WO2021165051A1 - Verfahren zur überwachung und regelung eines prozesses einer gastherme und gastherme - Google Patents

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WO2021165051A1
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gas
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sensor
monitoring
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PCT/EP2021/052735
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Hartmut Henrich
Stephan Wald
Jens Hermann
Stephan MICHAEL
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Ebm-Papst Landshut Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring and regulating a process of a gas boiler in which a gas mixture comprising a gas and a fuel gas is burned, the process being regulated in various operating states by evaluating measured values of at least one ionization sensor.
  • the invention also relates to a gas boiler.
  • the invention is based on the object of developing a method for monitoring and regulating a process in a gas boiler, and to propose a gas boiler with which or with which - in particular despite the use of non-fail-safe sensors - a safety approval can be achieved, whereby it is still the task to achieve a lower failure probability, to enable adaptation to a changing process, and to enable cost-effective feasibility.
  • the method according to the invention for monitoring and regulating a process of a gas boiler in which a gas mixture comprising a gas and a fuel gas is burned, in which the process is regulated in various operating states by evaluating measured values of at least one ionization sensor comprises the step that the gas mixture produced is continuously checked for plausibility in the various operating states by comparing an ionization current of the at least one ionization sensor with an expected value corresponding to the current output of the gas boiler based on a stored ionization current performance characteristic. This results in a constant plausibility check of the ionization current of the at least one ionization sensor over the entire power range of the gas boiler.
  • already existing components are used for the technical implementation.
  • the process is controlled in at least one of the operating states in such a way that the measured values of the at least one ionization sensor and measured values of at least one other sensor are processed for monitoring and control. This can be done without additional effort a check of the plausibility check result can be carried out.
  • the process is controlled in a first operating state of the operating states in such a way that only measured values of the at least one ionization sensor are processed for monitoring and control and that the process is controlled in a second operating state of the operating states in such a way that the measured values of the at least one ionization sensor and measured values of at least one other sensor are processed for monitoring and control.
  • the ionization current performance curve during initial start-up and / or cyclically and / or event-related in such a way that the ionization current is measured over an entire modulation range of the gas heater with active regulation of the gas mixture with the at least one ionization sensor and one for the ionization current an expected value corresponding to an output of the gas boiler is recorded.
  • the ionization current performance curve corresponds exactly to the respective gas boiler and its state, so that problems that could arise from a mismatch between the ionization current performance curve and the gas boiler are reliably avoided.
  • the expected value to be formed by a speed value of a combustion air blower.
  • the expected value corresponding to the current output of the gas boiler can be calculated using the value available at the gas boiler Combustion air blower can be determined, so that additional sensors for determining performance can be dispensed with.
  • the ionization current performance characteristic is recorded in such a way that the ionization current of the at least one ionization sensor is measured in one recording cycle, starting from the ignition power, via maximum power to minimum power and again to ignition power, and it is checked whether the ionization current is at the start of the calibration reaches the same value as at the end of the calibration.
  • the values required for the ionization current performance characteristic namely the ionization current as a measured value from the ionization sensor and the output of the gas boiler as the speed value of the combustion air blower, can be determined in each case as a function of time with minimal effort.
  • This enables the gas boiler to be automatically calibrated, which can also be carried out automatically on an event-controlled and / or time-controlled basis.
  • the gas mixture in which the desired process result is achieved, is used in at least one operating point in one of the operating states to normalize a mixture control.
  • the normalization can also be repeated automatically on an occasion- and / or time-controlled basis.
  • the operating points are selected in such a way that they correspond to the values of the process result that were achieved during the calibration of the mixture control. This allows the current operating status to be validated.
  • the input variables measured for the desired process result are used as setpoint values for further mixture regulation over the entire working range of the process. This increases the operational reliability of the method.
  • the newly determined process values namely the ionization voltage and the speed value, are used as the new ionization current performance characteristic for future monitoring. This ensures that the process is regularly adapted to the circumstances.
  • the entire process is divided into two operating states, namely into a first operating state with a first working area or several working points and a second working area or several further working points.
  • first operating state process monitoring is used for reliable and fail-safe mixture control.
  • second operating state only the sensors used or an alternative process variable which supply or supply the required accuracy for the mixture control, but which do not have or have the required error safety, are used.
  • the process monitoring also supplies a fail-safe signal in the second operating state.
  • the level of the signal value of the process monitoring comprising the ionization sensor can change. In such a case, the ionization current performance characteristic is newly determined.
  • the mixture control is calibrated in such a way that a gas mixture required for a desired process result is determined in a calibration process for adaptation to changing processes or for a basic setting of the process. This takes place in that the gas mixture is adjusted within a certain bandwidth at at least one working point and the process result is measured at the same time.
  • the mixture at which the desired process result is achieved is used in the operating point or in the operating points for normalizing the subordinate Mixture control used. A drift in the process or the result is thus compensated for.
  • Mixture normalization is carried out in such a way that the process result is recorded in one or more operating points cyclically or in the event of certain events, e.g. after initial start-up or in the event of implausibilities in the processes described below.
  • the operating points are selected in such a way that they correspond to the values of the process result that were achieved during the calibration of the mixture control.
  • the input variables measured with this desired process result are used as setpoint values for further mixture control over the entire working range of the process.
  • the process result is recorded in such a way that when the mixture control is activated, the process result is recorded over the entire working range and assigned to the respective working point. This detection ensures that at least one working point is approached multiple times in the first working area. As expected, the process result must be the same in these same operating points, which ensures that the mixture control functions correctly during the process recording and that the process recording is complete.
  • the process is monitored in such a way that the controller monitors whether the required operating point is in place
  • a closed work area cycle is carried out in which at least two fail-safe work points are run through, in which the same sensor result has to be measured, and that the process result is recorded.
  • the plausibility of the mixture result is continuously checked using the ionization signal.
  • an ionization current performance curve is recorded during the initial start-up and then cyclically or event-controlled during burner operation.
  • the ionization current is measured and assigned to a speed corresponding to the burner output.
  • the sensor value at the beginning of the calibration must reach the same value as at the end of the calibration, it can be ensured that the sensor or the sensors has or do not have any errors and thus the ionization values were recorded without errors as expected values for a desired gas-air mixture according to the burner output.
  • the ionization signal is constantly compared with the expected value corresponding to the power. As soon as the measured value deviates too far from the expected value, the ionization characteristic is recorded again. If this is run through without errors, the ionization characteristic has changed, e.g. due to oxidation, and the new characteristic is used for plausibility checking. If the recording is not error-free, there is an error in one of the sensors and a safety shutdown occurs.
  • the gas boiler according to the invention for carrying out a method according to at least one of claims 1 to 13 comprises a control device, an ionization sensor connected to the control device and at least one other sensor connected to the control device, the control device comprising a memory in which an ionization current characteristic is stored is.
  • Combustion air fan is connected to the control unit in such a way that the control unit knows a current speed value of the combustion air fan. This makes it possible to determine an expected value on the basis of this speed value.
  • a control device is understood to mean a device which carries out control and / or regulating tasks.
  • a plausibility check is to be understood as a control, within the framework of which data are roughly checked to determine whether they are acceptable, or plausible, or comprehensible.
  • this can be understood as a plausibility check with regard to a value range as to whether given measured values are in this.
  • an alternative process variable is to be understood as a process variable which is detected in particular by an optical and / or acoustic flame evaluation.
  • an optical sensor is provided to detect the alternative process variable.
  • an “other” sensor is understood to mean a sensor which is designed, for example, as a gas sensor or air sensor or gas mixture sensor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a basic structure of a gas boiler, on which a method for regulating the mixture according to the prior art is used;
  • FIG. 2 shows, in a schematic representation, a basic structure of a gas boiler on which the method according to the invention is used;
  • FIG. 3 working areas of the mixture control
  • FIG. 4 shows a diagram of a mixture dependency of the ionization signal for mixture calibration
  • FIG. 5 shows a diagram which shows the dependency of the ionization signal on burner output and aging
  • FIG. 6 shows a diagram which shows the ionization signal as a function of the burner output and time
  • FIG. 7 shows a diagram which shows tolerance bands for process monitoring
  • FIG. 8 shows a flow diagram in which the sequence of the method according to the invention is shown.
