EP4522917A1 - Verfahren zum betrieb einer brennereinrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer brennereinrichtung

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EP4522917A1
EP4522917A1 EP23731513.0A EP23731513A EP4522917A1 EP 4522917 A1 EP4522917 A1 EP 4522917A1 EP 23731513 A EP23731513 A EP 23731513A EP 4522917 A1 EP4522917 A1 EP 4522917A1
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fuel gas
ignition
capacitor
air
voltage curve
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Lars Paesler
Martin Ries
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Viessmann Climate Solutions SE
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    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23N2231/00—Fail safe
    • F23N2231/12—Fail safe for ignition failures

Definitions

  • a method of the type mentioned at the beginning is known from the document DE 10 2020 107 735 Al.
  • air is pumped into a combustion chamber.
  • ignition sparks are generated with an ignition device arranged in the combustion chamber flooded with air.
  • a fuel gas is mixed into the air.
  • 15 electrical voltage values applied to the ignition device are measured in the period from before the ignition spark is generated until after the fuel gas has been added.
  • the voltage measurement is not only carried out during the presence of the ignition spark, but beforehand, in order to be able to determine from the voltage change that occurs during the measurement that this has a minimum value, and therefore that the ignition spark has a minimum quality. Or again in other words: This procedure is used to assess the quality of the ignition spark.
  • the invention is based on the object of improving a method of the type mentioned at the beginning.
  • a method is to be created with which (if necessary in addition to the aforementioned method) the simplest possible adjustment of the fuel gas-air mixture can be achieved, even when using a fuel gas containing hydrogen.
  • the voltage values measured in the said period of time and forming a voltage curve are used to detect a combustion of at least 20 vol. —% of the fuel gas-air mixture containing hydrogen should be evaluated for the beginning of flame formation.
  • the method according to the invention is characterized in that the phase of admixing the fuel gas when starting the burner device is precisely observed with regard to the electrical voltage that occurs.
  • This method serves in particular to detect 15 the quality of the fuel gas and a control of the burner device based on or derived from it.
  • Figure 1 shows schematically the burner device for carrying out the method according to the invention
  • Figure 2 shows a voltage curve during flame formation with a small hydrogen content in the fuel gas
  • Figure 3 shows a voltage curve during flame formation with a large proportion of hydrogen in the fuel gas. 5
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a burner device with which the method according to the invention can be carried out.
  • air is first conveyed into a combustion chamber 1 in a known manner, in particular, 10 as shown, via the line 1.1 and the burner 1.2.
  • ignition sparks are generated with an ignition device 2 (in particular electrical) which is arranged in the combustion chamber 1 flooded with air and preferably has two ignition electrodes 2.2.
  • an ignition device 2 in particular electrical
  • a fuel gas is mixed into the air, again via line 1.1 and burner 1.2.
  • electrical voltage values present at the ignition device 2 in the physical unit “volt” are also measured. 20 Looking a little more closely, the electrical voltage in particular is measured between the aforementioned ignition electrodes 2.2.
  • the voltmeter 2.3 shown schematically in FIG. 1 is used for this purpose.
  • the voltage values measured in the said period of time and forming a voltage curve are evaluated to detect flame formation beginning with the combustion of the fuel gas-air mixture containing at least 20% by volume of hydrogen.
  • the fuel gas contains at least 90% by volume of hydrogen.
  • the voltage curve on a capacitor 2 arranged between the two electrodes 2 .2 of the ignition device 2. 1 is measured.
  • the voltage curve is recorded analogue, but digitized for evaluation (in a corresponding electronic unit).
  • a change in the voltage curve on the capacitor 2. 1 is taken as a sign of flame formation in the said period.
  • the said change can either be a drop (as shown in Figures 2 and 3) or an increase 15 (not shown separately) in the voltage curve.
  • a comparatively large gradient is present on the voltage curve of the capacitor 2. 1 as a sign of a comparatively large and 20 a comparatively small gradient on the voltage curve of the capacitor 2. 1 is taken as a sign of a comparatively small proportion of hydrogen in the fuel gas.
  • Figure 2 shows the small gradient and Figure 3 shows the large gradient. 25
  • a volume flow of supplied fuel gas is continuously increased starting from zero during the said period of time.
  • the volume flow of fuel gas supplied is kept constant from the moment flame formation is detected, i.e. H .
  • the ratio of fuel gas and air is ideally fixed at exactly the ratio at which the flame was created (optimal combustion).
  • the burner is started by supplying a constant air volume flow to the combustion system.
