EP4141322A1 - Verfahren und anordnung zum sicheren betreiben und regeln eines verbrennungsprozesses in einem heizgerät für die verbrennung von wasserstoff - Google Patents

Verfahren und anordnung zum sicheren betreiben und regeln eines verbrennungsprozesses in einem heizgerät für die verbrennung von wasserstoff Download PDF

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EP4141322A1
EP4141322A1 EP22189846.3A EP22189846A EP4141322A1 EP 4141322 A1 EP4141322 A1 EP 4141322A1 EP 22189846 A EP22189846 A EP 22189846A EP 4141322 A1 EP4141322 A1 EP 4141322A1
Authority
EP
European Patent Office
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ionization
primary sensor
flames
sensor system
signal
Prior art date
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Pending
Application number
EP22189846.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Grabe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vaillant GmbH filed Critical Vaillant GmbH
Publication of EP4141322A1 publication Critical patent/EP4141322A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • F23N5/242—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the safe operation and regulation of a combustion process in a heating device which can be operated with pure hydrogen or a fuel gas with a hydrogen content of more than 90%, preferably more than 97%.
  • Hydrogen as a fuel gas or as an admixture to fuel gases is becoming more and more important, and great efforts are being made to upgrade new or existing heating devices for operation with it. It is not only a question of large systems, but also of wall-mounted units for heating water and, in general, heaters for heating buildings and/or providing hot water. When it is burned, hydrogen differs in several respects from the fuel gases used to date. In particular, a hydrogen flame is almost invisible to the human eye and different measuring systems are required than for heaters for fuels made from hydrocarbons. Hitherto, simple and robust sensors for ionization, temperature, light or thermal radiation, pressure, volume flow and the like have generally been used in heaters in order to regulate the heaters and ensure their safe operation.
  • Ionization gauges are often used in prior art heaters, both to detect the presence of flames and to control the combustion process. For this it is z. B. from the DE 39 37 290 A1 It is known to measure the electrical conductivity of a flame area in a combustion chamber and to regulate the mixing ratio of combustion air to fuel gas in such a way that the electrical conductivity remains within a specific target range or at a specific target value.
  • a corresponding control device for a burner with an ionization electrode is z. B. from the EP 1 154 202 A2 known. Based on the Langmuir probe used in plasma physics, the measurement of conductivity using an ionization electrode also represents a Langmuir probe.
  • This measuring method is invasive, which means that the combustion is influenced by the introduction of an electrode.
  • combustion processes with hydrogen as fuel gas have a much lower ionization in their flames, so that often (at least with low power and/or high lambda in the operation of a heater) no ionization signal suitable for monitoring or control can be measured. Therefore, alternative measuring methods are used, in particular those based on the measurement of ultraviolet radiation from the combustion process or those based on temperature measurements.
  • a use of optical sensors using optical filters is for a special application in heaters that are operated with hydrogen-containing fuel gas, for example from the EP 3 663 648 A1 known. Also from the EP 2 223 016 B1 optical measuring systems in heaters are known, these two documents mainly dealing with the observation of the radiation from flames, ie with radiation emissions in the combustion chamber.
  • the creation of a corresponding computer program product is also an object of the invention.
  • a method for the safe operation and regulation of a combustion process in a combustion chamber of a heater contributes to the solution of the task, wherein hydrogen or a fuel gas containing more than 90%, in particular more than 97%, hydrogen is burned with air.
  • a primary sensor system that is not based on ionization measurement is used to detect the presence of flames and, if necessary, for example also to regulate the ratio of air to fuel gas. Secondary (as required and/or additionally) an ionization measurement is carried out in a flame area in the combustion chamber, the ionization signal of which enables or triggers error detection and/or emergency operation control in the event of a fault in a primary sensor and/or associated primary sensor electronics.
  • ionization measuring devices are proven systems that are only not used with hydrogen as the fuel and with low power and/or high lambda of a heater because of too few charge carriers in the then small flames.
  • higher performance and sufficiently low lambda they measure reliably. If a primary sensor incorrectly signals the presence of flames, although they have gone out or have not ignited, typical control electronics of a heater try to increase the output because the temperature increase expected in this situation does not occur. Such an increase in output (modulation) of the combustion process can also take place for other reasons and a completely be error-free process.
  • An (additional) ionization measurement can be carried out here in order to distinguish between the two types of power increase.
  • the primary sensor system is preferably based on the measurement of ultraviolet radiation in or on the combustion chamber, which is a reliable measurement method in all power ranges.