  • a mixture control on a gas boiler G500 is a schematic representation shown.
  • two gases are controlled by a control unit 511 via separate actuators, for example one gas 501 is controlled via a modulating gas actuator 503 and a fuel gas 502 is controlled via a modulating fuel gas actuator 504. Both gases are combined to form a gas mixture 507 and fed to a process 509 running as a combustion process.
  • a process result is recorded by a process monitor 510 and fed to the control device 511.
  • the gas mixture 507 is usually changed and discharged as a starting mixture in the form of exhaust gas 512.
  • the mixture control is carried out so that
  • an input variable 505 of the gas 501 and an input variable 506 of the fuel gas 502 are recorded and used for correction
  • the gas boiler G includes a control device 11. For a mixture regulation of gas 2 and fuel gas 1, the control device 11 controls a supply of both gases 1, 2 via separate actuators.
  • the supply of fuel gas 1 is controlled via a modulating gas actuator 3 and the supply of gas 2 is controlled via a modulating combustion air fan 4.
  • the fuel gas 1 and the gas 2 are combined to form a gas mixture 7 and burned to exhaust gas 12 in a premix burner 9 in a combustion process.
  • the gas boiler G further includes other sensors, such as a gas sensor 5, an air sensor 6 and an air-gas mixture sensor 8.
  • the gas boiler G also includes an exhaust gas sensor 13 and an ionization sensor 10.
  • the ionization sensor 10 can alternatively, or redundantly, by an optically operating and / or acoustically operating flame sensor 14 be replaced or supplemented. If the flame sensor 14 is used as an alternative to the ionization sensor 10, this forms an ionization sensor within the meaning of the invention.
  • FIG. 3 uses a diagram to show, by way of example, a breakdown of the mixture control into two operating states I and II, operating state I comprising a first working area A1 and operating state II a second working area A2.
  • a power P of the gas boiler G is plotted on the x-axis of the diagram and both a sensor signal from the gas mixture sensor 8 and an ionization signal from the ionization sensor 10 are plotted on the y-axis (see also FIG. 2).
  • An ionization current performance curve LK extends over the working areas A1 and A2 and thus over an entire performance range of the gas boiler G.
  • Working area A1 is regulated according to a desired ionization value 23 and with burner outputs below the normalization output 15, namely in a second working area A2 according to desired values 18 for the mixture control.
  • the ionization signals corresponding to the respective power result from the course of the ionization current power characteristic curve LK.
  • Different variants can be used in the second work area A2. In this respect, between an ionization control area 16, which forms the first operating state I or first working area A1, and a sensor control area 17, which forms the second operating state II or second working area A2.
  • the ionization signal namely the measured ionization current, depends not only on a gas-air ratio but also on other boundary conditions, such as the burner geometry, contact resistances or the burner output,
  • a microthermal gas mixture sensor 8 is acted upon with the gas mixture 7.
  • the gas mixture sensor 8 detects at least one, preferably several properties of the gas mixture 7, such as the thermal conductivity and / or the thermal conductivity and / or the speed of sound of the gas mixture 7. If the sensor signal deviates from its setpoint, is either the amount of gas by means of the gas actuator 3 or the amount of air by varying the fan speed of the
  • Combustion air blower 4 varies until the desired setpoint is reached again.
  • the second variant of a mixture regulation proceeds as follows with reference to FIG.
  • the properties of the gas 2 forming the combustion air and of the fuel gas 1 can also be measured with additional sensors and a setpoint value of the mixture sensor can be corrected according to the effects of the change in properties on the combustion.
  • the third variant of a mixture control works as follows with reference to FIG. As soon as the residual oxygen content deviates from the value required for clean combustion, either the amount of gas is varied by means of the gas actuator 3 or the amount of air by varying the fan speed of the combustion air fan 4 until the desired setpoint is reached again.
  • FIG. 4 shows, by way of example, the mixture dependency of an ionization signal 20 for mixture calibration with reference to a calibration of the mixture control using a diagram.
  • an l-value is plotted on the x-axis as a measure for an excess of air, and the ionization signal 20 is plotted on the y-axis.
  • the ionization signal 20 is calibrated at a given power.
  • the control device 11 controls the gas 2 to a predetermined value during the operation of the gas heater G, the ionization signal 20 is measured at the ionization sensor 10 of the premix burner 9 and the amount of the fuel gas 1 is increased until the ionization signal 20 has risen from an originally present ionization value 21 with an excess air number 24 to a maximum 22 with an I value of 1.
  • a nominal ionization value 23 is calculated from this value with a percentage determined by laboratory technology and stored as the future base ionization value, which must be achieved with a desired excess air figure 25 and the set burner output, e.g. by determining the air volume l.
  • the control unit 11 then reduces the amount of gas until the new ionization setpoint 23 is actually reached. This calibration takes place cyclically or event-driven.
  • the mixture control can be adapted to aging processes, for example due to oxidation on the ionization sensor or changes in the gas quality.
  • the gas mixture sensor 8 or the exhaust gas sensor 13 measures the properties of the gas-air mixture or the exhaust gas or the alternative process variable at the normalization output 15 (see Figure 3) and saves this value as a setpoint for the mixture control 18 of the subsequent burner operation over the entire working range and to record the process result.
  • the ionization signal is not only dependent on the gas / air ratio, but also on the burner output and aging.
  • FIG. 5 shows, by way of example, the course of the ionization signal 30 as a function of the burner output 36 over the entire output range from low load 34 to high load 35 the calibration performance 37 is achieved.
  • Curves 32 and 33 show, by way of example, the course that can occur in the ionization monitoring after a change - e.g. due to aging of the ionization sensor. In this example, the changes mainly affect the lower performance range.
  • the ionization control is not active in this process, the mixture is constantly controlled using the gas mixture sensor.
  • FIG. 6 shows, by way of example, the sequence of starting the process at eight power points, the ionization signal 40 being set as a function of the burner power 36 and at the time 45.
  • the respective burner power 41 is assigned to the measured ionization current 44 and stored over the entire power range. It can be seen that, for example, the starting point in a third performance point c must result in the same ionization current as at the start and end of the recording, a fourth performance point d the same as in an eighth performance point h, in a fifth performance point e the same as in a seventh credit point g.
  • both the mixture control and the ionization current measurement in the recording period and in the power range took place without errors and are stored.
  • the process can be repeated if, for example, brief operational influences, such as wind, have disrupted the recording.
  • the “process calibration” step can be repeated in order to compensate for intermittent drifts, or a fault shutdown takes place, which preferably occurs with an error message.
  • burner output - indirect representative parameters can also be used, such as the air volume flow or the fan speed, which can be recorded more easily and quickly than the burner output.
  • Non-linearities and changes, e.g. due to changed flow conditions, are taken into account in the respective current process recording.
  • the normalization value of the sensors serves as the setpoint for the mixture.
  • FIG. 7 shows, using a diagram, the comparison of the desired process value during operation using the example of the ionization signal 55 with the value that was assigned to the corresponding power point 54 during process recording 51.
  • two limit curves 53 and 52 are schematically defined, between which the process value should be in a target range 56 in order to achieve a reliable and safe process.
  • FIG. 8 shows a flow diagram in which the sequence of the method according to the invention is shown.
  • the burner output is increased 37 to the calibration output in order to initiate an ionization calibration 101.
  • This supplies an ionization setpoint value 23 which is used for mixture normalization 102 in order to generate a setpoint value for mixture control 18.
