EP3875855A1 - Verfahren zur überwachung und regelung eines prozesses einer gastherme - Google Patents

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EP3875855A1
EP3875855A1 EP21156348.1A EP21156348A EP3875855A1 EP 3875855 A1 EP3875855 A1 EP 3875855A1 EP 21156348 A EP21156348 A EP 21156348A EP 3875855 A1 EP3875855 A1 EP 3875855A1
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gas flow
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fuel gas
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/022—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using electronic means
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23N2241/02—Space-heating

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring and regulating a process of a gas boiler in which a fuel gas-air mixture comprising air and a fuel gas is burned in a combustion chamber, with a control variable of at least one sensor for adjusting a mixing ratio of air flow and fuel gas flow by means of suitable actuators , which are arranged in front of the combustion chamber, is used.
  • the process is controlled according to the prior art on the basis of an ionization current measurement of a flame.
  • a characteristic curve defines a setpoint that is used for regulation. Because the ionization current drops in a low power range due to the small flame size, this method does not offer a reliable function of the gas boiler over the entire working range.
  • a method for operating a gas burner is known, wherein during phases in which the burner is switched on, a combustion chamber of the gas burner is provided with a defined fuel gas-air mixture, which has a defined mixing ratio of fuel gas and air, for burning the defined fuel gas -Air mixture in the combustion chamber, wherein the defined fuel gas-air mixture is provided by a mixing device which mixes an air flow provided by an air line with a fuel gas flow provided by a fuel gas line, with a fan the air flow provided by the air line and the through the Sucks in the fuel gas flow provided by the fuel gas line, the defined fuel gas-air mixture being regulated by modulating the fuel gas flow, the burner load of the gas burner being regulated by modulating the speed of the fan, and the defined mixing ratio of fuel gas and air of the defined fuel gas-air mixture for different fuel gas qualities is calibrated on the basis of a signal which is provided by
  • the object of the invention is therefore to develop a method which, regardless of the type of fuel gas and / or ambient conditions and / or installation conditions, enables the process of the gas boiler to be controlled continuously over a high modulation range.
  • the senor is arranged downstream of the combustion chamber in an exhaust gas flow from the combustion chamber, the exhaust gas flow from the combustion chamber at least partially flows around it, and sensor data measured by the sensor on the material composition of the exhaust gas flow can be recorded as a controlled variable. This allows conclusions to be drawn about the combustion process and thus optimizes it.
  • the sensor measurement can be carried out on a materially thinned exhaust gas flow, which improves the quality of the measurement and the service life of the sensor.
  • condensate separation is also provision for the condensate separation to be carried out by cooling the exhaust gas flow.
  • a reduction in the temperature of the exhaust gas flow creates a transition from the gaseous to the liquid aggregate state of the exhaust gas components.
  • the cooling process is a cost-effective way of separating condensate and requires little installation effort.
  • control variable of the sensor is recorded in a partial exhaust gas flow. This means that the measurement can be carried out on commercially available installations and the majority of the exhaust gas flow can flow off unhindered without a detour.
  • the controlled variable is recorded by means of at least one thermal sensor, in particular a thermal conductivity sensor.
  • Sensor data relating to the thermal conductivity of the exhaust gas flow can be used to draw conclusions about its composition and thus about the combustion process, which can be used to optimize it.
  • FIG. 1 shows an example of a gas boiler 10, on which the method according to the invention is described.
  • the gas boiler 10 comprises a combustion chamber 8 from whose exhaust gas flow 9 a partial exhaust gas flow 4 is diverted.
  • the gas boiler 10 also includes a cooler 2.
  • a condensate of the partial exhaust gas flow 4 generated by the cooler 2 is discharged at a condensate separator 3 via the condensate discharge line 5 in order to enable a measurement by means of a sensor 1.
  • An extraction throttle 6 of the gas boiler 10 can reduce the inner cross section of the partial exhaust gas flow discharge line 7 in accordance with an embodiment variant.
  • the method for monitoring and regulating a process of the gas boiler 10 in which a fuel gas-air mixture comprising air and a fuel gas is burned in a combustion chamber 8 comprises the following steps.
  • the sensor 1 of the combustion chamber 8 is arranged downstream of the combustion chamber in an exhaust gas flow 9 and the exhaust gas from the combustion chamber at least partially flows around it.
  • Sensor data measured by the sensor 1 on the material composition of the exhaust gas flow 9 are recorded as the controlled variable.
  • a condensate separation from an exhaust gas partial flow 4 branched off from the exhaust gas flow 9 is carried out at a condensate separator 3.
  • the condensate is discharged from the condensate separator 3 via a condensate drain 5.
  • the condensate is condensed out of the exhaust gas substream 4 by means of the cooler 2.
  • a controlled variable of the sensor 1 is recorded in the partial exhaust gas flow 4.
  • the sensor 1 for detecting the controlled variable is designed as a thermal conductivity sensor.