  • the primary sensor system is based on measuring temperatures in or on the combustion chamber, which means that the presence of flames can also be determined in any power range and the combustion process can be controlled.
  • one or more temperature sensors are used for this purpose.
  • the ionization measuring device is preferably always running, but is only used above a specific minimum output in order to check the primary sensors. If this is defective, the ionization measuring device can still be used to monitor the flame and regulate it, but only if the power is above the minimum power (emergency operation).
  • a typical control system incorrectly tries to increase the power of the heater without, however, a usable ionization signal being detectable above a minimum power, so that the flames go out from the Failure of this signal closed and security measures can be initiated.
  • This embodiment is particularly important in order to comply with safety regulations and to be able to prevent the heater from restarting with a defective primary sensor system.
  • the heater is only operated in a power range if necessary, in which the secondary ionization measurement is used to detect flames and for regulation can be used, with the ionization measurement replacing the primary sensors.
  • a limited but safe emergency operation is possible until the primary sensors can be serviced.
  • An arrangement for the safe operation and regulation of a combustion process in a combustion chamber of a heating device also contributes to solving the problem Combustion of hydrogen or a combustible gas containing more than 90% hydrogen with air, with a primary sensor system not based on ionization measurement being present to detect the presence of flames and to regulate the ratio of air to combustible gas, and with a secondary ionization measuring device for measuring ionization is present in a flame area in the combustion chamber, the ionization signal of which enables fault detection and/or emergency operation control in the event of a fault in a primary sensor and/or associated primary sensor electronics.
  • evaluation electronics are available for this purpose (can also be integrated into control electronics), which are set up to check whether an ionization signal occurs when a control system attempts to increase the power of the heater above a minimum power, so that if this is absent Signal that the flames have gone out despite erroneous detection of flames by the primary sensor system and thus a fault in the primary sensor system can be concluded.
  • the evaluation electronics are set up to switch off the heater after detecting a fault in the primary sensor system, trigger an error message and/or carry out a switchover so that the heater (for a specified period of time) can only be operated in a power range suitable for ionization measurements and where the ionization gauge is used to detect the presence of flames and control the combustion process.
  • a further aspect also relates to a computer program product comprising instructions which cause the arrangement described to carry out the method described.
  • the evaluation of the data measured by the sensors and their further use in the Heaters require a program and data to control and regulate the heater, both of which need to be updated from time to time.
  • the explanations for the method can be used for a more detailed characterization of the arrangement, and vice versa.
  • the arrangement can also be set up in such a way that the method is carried out with it.
  • FIG. 1 shows schematically parts of a heating device, in particular a combustion chamber 1 with a burner 14 arranged therein.
  • the burner 14 is supplied with air via an air supply 3 with a blower 5, which supplies fuel gas, here essentially hydrogen, via a fuel gas supply 4 by means of a fuel gas valve 6 is added.
  • a resulting mixture burns with the formation of flames 2 in a flame region 9 essentially to form water (vapor).
  • primary sensors 7 are used as flame monitors, in particular UV sensors (to measure ultraviolet radiation from the flame area 9) or temperature sensors (to measure the heat development of the combustion process).
  • the combustion process is optionally also regulated, in particular the ratio (lambda) of air to combustible gas is set. Both functions are so important that a failure of the primary sensor 7 or its associated primary sensor electronics 11 must be detected as quickly as possible, and in particular a restart of the heater if the primary sensors 7, 11 are defective must be prevented.
  • an ionization electrode 8 is arranged in the flame area 9, the signal from which is processed by ionization measuring electronics 12 and evaluated by evaluation electronics 10. If the ionization measurement 8, 12 detects a signal when there is a power increase, then there is an error-free (intended) power increase (modulation). However, if there is no signal, there can only be an error, and the fuel gas valve 6 must be closed immediately in order to prevent the unburned air/fuel gas mixture from escaping. There is then typically an error message or the device is even locked until maintenance is carried out by specialist personnel. These functions are performed by evaluation electronics 10, which can also be integrated into control electronics 13.
  • the ionization measurement 8, 12 if the operation is restricted to power levels at which the ionization measurement 8, 12 works, ie to power levels above the minimum power for ionization measurements. If the evaluation electronics 10 recognize that the primary sensors 7, 11 are working incorrectly (because no ionization signal occurs when the power is increased), they switch off the primary sensors 7, 11 and use the ionization measurement 8, 12 for future flame monitoring and regulation until maintenance of the device has taken place. For this purpose, the control electronics 13 must be used to ensure that only power ranges are permitted in which the ionization measurement 8, 12 works, which means that operation is restricted, but there is no loss of safety and availability.