  • This initiates the process recording 103, as a result of which a characteristic curve of the ionization current 44, namely an ionization current power characteristic, is generated over the entire power range of the gas boiler.
  • the ionization current performance characteristic is used to check whether the sensor values are OK 104. If this is not the case 107, there is a sensor error and a lockout 108 is initiated.
  • the sensor values are in order 106, it is checked whether the power is less than the standard power 109. If this is not the case 111, then the mixture control ionization 113 takes place, namely on the basis of the generated ionization current power characteristic. It is then checked again whether the power is less than the standard power 109. As long as this is not the case, the loop for mixture control on the basis of the ionization current power characteristic is continued.
  • the mixture control starts sensors 112 for monitoring the ionization limits 115 and a check follows as to whether the ionization signal is within defined limits 116 To answer this in the affirmative 117, it is then decided 109 again on the basis of the power whether the mixture control ionization 113 takes place again or whether the sensors 112 continue to be used to monitor the ionization limits. If this is answered in the negative 118, an ionization drift detection 119 is initiated and a check is made as to whether the ionization base value 120 has changed. If this is the case, the method starts again with ionization calibration 101, otherwise with mixture normalization 102.

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Abstract

Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme (G), in welcher ein Gasgemisch (7), welches ein Gas (2) und ein Brenngas (1) umfasst, verbrannt wird, wobei die Regelung des Prozesses in verschiedenen Betriebszuständen durch eine Auswertung von Messwerten mindestens eines Ionisationssensors (10) erfolgt. Hierbei wird das hergestellte Gasgemisch (7) in den verschiedenen Betriebszuständen laufend dadurch plausibilisiert, dass ein Ionisationsstrom des wenigstens einen Ionisationssensors (10) anhand einer gespeicherten Ionisationsstrom-Leistungskennlinie mit einem der momentanen Leistung der Gastherme (G) entsprechenden Erwartungswert verglichen wird.

Description

VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG UND REGELUNG EINES PROZESSES EINER GASTHERME UND GASTHERME
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme, in welcher ein Gasgemisch, welches ein Gas und ein Brenngas umfasst, verbrannt wird, wobei die Regelung des Prozesses in verschiedenen Betriebszuständen durch eine Auswertung von Messwerten mindestens eines Ionisationssensors erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Gastherme.
Für einen Prozess einer Gastherme, nämlich einen Verbrennungsprozesse ist eine Mischung von unterschiedlichen Gasen erforderlich, deren Mischungsverhältnis ausschlaggebend für die Sicherheit und das Ergebnis des Prozesses ist.
Der prinzipielle Aufbau einer nach dem Stand der Technik arbeitenden Gastherme ist in Figur 1 gezeigt. Da in vielen Fällen eine Regelung des Mischungsverhältnisses aus dem Prozessergebnis nicht über den gesamten Arbeitsbereich funktioniert oder sich im Laufe des Betriebes verändert, werden nach dem Stand der Technik vielfach zur Überwachung und Regelung Gemischregelungen realisiert, die entweder die Eingangsgrößen der unterschiedlichen Gase, das Gasgemisch selbst oder die Ausgangsgrößen messen und zur Regelung nutzen oder es liegen alternative Prozessgrößen vor, die zur Regelung geeignet wären, wobei aber die zu deren Erfassung verfügbaren Sensoren nicht die erforderliche Fehlersicherheit aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme zu entwickeln, sowie eine Gastherme vorzuschlagen, mit welchem bzw. mit welcher - insbesondere trotz Verwendung von nicht fehlersicheren Sensoren - eine sicherheitstechnische Zulassung erreicht werden kann, wobei es weiterhin Aufgabe ist, eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit zu erreichen, eine Anpassung an einen sich verändernden Prozess zu ermöglichen, sowie eine kostengünstige Realisierbarkeit zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die in dem Anspruch 1 bzw. 14 angegebenen Merkmale gelöst. In den jeweiligen Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme, in welcher ein Gasgemisch, welches ein Gas und ein Brenngas umfasst, verbrannt wird, bei welchem die Regelung des Prozesses in verschiedenen Betriebszuständen durch eine Auswertung von Messwerten mindestens eines Ionisationssensors erfolgt, umfasst den Schritt, dass das hergestellte Gasgemisch in den verschiedenen Betriebszuständen laufend dadurch plausibilisiert wird, dass ein Ionisationsstrom des wenigstens einen Ionisationssensors anhand einer gespeicherten Ionisationsstrom-Leistungskennlinie mit einem der momentanen Leistung der Gastherme entsprechenden Erwartungswert verglichen wird. Hierdurch erfolgt über den gesamten Leistungsbereich der Gastherme eine ständige Plausibilisierung des Ionisationsstroms des wenigstens einen Ionisationssensors. Zur technischen Realisierung wird auf grundsätzlich bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Regelung des Prozesses in mindestens einem der Betriebszustände, derart erfolgt, dass die Messwerte des wenigstens einen Ionisationssensors und Messwerte wenigstens eines anderen Sensors zur Überwachung und Regelung verarbeitet werden. Hierdurch kann ohne zusätzlichen Aufwand eine Kontrolle des Ergebnisses der Plausibilisierung durchgeführt werden.
Weiterhin ist es vorgesehen,dass die Regelung des Prozesses in einem ersten Betriebszustand der Betriebszustände, derart erfolgt, dass ausschließlich Messwerte des wenigstens einen Ionisationssensors zur Überwachung und Regelung verarbeitet werden und dass die Regelung des Prozesses in einem zweiten Betriebszustand der Betriebszustände, derart erfolgt, dass die Messwerte des wenigstens einen Ionisationssensors und Messwerte wenigstens eines anderen Sensors zur Überwachung und Regelung verarbeitet werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass für die unterschiedlichen Betriebszustände bzw. für in diesen liegende Arbeitsbereiche bzw. Arbeitspunkte immer Messungen derselben Sensoren vorliegen.
Weiterhin ist es vorgesehen, die Ionisationsstrom- Leistungskennlinie bei Erstinbetriebnahme und/oder zyklisch und/oder ereignisbezogen derart zu erstellen, dass über einen gesamten Modulationsbereich der Gastherme bei aktiver Regelung des Gasgemisches mit dem wenigstens einen Ionisationssensor der Ionisationsstrom gemessen wird und zu dem Ionisationsstrom jeweils ein einer Leistung der Gastherme entsprechender Erwartungswert erfasst wird. Hierdurch entspricht die Ionisationsstrom-Leistungskennlinie exakt der jeweiligen Gastherme und deren Zustand, so dass Probleme, welche durch ein Nichtzusammenpassen von Ionisationsstrom-Leistungskennlinie und Gastherme entstehen könnten sicher vermieden sind.
Es ist auch vorgesehen, den Erwartungswert durch einen Drehzahlwert eines Verbrennungsluftgebläses zu bilden. Hierdurch kann der der momentanen Leistung der Gastherme entsprechende Erwartungswert mittels des an der Gastherme vorhandenen Verbrennungsluftgebläses ermittelt werden, so dass auf zusätzliche Sensoren zur Leistungsermittlung verzichtet werden kann.
Es ist auch vorgesehen, die Erfassung der Ionisationsstrom- Leistungskennlinie derart auszuführen, dass in einem Aufnahmezyklus, ausgehend von der Zündleistung, über Maximalleistung zur Minimalleistung und wieder zur Zündleistung der Ionisationsstrom des wenigstens einen Ionisationssensors gemessen wird und überprüft wird ob der Ionisationsstrom bei Beginn der Kalibration den selben Wert wie bei Ende der Kalibration erreicht. Hierdurch lassen sich die für die Ionisationsstrom-Leistungskennlinie erforderlichen Werte, nämlich der Ionisationsstrom als Messwert des Ionisationssensors und die Leistung der Gastherme als Drehzahlwert des Verbrennungsluftgebläses jeweils in Abhängigkeit von der Zeit mit minimalem Aufwand ermitteln.
