EP4089329A1 - Method and device for safe restart of a burner operated with a high proportion of hydrogen - Google Patents
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- EP4089329A1 EP4089329A1 EP22168448.3A EP22168448A EP4089329A1 EP 4089329 A1 EP4089329 A1 EP 4089329A1 EP 22168448 A EP22168448 A EP 22168448A EP 4089329 A1 EP4089329 A1 EP 4089329A1
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- F23N2229/16—Flame sensors using two or more of the same types of flame sensor
Definitions
- the invention relates to the safe restart (warm start) shortly after switching off a burner that is operated with a fuel gas that contains a very high proportion of hydrogen, for example more than 95% by volume [percent by volume], in particular 98 to 100%.
- a fuel gas that contains a very high proportion of hydrogen, for example more than 95% by volume [percent by volume], in particular 98 to 100%.
- it is about heaters or condensing boilers, for example for heating domestic water and/or heating buildings.
- a so-called ionization measuring device When using aliphatic fuel gases (e.g. methane, propane, butane), a so-called ionization measuring device is usually used to monitor the presence of a flame (flame detector) and to regulate the combustion. The presence of an ionization signal indicates that a flame is present. Measured values derived from the ionization signal in conjunction with the measurement of the mass flow of air supplied allow the mixing ratio of fuel gas to air (lambda value) to be controlled by adjusting a fuel gas valve.
- aliphatic fuel gases e.g. methane, propane, butane
- calibration data or characteristic diagrams can be stored or made available in the evaluation and control unit, with which measured values and their time derivatives can be compared.
- the temperature sensor measures an increase in temperature. If the flame goes out, a drop in temperature is measured. If the temperature drop per unit of time exceeds a previously z. B. experimentally determined value, this is interpreted as the extinguishing of the flame by the evaluation and control unit and the fuel gas valve is closed. The procedure is reversed when the burner is ignited. If there is no rapid rise in temperature at the temperature sensor after ignition, misfiring can be concluded. If the temperature rises at the expected speed, the ignition process is rated as successful. Temperature monitoring can ensure that hydrogen is burned.
- two or more temperature sensors can be present, with the measured values being compared with one another and a fault message and/or shutdown being triggered if there are deviations above a definable threshold value.
- the measurement signals are separated by Signal lines transmitted to the evaluation and control unit.
- the measured temperatures are compared in the evaluation and control unit. If the temperature difference between the temperature sensors exceeds a defined threshold value, this is an indication that at least one of the temperature sensors (or its signal lines) is defective or thermally degraded.
- the temperature sensors are preferably identical in construction and can be designed, for example, as thermoelectric temperature sensors (thermocouples) or resistance thermometers or gas or liquid thermometers. Expansion thermometers can also be considered.
- a corresponding device for operating a burner with combustion air and a fuel gas containing more than 95% by volume hydrogen was also proposed, which has at least one temperature sensor as a flame monitor in a combustion chamber, which is connected to an evaluation and control unit via a signal line .
- the temperature sensor can be arranged in the area of a combustion flame or at a distance from it.
- two or more temperature sensors are often used as flame monitors, which are connected to an evaluation and control unit via signal lines. In this way, errors in one of the temperature sensors or their signal lines can be detected at an early stage and trigger the fuel gas supply to be switched off.
- the system described so far can reliably fulfill its safety function as a flame monitor when a burner is started if it is a so-called cold start, i.e. the burner and the combustion chamber are at a relatively low temperature (either close to the ambient temperature or close to a temperature of a connected heating circuit ) is located.
- the situation can be somewhat different with a restart, a so-called warm start, i.e. if the burner was only switched off a short time ago and is still at an elevated temperature.
- Temperatures and temperature gradients that are difficult to define then prevail in the combustion chamber and the surrounding components, so that the temperature sensor(s) does not measure the typical temperature curves described when the burner is restarted and therefore cannot reliably fulfill the function of a flame monitor.
- the object of the present invention is therefore to at least partially solve the problems described with reference to the prior art and in particular to create a method and a device for safe operation even with a warm start of a burner with air and a fuel gas that contains more than 95 vol -%, in particular more than 98%, contains hydrogen, as well as an associated computer program product for controlling and regulating when the burner is started.
- a single temperature sensor or a plurality of temperature sensors or the measured values obtained with them can be used here.
- the system of temperature sensor and evaluation and control unit is set up in such a way that they are equipped with a continuous or quasi-continuous data connection.
- the measured value data queried or generated in this way, their progression over time and/or their degree of change can be cumulated/calculated/etc. in real time or if necessary. or possibly compared with a time delay with predefinable target ranges.
- These target ranges can be limited by a lower and/or upper threshold value.
- Such a target range can be (rigidly) stored, but it is also possible to adapt the target range to current operating conditions, if necessary, or to calculate it, taking this into account.
- the fuel gas valve can be closed automatically, which is referred to here in particular as "shutdown".
- All three measures a., b. and/or c. for or before the restart (re-ignition) of the burner can already individually bring about a safe restart. If you wait e.g. B. just as long (time interval corresponds to an empirical value) until the temperature is at a level that corresponds approximately to that of a cold start, so any risk can be avoided. Such a blocking period can be useful for various reasons.