  • the present invention enables safe operation of heating devices that can be operated with hydrogen and at the same time reduces the risk of a faulty primary sensor system 7, 11 with high availability through emergency operation with ionization measurement 8, 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum sicheren Betreiben und Regeln eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum (1) eines Heizgerätes, wobei Wasserstoff mit Luft verbrannt wird, wobei weiter zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen (2) und gegebenenfalls zur Regelung des Verhältnisses von Luft zu Brenngas eine nicht auf lonisationsmessung basierende Primär-Sensorik (7,11) eingesetzt wird und wobei sekundär eine lonisationsmessung (8, 12) in einem Flammenbereich (9) im Verbrennungsraum (1) durchgeführt wird, deren lonisationssignal bei einer Störung eines Primär-Sensors (7) und/oder einer zugehörigen primären Sensorelektronik (11) eine Fehlererkennung und/oder eine Notlaufregelung ermöglicht. Dazu ist insbesondere eine Auswerteelektronik (10) vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, bei einer von einer Regelungselektronik (13) angestrebten Leistungserhöhung des Heizgerätes über eine Mindestleistung zu prüfen, ob ein lonisationssignal auftritt, so dass bei einem Fehlen dieses Signals auf ein Erlöschen der Flammen (2) trotz fälschlicher Erkennung von Flammen (2) durch die Primär-Sensorik (7, 11) und damit einen Fehler in der Primär-Sensorik (7, 11) geschlossen werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen sicheren Betrieb von mit Wasserstoff betreibbaren Heizgeräten und mindert gleichzeitig die Risiken einer fehlerhaften primären Sensorik (7, 11) bei hoher Verfügbarkeit durch einen Notlaufbetrieb mit lonisationsmessung (8, 12).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum sicheren Betreiben und Regeln eines Verbrennungsprozesses in einem Heizgerät, welches mit reinem Wasserstoff oder einem Brenngas mit mehr als 90 % [Prozent] Wasserstoffanteil, vorzugsweise mehr als 97%, betreibbar ist.
  • Wasserstoff als Brenngas oder als Beimischung zu Brenngasen wird immer wichtiger, und es werden große Anstrengen unternommen, neue oder auch existierende Heizgeräte für einen Betrieb damit zu ertüchtigen. Dabei geht es nicht nur um große Anlagen, sondern auch um Wandgeräte zur Erwärmung von Wasser und generell um Heizgeräte für die Beheizung von Gebäuden und/oder die Bereitstellung von warmem Wasser. Wasserstoff unterscheidet sich bei seiner Verbrennung in mehreren Punkten von bisher verwendeten Brenngasen, insbesondere ist eine Wasserstofflamme für das menschliche Auge fast unsichtbar und es werden andere Messsysteme benötigt als bei Heizgeräten für Brennstoffe aus Kohlenwasserstoffen. In Heizgeräten werden bisher im Allgemeinen einfache und robuste Sensoren für Ionisation, Temperatur, Licht- oder Wärme-Strahlung, Druck, Volumenstrom und dergleichen eingesetzt, um die Heizgeräte zu regeln und deren sicheren Betrieb zu gewährleisten. Mit bisher üblicher Sensorik lassen sich jedoch bei Verwendung von Wasserstoff als Brenngas manche Messungen nicht zuverlässig durchführen. Eine wichtige Funktion ist das Feststellen des Vorhandenseins einer stabilen Flamme (ein sogenannter Flammenwächter), eine andere die Einstellung eines für eine stabile und umweltschonende Verbrennung geeigneten Verhältnisses von Verbrennungsluft zu Brenngas (Lambda-Wert).
  • Bei Heizgeräten nach dem Stand der Technik werden häufig lonisationsmessgeräte eingesetzt, und zwar sowohl zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen als auch zur Regelung des Verbrennungsprozesses. Dazu ist es z. B. aus der DE 39 37 290 A1 bekannt, die elektrische Leitfähigkeit eines Flammenbereiches in einem Verbrennungsraum zu messen und das Mischungsverhältnis von Verbrennungsluft zu Brenngas so einzuregeln, dass die elektrische Leitfähigkeit innerhalb eines bestimmten Sollbereiches bzw. auf einem bestimmten Sollwert bleibt. Eine entsprechende Regeleinrichtung für einen Brenner mit einer lonisationselektrode ist z. B. aus der EP 1 154 202 A2 bekannt. In Anlehnung an in der Plasmaphysik verwendeten Langmuir-Sonde stellt die Messung der Leitfähigkeit mittels einer lonisationselektrode ebenfalls eine Langmuir-Sonde dar. Diese Mess-Methode ist invasiv, was bedeutet, dass die Verbrennung durch das Einbringen einer Elektrode beeinflusst wird. Verbrennungsprozesse mit Wasserstoff als Brenngas haben jedoch in ihren Flammen eine viel geringere Ionisierung, so dass oft (jedenfalls bei kleiner Leistung und/oder hohem Lambda im Betrieb eines Heizgerätes) kein für die Überwachung oder Regelung geeignetes lonisationssignal gemessen werden kann. Es werden daher alternative Messverfahren eingesetzt, insbesondere solche, die auf der Messung ultravioletter Strahlung des Verbrennungsprozesses basieren oder solche, die auf Temperaturmessungen beruhen.