Es ist auch vorgesehen, dass in einem Kalibrierprozess das für ein gewünschtes Prozessergebnis erforderliche Gasgemisch ermittelt wird, indem in wenigstens einem Arbeitspunkt das Gasgemisch, insbesondere innerhalb einer vor bestimmten Bandbreite verstellt und dabei gleichzeitig das Prozessergebnis gemessen wird. Hierdurch ist eine automatische Kalibrierung der Gastherme möglich, welche anlass- und/oder zeitgesteuert auch automatisch durchgeführt werden kann.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Gasgemisch, bei dem das gewünschte Prozessergebnis erreicht wird, in wenigstens einem in einem der Betriebszustände liegenden Arbeitspunkt zur Normierung einer Gemischregelung verwendet wird. Hierdurch lässt sich auch die Normierung automatisch anlass- und/oder zeitgesteuert wiederholen . Es ist auch vorgesehen, dass bei der Normierung des Gasgemisches die Arbeitspunkte so gewählt sind, dass sie Werten des Prozessergebnisses entsprechen, die bei der Kalibration der Gemischregelung erreicht wurden. Hierdurch kann der aktuelle Betriebszustand validiert werden.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass bei der Normierung des Gasgemisches die bei dem gewünschten Prozessergebnis gemessenen Eingangsgrößen als Sollwerte für die weitere Gemischregelung über den gesamten Arbeitsbereich des Prozesses herangezogen werden. Hierdurch wird eine Betriebssicherheit des Verfahrens erhöht.
Es ist auch vorgesehen, dass im Rahmen einer Prozessüberwachung die Erstellung einer neuen Ionisationsstrom-Leistungskennlinie entsprechend dem Anspruch 4 veranlasst wird, wenn das Prozessergebnis mit dem Erwartungswert nicht übereinstimmt. Hierdurch wird ein Verbleib in einem ungewünschten Betriebszustand vermieden.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass wenn im Rahmen einer Prozessüberwachung festgestellt wird, dass das Prozessergebnis über den gesamten Bereich fehlerfrei aufgenommen wird, die neu ermittelten Prozesswerte, nämlich die Ionisationsspannung und der Drehzahlwert als neue Ionisationsstrom-Leistungskennlinie für die künftige Überwachung herangezogen werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Prozess regelmäßig an die Gegebenheiten angepasst wird.
Schließlich ist es vorgesehen, dass wenn im Rahmen einer Prozessüberwachung festgestellt wird, dass das Prozessergebnis im gleichen Arbeitspunkt verschiedene Ergebnisse liefert, eine Sicherheitsabschaltung ausgeführt wird. Hierdurch wird die Betriebssicherheit gewährleistet.
Der gesamte Prozess wird in zwei Betriebszustände unterteilt, nämlich in einen ersten Betriebszustand mit einem ersten Arbeitsbereich oder mehreren Arbeitspunkten und einen zweiten Arbeitsbereich oder mehreren weiteren Arbeitspunkten. In dem ersten Betriebszustand wird eine Prozessüberwachung zur zuverlässigen und fehlersicheren Gemischregelung genutzt. Entsprechend ist in dem ersten Betriebszustand nur die Prozesssteuerung aktiv und die weitere Sensorwerte oder alternative Prozessgrößen werden ignoriert. In dem zweiten Betriebszustand werden nur die eingesetzten Sensoren oder eine alternative Prozessgröße, welche die erforderliche Genauigkeit für die Gemischregelung liefern bzw. liefern, aber nicht die erforderliche Fehlersicherheit aufweisen bzw. aufweist. Die Prozessüberwachung liefert auch in dem zweiten Betriebszustand ein fehlersicheres Signal. Durch Sensoralterung der Prozessüberwachung oder andere Umgebungseinflüsse kann sich jedoch eine Höhe des Signalwerts der den Ionisationssensor umfassenden Prozessüberwachung ändern. In einem derartigen Fall wird die Ionisationsstrom-Leistungskennlinie neu ermittelt.
Eine Kalibration der Gemischregelung erfolgt derart, dass zur Anpassung an sich verändernde Prozesse, oder zu einer Grundeinstellung des Prozesses, in einem Kalibrierprozess ein für ein gewünschtes Prozessergebnis erforderliches Gasgemisch ermittelt wird. Dies erfolgt dadurch, dass in wenigstens einem Arbeitspunkt das Gasgemisch innerhalb einer bestimmten Bandbreite verstellt und dabei gleichzeitig das Prozessergebnis gemessen wird. Das Gemisch, bei dem das gewünschte Prozessergebnis erreicht wird, wird in dem Arbeitspunkt oder in den Arbeitspunkten zur Normierung der unterlagerten Gemischregelung verwendet. Eine Drift des Prozesses, bzw. des - ergebnisses wird somit ausgeglichen.
Eine Gemischnormierung erfolgt derart, dass zyklisch oder bei bestimmten Ereignissen, z.B. nach einer Erstinbetriebnahme oder bei Unplausibilitäten der nachfolgend beschriebenen Abläufe, in einem oder mehreren Arbeitspunkten das Prozessergebnis erfasst wird. Die Arbeitspunkte sind so gewählt, dass sie Werten des Prozessergebnisses entsprechen, die bei der Kalibration der Gemischregelung erreicht wurden. Die bei diesem gewünschten Prozessergebnis gemessenen Eingangsgrößen werden als Sollwerte für die weitere Gemischregelung über den gesamten Arbeitsbereich des Prozesses herangezogen.
Eine Aufnahme des Prozessergebnisses erfolgt derart, dass bei aktivierter Gemischregelung das Prozessergebnis über den gesamten Arbeitsbereich erfasst wird und dem jeweiligen Arbeitspunkt zugeordnet wird. Bei dieser Erfassung wird sichergestellt, dass mindestens ein Arbeitspunkt im ersten Arbeitsbereich mehrfach angefahren wird. Das Prozessergebnis muss erwartungsgemäß in diesen gleichen Arbeitspunkten gleich sein, wodurch sichergesteilt wird, dass während der Prozessaufnahme die Gemischregelung fehlerfrei funktioniert und die Prozessaufnahme vollständig ist.
Die Prozessüberwachung erfolgt derart, dass von der Steuerung überwacht wird, ob in dem erforderlichen Arbeitspunkt
- entweder in dem ersten Arbeitsbereich eine Regelung des Gasgemisches auf Grund des Prozessergebnisses ausgeführt wird,
- oder in dem zweiten Arbeitsbereich mit Hilfe von Sensoren geregelt wird. In dem zweiten Arbeitsbereich wird das tatsächliche Prozessergebnis nun für jeden beliebigen Arbeitspunkt mit den zuvor aufgenommenen Prozessergebnissen verglichen. Sollte das tatsächliche Prozessergebnis mit dem Erwartungswert übereinstimmen, sind sowohl die Gemischregelung wie auch der Prozess unverändert und in einwandfreier Funktion. Bei Abweichungen oberhalb einer vorgegebenen Grenze muss folglich entweder ein Fehler in der Gemischregelung oder eine Veränderung des Prozesses stattgefunden haben. In diesem Fall werden die Schritte zur Kalibration der Gemischregelung und zur Gemischnormierung erneut durchgeführt. Wird dabei festgestellt, dass das Prozessergebnis über den gesamten Bereich fehlerfrei aufgenommen wird, hat sich der Prozess geändert und die neu ermittelten Prozesswerte werden für die künftige Überwachung heran gezogen. Liefert die Aufnahme des Prozessergebnisses in dem gleichen Arbeitspunkt verschiedene Ergebnisse, liegt ein Fehler in der Gemischregelung vor und es erfolgt eine Sicherheitsabschaltung .