  • the ignition is then switched on, causing high-voltage discharges between the ignition electrodes 2. 1 train. Within a few milliseconds, the resulting plasma of ionized air reaches the maximum breakdown voltage.
  • the ignition spark causes a voltage to act on the capacitor 2. 1, which serves as a measurement signal and in the (not shown separately) Burner controls are digitized.
  • the capacitor 2. 1 has a capacitor-typical charging behavior when the ignition is switched on. To suppress electromagnetic effects, the digitized signal is filtered by software. If a "safe" ignition has been determined (see again 5 the document DE 10 2020 107 735 Al), the gas safety valve is opened and the gas control valve is moved according to the characteristic curve (gas ramp).
  • thermochemical, predominantly exothermic reactions begin immediately, which lead to self-sustaining flame propagation.
  • the exothermicity of the flame itself leads to a change in the conductivity at the ignition electrodes 2. 1, which reduces the breakdown voltage. This causes the capacitor to discharge, even though the ignition is switched on.
  • the digitized signal also undergoes a change depending on the selected filter settings.
  • threshold value level-based
  • gradient-based evaluation of the signal various processes in the starting sequence such as flame detection or stopping the gas ramp can be controlled, as described in more detail above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung, bei dem Luft in einen Brennraum (1) gefördert wird, bei dem mit einer im von der Luft gefluteten Brennraum (1) angeordneten Zündeinrichtung (2) Zündfunken erzeugt werden, bei dem bei laufender Erzeugung der Zündfunken ein Brenngas der Luft zugemischt wird und bei dem im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases an der Zündeinrichtung (2) anliegende elektrische Spannungswerte gemessen werden. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die im besagten Zeitraum gemessenen, einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Brenngas-Luft- Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung
Die Erfindung betrif ft ein Verfahren zum Betrieb einer Bren- 5 nereinrichtung gemäß dem Oberbegrif f des Patentanspruchs 1 .
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument DE 10 2020 107 735 Al bekannt . Bei diesem Verfahren wird Luft in einen Brennraum gefördert . Ferner werden mit einer im von 10 der Luft gef luteten Brennraum angeordneten Zündeinrichtung Zündfunken erzeugt . Außerdem wird bei laufender Erzeugung der Zündfunken ein Brenngas der Luft zugemischt . Schließlich werden im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases an der Zündeinrichtung anliegende 15 elektrische Spannungswerte gemessen . Bei dieser Lösung erfolgt die Spannungsmessung allerdings nicht nur während des Vorhandenseins des Zündfunkens , sondern bereits davor , um über die sich im Laufe der Messung ergebende Spannungsänderung ermitteln zu können , dass diese einen Mindestwert , mithin der Zünd- 20 funke eine Mindestqualität aufweist . Oder nochmals in anderen Worten : Dieses Verfahren dient zur Beurteilung der Qualität des Zündfunkens .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein Verfahren der 25 eingangs genannten Art zu verbessern . Insbesondere soll ein Verfahren geschaf fen werden , mit dem ( bei Bedarf zusätzlich zum vorgenannten Verfahren ) eine möglichst einfache Einstellung des Brenngas-Luft-Gemisches realisierbar ist , und zwar auch bei Verwendung eines Wasserstof f enthaltenden Brenngases . 30 Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst .
Nach der Erfindung ist also vorgesehen , dass die im besagten 5 Zeitraum gemessenen , einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol . — % Wasserstof f enthaltenden Brenngas-Luft-Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden .
10
Mit anderen Worten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit dadurch aus , dass die Phase der Zumischung des Brenngases beim Starten der Brennereinrichtung bezüglich der dabei auftretenden elektrischen Spannung genau beobachtet wird . Dieses Verfahren dient dabei insbesondere zur Erkennung 15 der Qualität des Brenngases und einer darauf basierenden bzw. daraus abgeleiteten Regelung der Brennereinrichtung .
Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen . 20
Das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert . 25
Es zeigt
Figur 1 schematisch die Brennereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ; 30 Figur 2 einen Spannungsverlauf während der Flammenbildung mit einem kleinen Wasserstoff anteil im Brenngas; und
Figur 3 einen Spannungsverlauf während der Flammenbildung mit einem großen Wasserstoff anteil im Brenngas. 5
In Figur 1 ist schematisch eine Brennereinrichtung dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst in bekannter Weise Luft in einen Brennraum 1 gefördert, und zwar insbesondere, 10 wie dargestellt, über die Leitung 1.1 und den Brenner 1.2. Ferner werden mit einer im von der Luft gefluteten Brennraum 1 angeordneten, vorzugsweise zwei Zündelektroden 2.2 auf weisenden (insbesondere elektrischen) Zündeinrichtung 2 Zündfunken erzeugt. Weiterhin wird bei laufender Erzeugung der Zündfunken 15 ein Brenngas der Luft zugemischt, und zwar wieder über die Leitung 1.1 und den Brenner 1.2. Im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases werden außerdem an der Zündeinrichtung 2 anliegende elektrische Spannungswerte (in der physikalischen Einheit "Volt") gemessen. 20 Noch etwas genauer betrachtet, wird insbesondere die elektrische Spannung zwischen den vorgenannten Zündelektroden 2.2 gemessen. Hierzu dient das in Figur 1 schematisch dargestellte Voltmeter 2.3.
25 Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist nun, dass die im besagten Zeitraum gemessenen, einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Brenngas- Luft-Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden. 30 Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Brenngas mindestens 90 Vol.-% Wasserstoff enthält. Besonders bevorzugt ist dabei weiterhin vorgesehen , dass zur Detektion der Flammenbildung der Spannungsverlauf an einem zwischen den zwei Elektroden 2 .2 der Zündeinrichtung 2 angeordneten Kondensator 2 . 1 gemessen wird . Vorzugsweise wird da- 5 bei der Spannungsverlauf zwar analog erfasst , zur Auswertung aber ( in einer entsprechenden Elektronikeinheit ) digitalisiert .
Noch etwas genauer betrachtet , ist dabei besonders bevorzugt 10 vorgesehen , dass eine Änderung des Spannungsverlaufs am Kondensator 2 . 1 im besagten Zeitraum als Zeichen für die Flammenbildung gewertet wird . Die besagte Änderung kann dabei j e nach verwendetem Zündtransformator wahlweise ein Abfallen (wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ) oder aber auch ein Ansteigen 15 ( nicht extra dargestellt ) im Spannungsverlauf sein .
Dabei ist weiterhin besonders bevorzugt vorgesehen , dass ein vergleichsweise großer Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators 2 . 1 als Zeichen für einen vergleichsweise großen und 20 ein vergleichsweise kleiner Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators 2 . 1 als Zeichen für einen vergleichsweise kleinen Wasserstof f anteil im Brenngas gewertet wird . Wie ersichtlich , zeigt Figur 2 dabei den kleinen und Figur 3 den großen Gradienten . 25
Wiederum mit Verweis auf die beiden Figuren ist ferner bevorzugt vorgesehen , dass ein vergleichsweise großer Unterschied ( siehe Figur 2 ) zwischen dem Spannungswert am Kondensator 2 . 1 vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen ver- 30 gleichsweise kleinen und ein vergleichsweise kleiner Unterschied ( siehe Figur 3 ) zwischen dem Spannungswert am Kondensa- tor 2 . 1 vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen vergleichsweise großen Wasserstof f anteil im Brenngas gewertet wird .
Nochmals mit anderen Worten ausgedrückt : Über die erfindungs- 5 gemäße Detektion ist es letztlich sogar möglich , zu erkennen , wieviel Wasserstof f im Brenngas enthalten ist , denn dieser Anteil beeinf lusst - wie dargestellt - einerseits die Steilheit und andererseits das Endniveau der Verlaufskurve .