  • Eine Verwendung von optischen Sensoren unter Benutzung von optischen Filtern ist für eine spezielle Anwendung bei Heizgeräten, die mit wasserstoffhaltigem Brenngas betrieben werden, schon beispielsweise aus der EP 3 663 648 A1 bekannt. Auch aus der EP 2 223 016 B1 sind optische Messsysteme in Heizgeräten bekannt, wobei sich diese beiden Dokumente hauptsächlich mit der Beobachtung der Strahlung von Flammen beschäftigen, also mit Strahlungsemissionen im Verbrennungsraum.
  • Wegen der hohen Temperaturen und starken Emissionen im Bereich von Flammen sind bekannte Messverfahren und eine Auswertung solcher Messungen mit einem gewissen Aufwand verbunden, weil bei sicherheitsrelevanten Funktionen möglichst keine Fehler auftreten sollten. Je komplexer ein Messsystem ist, desto größer ist im Allgemeinen jedoch die Fehleranfälligkeit. Für Sicherheitsfunktionen, wie die eines Flammenwächters, wird daher angestrebt oder sogar vorgeschrieben, dass Fehler in den Messsystemen schnell erkannt und geeignete Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden. Wenn ein Erlöschen der Flammen oder das Ausbleiben einer Zündung eines zuströmenden brennbaren Gemisches aus Wasserstoff und Luft in einem Verbrennungsraum nicht erkannt werden, kann es zu gefährlichen Ansammlungen oder dem Ausströmen von brennbarem oder sogar explosivem Gemisch kommen, was unbedingt vermieden werden muss. Besonders kritisch sind daher Situationen, in denen ein Flammenwächter fälschlich das Vorhandensein von Flammen anzeigt, die in Wirklichkeit nicht vorhanden sind. Dies soll schnellstmöglich erkannt werden, damit geeignete Maßnahmen eingeleitet werden können.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, die die eingangs genannten Probleme wenigstens teilweise lösen und insbesondere eine sichere Überwachung und Regelung eines Verbrennungsprozesses in einem Heizgerät für die Verbrennung von Wasserstoff ermöglichen, wobei sichergestellt werden soll, dass Fehler bei einer Flammenüberwachung, insbesondere das fälschliche Feststellen von nicht vorhandenen Flammen, schnell festgestellt und entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden können. Auch ein sicherer Notbetrieb selbst bei Ausfall eines Messsystems soll ermöglicht werden. Auch die Schaffung eines entsprechenden Computerprogrammproduktes ist Aufgabe der Erfindung.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Anordnung, sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Ausführungsformen und Vorteile werden auch in der nachfolgenden Beschreibung angegeben, insbesondere auch im Zusammenhang mit den Figuren.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt ein Verfahren zum sicheren Betreiben und Regeln eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes bei, wobei Wasserstoff oder ein mehr als 90 %, insbesondere mehr als 97%, Wasserstoff enthaltendes Brenngas mit Luft verbrannt wird. Zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen und gegebenenfalls beispielsweise auch zur Regelung des Verhältnisses von Luft zu Brenngas wird eine nicht auf lonisationsmessung basierende Primär-Sensorik eingesetzt. Weiter wird sekundär (bedarfsgerecht und/oder zusätzlich) eine lonisationsmessung in einem Flammenbereich im Verbrennungsraum durchgeführt, deren lonisationssignal bei einer Störung eines Primär-Sensors und/oder einer zugehörigen primären Sensorelektronik eine Fehlererkennung und/oder eine Notlaufregelung ermöglicht bzw. auslöst.