Grundsätzlich ist es vorgesehen, dass bei dem Verfahren ein geschlossener Arbeitsbereich-Zyklus ausgeführt wird, in dem mindestens zwei fehlersichere Arbeitspunkte durchfahren werden, in denen das selbe Sensorergebnis gemessen werden muss, und dass das Prozessergebnis aufgezeichnet wird.
Im Betrieb wird das Gemischergebnis ständig mit dem Ionisationssignal plausibilisiert. Dazu wird bei der Erstinbetriebnahme und danach zyklisch oder ereignisgesteuert während des Brennerbetriebes eine Ionisationsstrom- Leistungskennlinie aufgenommen. In jedem Zyklus wird über den gesamten Modulationsbereich und bei aktiver Gemischregelung, bei welcher das Gemisch auf der Basis von Sensorwerten geregelt wird, der Ionisationsstrom gemessen und einer der Brenner-Leistung entsprechenden Drehzahl zugeordnet.
Da in diesem Aufnahmezyklus, ausgehend von der Zündleistung, über Maximalleistung zur Minimalleistung und wieder zur Zündleistung der Sensorwert bei Beginn der Kalibration den selben Wert wie bei Ende der Kalibration erreichen muss, kann sichergestellt werden, dass im Laufe der Kalibration der Sensor bzw. die Sensoren keinen Fehler aufweist bzw. aufweisen und somit die Ionisationswerte als Erwartungswert für ein gewünschtes Gas-Luftgemisch entsprechend der Brenner-Leistung fehlerfrei erfasst wurden.
Im Laufe der Gemischregelung wird das Ionisationssignal ständig mit dem der Leistung entsprechenden Erwartungswert verglichen. Sobald der gemessene Wert zu weit von dem Erwartungswert abweicht, erfolgt eine erneute Aufnahme der Ionisationskennlinie. Wenn diese fehlerfrei durchlaufen wird, hat sich die Ionisationskennlinie z.B. durch Oxidation geändert und die neue Kennlinie wird zur Plausibilisierung herangezogen. Wenn die Aufnahme nicht fehlerfrei erfolgt, liegt ein Fehler in einem der Sensoren vor und eine Sicherheitsabschaltung erfolgt.
Die erfindungsgemäße Gastherme zur Durchführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst ein Steuergerät, einen an das Steuergerät angeschlossenen Ionisationssensor und wenigstens einen anderen, an das Steuergerät angeschlossenen Sensor, wobei das Steuergerät einen Speicher umfasst, in welchem eine Ionisationsstrom-Kennlinie gespeichert ist. Mit einer derartigen Gastherme ist es möglich, über den gesamten Leistungsbereich der Gastherme eine ständige Plausibilisierung des Ionisationsstroms des wenigstens einen Ionisationssensors vorzunehmen. Es ist auch vorgesehen, die Gastherme mit einem Verbrennungsluftgebläse auszustatten, wobei das
Verbrennungsluftgebläses derart an das Steuergerät angeschlossen ist, dass dem Steuergerät ein aktueller Drehzahlwert des Verbrennungsluftgebläses bekannt ist. Hierdurch ist es möglich, auf der Basis dieses Drehzahlwertes einen Erwartungswert zu bestimmen.
Im Sinne der Erfindung wird unter einem Steuergerät ein Gerät verstanden, welches Steuer- und/oder Regelaufgaben ausführt.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Plausibilisierung eine Kontrolle zu verstehen, in deren Rahmen Daten überschlagsmäßig daraufhin geprüft werden, ob sie annehmbar, respektive einleuchtend, beziehungsweise nachvollziehbar sind. Beispielsweise kann hierunter eine Plausibilitätskontrolle bezüglich eines Wertebereichs verstanden werden, ob gegebene Messwerte sich in diesem befinden.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer alternativen Prozessgröße eine Prozessgröße zu verstehen, welche insbesondere durch eine optische und/oder akustische Flammauswertung erfasst wird. Zur Erfassung der alternativen Prozessgröße ist insbesondere ein optischer Sensor vorgesehen.
Im Sinne der Erfindung wird unter einem „anderen" Sensor ein Sensor verstanden, welcher zum Beispiel als Gassensors oder Luftsensor oder Gasgemischsensors ausgebildet ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben . Hierbei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus einer Gastherme, an welcher ein Verfahren zur Gemischregelung entsprechend dem Stand der Technik zur Anwendung kommt;
Figur 2 in schematischer Darstellung einen prinzipiellen Aufbau einer Gastherme, an welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt;
Figur 3 Arbeitsbereiche der Gemischregelung;
Figur 4 ein Diagramm zu einer Gemischabhängigkeit des Ionisationssignals zur Gemischkalibration;
Figur 5 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit des Ionisationssignals von Brennerleistung und Alterung zeigt;
Figur 6 ein Diagramm, welches das Ionisationssignal in Abhängigkeit von der Brennerleistung und der Zeit zeigt;
Figur 7 ein Diagramm, welches Toleranzbänder der Prozessüberwachung zeigt und
Figur 8 ein Flussidagramm, in welchem der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist.
In Figur 1 ist in schematischer Darstellung eine Gemischregelung an einer Gastherme G500 entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. Hierbei werden von einem Steuergerät 511 zwei Gase über getrennte Stellglieder gesteuert, beispielsweise wird ein Gas 501 über ein modulierendes Gas-Stellglied 503 und ein Brenngas 502 über ein modulierendes Brenngas-Stellglied 504 gesteuert. Beide Gase werden zu einem Gasgemisch 507 zusammengeführt und einem als Verbrennungsprozess ablaufenden Prozess 509 zugeführt. Ein Prozessergebnis wird von einer Prozessüberwachung 510 erfasst und dem Steuergerät 511 zugeführt. In dem Prozess 509 wird das Gasgemisch 507 in der Regel verändert und als Ausgangsgemisch in Form von Abgas 512 abgeführt. Die Gemischregelung wird so ausgeführt, dass
- eine Gemischgröße 508 erfasst und geregelt wird,
- dass bei zu erwartenden Veränderungen der Eingangsgrößen zusätzlich eine Eingangsgröße 505 des Gases 501und eine Eingangsgröße 506 des Brenngases 502erfasst und zur Korrektur herangezogen werden,
- dass die Ausgangsgröße 513 des als Abgas 512 ausgebildeten Ausgangsgemisches erfasst und geregelt wird oder dass eine zweite Prozessgröße 514 zur Regelung des Gemisches 507 herangezogen wird.
In der Figur 2 ist in schematischer Darstellung ein prinzipieller Aufbau eines brenngasbetriebenen Gastherme G gezeigt, an welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt. Die Gastherme G umfasst ein Steuergerät 11. Für eine Gemischregelung von Gas 2 und Brenngas 1 wird von dem Steuergerät 11 eine Zufuhr beider Gase 1, 2 über getrennte Stellglieder gesteuert. Die Zufuhr von Brenngas 1 wird über ein modulierendes Gasstellglied 3 gesteuert und die Zufuhr von Gas 2 wird über ein modulierendes Verbrennungsluftgebläse 4 gesteuert. Das Brenngas 1 und das Gas 2 werden zu einem Gasgemisch 7 zusammengeführt und an einem Vorgemischbrenner 9 in einem Verbrennungsprozess zu Abgas 12 verbrannt. Die Gastherme G umfasst weiterhin andere Sensoren, wie einen Gassensor 5, einen Luftsensor 6 und einen Luft-Gas-Gemischsensor 8. Die Gastherme G umfasst auch einen Abgassensor 13 und einen Ionisationssensor 10. Der Ionisationssensor 10 kann alternativ, oder redundant durch einen optisch arbeitenden und/oder akustisch arbeitenden Flammensensor 14 ersetzt bzw. ergänzt sein. Sofern der Flammsensor 14 alternativ zu dem Ionisationssensor 10 zum Einsatz kommt, bildet dieser im Sinne der Erfindung einen Ionisationssensor .