- a restart can also be accelerated, for example, by directing (cold) air through the combustion chamber, in particular by means of the burner fan, as a result of which the conditions for a cold start are achieved again much more quickly. This also allows the combustion chamber to be flushed and any fuel gas residues to be removed.
- measures a., b- and/or c. preferably only be taken if the measured value of the temperature sensor for a desired restart is above a (restart) threshold value. Otherwise, a safe start is possible without further measures. This procedure often leads to a quicker restart than waiting for a blocking time chosen for security reasons.
- the type and/or duration of measures a., b. and/or c. be made dependent on the measured value of the temperature sensor (at the time of a desired restart).
- different measures or combinations of measures can then be taken, these generally being selected in such a way that a restart is permitted as quickly as possible. This can also be accelerated by (further) observing the temperature in the combustion chamber during the measures, so that a restart can take place immediately if a threshold value is undershot.
- air at ambient temperature
- a (restart) threshold value a threshold value
- At least two temperature sensors whose measured values are compared with one another, with deviations above a definable differential value triggering at least one error message or a shutdown.
- Two or more temperature sensors are preferably present as flame monitors and are connected to the evaluation and control unit by means of separate signal lines.
- the solution proposed here also relates to a computer program product comprising instructions which cause the device described to carry out the method described.
- an evaluation and control unit will contain at least one microprocessor and data memory in order to carry out the processes described.
- a suitable program is required for this, which can also be updated if necessary, as well as stored calibration data.
- the heater 1 1 shows a heater 1 designed for operation with hydrogen as the fuel gas, with associated sensors 10, 11.
- the heater 1 has a blower 2, which supplies a burner 3 with air from an air supply 4.
- Fuel gas here hydrogen or a fuel gas mixture consisting predominantly of hydrogen
- An evaluation and control unit 7 controls the blower 2 and the fuel gas valve 5 via control lines 13 in such a way that a mixture suitable for ignition and/or continuous operation is produced.
- flames 16 are produced, the presence of which is monitored by at least one temperature sensor 10.
- a further temperature sensor 11 is present in the present exemplary embodiment, as a result of which the accuracy, availability and safety of the system is increased.
- Each temperature sensor 10, 11 is connected to the evaluation and control unit 7 via a signal line 12.
- the combustion chamber 15 is surrounded by a housing 8 in which heat exchanger surfaces are only indicated here. Combustion gases produced are discharged to the environment via an exhaust system 9 .
- an ignition device 17 which is connected to the evaluation and control unit 7 by means of an ignition line 14 . If the burner 3 was in operation for a while and was then switched off, higher temperatures prevail within the housing 8, in particular in the combustion chamber 15, than in the case of a cold start after the burner has been switched off for a long time. the The temperatures measured by the temperature sensors 10, 11 are not defined so precisely because of their heat storage capacity and the surrounding components that they could be used directly and safely as a flame monitor for a restart (warm start).
- the temperature sensors 10, 11 indicate a temperature above a threshold value
- measures as described above must therefore be taken to reduce the temperature or change the output of the heater 1 when restarting. Waiting for a blocking time and/or flushing the combustion chamber 15 with air are suitable, it being most favorable to observe the effect of these measures on the temperature and to trigger a restart if the temperature falls below the threshold value. This can be taken over by the evaluation and control unit 7, which is controlled by a suitable algorithm for this purpose. Combinations of the measures described, in particular with an increase in power when restarting, are possible.
- the present invention allows heaters that are operated with hydrogen as the fuel gas to be restarted safely after a shortened blocking time, without impairing the important safety function of at least one temperature sensor as a flame monitor.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Brenners (3) mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wobei das Vorhandensein einer Flamme (16) in einem Verbrennungsraum (15) mittels mindestens eines Temperatursensors (10, 11) überwacht wird, dessen Messwert kontinuierlich oder quasikontinuierlich an eine Auswerte- und Regeleinheit (7) weitergeleitet wird, wobei die Auswerte- und Regeleinheit (7) den Messwert und sein zeitliches Verhalten überwacht und mit vorgebbaren Sollbereichen vergleicht, und bei Abweichungen von einem der Sollbereiche das Brenngasventil (5) schließt, wobei ferner bei einem Wiederstart des Brenners (3) nach einer Abschaltung mindestens eine der folgenden Maßnahmen getroffen wird: a) der Wiederstart wird erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls erlaubt, b) es wird vor dem Wiederstart Luft durch den Verbrennungsraum (15) geleitet, c) der Wiederstart erfolgt mit einer höheren Zufuhr an Luft und Brenngas als ein Start bei kaltem Brenner (3). Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bei Heizgeräten (1), die mit Wasserstoff als Brenngas betrieben werden, einen sicheren Wiederstart nach einer verkürzten Sperrzeit durchzuführen, ohne die wichtige Sicherheitsfunktion von mindestens einem Temperatursensor (10, 11) als Flammenwächter zu beeinträchtigen.The invention relates to a method and a device for operating a burner (3) with air and a fuel gas containing more than 95% by volume of hydrogen, the presence of a flame (16) in a combustion chamber (15) being detected by means of at least one temperature sensor ( 10, 11) is monitored, the measured value of which is forwarded continuously or quasi-continuously to an evaluation and control unit (7), the evaluation and control unit (7) monitoring the measured value and its behavior over time and comparing it with predefinable target ranges, and in the event of deviations from one of the target ranges, the fuel gas valve (5) closes, with at least one of the following measures also being taken when the burner (3) restarts after it has been switched off: a) restarting is only permitted after a specifiable time interval has elapsed, b) it is stopped before the Restart air passed through the combustion chamber (15), c) the restart takes place with a higher supply of air and fuel gas as a cold burner start (3). The present invention allows heaters (1) that are operated with hydrogen as the fuel gas to be restarted safely after a shortened blocking time without impairing the important safety function of at least one temperature sensor (10, 11) as a flame monitor.
