • the fuel gas / air composite must be detuned , As a result, there is a wrong gas-air ratio in the alleged target setting, which would result in high carbon monoxide (CO) emission.
  • the test program according to the invention would trigger an error in this case - the heater would be stopped. The test program triggers an error in this case and the heater is stopped. If the mass flow signal shows plausible results at both operating points for good combustion (flow in each case in the expected direction), the test program is terminated successfully and the normal device operation is released.
  • Safe device operation can be ensured via a mass flow sensor check at device-specific operating points. It's also possible, not just the two But also 2 more points characterizing the transition from the "inner” to the "outer” burner operating field. So not only the safe operation can be checked, but it can also be issued a notice on the device display, which indicates a operation that could possibly lead to disturbing noises about thermoacoustic phenomena.
  • the fuel gas-air ratio is changed until the volume flow or differential pressure sensor 4 measures no flow.
  • the system is then presumably set correctly; ideally to an air ratio around 1.25.
  • the rotational speed n start (eg 2000 rpm) of the blower 7 is detected and stored.
  • the fuel gas-air ratio is then defined by increasing the speed of the blower 7 emaciated until the measured by means of ionization current sensor 11 signal exceeds or falls below a predetermined limit, which is characteristic of a threatening takeoff at an air ratio of 1.7.
  • the associated speed n lifting eg 3000 U / min
  • the ratio of the rotational speed n lifting to the rotational speed n start of the blower 7 is formed.
  • a predetermined ratio range eg, 1.45 to 1.55
  • a proper operating state is inferred. If the ratio n down -lift / n start is outside the predetermined ratio range, then an adjustment error is inferred and an error signal is output.
  • the same effect is achieved if, instead of the amount of air through the fan at a constant gas flow, the gas quantity is changed over the opening cross section of the electronically adjustable throttle 1 and the fan speed is kept constant.
  • the step positions z start at presumed desired air number and z lift off when threatening take off are detected.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines brenngasbetriebenen Brenners.
  • Für eine schadstoffarme Verbrennung müssen brenngasbetriebene Brenner in einem bestimmten Bereich des Brenngas-Luft-Verhältnisses betrieben werden. Zu fett oder zu mager eingestellte Brenner bilden übermäßig giftiges Kohlenmonoxid CO. Bei einem Wechsel der Gasart verändert sich bei unverändertem Geräteaufbau und unveränderter Einstellung das Brenngas-Luft-Verhältnis. Daher müssen bei einem Gasartenwechsel Veränderungen am Gerät vorgenommen werden. Unterbleibt dies, weil beispielsweise das Gerät von keinem Experten angeschlossen oder umgerüstet wird, so wirkt sich dies auf das Abgasverhalten aus.
  • Aus US 6 533 574 B ist ein Brenner bekannt, bei dem sowohl in der Brenngas- als auch Luftseite der anliegende Druck abgegriffen wird, um die Druckdifferenz in einem Sensor zu bestimmten. Mittels dieses Meßsignals wird das Brenngas-Luft-Verhältnis des Brenners eingestellt.
  • Zur schadstoffarmen Regelung eines brenngasbetriebenen Brenners werden unter anderem sogenannte Nulldruckregelungen eingesetzt, bei denen die Brenngaszuführung und die Luftzuführung derart dimensioniert sind, dass ein Volumenstrom- oder Differenzdrucksensor in einer Verbindungsleitung zwischen Brenngaszuführung und Luftzuführung keinen Volumenstrom beziehungsweise keinen Differenzdruck (Nullsignal) misst. Derartige Verfahren sind in EP 2 405 198 A1 , EP 2 428 732 A und EP 2 466 202 A2 beschrieben. Weicht das Signal des Sensors vom Nullsignal ab, so wird der Luft- oder Brenngasstrom verändert, bis wieder ein Nullsignal gemessen wird. EP 2 405 198 A1 offenbart die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1. Bei einem Gasartenwechsel muss das System neu justiert werden, da ansonsten beim Nullsignal ein nicht angestrebtes Brenngas-Luft-Verhältnis vorliegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine falsche Geräteeinstellung zu erkennen.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei einem brenngasbetriebenen Brenner mit Nulldruckregelung sowie einem Ionisationsstromsensor das Brenngas-Luft-Verhältnis verändert wird bis ein Volumenstrom- oder Differenzdrucksensor keine Durchströmung misst. In diesem Betriebszustand werden Betriebsparameter erfasst. Ausgehend hiervon wird das Brenngas-Luft-Verhältnis definiert abgemagert bis das mittels Ionisationsstromsensor gemessene Signal einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet. Auch in diesem Betriebszustand werden Betriebsparameter erfasst. Bestimmte Betriebsparameter werden miteinander ins Verhältnis gesetzt und mit einem vorgegebenen Verhältnisbereich verglichen; liegt dieses Verhältnis im vorgegebenen Verhältnisbereich, so wird auf einen ordnungsgemäßen Betriebszustand geschlussfolgert. Andernfalls liegt ein Einstellungsfehler vor und ein Fehlersignal wird ausgegeben.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich mittels der Merkmale der abhängigen Ansprüche. So kann der Brenner bei einem erkannten Einstellungsfehler abgeschaltet werden.