Figur 3 zeigt anhand eines Diagramms beispielhaft eine Aufteilung der Gemischregelung in zwei Betriebszustände I und II, wobei der Betriebszustand I einen ersten Arbeitsbereich Al und der Betriebszustand II einen zweiten Arbeitsbereiche A2 umfasst. Auf der x-Achse des Diagramms ist eine Leistung P der Gastherme G abgetragen und auf der y-Achse ist sowohl ein Sensorsignal des Gasgemischsensors 8, als auch ein Ionisationssignal des Ionisationssensors 10 abgetragen (siehe auch Figur 2). Eine Ionisationsstrom-Leistungskennlinie LK erstreckt sich über die Arbeitsbereiche Al und A2 und somit über einen gesamten Leistungsbereich der Gastherme G. Der Modulationsbereich der Gastherme G (siehe Figur 2) ist beispielhaft so aufgeteilt, dass bei Brennerleistungen oberhalb einer Normierungsleistung 15, nämlich in einem ersten Arbeitsbereich Al nach einem Ionisationssollwert 23 und bei Brennerleistungen unterhalb der Normierungsleistung 15, nämlich in einem zweiten Arbeitsbereich A2 nach Sollwerten 18 für die Gemischregelung geregelt wird. Die der jeweiligen Leistung entsprechenden Ionisationssignale ergeben sich aus dem Verlauf der Ionisationsstrom- Leistungskennlinie LK. Hierbei kann im zweiten Arbeitsbereich A2 mit unterschiedlichen Varianten geregelt werden. Insofern wird zwischen einem Ionisationskontrollbereich 16, welcher den ersten Betriebszustand I bzw. ersten Arbeitsbereich Al bildet, und einem Sensorkontrollbereich 17, welcher den zweiten Betriebszustand II bzw. zweiten Arbeitsbereich A2 bildet, unterschieden .
Da das Ionisationssignal, nämlich der gemessene Ionisationsstrom außer von einem Gas-Luftverhältnis auch von anderen Randbedingungen abhängt, wie z.B. der Brennergeometrie, Übergangswiderständen oder der Brennerleistung,
- ist es vorteilhaft, eine Gemischregelung auf Basis der Ionisationsstromregelung nur in Leistungsbereichen bzw. Arbeitsbereichen - im Bespiel im ersten Arbeitsbereich Al - oder Leistungspunkten bzw. Arbeitspunkten durchzuführen, in denen das Ionisationssignal zuverlässig und sicher gemessen und zur Regelung herangezogen werden kann und
- ist es vorteilhaft in den anderen Arbeitsbereichen - im Beispiel im zweiten Arbeitsbereich - oder Arbeitspunkten, in denen beispielhaft die Brennerleistung so gering ist, dass das Ionisationssignal nicht ausreichend genau und nicht zuverlässig genug zur Gemischregelung genutzt werden kann, zusätzliche Sensoren einzusetzen, die dann mittel des Ionisationssignals auf Fehlersicherheit überprüft werden.
In dem Sensorkontrollbereich 17 bzw. zweiten Betriebszustand II kann zwischen drei Varianten einer Gemischregelung gewählt werden.
Die erste Variante einer Gemischregelung läuft mit Bezug auf die Figur 2 wie folgt ab: Ein mikrothermischer Gasgemischsensor 8 wird mit dem Gasgemisch 7 beaufschlagt. Der Gasgemischsensor 8 erfasst mindestens eine, vorzugsweise mehrere Eigenschaften des Gasgemisches 7, wie z.B. die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Temperaturleitfähigkeit und/oder die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches 7. Weicht das Sensorsignal von seinem Sollwert ab, wird entweder die Gasmenge mittels des Gasstellglied 3 oder die Luftmenge durch Variation der Gebläsedrehzahl des
Verbrennungsluftgebläses 4 variiert, bis der gewünschte Sollwert wieder erreicht wird.
Die zweite Variante einer Gemischregelung läuft mit Bezug auf die Figur 2 wie folgt ab. Bei dieser Variante zur Gemischregelung können zusätzlich mit zusätzlichen Sensoren die Eigenschaften des die Verbrennungsluft bildenden Gases 2 und des Brenngases 1 gemessen und kann ein Sollwert des Gemischsensors entsprechend der Einflüsse der Eigenschaftsveränderung auf die Verbrennung korrigiert werden.
Die dritte Variante einer Gemischregelung läuft mit Bezug auf die Figur 2 wie folgt ab: Bei dieser Variante zur Gemischregelung wird das Verbrennungsergebnis im Abgas 12 mit dem Abgassensor 13 gemessen, beispielsweise wird der Restsauerstoffgehalt des Abgases 12 gemessen. Sobald der Restsauerstoffgehalt von dem für eine saubere Verbrennung erforderlichen Wert abweicht, wird entweder die Gasmenge mittels des Gasstellglieds 3 oder die Luftmenge durch Variation der Gebläsedrehzahl des Verbrennungsluftgebläse 4 variiert bis der gewünschte Sollwert wieder erreicht ist.
Bei allen drei Ablaufvarianten würde der Ausfall eines Sensors oder eine Fehlmessung eines Sensors zu einer fehlerhaften Gemischbildung und somit zu einer schlechten oder sicherheitskritischen Verbrennung in Form einer CO-Bildung führen. Dies ist jedoch unkritisch, da die Verbrennung auch in dem zweiten Betriebszustand II durch den Ionisationssensor 10 überwacht wird. Figur 4 zeigt anhand eines Diagramms im Hinblick auf eine Kalibration der Gemischregelung beispielhaft die Gemischabhängigkeit eines Ionisationssignals 20 zur Gemischkalibration . Hierbei ist auf der x-Achse ein l-Wert als Maß für einen Luftüberschuss abgetragen und hierbei ist auf der y-Achse das Ionisationssignal 20 abgetragen.
Zur Anpassung an die Installationsbedingungen, wie z.B. die Brennergeometrie, und zur Anpassung an schleichende Veränderungen der Ionisationsüberwachung, wie z.B. sich mit der Zeit verändernde Übergangswiderstände an der Elektrode, wird bei einer vorgegebenen Leistung eine Kalibration des Ionisationssignals 20 durchgeführt.
Zur Kalibration des Ionisationssignals wird vom Steuergerät 11 (siehe Figur 2) während des Betriebs der Gastherme G das Gas 2 auf einen vorgegebenen Wert gesteuert, das Ionisationssignal 20 an dem Ionisationssensor 10 des Vorgemischbrenners 9 gemessen und die Menge des Brenngases 1 soweit erhöht bis das Ionisationssignal 20 von einem ursprünglich vorhandenen Ionisationswert 21 mit einer Luftüberschusszahl 24 auf ein Maximum 22 mit einem l-Wert von 1 angestiegen ist. Aus diesem Wert wird mit einer labortechnisch ermittelten Prozentzahl ein Ionisationssollwert 23 berechnet und als künftiger Ionisationsbasiswert abgespeichert, der bei einer gewünschten Luftüberschusszahl 25 und der eingestellten Brennerleistung, z.B. durch Bestimmung der Luftmenge l, erreicht werden muss. Das Steuergerät 11 reduziert anschließend die Gasmenge soweit bis der neue Ionisationssollwert 23 tatsächlich erreicht wird. Diese Kalibration findet zyklisch oder ereignisgesteuert statt.
Dadurch kann die Gemischregelung auf Alterungsprozesse z.B. durch Oxidation an dem Ionisationssensor oder Veränderungen in der Gasbeschaffenheit angepasst werden. Zur Gemischnormierung misst der Gasgemischsensor 8 oder der Abgassensor 13 bei der Normierungsleistung 15 (siehe Figur 3) die Eigenschaften des Gas-Luftgemisches oder des Abgases oder die alternative Prozessgröße und speichert diesen Wert als Sollwert für die Gemischregelung 18 des nachfolgenden Brennerbetriebes über den gesamten Arbeitsbereich und zur Aufnahme des Prozessergebnisses ab.