  • Wie oben erwähnt sind lonisationsmessgeräte bewährte Systeme, die nur bei Wasserstoff als Brennstoff und bei geringer Leistung und/oder hohem Lambda eines Heizgerätes wegen zu weniger Ladungsträger in den dann kleinen Flammen nicht eingesetzt werden. Bei größerer Leistung und ausreichend niedrigem Lambda messen sie hingegen zuverlässig. Wenn eine primäre Sensorik fälschlich das Vorhandensein von Flammen signalisiert, obwohl diese erloschen sind oder nicht gezündet haben, versucht eine typische Regelungselektronik eines Heizgerätes, die Leistung zu erhöhen, weil nicht die in dieser Situation erwartete Temperaturerhöhung eintritt. Eine solche Leistungserhöhung (Modulation) des Verbrennungsprozesses kann aber auch aus anderen Gründen erfolgen und ein völlig fehlerfreier Vorgang sein. Hier kann eine (zusätzliche) lonisationsmessung durchgeführt werden, um beide Arten von Leistungserhöhung zu unterscheiden. Oberhalb einer gewissen bzw. vorgegebenen Mindestleistung sind nämlich im Flammenbereich genügend Ladungsträger für eine zuverlässige lonisationsmessung vorhanden. Es kann dann, wie bei bekannten Verbrennungsprozessen üblich, ein lonisationsstrom gemessen und daraus nach bekannten Verfahren ein zuverlässig interpretierbares lonisationssignal gewonnen werden. Tritt ein solches Signal oberhalb einer gewissen Mindestleistung nicht auf, ist dies ein Anzeichen für nicht vorhandene Flammen (und damit für einen Fehler bzw. eine Fehlinterpretation der Messergebnisse der primären Sensorik, die dies nicht festgestellt hat). So kann schnell und sicher eine Abschaltung des Heizgerätes und eine Fehlermeldung ausgelöst werden.
  • Bevorzugt basiert die Primär-Sensorik auf der Messung von ultravioletter Strahlung im oder am Verbrennungsraum, was in allen Leistungsbereichen ein zuverlässiges Messverfahren ist.
  • Alternativ basiert die Primär-Sensorik auf der Messung von Temperaturen im oder am Verbrennungsraum, wodurch auch das Vorhandensein von Flammen in beliebigen Leistungsbereichen festgestellt und eine Regelung des Verbrennungsprozesses durchgeführt werden kann. Je nach Ausführungsform werden dazu ein oder mehrere Temperaturfühler eingesetzt.
  • Da die lonisationsmessung im Betrieb unterhalb einer Mindestleistung des Heizgerätes nicht immer ein für eine Regelung verwertbares lonisationssignal liefert, wird dieses in einer bevorzugten Ausführungsform nicht berücksichtigt oder verworfen, aber bei höherer Leistung verwertet, mit dem bei Ausfall bzw. eine Fehlinterpretation der Primär-Sensorik festgestellt wird, ob weiterhin Flammen vorhanden sind, und mit dem bei Bedarf auch eine Notlaufregelung in einem Leistungsbereich oberhalb der Mindestleistung durchgeführt wird. Das lonisationsmessgerät läuft bevorzugt immer, wird jedoch nur oberhalb einer bestimmten Mindestleistung eingesetzt, um die primäre Sensorik zu überprüfen. Ist diese defekt, so kann mit dem lonisationsmessgerät immer noch eine Flammenüberwachung und eine Regelung durchgeführt werden, ggf. allerdings nur bei Leistungen oberhalb der Mindestleistung (Notlaufbetrieb).
  • Besonders bei einem Erlöschen der Flammen, aber fälschlich von der Primär-Sensorik erkannten Flammen, versucht eine typische Regelung fälschlich, die Leistung des Heizgerätes zu erhöhen, ohne dass jedoch oberhalb einer Mindestleistung ein verwertbares lonisationssignal feststellbar ist, so dass das Erlöschen der Flammen aus dem Ausbleiben dieses Signals geschlossen und Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden können. Diese Ausführungsform ist besonders wichtig, um Sicherheitsbestimmungen einhalten und einen Wiederstart des Heizgerätes mit defekter Primär-Sensorik verhindern zu können.