  • Das Abmagern des Brenngas-Luft-Verhältnisses kann dadurch erreicht werden, dass die Drehzahl des Gebläses erhöht wird, während zum Anfetten die Drehzahl reduziert wird. Alternativ oder auch ergänzend kann zum Abmagern des Brenngas-Luft-Verhältnisses ein Ventil in der Brenngasleitung kontinuierlich geschlossen werden und zum Anfetten dieses Ventil kontinuierlich geöffnet werden.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen
    • Figur 1 den Aufbau einer brennstoffbetriebenen Brenners mit Nulldruckregelung
    • Figur 2 den Verlauf der Kohlenmonoxidemissionen, des Ionisationssignals und des Differenzdrucksensors über die Luftzahl
  • Figur 1 zeigt schematisch eine Wärmezelle eines Heizgerätes. Ein Gebläse 7 bewirkt einen Luftstrom durch eine Verbrennungsluftleitung 14 zu einem Brenner 9. In die Verbrennungsluftleitung 14 mündet stromab einer Drosselstelle 12 eine Brenngasleitung 2 mit einer Gasblende 5, in der sich eine elektronisch verstellbare Drossel 1 befindet. Ein Massenstromsensor 4 ist zwischen der Brenngasleitung 2 und der Verbrennungsluftleitung 14 stromauf der Drosselstelle 12 in einer Messleitung 3 angeordnet. Ein Ionisationsstromsensor 11 ist in unmittelbarer Nähe des Brenners 9 angeordnet. Eine Regelung 13 ist mit den elektronischen Komponenten verbunden.
  • Die Brenngasmenge wird über die elektronisch verstellbare Drossel 1 eingestellt und über eine Gasblende 5 dem Luftstrom beigemischt und zwar genau soviel, dass in dem Massenstromsensor 4 gerade kein Massenstrom detektiert wird (Nulldruckbedingung).
  • Nach dem erfolgter Geräteinstallation und Erstinbetriebnahme oder nach Geräteumbau bei Gasartenwechsel kann der Installateur ein Prüfprogramm starten, welches den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Prüfprogramm funktioniert wie folgt (siehe Abbildung 1):
    • Ein Gasstrom wird über die Brenngasleitung 2 mit der elektronisch verstellbaren Drossel 1 und die Gasblende 5 einem Luftstrom in der Verbrennungsluftleitung 14 stromab der Drosselstelle 12 in einer Mischzone 6 beigemischt. Das hierdurch entstehende Gas-Luft-Gemsich wird über das Gebläse 7 zum Brenner 9 gefördert und tritt an der Oberfläche dieses Brenners 9 radial aus. Über eine Zündelektrode wird das austretende Gemisch gezündet. Mittels der Ionisationsstromsensor 11 wird das Vorhandensein einer Flamme erkannt. Dies erfolgt in der Form, dass der Ionisationsstrom, der über das Anlegen einer elektrischen Spannung durch die Flamme über den Brenner läuft, gemessen und ausgewertet wird.
  • Liegt eine Flamme vor, so wird das Prüfprogramm gestartet.
  • Bei einem alternativen, nicht erfindungsgemäßen Verfahren wird der Öffnungsgrad der elektronisch verstellbaren Drossel 1 konstant gehalten. Die Luftmenge wird durch Drehzahlerhöhung des Gebläses 7 stetig erhöht und gleichzeitig das Ionisationssignal für die Flammenerkennung über den Ionisationsstromsensor 11 überprüft. Durch die mit der Drehzahlerhöhung des Gebläses verbundene Erhöhung der Luftzahl wird die Flamme tendenziell zum Abheben bewegt. Kommt die Flamme in den Bereich des Abhebens erhöht sich der Flammenwiderstand stark was sich direkt im Ionisationssignal niederschlägt. Die Tendenz zum Abheben der Flamme wird über den Ionisationsstrom erfasst.