10
Bezüglich der vorgenannten Einstellung des Brenngas-Luf t-Gemi- sches ist dabei weiterhin , wie an sich bekannt , bevorzugt vorgesehen , dass im besagten Zeitraum ein Volumenstrom an zugeführtem Brenngas von null beginnend kontinuierlich gesteigert wird . Besonders bevorzugt ist darüber hinaus erfindungsgemäß 15 aber auch noch vorgesehen , dass der Volumenstrom an zugeführtem Brenngas ab Feststellung einer Flammenbildung konstant gehalten wird, d . h . das Verhältnis aus Brenngas und Luft wird idealerweise genau bei dem Verhältnis fixiert , bei dem die Flamme zustande gekommen ist ( optimale Verbrennung ) . 20
Nochmals in anderen Worten ausgedrückt , zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren somit insbesondere wie folgt aus :
Der Brennerstart erfolgt , indem dem Verbrennungssystem ein 25 konstanter Luftvolumenstrom zugeführt wird . Anschließend wird die Zündung eingeschaltet , wodurch sich Hochspannungsentladungen zwischen den Zündelektroden 2 . 1 ausbilden . Innerhalb weniger Millisekunden wird durch das entstehende Plasma der ionisierten Luft die maximale Durchbruchspannung erreicht . Durch 30 den Zündfunken wirkt eine Spannung auf dem Kondensator 2 . 1 , welche als Messsignal dient und im ( nicht extra dargestellten ) Feuerungsautomaten digitalisiert wird . Der Kondensator 2 . 1 hat beim Einschalten der Zündung ein kondensatortypisches Ladeverhalten . Zur Unterdrückung elektromagnetischer Ef fekte wird das digitalisierte Signal softwareseitig gefiltert . Sofern eine " sichere" Zündung festgestellt worden ist ( vergleiche wiederum 5 das Dokument DE 10 2020 107 735 Al ) , wird das Gassicherheits ventil geöf fnet und das Gasregelventil gemäß Kennlinie ( Gasrampe ) verfahren . Nachdem das Brenngas-Luft-Gemisch den Brennraum bzw. die Elektroden erreicht hat , setzen unverzüglich thermochemische , vorwiegend exotherme Reaktionen ein , die zu 10 einer selbst erhaltenden Flammenausbreitung führen . Die Exo- thermie der Flamme selbst führt zu einer Veränderung der Leitfähigkeit an den Zündelektroden 2 . 1 , wodurch die Durchbruchsspannung sinkt . Dadurch kommt es zum Entladen des Kondensators , und zwar trotz eingeschalteter Zündung . Das digitali- 15 sierte Signal erfährt entsprechend der gewählten Filtereinstellungen ebenfalls eine Veränderung . Mittels schwellwert- ( niveaubasierter ) oder gradientenbasierter Auswertung des Signals können , wie oben genauer beschrieben , verschiedene Vorgänge des Startablaufs wie Flammenerkennung oder Stopp der 20 Gasrampe gesteuert werden . Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Brenngas-Luftgemisches können beispielsweise durch Bewertung von Zündzeit und dem Gradienten des Signals gezogen werden .
Bezugszeichenliste
1 Brennraum
1 . 1 Leitung
1 . 2 Brenner
2 Zündeinrichtung
2 . 1 Kondensator
2 .2 Zündelektrode
2 .3 Voltmeter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennereinrichtung, bei dem Luft in einen Brennraum (1) gefördert wird, bei dem mit einer im von der Luft gefluteten Brennraum (1) angeordneten Zündeinrichtung (2) Zündfunken erzeugt werden, bei dem bei laufender Erzeugung der Zündfunken ein Brenngas der Luft zugemischt wird und bei dem im Zeitraum von vor Erzeugung der Zündfunken bis nach Zumischung des Brenngases an der Zündeinrichtung (2) anliegende elektrische Spannungswerte gemessen werden, dadurch gekenn z e ichnet , dass die im besagten Zeitraum gemessenen, einen Spannungsverlauf bildenden Spannungswerte zur Detektion einer mit Verbrennung des mindestens 20 Vol.-% Wasserstoff enthaltenden Brenngas-Luft-Gemisches beginnenden Flammenbildung ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn z e ichnet , dass zur Detektion der Flammenbildung der Spannungsverlauf an einem zwischen zwei Elektroden der Zündeinrichtung (2) angeordneten Kondensator (2.1) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn z e ichnet , dass eine Änderung des Spannungsverlaufs am Kondensator (2.1) im besagten Zeitraum als Zeichen für die Flammenbildung gewertet wird. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn z e ichnet , dass ein vergleichsweise großer Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators (2.1) als Zeichen für einen vergleichsweise großen und ein vergleichsweise kleiner Gradient am Spannungsverlauf des Kondensators (2.1) als Zeichen für einen vergleichsweise kleinen Wasserstoff anteil im Brenngas gewertet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn z e ichnet , dass ein vergleichsweise großer Unterschied zwischen dem Spannungswert am Kondensator (2.1) vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen vergleichsweise kleinen und ein vergleichsweise kleiner Unterschied zwischen dem Spannungswert am Kondensator (2.1) vor und nach der Flammenbildung als Zeichen für einen vergleichsweise großen Wasserstoff anteil im Brenngas gewertet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn z e ichnet , dass im besagten Zeitraum ein Volumenstrom an zugeführtem Brenngas von null beginnend kontinuierlich gesteigert wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn z e ichnet , dass der Volumenstrom an zugeführtem Brenngas ab Feststellung einer Flammenbildung konstant gehalten wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn z e ichnet , dass das Brenngas mindestens 90 Vol.-% Wasserstoff enthält. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn z e ichnet , dass der Spannungsverlauf zwar analog erfasst, zur Auswertung aber digitalisiert wird.
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