WO2021204471A1 - Verfahren zum betreiben einer brenneranordnung und brenneranordnung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brenneranordnung und brenneranordnung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2021204471A1
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Sebastian Hack
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Viessmann Climate Solutions Se
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    • F23N5/123—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods using electronic means
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/22—Flame sensors the sensor's sensitivity being variable

Definitions

  • the present invention relates to a burner arrangement and a method for operating a burner arrangement.
  • the present invention realizes a wind function which can prevent a flame out due to pressure fluctuations caused by wind.
  • a burner arrangement generally has a burner which is connected to the atmosphere via an exhaust system. Strong gusts of wind, such as those that occur in storms, can cause rapid changes in draft or overpressure in the exhaust system. This can cause pressure surges in the burner. Such pressure surges can lead to a flame out in the burner, which can result in toxic emissions.
  • a calibration must be carried out when the burner is restarted after the flame has been interrupted. A calibration is necessary in the event of a flame failure in order to determine that the burner control is working, as the cause of the flame failure is not always clear. A calibration requires the burner to be forced to operate at a high load level. Here, a corresponding heat consumption in the heating system must be ensured, which may make further control measures necessary.
  • the present invention is based on the object of overcoming the problems known in the prior art and of providing a burner arrangement for a heating boiler which is improved over the prior art and of specifying a method for operating a burner arrangement.
  • the aim is to prevent a flame out due to pressure surges in order to avoid toxic emissions and mandatory calibration.
  • the measures to prevent the flame from stalling are also referred to below as the "wind function".
  • the solution is also achieved by a burner arrangement according to claim 8.
  • a method for operating a burner arrangement with a burner which burns an air-fuel mixture comprises the method steps described below. The order of the steps can be varied depending on the application. Some steps can also be performed at the same time.
  • a fluid that is to say gaseous or liquid fuel, for example natural gas or heating oil, can be used as the fuel.
  • the burner In a first operating state, the burner is operated at a first predetermined power level. In particular, the burner is operated at partial load in the first operating state.
  • a preferred partial load range of the first power level can be, for example, between 3% and 10% of the maximum load, more preferably between 4% and 8% and particularly preferably between 5% and 7%.
  • a target value for an ionization current is specified.
  • the ionization current can be measured by means of an ionization electrode which is arranged in such a way that it is immersed in the flame.
  • an electronic control device of the burner arrangement which in particular has a processor and a memory.
  • the burner continues to operate in the first operating state.
  • a small discrepancy exists in particular when the discrepancy is smaller than a predefined limit value. If the deviation exceeds the specified limit value, the burner can be switched to a second operating state at a second power level.
  • the second power level is at a higher partial load range than the first power level.
  • the second performance level is therefore also referred to as "increased partial load”.
  • a preferred partial load range of the second power level can for example between 20% and 40% of the maximum load, more preferably between 25% and 35% and particularly preferably between 28% and 33%.
  • the second power level can be determined as a function of the deviation. This can be done, for example, in such a way that the second power level is raised to a higher partial load in the event of a greater deviation than in the event of a smaller deviation.
  • values or an algorithm according to which the second power level is determined as a function of the deviation can be stored in the control device.
  • the burner arrangement can be switched back to the first operating state.
  • the time period can be determined as a function of the measured deviation, for example, or it can be a fixed value. This can prevent operation at an unnecessarily high power level over a long period of time. Since gusts of wind tend to be short-lived, a period of several seconds or a few minutes, for example, may be sufficient.
  • the control device of the burner will attempt to transfer the burner to the lowest possible load level under the conditions, the conditions being able to be determined from the deviation of the measured ionization current from the nominal value.
  • the transition from the first to the second operating state or from the second to the first operating state can be carried out in stages via one power level or several power levels between the first and second power levels.
  • the burner arrangement can react to pressure fluctuations without modulating to a high output level.
  • an ionization current can be measured again and compared with the nominal value. If the deviation is smaller than the limit value, it is possible to dispense with raising the power level further or even to modulate back to a lower power level.
  • the burner is operated at the current power level and the ionization current is measured.
  • the measured ionization current is compared again with the specified target value and the deviation is determined. If the deviation exceeds the specified limit value, the burner can be switched to the next higher output level. If the deviation does not exceed the limit value, the burner can continue to be operated in the current power level, or it can be transferred to a next lower power level after a predetermined period of time.
  • the nominal value of the ionization current can be specified as a function of the current power level. Since the ionization current generated in the ionization electrode depends on the properties of the flame, in particular the temperature, the desired value of the ionization current is generally dependent on the power level to which the regulation is to take place.