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Abstract

Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme (10), in welchem ein Luft und ein Brenngas umfassendes, Brenngas-Luft-Gemisch in einer Verbrennungskammer (8) verbrannt wird, wobei eine Regelgröße wenigstens eines Sensors (1) zur Anpassung eines Mischverhältnisses von Luftstrom und Brenngasstrom durch geeignete Stellglieder, die vor der Verbrennungskammer (8) angeordnet sind, genutzt wird. Hierbei ist der Sensor (1) der Verbrennungskammer (8) in einem Abgasstrom (9) der Verbrennungskammer (8) nachgelagert angeordnet und wird von dem Abgasstrom (9) aus der Verbrennungskammer zumindest teilweise umströmt und hierbei werden von dem Sensor (1) gemessene Sensordaten über die stoffliche Zusammensetzung des Abgasstroms (9) als die Regelgröße erfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme, in welchem ein Luft und ein Brenngas umfassendes Brenngas-Luft-Gemisch in einer Verbrennungskammer verbrannt wird, wobei eine Regelgröße wenigstens eines Sensors zur Anpassung eines Mischverhältnisses von Luftstrom und Brenngasstrom durch geeignete Stellglieder, die vor der Brennkammer angeordnet sind, genutzt wird.
  • Bei derartigen Verfahren wird der Prozess nach dem Stand der Technik auf der Basis einer Ionisationsstrommessung einer Flamme geregelt. Eine Kennlinie definiert einen Sollwert, auf den geregelt wird. Dadurch dass in einem niedrigen Leistungsbereich der Ionisationsstrom auf Grund der geringen Flammengröße sinkt, bietet dieses Verfahren keine zuverlässige Funktion der Gastherme über den gesamten Arbeitsbereich hinweg.
  • Aus der EP 2631 541 B1 ist ein Verfahren bekannt, das in einem pneumatischen Verbund mittels Gemischkorrektur auf Basis einer Ionisationsstrommessung arbeitet. Hierbei ist ein Verfahren zum Betrieb eines Gasbrenners bekannt, wobei während Phasen, in welchen der Brenner eingeschaltet ist, einer Verbrennungskammer des Gasbrenners ein definiertes Brenngas-Luft-Gemisch, das ein definiertes Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft aufweist, bereitgestellt wird zur Verbrennung des definierten Brenngas-Luft-Gemischs in der Verbrennungskammer, wobei das definierte Brenngas-Luft-Gemisch durch eine Mischvorrichtung bereitgestellt wird, welche einen durch eine Luftleitung bereitgestellten Luftstrom mit einem durch eine Brenngasleitung bereitgestellten Brenngasstrom vermischt, wobei ein Gebläse den durch die Luftleitung bereitgestellten Luftstrom und den durch die Brenngasleitung bereitgestellten Brenngasstrom ansaugt, wobei das definierte Brenngas-Luft-Gemisch durch Modulation des Brenngasstroms geregelt wird, wobei die Brennerlast des Gasbrenners durch Modulation der Geschwindigkeit des Gebläses geregelt wird, und wobei das definierte Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft des definierten Brenngas-Luft-Gemischs für verschiedene Brenngasqualitäten kalibriert wird auf der Grundlage eines Signals, das von einem Sensor, welcher der Mischvorrichtung nachgelagert angeordnet ist, bereitgestellt wird.
  • Nachteilig ist der quadratische Zusammenhang zwischen Druck und Volumenstrom. Dieser sorgt für das Auftreten extrem niedriger Regeldrücke, die sehr empfindlich gegen Umgebungseinflüsse, wie etwa Wind, sind. Eine Gemischregelung in einem niedrigen Leistungspunkt ist daher schwer möglich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, welches unabhängig von Art des Brenngases und/oder Umgebungsbedingungen und/oder Einbaubedingungen, kontinuierlich über einen hohen Modulationsbereich hinweg, die Regelung des Prozesses der Gastherme ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst, indem der Sensor der Verbrennungskammer in einem Abgasstrom der Verbrennungskammer nachgelagert angeordnet ist, von dem Abgasstrom aus der Verbrennungskammer zumindest teilweise umströmt wird und von dem Sensor gemessene Sensordaten über die stoffliche Zusammensetzung des Abgasstroms als eine Regelgröße erfasst werden. Hierdurch können Rückschlüsse auf den Verbrennungsprozess gezogen und dieser dadurch optimiert werden.
  • Weiterhin ist vorgesehen, in einem der Sensordatenmessung vorgelagerten Verfahrensschritt eine Kondensatabscheidung aus dem Abgasstrom auszuführen. Hierdurch kann die Sensormessung an einem stofflich ausgedünnten Abgasstrom durchgeführt werden, was die Qualität der Messung sowie die Lebensdauer des Sensors verbessert.