  • Bevorzugt wird nach einem Feststellen eines fälschlichen Flammensignals der Primär-Sensorik, diese nicht mehr bei einem Neustart des Heizgerätes in einem Notlaufbetrieb berücksichtigt, sondern das Heizgerät bei Bedarf nur noch in einem Leistungsbereich betrieben, in dem die sekundäre lonisationsmessung zum Feststellen von Flammen und zur Regelung einsetzbar ist, wobei die lonisationsmessung die primäre Sensorik ersetzt. So ist ein eingeschränkter, aber sicherer Notlaufbetrieb möglich, bis eine Wartung der Primär-Sensorik erfolgen kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe trägt auch eine Anordnung bei zum sicheren Betreiben und Regeln eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum eines Heizgerätes zur Verbrennung von Wasserstoff oder einem mehr als 90 % Wasserstoff enthaltenden Brenngas mit Luft, wobei zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen und zur Regelung des Verhältnisses von Luft zu Brenngas eine nicht auf lonisationsmessung basierende Primär-Sensorik vorhanden ist und wobei ein sekundäres lonisationsmessgerät zur Messung einer Ionisation in einem Flammenbereich im Verbrennungsraum vorhanden ist, dessen lonisationssignal bei einer Störung eines Primär-Sensors und/oder einer zugehörigen primären Sensorelektronik eine Fehlererkennung und/oder eine Notlaufregelung ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist dazu eine Auswerteelektronik vorhanden (kann auch in eine Regelungselektronik integriert sein), die dazu eingerichtet ist, bei einer von einer Regelung angestrebten Leistungserhöhung des Heizgerätes über eine Mindestleistung zu prüfen, ob ein lonisationssignal auftritt, so dass bei einem Fehlen dieses Signals auf ein Erlöschen der Flammen trotz fälschlicher Erkennung von Flammen durch die Primär-Sensorik und damit einen Fehler in der Primär-Sensorik geschlossen werden kann.
  • Insbesondere ist die Auswerteelektronik eingerichtet, nach Erkennen eines Fehlers in der Primär-Sensorik das Heizgerät abzuschalten, eine Fehlermeldung auszulösen und/oder eine Umschaltung vorzunehmen, so dass das Heizgerät (für einen festgelegten Zeitraum) nur noch in einem für lonisationsmessungen geeigneten Leistungsbereich betreibbar ist und dabei das lonisationsmessgerät zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen und zur Regelung des Verbrennungsprozesses eingesetzt wird.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der von den Sensoren gemessenen Daten und deren weitere Verwendung im Heizgerät benötigen ein Programm und Daten für die Steuerung und Regelung des Heizgerätes, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.
  • Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.
  • Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
    • Fig. 1:
    ein Heizgerät mit primärer und sekundärer Sensorik.
  • Fig. 1 zeigt schematisch Teile eines Heizgerätes, insbesondere einen Verbrennungsraum 1 mit einem darin angeordneten Brenner 14. Dem Brenner 14 wird beim Betrieb über eine Luftzufuhr 3 mit einem Gebläse 5 Luft zugeführt, der über eine Brenngaszufuhr 4 mittels eines Brenngasventils 6 Brenngas, hier im Wesentlichen Wasserstoff, beigemischt wird. Ein entstehendes Gemisch verbrennt unter Bildung von Flammen 2 in einem Flammenbereich 9 im Wesentlichen zu Wasser(dampf).
  • Für einen sicheren Verbrennungsprozess ist es sehr wichtig, das Vorhandensein von Flammen 2 bzw. deren Erlöschen schnell erkennen zu können. Diese Funktion eines Flammenwächters dient vor allem dazu, das Brenngasventil 6 schnell schließen zu können, wenn die Flammen 2 nicht zünden bzw. erlöschen. Dadurch kann eine Ansammlung oder der Austritt von unverbranntem Gemisch auf ein Minimum reduziert werden. In vielen herkömmlichen Heizgeräten für kohlenstoffhaltige Brennstoffe werden als Flammenwächter seit langem erfolgreich lonisationsmessgeräte eingesetzt. Flammen 2 bei der Verbrennung von Wasserstoff enthalten jedoch nur sehr wenige Ladungsträger, so dass bei kleinen Flammen 2 (geringer Leistung des Heizgerätes) keine zuverlässigen lonisationsmessungen durchgeführt werden können.
  • Aus diesem Grund werden andere primäre Sensoren 7 als Flammenwächter eingesetzt, insbesondere UV-Sensoren (zur Messung von ultravioletter Strahlung aus dem Flammenbereich 9) oder Temperatursensoren (zur Messung der Wärmeentwicklung des Verbrennungsprozesses). Mit einem primären Sensor 7 wird gegebenenfalls auch der Verbrennungsprozess geregelt, insbesondere das Verhältnis (Lambda) von Luft zu Brenngas eingestellt. Beide Funktionen sind so wichtig, dass ein Ausfall des primären Sensors 7 oder seiner zugehörigen primären Sensorelektronik 11 schnellstmöglich erkannt, insbesondere auch ein Wiederstart des Heizgerätes bei defekter primärer Sensorik 7, 11 verhindert werden muss.