Das Ionisationssignal ist nicht nur von dem Gas-Luftverhältnis, sondern auch von der Brennerleistung und Alterung abhängig. Die Figur 5 zeigt anhand eines Diagramms beispielhaft den Verlauf des Ionisationssignals 30 in Abhängigkeit von der Brennerleistung 36 über den gesamten Leistungsbereich von Kleinlast 34 bis Großlast 35. Dabei zeigt eine Kurve 31 beispielhaft den Verlauf im Urzustand nach einer Kalibration mit dem Ionisationssollwert 23, der bei der Kalibrationsleistung 37 erreicht wird. Die Kurven 32 und 33 zeigen beispielhaft den Verlauf, welcher sich nach einer Veränderung - z.B. durch Alterung des Ionisationssensors - der Ionisationsüberwachung einstellen kann. Die Veränderungen wirken sich in diesem Beispiel überwiegend im unteren Leistungsbereich aus.
Um diesen Drift zu erkennen, wird nun bei aktiver
Gemischregelung, also bei bekanntem und reproduzierbaren Gemisch, ausgehend von einem Startpunkt, der gesamte
Brennerleistungsbereich wieder bis zum Startpunkt durchfahren.
Die Ionisationsregelung ist in diesem Ablauf nicht aktiv, das Gemisch wird anhand des Gasgemischsensors konstant geregelt.
Dabei werden mehrere Leistungspunkte mindestens zweimal angesteuert und die entsprechenden Ionisationsströme verglichen. Figur 6 zeigt beispielhaft den Ablauf der Aufnahme des Prozesses beispielhaft an acht Leistungspunkten, wobei das Ionisationssignal 40 in Abhängigkeit zu der Brennerleistung 36 und zu der Zeit 45 gesetzt ist. Ausgehend von einem ersten Leistungspunkt a wird über den gesamten Leistungsbereich die jeweilige Brennerleistung 41 dem gemessenen Ionisationsstrom 44 zugeordnet und abgespeichert. Es ist erkennbar, dass beispielsweise der Startpunkt in einem dritten Leistungspunkt c den gleichen Ionisationsstrom ergeben muss, wie beim Start und beim Ende der Aufnahme, ein vierter Leistungspunkt d den gleichen wie in einem achten Leistungspunkt h, in einem fünften Leistungspunkt e den gleichen wie im einem siebten Leistungspunkt g.
Wenn keine Abweichungen gemessen werden, ist sowohl die Gemischregelung, wie auch die Ionisationsstrommessung in dem Aufnahme-Zeitraum und in dem Leistungsbereich fehlerfrei erfolgt und abgespeichert. Bei Abweichungen kann der Vorgang wiederholt werden, wenn beispielhaft betriebsbedingte kurzzeitige Einflüsse, wie zum Beispiel Wind die Aufnahme gestört haben. Alternativ kann der Schritt „Kalibration des Prozesses" wiederholt werden, um zwischenzeitliche Drifte auszugleichen oder es findet eine Störabschaltung statt, welche vorzugsweise mit einer Fehlermeldung erfolgt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass anstelle der direkten Einflussgrößen - wie in diesem Fall die Brennerleistung - auch indirekte repräsentative Parameter herangezogen werden können, wie z.B. der Luftvolumenstrom oder die Gebläsedrehzahl, die sich einfacher und schneller erfassen lässt als die Brennerleistung. Nichtlinearitäten und Veränderungen, z.B. durch geänderte Strömungsverhältnisse, werden bei der jeweiligen aktuellen Prozessaufnahme berücksichtigt .
Prozessüberwachung: Die Gemischregelung findet in zwei Arbeitsbereichen der Brennerleistung statt:
- a) Oberhalb der Normierungsleistung 15 wird das Gemisch ausschließlich auf den Ionisationsstrombasiswert geregelt, die Sensorwerte werden ignoriert.
- b) Unterhalb der Normierungsleistung 15 wird die Gemischregelung auf die Sensoren umgeschaltet.
Der Normierungswert der Sensoren dient als Sollwert für das Gemisch.
Figur 7 zeigt beispielhaft anhand eines Diagramms das Vergleichen des gewünschten Prozesswertes im laufenden Betrieb am Beispiel des Ionisationssignals 55 mit dem Wert der bei der Prozessaufnahme 51 dem entsprechenden Leistungspunkt 54 zugeordnet wurde. Dazu werden schematisch zwei Grenzkurven 53 und 52 definiert, zwischen denen sich der Prozesswert auf einem Sollbereich 56 befinden soll, um einen zuverlässigen und sicheren Prozess zu erreichen.
Bei Über- oder Unterschreiten der beiden Grenzkurven liegt entweder
- a) ein Fehler vor, wobei z.B. ein falsches Gemisch durch fehlerhafte Sensoren zu einer falschen Brennerleistung führt oder
- b) der Verbrennungsprozess hat sich geändert, wobei z.B. energieärmere Gase zu einem geringeren Ionisationsstrom führen.
In beiden Fällen wird eine erneute Aufnahme des Prozesses durchgeführt : - Wenn diese Prozessaufnahme nicht vollständig und fehlerfrei abläuft, liegt ein Fehler vor und der Prozess wird abgeschaltet, gegebenenfalls nach einer Neukalibration
- Wenn die Prozessaufnahme vollständig und ohne Fehler durchläuft, wird die bestehende Prozessaufnahme 51 durch die neue ersetzt und daraus neue Grenzkurven bestimmt.
In der Figur 8 ist ein Flussidagramm abgebildet, in welchem der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist. Durch Start einer Erstinbetriebnahme 100 wird die Brennerleistung auf Kalibrationsleistung gefahren 37, um eine Ionisationskalibration 101 einzuleiten. Diese liefert einen Ionisationssollwert 23, der zur Gemischnormierung 102 genutzt wird, um einen Sollwert für die Gemischregelung 18 zu erzeugen. Dieser initiiert die Prozessaufnahme 103, wodurch eine Kennlinie des Ionisationsstroms 44, nämlich eine Ionisationsstrom- Leistungskennlinie über den gesamten Leistungsbereich der Gastherme erzeugt wird. Anhand der Ionisationsstrom- Leistungskennlinie wird geprüft, ob die Sensorwerte in Ordnung sind 104. Ist dies nicht der Fall 107 liegt ein Sensorfehler vor und eine Störabschaltung 108 wird eingeleitet. Sind die Sensorwerte in Ordnung 106 so wird überprüft, ob die Leistung kleiner, als die Normleistung ist 109. Ist dies nicht der Fall 111 dann erfolgt die Gemischregelung Ionisation 113, nämlich auf der Basis der erstellten Ionisationsstrom-Leistungskennlinie. Danach wird erneut überprüft, ob die Leistung kleiner, als die Normleistung ist 109. Solange dies nicht der Fall ist, wird die Schleife zur Gemischregelung auf der Basis der Ionisationsstrom- Leistungskennlinie weiter durchlaufen. Sofern die Leistung kleiner, als die Normleistung ist 110, startet die Gemischregelung Sensoren 112 zur Überwachung der Ionisationsgrenzen 115 und es folgt eine Prüfung, ob das Ionisationssignal innerhalb definierter Grenzen liegt 116. Ist dies zu bejahen 117, dann wird wieder anhand der Leistung entschieden 109, ob wieder die Gemischregelung Ionisation 113 erfolgt oder ob weiterhin die Sensoren 112 zur Überwachung der Ionisationsgrenzen herangezogen werden. Ist dies zu verneinen 118, so wird eine Ionisations-Drift-Erkennung 119 initiiert und überprüft, ob der Ionisations-Basiswert 120 sich verändert hat. Ist dies der Fall, so startet das Verfahren wieder bei der Ionisationskalibration 101, andernfalls bei der Gemischnormierung 102.