  • Das gerätespezifische Abheben der Flammen wird erfahrungsgemäß bei einer Luftzahl von Lambda ∼ 1,7 detektiert. Bei dieser Luftzahl wird entweder eine vorgegebene Grenzionisationsspannung UGrenz oder ein vorgegebene Grenzionisationsstrom IGrenz erfasst. In diesem Arbeitspunkt wird die aktuelle Drehzahl nGrenz gespeichert. Diese Drehzahl nGrenz wird mit ausgelegten Faktoren multipliziert, um Arbeitspunkte mit verschiedenen Luftzahlen anzufahren. So werden ausgehen von Lambda 1,7 die Arbeitspunkte λTest1 und danach λTest2 angefahren, wobei λTest1 kleiner als die Sollluftzahl und λTest2 Größer als die Sollluftzahl ist. In Figur 2 beträgt die Sollluftzahl 1,25. Nach Einstellen der gewünschten Drehzahl für λTest1 und λTest2 wird der aktuelle Wert des Massenstromsensors 4 geprüft. Zeigt der Massenstromsensor 4 einen Gasdurchfluss in Richtung Verbrennungsluftleitung 14 an, so ist dies mit einem Gasüberschuss gegenüber Soll gleichzusetzen. Figur 2 zeigt die Druckdifferenz Δp am Massenstromsensors 4. Die Druckdifferenz Δp ist äquivalent zum Massenstrom.
  • Ist das System korrekt justiert, so muss bei λTest1 ein Massenstrom durch den Massenstromsensor 4 in Richtung Verbrennungsluftleitung 14 vorliegen, während bei λTest2 ein Massenstrom durch den Massenstromsensor 4 in Richtung Brenngasleitung 2 vorliegen muss.
  • Wird mittels den erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt, dass bei λTest1 kein Massenstrom durch den Massenstromsensor 4 in Richtung Verbrennungsluftleitung 14 vorliegt und / oder bei λTest2 kein Massenstrom durch den Massenstromsensor 4 in Richtung Brenngasleitung 2 vorliegt, so muss der Brenngas-Luft-Verbund verstimmt sein. Demzufolge liegt bei der mutmaßlichen Solleinstelllung ein falsches Gas-Luftverhältnis vor, was hohe Kohlenmonoxid-Emission (CO) zur Folge hätte. Das erfindungsgemäße Prüfprogramm würde in diesem Fall einen Fehler auslösen - das Heizgerät würde gestoppt werden. Das Prüfprogramm löst in diesem Fall einen Fehler aus und das Heizgerät wird gestoppt. Zeigt das Massenstromsignal bei beiden Arbeitspunkten für eine gute Verbrennung plausible Ergebnisse (Durchfluss jeweils in erwarteter Richtung), so wird das Prüfprogramm erfolgreich beendet und der normale Gerätebetrieb frei gegeben.
  • Ein sicherer Gerätebetrieb kann über einen Massenstromsensor-Check an gerätespezifischen Betriebspunkten gewährleistet werden. Zudem ist es möglich, nicht nur die beiden CO-kritischen Punkte zu testen, sondern zudem noch 2 weitere Punkte, die den Übergang vom "inneren" zum "äusseren" Brennerbetriebsfeld charakterisieren. So kann nicht nur der sichere Betrieb geprüft werden, sondern es kann auch ein Hinweis über das Gerätedisplay ausgegeben werden, das auf einen Betrieb hinweist, der eventuell zu störenden Geräuschen über thermoakustische Phänomene führen könnte.