  • Besonders kritisch ist eine Situation, bei der die primäre Sensorik 7, 11 Flammen 2 fälschlich feststellt, obwohl diese nicht vorhanden sind. Besonders für diesen Fall kann die vorliegende Erfindung nützlich sein. Sind während eines Verbrennungsprozesses die Flammen 2 erloschen, während die primäre Sensorik noch fälschlich Flammen 2 feststellt, so wird keine Wärme mehr erzeugt, aber das Brenngasventil 6 (noch) nicht geschlossen. Eine typische Regelungselektronik 13 wird aber feststellen, dass nicht genug Wärme erzeugt wird, und daraufhin die Leistung erhöhen. Eine solche Leistungserhöhung (Modulation) des Verbrennungsprozesses kann aber auch aus anderen Gründen erfolgen und ein völlig fehlerfreier Vorgang sein. Hier kann eine lonisationsmessung eingesetzt werden, um beide Arten von Leistungserhöhung zu unterscheiden. Oberhalb einer gewissen Mindestleistung sind nämlich im Flammenbereich 9 genügend Ladungsträger für eine zuverlässige lonisationsmessung vorhanden. Es kann dann, wie bei bekannten Verbrennungsprozessen üblich, ein lonisationsstrom gemessen und daraus nach bekannten Verfahren ein zuverlässig interpretierbares lonisationssignal gewonnen werden. Zu diesem Zweck ist im Flammenbereich 9 eine lonisationselektrode 8 angeordnet, deren Signal von einer lonisationsmesselektronik 12 verarbeitet und von einer Auswerteelektronik 10 ausgewertet wird. Erkennt die lonisationsmessung 8, 12 bei einer Leistungserhöhung ein Signal, so handelt es sich um eine fehlerfreie (gewollte) Leistungserhöhung (Modulation). Gibt es jedoch kein Signal, so kann nur ein Fehler vorliegen, und das Brenngasventil 6 muss sofort geschlossen werden, um Ausströmen von unverbranntem Luft-Brenngas-Gemisch zu vermeiden. Es gibt dann typischerweise eine Fehlermeldung oder sogar eine Verriegelung des Gerätes bis zu einer Wartung durch Fachpersonal. Diese Funktionen werden von der Auswerteelektronik 10 durchgeführt, wobei diese auch in eine Regelungselektronik 13 integriert sein kann.
  • Allerdings ist es bei Heizgeräten oft wünschenswert, dass auch bei Störungen ein Notbetrieb weitergeführt werden kann, der allerdings auch sicher durchführbar sein muss. Diese Möglichkeit bietet sich hier zusätzlich durch die lonisationsmessung 8, 12, wenn der Betrieb auf Leistungen eingeschränkt wird, bei denen die lonisationsmessung 8, 12 funktioniert, also auf Leistungen oberhalb der Mindestleistung für lonisationsmessungen. Erkennt die Auswerteelektronik 10, dass die primäre Sensorik 7,11 fehlerhaft arbeitet (eben weil bei Leistungserhöhung kein lonisationssignal auftritt), so schaltet sie die primäre Sensorik 7, 11 ab und nutzt die lonisationsmessung 8, 12 für zukünftige Flammenüberwachung und Regelung, bis eine Wartung des Gerätes erfolgt ist. Dazu muss durch die Regelungselektronik 13 gesteuert werden, dass nur Leistungsbereiche erlaubt sind, in denen die lonisationsmessung 8, 12 funktioniert, was zwar eine Einschränkung des Betriebs bedeutet, aber keinen Verlust an Sicherheit und Verfügbarkeit.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen sicheren Betrieb von mit Wasserstoff betreibbaren Heizgeräten und mindert gleichzeitig die Risiken einer fehlerhaften primären Sensorik 7, 11 bei hoher Verfügbarkeit durch einen Notlaufbetrieb mit lonisationsmessung 8, 12.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsraum (eines Heizgerätes)
    2
    Flammen
    3
    Luftzufuhr
    4
    Brenngaszufuhr
    5
    Gebläse
    6
    Brenngasventil
    7
    Primärer Sensor (UV-Sensor, Temperatursensor)
    8
    lonisationselektrode
    9
    Flammenbereich
    10
    Auswerteelektronik
    11
    Primäre Sensorelektronik
    12
    lonisationsmesselektronik
    13
    Regelungselektronik
    14
    Brenner

Claims (12)