Description
Die Erfindung betrifft den sicheren Wiederstart (Warmstart) kurz nach Abschaltung eines Brenners, der mit einem Brenngas betrieben wird, welches einen sehr hohen Anteil an Wasserstoff, beispielsweise mehr als 95 Vol-% [Volumenprozent], insbesondere 98 bis 100 % enthält. Insbesondere geht es um Heizgeräte oder Brennwert-Heizgeräte, beispielsweise für die Erwärmung von Brauchwasser und/oder die Beheizung von Gebäuden.The invention relates to the safe restart (warm start) shortly after switching off a burner that is operated with a fuel gas that contains a very high proportion of hydrogen, for example more than 95% by volume [percent by volume], in particular 98 to 100%. In particular, it is about heaters or condensing boilers, for example for heating domestic water and/or heating buildings.
Um in Zukunft den Ausstoß an Kohlendioxid zu verringern, wird angestrebt, Versorgungsnetze für Brenngas mit dekarbonisierten Gasen zu betreiben, wobei eine Möglichkeit dazu die Verwendung von Wasserstoff als Hauptbestandteil ist. Bei der Verbrennung von hochwasserstoffhaltigen Gasen sind allerdings verschiedene Unterschiede gegenüber der Verbrennung von konventionellen Brenngasen, wie z. B. Erdgas, zu beachten.In order to reduce carbon dioxide emissions in the future, efforts are being made to operate fuel gas supply networks with decarbonized gases, one way of which is the use of hydrogen as the main component. In the combustion of gases with a high hydrogen content, however, there are various differences compared to the combustion of conventional fuel gases, such as e.g. g. natural gas.
Für einen sicheren Betrieb eines Brenners ist es z. B. erforderlich sicherzustellen, dass immer eine Flamme vorhanden ist, wenn dem Brenner Brenngas zugeführt wird. Erlischt die Flamme unbemerkt, so kann Brenngas in einen Verbrennungsraum und in die Umgebung entweichen und möglicherweise sogar ein explosives Gemisch bilden, was vermieden werden muss.For safe operation of a burner it is z. B. necessary to ensure that there is always a flame when fuel gas is supplied to the burner. If the flame goes out unnoticed, fuel gas can escape into a combustion chamber and the surrounding area and possibly even form an explosive mixture, which must be avoided.
Bei Verwendung von aliphatischen Brenngasen (z. B. Methan, Propan, Butan) wird für die Überwachung des Vorhandenseins einer Flamme (Flammenwächter) und für die Regelung der Verbrennung meist ein sogenanntes lonisationsmessgerät eingesetzt. Das Vorhandensein eines lonisationssignals zeigt an, dass eine Flamme vorhanden ist, von dem lonisationssignal abgeleitete Messwerte in Verbindung mit der Messung des Massenstromes an zugeführter Luft ermöglichen eine Regelung des Mischungsverhältnisses von Brenngas zu Luft (Lambda-Wert) durch Verstellung eines Brenngasventils.When using aliphatic fuel gases (e.g. methane, propane, butane), a so-called ionization measuring device is usually used to monitor the presence of a flame (flame detector) and to regulate the combustion. The presence of an ionization signal indicates that a flame is present. Measured values derived from the ionization signal in conjunction with the measurement of the mass flow of air supplied allow the mixing ratio of fuel gas to air (lambda value) to be controlled by adjusting a fuel gas valve.
Alle Vorgänge, bei denen ein lonisationsstrom in der Flamme gemessen wird, funktionieren aber nicht bei der Verbrennung von Wasserstoff als Brenngas (auch nicht bei nur geringen Beimischungen aliphatischer Brennstoffe von wenigen Prozent). Außerdem ist die Flamme bei der Verbrennung von Wasserstoff für das menschliche Auge fast unsichtbar und auch nicht mit einfachen optischen Sensoren detektierbar. Eine Detektion im Ultraviolett-Bereich ist möglich, aber sehr aufwändig. Schließlich muss für einen sicheren Betrieb auch berücksichtigt werden, dass selbst ein Ausfall oder eine Fehlfunktion einzelner Teile, z. B. von Sensoren, nicht zu gefährlichen Situationen führen darf.However, all processes in which an ionization current is measured in the flame do not work with the combustion of hydrogen as fuel gas (not even with only small admixtures of aliphatic fuels of a few percent). In addition, when hydrogen is burned, the flame is almost invisible to the human eye and cannot be detected with simple optical sensors. Detection in the ultraviolet range is possible, but very complex. Finally, for safe operation, it must also be taken into account that even a failure or malfunction of individual parts, e.g. B. of sensors, must not lead to dangerous situations.