  • Erfindungsgemäß wird das Brenngas-Luft-Verhältnis verändert, bis der Volumenstrom- oder Differenzdrucksensor 4 keine Durchströmung misst. Das System ist dann mutmaßlich korrekt eingestellt; idealerweise auf eine Luftzahl um 1,25. In diesem Betriebszustand wird die Drehzahl nStart (z.B. 2000 U/min) des Gebläses 7 erfasst und gespeichert. Ausgehend hiervon wird dann das Brenngas-Luft-Verhältnis definiert durch Erhöhung der Drehzahl des Gebläses 7 abgemagert, bis das mittels Ionisationsstromsensor 11 gemessene Signal einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet, welcher für ein drohendes Abheben bei einer Luftzahl von 1,7 charakteristisch ist. Nun wird die dazugehörige Drehzahl nAbheben (z.B. 3000 U/min) des Gebläses 7 erfasst. War das System anfangs korrekt justiert, so muss sich nun die Drehzahl des Gebläses definiert erhöht haben. Das Verhältnis der Drehzahl nAbheben zur Drehzahl nStart des Gebläses 7 wird gebildet. In dem Fall, in dem sich das Verhältnis nAb-heben / nStart in einem vorgegebenen Verhältnisbereich (z.B. 1,45 bis 1,55) befindet, wird auf einen ordnungsgemäßen Betriebszustand geschlussfolgert. Befindet sich das Verhältnis nAb-heben / nStart außerhalb des vorgegebenen Verhältnisbereichs, so wird auf einen Einstellungsfehler geschlussfolgert und ein Fehlersignal ausgegeben.
  • Der gleiche Effekt wird erzielt, wenn statt die Luftmenge über das Gebläse bei konstantem Gasstrom die Gasmenge über den Öffnungsquerschnitt der elektronisch verstellbaren Drossel 1 verändert wird und die Gebläsedrehzahl konstant gehalten wird. Hier werden dann beispielsweise bei einem Schrittmotor die Schrittpositionen zStart bei mutmaßlich Solluftzahl sowie zAbheben beim drohenden Abheben erfasst.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Überwachung eines brenngasbetriebenen Brenners (9) mit einer Brenngasleitung (2), einer Verbrennungsluftleitung (14), einem Gebläse (7), einem Volumenstrom- oder Differenzdrucksensor (4) zwischen der Brenngasleitung (2) und der Verbrennungsluftleitung (14), sowie einem Ionisationsstromsensor (11), welcher in unmittelbarer Nähe des Brenners (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Brenngas-Luft-Verhältnis verändert wird bis der Volumenstrom- oder Differenzdrucksensor (4) keine Durchströmung misst,
    in diesem Betriebszustand die Drehzahl nStart des Gebläses (7) und / oder die Stellung zStart der elektronisch verstellbaren Drossel (1) erfasst wird,
    dann ausgehend hiervon das Brenngas-Luft-Verhältnis definiert durch Erhöhung der Drehzahl des Gebläses (7) oder Verschließen der elektronisch verstellbaren Drossel (1) abgemagert wird bis das mittels Ionisationsstromsensor (11) gemessene Signal einen vorgegebenen Grenzwert über- oder unterschreitet,
    hierbei die Drehzahl nAbheben des Gebläses (7) und / oder die Stellung zAbheben der elektronisch verstellbaren Drossel (1) erfasst wird,
    das Verhältnis der Drehzahl nAbheben zur Drehzahl nStart des Gebläses (7) und / oder der Stellungen zStart zu zAbheben der elektronisch verstellbaren Drossel (1) gebildet wird, und in dem Fall, in dem sich das Verhältnis nAbheben / nStart und / oder zStart / zAbheben in einem vorgegebenen Verhältnisbereich befindet auf einen ordnungsgemäßen Betriebszustand geschlussfolgert wird,
    während in dem Fall, in dem sich das Verhältnis nAbheben / nStart und / oder zStart / zAbhe-ben außerhalb des vorgegebenen Verhältnisbereichs befindet auf einen Einstellungsfehler geschlussfolgert wird und ein Fehlersignal ausgegeben wird.
  2. Verfahren zur Überwachung eines brenngasbetriebenen Brenners (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (9) bei einem erkannten Einstellungsfehler abgeschaltet wird.
  3. Verfahren zur Überwachung eines brenngasbetriebenen Brenners (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abmagern des Brenngas-Luft-Verhältnisses die Drehzahl des Gebläses (7) erhöht wird und zum Anfetten des Brenngas-Luft-Verhältnisses die Drehzahl des Gebläses (7) reduziert wird.
  4. Verfahren zur Überwachung eines brenngasbetriebenen Brenners (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abmagern des Brenngas-Luft-Verhältnisses ein Ventil (1) in der Brenngasleitung (2) teilweise geschlossen wird und zum Anfetten des Brenngas-Luft-Verhältnisses dieses Ventil (2) in der Brenngasleitung (2) teilweise geöffnet wird.
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