  1. Verfahren zum sicheren Betreiben und Regeln eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum (1) eines Heizgerätes, wobei Wasserstoff oder ein mehr als 90 % Wasserstoff enthaltendes Brenngas mit Luft verbrannt wird, wobei weiter zumindest zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen (2) eine nicht auf lonisationsmessung basierende Primär-Sensorik (7,11) eingesetzt wird und wobei sekundär eine lonisationsmessung (8, 12) in einem Flammenbereich (9) im Verbrennungsraum (1) durchgeführt wird, deren lonisationssignal bei einer Störung eines Primär-Sensors (7) und/oder einer zugehörigen primären Sensorelektronik (11) einen Fehler erkennt und/oder eine Notlaufregelung einleitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Primär-Sensorik (7, 11) ultraviolette Strahlung im oder am Verbrennungsraum (1) erfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Primär-Sensorik (7, 11) Temperaturen im oder am Verbrennungsraum (1) erfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nicht auf lonisationsmessung basierende Primär-Sensorik (7, 11) auch zur Regelung des Verhältnisses von Luft zu Brenngas eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lonisationsmessung (8, 12) durchgeführt wird, um zwei Arten von Leistungserhöhung voneinander zu unterscheiden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lonisationsmessung (8, 12) im Betrieb unterhalb einer Mindestleistung des Heizgerätes nicht immer ein für eine Regelung verwertbares Signal liefert, so dass dieses verworfen wird, aber bei höherer Leistung ein lonisationssignal misst, mit dem bei Ausfall der Primär-Sensorik (7, 11) festgestellt wird, ob weiterhin Flammen (2) vorhanden sind, und mit dem bei Bedarf auch eine Notlaufregelung in einem Leistungsbereich oberhalb der Mindestleistung durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einem Erlöschen der Flammen (2), aber fälschlich von der Primär-Sensorik (7, 11) Flammen (2) erkannt und deshalb von einer Regelungselektronik (13) die Leistung des Heizgerätes erhöht wird, und oberhalb einer Mindestleistung kein verwertbares lonisationssignal festgestellt wird, auf das Erlöschen der Flammen (2) aus dem Ausbleiben dieses lonisationssignals geschlossen und eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach einem Feststellen eines fälschlichen Flammensignals der Primär-Sensorik (7, 11), diese nicht mehr bei einem Neustart des Heizgerätes in einem Notlaufbetrieb berücksichtigt wird, sondern das Heizgerät bei Bedarf nur noch in einem Leistungsbereich betrieben wird, in dem die sekundäre lonisationsmessung (8, 12) zum Feststellen von Flammen (2) und zur Regelung einsetzbar ist, wobei die lonisationsmessung (8, 12) die primäre Sensorik (7, 11) ersetzt.
  9. Anordnung zum sicheren Betreiben und Regeln eines Verbrennungsprozesses in einem Verbrennungsraum (1) eines Heizgerätes zur Verbrennung von Wasserstoff oder einem mehr als 90 % Wasserstoff enthaltenden Brenngas mit Luft, wobei zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen (2) und zur Regelung des Verhältnisses von Luft zu Brenngas eine nicht auf lonisationsmessung basierende Primär-Sensorik (7, 11) vorhanden ist und wobei ein sekundäres lonisationsmessgerät (8, 12) zur Messung einer Ionisation in einem Flammenbereich (9) im Verbrennungsraum (1) vorhanden ist, dessen lonisationssignal bei einer Störung eines Primär-Sensors (7) und/oder einer zugehörigen primären Sensorelektronik (11) eine Fehlererkennung und/oder eine Notlaufregelung ermöglicht.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei eine Auswerteelektronik (10) vorhanden ist, die dazu eingerichtet ist, bei einer von einer Regelungselektronik (13) angestrebten Leistungserhöhung des Heizgerätes über eine Mindestleistung zu prüfen, ob ein lonisationssignal auftritt, so dass bei einem Fehlen dieses Signals auf ein Erlöschen der Flammen (2) trotz fälschlicher Erkennung von Flammen (2) durch die Primär-Sensorik (7, 11) und damit einen Fehler in der Primär-Sensorik (7, 11) geschlossen werden kann.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei die Auswerteelektronik (10) eingerichtet ist, nach Erkennen eines Fehlers in der Primär-Sensorik (7, 11) das Heizgerät abzuschalten, eine Fehlermeldung auszulösen und/oder eine Umschaltung vorzunehmen, so dass das Heizgerät nur noch in einem für lonisationsmessungen geeigneten Leistungsbereich betreibbar ist und dabei das lonisationsmessgerät (8, 12) zur Erkennung des Vorhandenseins von Flammen (2) und zur Regelung des Verbrennungsprozesses eingesetzt wird.
  12. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.
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