Es wurden aber bereits Verfahren zum Betrieb eines Brenners mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-%, insbesondere 98 bis 100%, Wasserstoff enthält, vorgeschlagen, die das Vorhandensein einer Flamme in einem Verbrennungsraum mittels mindestens eines Temperatursensors überwacht, dessen Messwert kontinuierlich oder quasikontinuierlich an eine Auswerte- und Regeleinheit weitergeleitet wird, wobei die Auswerte- und Regeleinheit den Messwert und sein zeitliches Verhalten überwacht und mit vorgebbaren Sollbereichen vergleicht, und bei Abweichungen von einem der Sollbereiche die Brenngaszufuhr beendet.However, methods for operating a burner with air and a fuel gas containing more than 95% by volume, in particular 98 to 100%, hydrogen have already been proposed, which monitor the presence of a flame in a combustion chamber by means of at least one temperature sensor whose measured value is forwarded continuously or quasi-continuously to an evaluation and control unit, wherein the evaluation and control unit monitors the measured value and its behavior over time and compares it with definable target ranges, and stops the fuel gas supply if there are deviations from one of the target ranges.
Es können hierfür in der Auswerte- und Regeleinheit Kalibrierdaten oder Kennfelder gespeichert sein oder verfügbar gemacht werden, mit denen Messwerte und deren zeitliche Ableitungen verglichen werden können.For this purpose, calibration data or characteristic diagrams can be stored or made available in the evaluation and control unit, with which measured values and their time derivatives can be compared.
Zündet eine Flamme ordnungsgemäß, so wird von dem Temperatursensor ein Anstieg der Temperatur gemessen. Erlischt die Flamme, so wird ein Abfall der Temperatur gemessen. Überschreitet die Temperaturabsenkung pro Zeiteinheit einen vorher z. B. experimentell ermittelten Wert, so wird dies als Erlöschen der Flamme durch die Auswerte- und Regeleinheit interpretiert und das Brenngasventil geschlossen. Bei der Zündung des Brenners wird umgekehrt verfahren. Kommt es nach der Zündung zu keinem schnellen Temperaturanstieg an dem Temperatursensor, so kann auf eine Fehlzündung geschlossen werden. Steigt die Temperatur mit der erwarteten Geschwindigkeit, so wird der Zündvorgang als erfolgreich gewertet. Durch die Temperaturüberwachung kann sichergestellt werden, dass Wasserstoff verbrannt wird. Dies gilt insbesondere immer dann, wenn die Temperatur im Verbrennungsraum > 833 K [Kelvin] (Selbstzündungstemperatur von Wasserstoff in Luft) und das Luftverhältnis > 1 (Lambda-Wert > 1) ist. Das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) setzt die tatsächlich zur Verfügung stehende Luftmasse ins Verhältnis zur mindestens notwendigen Luftmasse, die für eine stöchiometrisch vollständige Verbrennung theoretisch benötigt wird. Durch die Temperaturüberwachung mit der Funktion eines Flammenwächters kann also sichergestellt werden, dass eine Verbrennung stattfindet bzw. eine Abschaltung erfolgt, falls die Flamme erlischt.If a flame ignites properly, the temperature sensor measures an increase in temperature. If the flame goes out, a drop in temperature is measured. If the temperature drop per unit of time exceeds a previously z. B. experimentally determined value, this is interpreted as the extinguishing of the flame by the evaluation and control unit and the fuel gas valve is closed. The procedure is reversed when the burner is ignited. If there is no rapid rise in temperature at the temperature sensor after ignition, misfiring can be concluded. If the temperature rises at the expected speed, the ignition process is rated as successful. Temperature monitoring can ensure that hydrogen is burned. This always applies in particular when the temperature in the combustion chamber is > 833 K [Kelvin] (self-ignition temperature of hydrogen in air) and the air ratio is > 1 (lambda value > 1). The combustion air ratio (lambda) puts the air mass actually available in relation to the minimum necessary air mass that is theoretically required for stoichiometrically complete combustion. Temperature monitoring with the function of a flame monitor can therefore ensure that combustion takes place or that the device is switched off if the flame goes out.