Bezugszeichenliste :
1 Brenngas
2 Gas
3 modulierendes Gasstellglied
4 modulierendes Verbrennungsluftgebläse
5 Gassensor
6 Luftsensor
7 Gasgemisch
8 Gasgemischsensor
9 Vorgemischbrenner
10 Ionisationssensor 11 Steuergerät 12 Abgas
13 Abgassensor
14 Flammsensor
15 Normierungsleistung
16 Ionisationskontrollbereich
17 Sensorkontrollbereich
18 Sollwert für die Gemischregelung 20 Ionisationssignal bzw. Ionisationsstrom 21 Ionisationswert 22 Maximum des Ionisationswertes 23 IonisationsSollwert
25 Luftüberschusszahl
30 Verlauf des Ionisationssignals in Abhängigkeit der Brennerleistung 31 Kurve des Verlaufs im Urzustand
34 Kleinlast
35 Großlast
36 Brennerleistung 37 Kalibrationsleistung
41 Brennerleistung
44 Ionisationsstrom
51 Prozessaufnahme
52 untere Grenzkurve
53 obere Grenzkurve
54 Leistungspunkt
55 Ionisationssignal
56 Sollbereich
100 Erstinbetriebnahme
101 Ionisationskalibration
102 Gemischnormierung
103 Prozessaufnahme
104 Sensorwerte in Ordnung 106 ja
107 nein
108 Sensorfehler Störabschaltung
109 Leistung kleiner als Normleistung
110 ja 111 nein 112 Gemischregelung Sensoren 113 Gemischregelung Ionisation
115 Überwachung Ionisationsgrenzen
116 Ionisationssignal innerhalb der Grenzen?
117 ja
118 nein
119 Ionisations-Drift-Erkennung
120 Ionisations-Basiswert verändert? 121 nein 122 ja a-h Leistungspunkte
Al, A2 erster/zweiter Arbeitsbereich G Gastherme
Ionisationsstrom-Leistungskennlinie
I erster Betriebszustand
II zweiter Betriebszustand 501 Gas
502 Brenngas
503 modulierendes Gas-Stellglied
504 modulierendes Brenngas-Stellglied
505 Eingangsgrößen des Gases 506 Eingangsgröße des Brenngases
507 Gasgemisch
508 Gemischgröße
509 Prozess
510 Prozessüberwachung 511 Steuergerät
512 Ausgangsgröße des Ausgangsgemisches
513 Ausgangsgemisch
514 Prozessgröße G500 Gastherme

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Überwachung und Regelung eines Prozesses einer Gastherme (G), in welcher ein Gasgemisch (7), welches ein Gas (2) und ein Brenngas (1) umfasst, verbrannt wird, wobei die Regelung des Prozesses in verschiedenen Betriebszuständen (I, II) durch eine Auswertung von Messwerten mindestens eines Ionisationssensors (10) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Gasgemisch (7) in den verschiedenen Betriebszuständen (I, II) laufend dadurch plausibilisiert wird, dass ein Ionisationsstrom (20) des wenigstens einen Ionisationssensors (10) anhand einer gespeicherten Ionisationsstrom-Leistungskennlinie (LK) mit einem der momentanen Leistung (P) der Gastherme (G) entsprechenden Erwartungswert verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regelung des Prozesses in mindestens einem der Betriebszustände (I, II), derart erfolgt, dass die Messwerte des wenigstens einen Ionisationssensors (10) und Messwerte wenigstens eines anderen Sensors (5, 6, 7) zur Überwachung und Regelung verarbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Regelung des Prozesses in einem ersten Betriebszustand (I) der Betriebszustände (I, II), derart erfolgt, dass ausschließlich Messwerte des wenigstens einen Ionisationssensors (10) zur Überwachung und Regelung verarbeitet werden und
- dass die Regelung des Prozesses in einem zweiten Betriebszustand (II) der Betriebszustände (I, II), derart erfolgt, dass die Messwerte des wenigstens einen Ionisationssensors (10) und Messwerte wenigstens eines anderen Sensors (5, 6, 7) zur Überwachung und Regelung verarbeitet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisationsstrom-Leistungskennlinie (LK) bei Erstinbetriebnahme und/oder zyklisch und/oder ereignisbezogen derart erstellt wird, dass über einen gesamten Modulationsbereich der Gastherme (G) bei aktiver Regelung des Gasgemisches (7) mit dem wenigstens einen Ionisationssensor (10) der Ionisationsstrom gemessen wird und zu dem Ionisationsstrom jeweils ein einer Leistung (P) der Gastherme (G) entsprechender Erwartungswert erfasst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungswert durch einen Drehzahlwert eines Verbrennungsluftgebläses (4) gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Ionisationsstrom-Leistungskennlinie (LK) derart erfolgt, dass in einem Aufnahmezyklus, ausgehend von der Zündleistung, über Maximalleistung zur Minimalleistung und wieder zur Zündleistung der Ionisationsstrom des wenigstens einen Ionisationssensors (10) gemessen wird und überprüft wird ob der Ionisationsstrom bei Beginn der Kalibration den selben Wert wie bei Ende der Kalibration erreicht.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kalibrierprozess zur Kalibration der Gemischregelung das für ein gewünschtes Prozessergebnis erforderliche Gasgemisch (7) ermittelt wird, indem in wenigstens einem Arbeitspunkt das Gasgemisch (7), insbesondere innerhalb einer vorbestimmten Bandbreite verstellt und dabei gleichzeitig das Prozessergebnis gemessen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (7), bei welchem das gewünschte Prozessergebnis erreicht wird, in wenigstens einem Arbeitspunkt zur Normierung einer Gemischregelung verwendet wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Normierung des Gasgemisches (7) die Arbeitspunkte so gewählt sind, dass sie Werten des Prozessergebnisses entsprechen, die bei der Kalibration der Gemischregelung erreicht wurden.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Normierung des Gasgemisches (7) die bei dem gewünschten Prozessergebnis gemessenen Eingangsgrößen als Sollwerte für die weitere Gemischregelung über den gesamten Arbeitsbereich des Prozesses herangezogen werden.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen einer Prozessüberwachung die Erstellung einer neuen Ionisationsstrom-Leistungskennlinie (LK) entsprechend dem Anspruch 4 veranlasst wird, wenn das Prozessergebnis mit dem Erwartungswert nicht übereinstimmt.
12. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn im Rahmen einer Prozessüberwachung festgestellt wird, dass das Prozessergebnis über den gesamten Bereich fehlerfrei aufgenommen wird, die neu ermittelten Prozesswerte, nämlich die Ionisationsspannung und der Drehzahlwert als neue Ionisationsstrom-Leistungskennlinie (LK) für die künftige Überwachung herangezogen werden.
13. Verfahren nach Anspruch nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn im Rahmen einer Prozessüberwachung festgestellt wird, dass das Prozessergebnis im gleichen Arbeitspunkt verschiedene Ergebnisse liefert, eine Sicherheitsabschaltung ausgeführt wird.
14. Gastherme (G) zur Durchführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastherme (G) ein Steuergerät (11) umfasst, dass die Gastherme (G) einen an das Steuergerät (11) angeschlossenen Ionisationssensor (10) umfasst, dass die Gastherme (G) wenigstens einen anderen, an das Steuergerät angeschlossenen Sensor (5, 6, 7) umfasst und dass das Steuergerät (11) einen
Speicher umfasst, in welchem eine Ionisationsstrom-Kennlinie (LK) gespeichert ist.
15. Gastherme (G) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastherme (G) ein Verbrennungsluftgebläse (4) umfasst, wobei das Verbrennungsluftgebläses (4) derart an das Steuergerät (11) angeschlossen ist, dass dem Steuergerät (11) ein aktueller Drehzahlwert des Verbrennungsluftgebläses (4) bekannt ist.
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