  • Es ist außerdem vorgesehen, die Kondensatabscheidung mittels Kühlung des Abgasstroms auszuführen. Eine Reduktion der Temperatur des Abgasstroms erzeugt einen Übergang von dem gasförmigen zu dem flüssigen Aggregatzustand der Abgasbestandteile. Das Verfahren der Kühlung ist eine kostengünstige Möglichkeit zur Kondensatabscheidung und bedarf nur eines geringen Installationsaufwands.
  • Weiterhin ist vorgesehen, die Regelgröße des Sensors in einem Abgasteilstrom zu erfassen. Hierdurch kann die Messung an handelsüblichen Installationen erfolgen und der Abgasstrom zu seinem größten Teil ohne Umweg, ungehindert abströmen.
  • Es ist außerdem vorgesehen, die Regelgröße mittels wenigstens eines thermischen Sensors, insbesondere eines thermischen Leitfähigkeitssensors, zu erfassen. Sensordaten bezüglich der thermischen Leitfähigkeit des Abgasstroms lassen sich nutzen, um Rückschlüsse auf dessen Zusammensetzung und somit auf den Verbrennungsprozess zu ziehen, wodurch dieser optimiert werden kann.
  • Zusätzliche Erfindungsdetails sind anhand schematischer Ausführungsbeispiele der Zeichnung zu entnehmen.
  • Hierbei zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer Gastherme, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betreibbar ist.
  • Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gastherme 10, an welcher das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wird. Die Gastherme 10 umfasst eine Verbrennungskammer 8 aus deren Abgasstrom 9 ein Abgasteilstrom 4 ausgeleitet wird. Weiterhin umfasst die Gastherme 10 einen Kühler 2. Ein mittels des Kühlers 2 erzeugtes Kondensat des Abgasteilstroms 4 wird an einem Kondensatabscheider 3 über die Kondensatableitung 5 abgeführt, um eine Messung mittels eines Sensors 1 zu ermöglichen. Eine Entnahmedrossel 6 der Gastherme 10 kann entsprechend einer Ausführungsvariante den inneren Querschnitt der Abgasteilstromableitung 7 verringern.
  • Das Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses der Gastherme 10, in welchem ein Luft und ein Brenngas umfassendes Brenngas-Luft-Gemisch in einer Verbrennungskammer 8 verbrannt wird, umfasst folgende Schritte. Der Sensor 1 der Verbrennungskammer 8 ist in einem Abgasstrom 9 der Verbrennungskammer nachgelagert angeordnet und wird vom Abgas aus der Verbrennungskammer zumindest teilweise umströmt. Von dem Sensor 1 gemessene Sensordaten über die stoffliche Zusammensetzung des Abgasstroms 9 werden als die Regelgröße erfasst.
  • In einem mittels des Sensors 1 ausgeführten, der Sensordatenmessung vorgelagerten, Verfahrensschritt wird an einem Kondensatabscheider 3 eine Kondensatabscheidung aus einem, aus dem Abgasstrom 9 abgezweigten Abgasteilstrom 4 ausgeführt. Das Kondensat wird aus dem Kondensatabscheider 3 über eine Kondensatableitung 5 abgeleitet. Das Kondensat wird mittels des Kühlers 2 aus dem Abgasteilstrom 4 auskondensiert. Eine Regelgröße des Sensors 1 wird in dem Abgasteilstrom 4 erfasst. Der Sensor 1 zur Erfassung der Regelgröße ist als thermischer Leitfähigkeitssensors ausgeführt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Sensor
    2
    Kühler
    3
    Kondensatabscheider
    4
    Abgasteilstrom
    5
    Kondensatableitung
    6
    Entnahmedrossel
    7
    Abgasteilstromableitung
    8
    Verbrennungskammer
    9
    Abgasstrom
    10
    Gastherme

Claims (5)

  1. Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme (10), in welchem ein Luft und ein Brenngas umfassendes, Brenngas-Luft-Gemisch in einer Verbrennungskammer (8) verbrannt wird, wobei eine Regelgröße wenigstens eines Sensors (1) zur Anpassung eines Mischverhältnisses von Luftstrom und Brenngasstrom durch geeignete Stellglieder, die vor der Brennkammer angeordnet sind, genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) der Verbrennungskammer (8) in einem Abgasstrom (9) der Verbrennungskammer (8) nachgelagert angeordnet ist und von dem Abgasstrom (9) aus der Verbrennungskammer (8) zumindest teilweise umströmt wird und
    dass von dem Sensor (1) gemessene Sensordaten über die stoffliche Zusammensetzung des Abgasstroms (9) als die Regelgröße erfasst werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Sensordatenmessung vorgelagerten Verfahrensschritt eine Kondensatabscheidung aus dem Abgasstrom (9) ausgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatabscheidung mittels Kühlung des Abgasstroms (9) ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße des Sensors (1) in einem Abgasteilstrom (4) erfasst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße mittels wenigstens eines thermischen Sensors (1), insbesondere eines thermischen Leitfähigkeitssensors, erfasst wird.
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