Aus Gründen der Redundanz und für einen höheren Sicherheitsstandard können zwei oder mehr Temperatursensoren vorhanden sein, wobei die Messwerte untereinander verglichen und bei Abweichungen oberhalb eines vorgebbaren Schwellwertes eine Störmeldung und/oder Abschaltung ausgelöst wird. Die Messsignale werden durch separate Signalleitungen an die Auswerte- und Regeleinheit übermittelt. In der Auswerte- und Regeleinheit werden die gemessenen Temperaturen verglichen. Übersteigt die Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren einen definierten Schwellwert, so ist dies ein Indiz dafür, dass mindestens einer der Temperatursensoren (oder deren Signalleitungen) defekt sind oder thermisch degradieren. Bevorzugt sind die Temperatursensoren baugleich und können beispielsweise als thermoelektrische Temperatursensoren (Thermoelemente) oder Widerstandsthermometer oder Gas- oder Flüssigkeitsthermometer ausgeführt sein. Auch Ausdehnungsthermometer können in Betracht kommen.For reasons of redundancy and for a higher safety standard, two or more temperature sensors can be present, with the measured values being compared with one another and a fault message and/or shutdown being triggered if there are deviations above a definable threshold value. The measurement signals are separated by Signal lines transmitted to the evaluation and control unit. The measured temperatures are compared in the evaluation and control unit. If the temperature difference between the temperature sensors exceeds a defined threshold value, this is an indication that at least one of the temperature sensors (or its signal lines) is defective or thermally degraded. The temperature sensors are preferably identical in construction and can be designed, for example, as thermoelectric temperature sensors (thermocouples) or resistance thermometers or gas or liquid thermometers. Expansion thermometers can also be considered.
Auch eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb eines Brenners mit Verbrennungsluft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wurde vorgeschlagen, welche in einem Verbrennungsraum mindestens einen Temperatursensor als Flammenwächter aufweist, der über eine Signalleitung mit einer Auswerte- und Regeleinheit verbunden ist.A corresponding device for operating a burner with combustion air and a fuel gas containing more than 95% by volume hydrogen was also proposed, which has at least one temperature sensor as a flame monitor in a combustion chamber, which is connected to an evaluation and control unit via a signal line .
Schon mit dieser Ausstattung lässt sich, wie oben beschrieben, eine Flammenüberwachung durchführen. Je nach Bauart und Anforderungen kann der Temperatursensor im Bereich einer Verbrennungsflamme oder mit Abstand dazu angeordnet sein.As described above, flame monitoring can already be carried out with this equipment. Depending on the design and requirements, the temperature sensor can be arranged in the area of a combustion flame or at a distance from it.
Oft werden aus Sicherheitsgründen zwei oder mehr Temperatursensoren als Flammenwächter eingesetzt, die mittels Signalleitungen mit einer Auswerte- und Regeleinheit verbunden sind. So können Fehler in einem der Temperatursensoren oder deren Signalleitungen frühzeitig erkannt werden und eine Abschaltung der Brenngaszufuhr auslösen.For safety reasons, two or more temperature sensors are often used as flame monitors, which are connected to an evaluation and control unit via signal lines. In this way, errors in one of the temperature sensors or their signal lines can be detected at an early stage and trigger the fuel gas supply to be switched off.
Das bisher beschriebene System kann seine Sicherheitsfunktion als Flammenwächter beim Start eines Brenners zuverlässig erfüllen, wenn es sich um einen sogenannten Kaltstart handelt, der Brenner und der Verbrennungsraum sich also auf einer relativ niedrigen Temperatur (entweder nahe der Umgebungstemperatur oder nahe an einer Temperatur eines angeschlossenen Heizkreislaufes) befindet. Etwas anders kann die Situation bei einem Wiederstart, einem sogenannten Warmstart, sein, wenn also der Brenner erst vor kurzer Zeit abgeschaltet wurde und sich noch auf erhöhter Temperatur befindet. Dann herrschen schwer definierbare Temperaturen und Temperaturgradienten im Verbrennungsraum und den umliegenden Bauteilen, so dass der oder die Temperatursensor(en) bei einem erneuten Start des Brenners nicht die beschriebenen typischen Temperaturverläufe messen und daher auch nicht die Funktion als Flammenwächter sicher erfüllen können.The system described so far can reliably fulfill its safety function as a flame monitor when a burner is started if it is a so-called cold start, i.e. the burner and the combustion chamber are at a relatively low temperature (either close to the ambient temperature or close to a temperature of a connected heating circuit ) is located. The situation can be somewhat different with a restart, a so-called warm start, i.e. if the burner was only switched off a short time ago and is still at an elevated temperature. Temperatures and temperature gradients that are difficult to define then prevail in the combustion chamber and the surrounding components, so that the temperature sensor(s) does not measure the typical temperature curves described when the burner is restarted and therefore cannot reliably fulfill the function of a flame monitor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen und insbesondere die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum sichern Betrieb auch bei einem Warmstart eines Brenners mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-%, insbesondere mehr als 98%, Wasserstoff enthält, sowie eines zugehörigen Computerprogrammproduktes für die Steuerung und Regelung beim Start des Brenners.The object of the present invention is therefore to at least partially solve the problems described with reference to the prior art and in particular to create a method and a device for safe operation even with a warm start of a burner with air and a fuel gas that contains more than 95 vol -%, in particular more than 98%, contains hydrogen, as well as an associated computer program product for controlling and regulating when the burner is started.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt bevorzugte Ausführungsbeispiele an.A method and a device as well as a computer program product according to the independent claims serve to solve this task. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the respective dependent claims. The description, particularly in connection with the drawing, illustrates the invention and specifies preferred exemplary embodiments.
Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren bei zum Betrieb eines Brenners mit Luft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wobei das Vorhandensein einer Flamme in einem Verbrennungsraum mittels mindestens eines Temperatursensors überwacht wird, dessen Messwert kontinuierlich oder quasikontinuierlich an eine Auswerte- und Regeleinheit weitergeleitet wird, wobei die Auswerte- und Regeleinheit den Messwert und sein zeitliches Verhalten überwacht und mit vorgebbaren Sollbereichen vergleicht, und bei Abweichungen von einem der Sollbereiche das Brenngasventil schließt, wobei ferner bei einem Wiederstart des Brenners nach einer Abschaltung mindestens eine der folgenden Maßnahmen getroffen wird:
- a. der Wiederstart wird erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls erlaubt,
- b. es wird vor dem Wiederstart Luft durch den Verbrennungsraum geleitet,
- c. der Wiederstart erfolgt mit einer höheren Zufuhr an Luft und Brenngas als ein Start bei kaltem Brenner.
- a. the restart is only permitted after a specified time interval has elapsed,
- b. air is passed through the combustion chamber before restarting,
- c. the restart takes place with a higher supply of air and fuel gas than a start with a cold burner.
Hierbei kann auf einen einzelnen Temperatursensor oder mehrere Temperatursensoren bzw. die damit gewonnenen Messwerte zurückgegriffen werden. Das System aus Temperatursensor und Auswerte- und Regeleinheit ist dabei so eingerichtet, dass diese mittels einer kontinuierlichen oder quasikontinuierlich Datenverbindung ausgestattet sind. Die so abgefragten oder erzeugten Messwert-Daten, deren zeitlicher Verlauf und/oder deren Änderungsgrad kann in Echtzeit oder ggf. kumuliert/berechnet/etc. oder ggf. zeitlich versetzt mit vorgebbaren Sollbereichen verglichen werden. Diese Sollbereiche können von einem unteren und/oder oberen Schwellwert begrenzt sein. Ein solcher Sollbereich kann (starr) abgespeichert werden, es ist aber auch möglich, den Sollbereich ggf. an aktuelle Betriebsbedingungen anzupassen oder unteren Berücksichtigung zu berechnen. Bei Abweichungen von einem der Sollbereiche, ggf. auch mit einer vorgegebenen Anzahl an Über- oder Unterschreitungen und/oder ggf. einer vorgegebenen Toleranz kann das Brenngasventil automatisch geschlossen werden, was hier insbesondere als "Abschaltung" bezeichnet wird.A single temperature sensor or a plurality of temperature sensors or the measured values obtained with them can be used here. The system of temperature sensor and evaluation and control unit is set up in such a way that they are equipped with a continuous or quasi-continuous data connection. The measured value data queried or generated in this way, their progression over time and/or their degree of change can be cumulated/calculated/etc. in real time or if necessary. or possibly compared with a time delay with predefinable target ranges. These target ranges can be limited by a lower and/or upper threshold value. Such a target range can be (rigidly) stored, but it is also possible to adapt the target range to current operating conditions, if necessary, or to calculate it, taking this into account. In the event of deviations from one of the target ranges, possibly also with a specified number of or falls below and/or possibly a predetermined tolerance, the fuel gas valve can be closed automatically, which is referred to here in particular as "shutdown".
Alle drei Maßnahmen a., b. und/oder c. zum bzw. vor dem Wiederstart (erneuten Zünden) des Brenners können schon einzeln einen sicheren Wiederstart bewirken. Wartet man z. B. einfach so lange (Zeitintervall entspricht einem Erfahrungswert), bis die Temperatur sich auf einem Niveau befindet, das etwa dem bei einem Kaltstart entspricht, so kann jedes Risiko vermieden werden. Eine solche Sperrzeit kann aus verschiedenen Gründen sinnvoll sein. Man kann beispielsweise auch einen Wiederstart beschleunigen, indem man (kalte) Luft, insbesondere mittels des Gebläses des Brenners durch den Verbrennungsraum leitet, wodurch sehr viel schneller die Bedingungen eines Kaltstartes wieder erreicht werden. Dadurch kann außerdem der Verbrennungsraum gespült und von eventuellen Brenngasresten befreit werden. Außerdem kann es möglich sein, den Brenner beim Wiederstart mit einer (gegenüber dem Erststart oder einem vorherigen Wiederstart) höheren Leistung durch höhere Zufuhr an Luft und Brenngas zu starten, wodurch charakteristische Temperaturverläufe, die zur Flammenüberwachung genügen, erreicht werden können, auch wenn die Ausgangstemperatur noch nicht der bei einem Kaltstart entspricht. Natürlich ist eine Kombination der einzelnen Maßnahmen möglich und oft nützlich.All three measures a., b. and/or c. for or before the restart (re-ignition) of the burner can already individually bring about a safe restart. If you wait e.g. B. just as long (time interval corresponds to an empirical value) until the temperature is at a level that corresponds approximately to that of a cold start, so any risk can be avoided. Such a blocking period can be useful for various reasons. A restart can also be accelerated, for example, by directing (cold) air through the combustion chamber, in particular by means of the burner fan, as a result of which the conditions for a cold start are achieved again much more quickly. This also allows the combustion chamber to be flushed and any fuel gas residues to be removed. In addition, it may be possible to restart the burner with a higher output (compared to the initial start or a previous restart) by means of a higher supply of air and fuel gas, which means that characteristic temperature profiles that are sufficient for flame monitoring can be achieved, even if the initial temperature does not yet correspond to that of a cold start. Of course, a combination of the individual measures is possible and often useful.
Es sei erwähnt, dass die Maßnahmen a., b- und/oder c. bevorzugt nur getroffen werden, wenn der Messwert des Temperatursensors für einen gewünschten Wiederstart oberhalb eines (Wiederstart-)Schwellwertes liegt. Ansonsten ist ein sicherer Start ohne weitere Maßnahmen möglich. Diese Vorgehensweise führt oft zu einem schnelleren Wiederstart als das Abwarten einer aus Sicherheitsgründen lang gewählten Sperrzeit.It should be mentioned that measures a., b- and/or c. preferably only be taken if the measured value of the temperature sensor for a desired restart is above a (restart) threshold value. Otherwise, a safe start is possible without further measures. This procedure often leads to a quicker restart than waiting for a blocking time chosen for security reasons.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Art und/oder Dauer der Maßnahmen a., b. und/oder c. von dem Messwert des Temperatursensors (zum Zeitpunkt eines gewünschten Wiederstarts) abhängig gemacht werden. Je nach Temperatur im Verbrennungsraum können dann unterschiedliche Maßnahmen oder Kombinationen von Maßnahmen getroffen werden, wobei diese im Allgemeinen so gewählt werden, dass ein Wiederstart möglichst schnell zugelassen wird. Dieser kann auch dadurch beschleunigt werden, dass die Temperatur im Verbrennungsraum während der Maßnahmen (weiter) beobachtet wird, so dass bei Unterschreiten eines Schwellwertes direkt ein Wiederstart erfolgen kann.It is particularly advantageous if the type and/or duration of measures a., b. and/or c. be made dependent on the measured value of the temperature sensor (at the time of a desired restart). Depending on the temperature in the combustion chamber, different measures or combinations of measures can then be taken, these generally being selected in such a way that a restart is permitted as quickly as possible. This can also be accelerated by (further) observing the temperature in the combustion chamber during the measures, so that a restart can take place immediately if a threshold value is undershot.
Insbesondere auch durch die Möglichkeit eines Wiederstartes mit erhöhter Leistung entsteht ein erheblicher Spielraum zur Beschleunigung eines Wiederstartes des Brenners, der dynamisch von der gemessenen Temperatur und anderen einer Auswerte- und Regeleinheit vorgebbaren Faktoren abhängig gemacht werden kann.In particular, due to the possibility of restarting with increased power, there is considerable scope for accelerating a restart of the burner, which can be made dynamically dependent on the measured temperature and other factors that can be predetermined by an evaluation and control unit.
Insbesondere kann so lange Luft (mit Umgebungstemperatur) durch den Verbrennungsraum geleitet werden, bis der Messwert der Temperatur im Verbrennungsraum einen (Wiederstart-)Schwellwert unterschreitet.In particular, air (at ambient temperature) can be conducted through the combustion chamber until the measured value of the temperature in the combustion chamber falls below a (restart) threshold value.
Aus Sicherheits- oder Redundanzgründen sind vorzugsweise mindestens zwei Temperatursensoren vorhanden, deren Messwerte untereinander verglichen werden, wobei bei Abweichungen oberhalb eines vorgebbaren Differenzwertes zumindest eine Störmeldung oder eine Abschaltung ausgelöst wird. Gerade bei einer solchen Ausstattung ist es sinnvoll, definierte Temperaturbedingungen für einen Wiederstart herbeizuführen, weil ansonsten Abweichungen als Fehler interpretiert werden könnten, die z. B. nur auf einer erhöhten Ausgangstemperatur eines der Sensoren beruhen.For reasons of safety or redundancy, there are preferably at least two temperature sensors whose measured values are compared with one another, with deviations above a definable differential value triggering at least one error message or a shutdown. Especially with such equipment, it makes sense to bring about defined temperature conditions for a restart, because otherwise deviations could be interpreted as errors, e.g. B. based only on an increased output temperature of one of the sensors.
Zur Lösung der Aufgabe dient auch eine Vorrichtung zum Betrieb eines Brenners mit Verbrennungsluft und einem Brenngas, das mehr als 95 Vol-% Wasserstoff enthält, wobei in einem Verbrennungsraum mindestens ein Temperatursensor als Flammenwächter vorhanden ist, der über eine Signalleitung mit einer Auswerte- und Regeleinheit verbunden ist und wobei die Auswerte- und Regeleinheit eingerichtet ist, bei einem Wiederstart des Brenners nach einer Abschaltung in Abhängigkeit von einem Messwert des Temperatursensors mindestens eine der folgenden Maßnahmen durchzuführen:
- a. der Wiederstart wird erst nach Ablauf eines vorgebbaren Zeitintervalls erlaubt,
- b. es wird vor dem Wiederstart Luft durch den Verbrennungsraum geleitet,
- c. der Wiederstart erfolgt mit einer höheren Zufuhr an Luft und Brenngas als ein Start bei kaltem Brenner.
- a. the restart is only permitted after a specified time interval has elapsed,
- b. air is passed through the combustion chamber before restarting,
- c. the restart takes place with a higher supply of air and fuel gas than a start with a cold burner.
Bevorzugt sind zwei oder mehr Temperatursensoren als Flammenwächter vorhanden und mittels getrennter Signalleitungen mit der Auswerte- und Regeleinheit verbunden.Two or more temperature sensors are preferably present as flame monitors and are connected to the evaluation and control unit by means of separate signal lines.
Die hier vorgeschlagene Lösung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Vorrichtung das beschriebene Verfahren ausführt. Im Allgemeinen wird eine Auswerte- und Regeleinheit mindestens einen Mikroprozessor und Datenspeicher enthalten, um die beschriebenen Vorgänge auszuführen. Dazu wird ein geeignetes Programm benötigt, welches auch bei Bedarf aktualisiert werden kann, ebenso wie gespeicherte Kalibrierdaten.The solution proposed here also relates to a computer program product comprising instructions which cause the device described to carry out the method described. In general, an evaluation and control unit will contain at least one microprocessor and data memory in order to carry out the processes described. A suitable program is required for this, which can also be updated if necessary, as well as stored calibration data.
Zur Charakterisierung der Vorrichtung kann vollumfänglich auf die Erläuterungen zum Verfahren Bezug genommen werden, und umgekehrt.To characterize the device, full reference can be made to the explanations of the method, and vice versa.
Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- schematisch den Aufbau eines Heizgerätes mit Sensorik und Auswerte- und Regeleinheit
- 1
- schematic of the structure of a heater with sensors and evaluation and control unit
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, bei Heizgeräten, die mit Wasserstoff als Brenngas betrieben werden, einen sicheren Wiederstart nach einer verkürzten Sperrzeit durchzuführen, ohne die wichtige Sicherheitsfunktion von mindestens einem Temperaturfühler als Flammenwächter zu beeinträchtigen.The present invention allows heaters that are operated with hydrogen as the fuel gas to be restarted safely after a shortened blocking time, without impairing the important safety function of at least one temperature sensor as a flame monitor.
- 11
- Heizgerätheater
- 22
- Gebläsefan
- 33
- Brennerburner
- 44
- Luftzufuhrair supply
- 55
- Brenngasventilfuel gas valve
- 66
- Brenngasversorgungfuel gas supply
- 77
- Auswerte- und RegeleinheitEvaluation and control unit
- 88th
- GehäuseHousing
- 99
- Abgasanlageexhaust system
- 1010
- Temperatursensortemperature sensor
- 1111
- Weiterer TemperatursensorAnother temperature sensor
- 1212
- Signalleitungensignal lines
- 1313
- Steuerleitungencontrol lines
- 1414
- Zündleitungignition wire
- 1515
- Verbrennungsraumcombustion chamber
- 1616
- Flammeflame
- 1717
- Zündeinrichtungignition device
Claims (8)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021110450.5A DE102021110450A1 (en) | 2021-04-23 | 2021-04-23 | Method and device for safely restarting a burner operated with a high proportion of hydrogen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP4089329A1 true EP4089329A1 (en) | 2022-11-16 |
Family
ID=81325335
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP22168448.3A Pending EP4089329A1 (en) | 2021-04-23 | 2022-04-14 | Method and device for safe restart of a burner operated with a high proportion of hydrogen |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10153643A1 (en) * | 2001-10-31 | 2003-05-15 | Escube Space Sensor Systems Gm | Process for monitoring of a combustion system having a burner supplied with fuel comprises simultaneous monitoring of the flame, the oxidizable components of the exhaust gas, and its temperature using a sensor |
JP2006002991A (en) * | 2004-06-17 | 2006-01-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Combustion device |
US20090181334A1 (en) * | 2008-01-10 | 2009-07-16 | Derek Moore | Burner ignition control system |
DE102008008895A1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-20 | J. Eberspächer GmbH & Co. KG | Repeated cold start method for firing operation in fuel-operated heater, involves producing favorable conditions in combustion chamber after identifying extinction or false start by temperature sensor in igniting preparation phase |
-
2021
- 2021-04-23 DE DE102021110450.5A patent/DE102021110450A1/en active Pending
-
2022
- 2022-04-14 EP EP22168448.3A patent/EP4089329A1/en active Pending
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102021110450A1 (en) | 2022-10-27 |
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