  • a modulation speed of the burner can be accelerated by means of a coefficient when the burner is transferred to a higher power level. Since the aim is to avoid a flame out, it is advantageous to operate the burner as quickly as possible at a higher output, especially in the event of an external disturbance, for example due to a gust of wind. This can be achieved in that a control speed is increased, which can be achieved, for example, by means of a coefficient (or by means of a factor) for increasing the modulation speed, which is described in more detail below.
  • the modulation speed of the burner is understood to mean a change in the burner output over time. This can also be understood as the ability of the burner to react to changing thermal requirements.
  • the burner output can thus advantageously be adapted particularly quickly to a changing thermal demand.
  • the burner output can be regulated to a higher (or lower) value in a short time.
  • the amount of air supplied and the corresponding amount of fuel (or amount of gas) supplied must be changed synchronously, i.e. essentially simultaneously and to an extent that is proportional to one another, so that the resulting air ratio changes only as little (or as possible). as little as possible).
  • the amount of air supplied can take place, for example, by regulating a speed of a fan for supplying air into the combustion chamber.
  • a gust of wind can create rapid back pressure in the burner's exhaust system.
  • Starting up the fan can primarily lead to an increase in the amount of air available for combustion and compensate for the decrease.
  • modulating the burner at the normal speed normally, low modulation speed, which is designed for undisturbed normal operation
  • the modulation speed of the burner can be increased by means of a coefficient (factor). In this situation, operation without coefficients could mean having to make a bad compromise between saving the flame and shifting the air ratio in the case of modulations.
  • the modulation speed of the burner can be increased with a coefficient (factor) in the range of preferably three to eight.
  • a coefficient (factor) in the lower load range (partial load range of the burner output up to approximately 10% maximum output) is around 1% per second for burners with a degree of modulation of 1:20, for example.
  • modulation can be performed at a modulation speed of 15% per second.
  • Which value is chosen for the coefficient (factor) can depend in particular on the specific burner behavior, as well as on the modulation speed in the lower load range, which with some burners instead of 1% per second also with lower values, for example 0.7% per second to 0.8 % per second.
  • a time duration of the deviation between the measured ionization current and the target value can be determined, in particular in order to determine the second power level as a function of the duration of the deviation.
  • a longer duration of the deviation is an indication of stronger gusts of wind, for example in the event of a storm. Since strong gusts of wind are to be expected more frequently during a storm, the burner is preferably switched to a higher, second power level in order to avoid a flame out.
  • the wind function described above can therefore regulate the burner's output level to a stable level if the flame threatens.
  • Higher power levels require a higher pressure in the combustion chamber, which makes the flame more stable against flame detachment.
  • the method according to the invention can therefore effectively prevent a flame out.
  • Figure 1 shows a burner arrangement according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows an embodiment of a method according to the invention.
  • FIG. 3 shows a diagram which illustrates a typical burner behavior under the influence of wind.
  • Fig. 1 illustrates an embodiment of a burner arrangement according to the invention, which can thus be used, for example, in a boiler of a heating system for a building.
  • the boiler can be, for example, a conventional gas boiler or a condensing boiler.
  • the burner arrangement has a burner 1 which is supplied with a gas-air mixture via a first adjusting device 2 for air and a second adjusting device 3 for gas.
  • the first setting device 2 can be, for example, an air blower (for example a speed-regulated fan).
  • the second adjusting device 3 can be designed as a proportional valve.
  • the burner 1 is, for example, a 35 kW gas burner.
  • the burner 1 burns the gas-air mixture. Operation of the burner 1 is regulated or controlled by a control device 6 with an automatic furnace.
  • An ionization electrode 5 is arranged in the vicinity of the burner 1 and is designed to measure an ionization current 9 and output it to the control device 6 or the automatic furnace via a suitable signal line.
  • the ionization electrode 5 protrudes into the flame.
  • the ionization electrode 5 is usually used for flame monitoring in gas burners, since only the presence of a flame causes the ionization current 9 to flow.
  • a lambda probe 4 can be arranged in the exhaust gas flow of the burner 1.
  • a lambda probe 4 is used to measure the residual oxygen content in the exhaust gas.
  • the burner 1 can comprise further components, such as an ignition, exhaust gas paths and temperature sensors, which are not shown here since they are not necessary for the description of the present invention.
  • the burner control 6 outputs control signals 7 and 8 for air and gas to the first 2 and second 3 adjusting devices, so that the air ratio 1 required for the respective application can be set and, if necessary, kept constant during an operating phase.
  • the air ratio l is a dimensionless number that characterizes the mass ratio of air and fuel in a combustion process.
  • the combustion air ratio sets the air mass actually available for combustion m L tats in relation to the minimum necessary stoichiometric air mass m L st , which is required for complete combustion:
  • A 1, there is a stoichiometric combustion air ratio. This is the case when all fuel molecules react completely with the oxygen in the air, so that no oxygen remains in the exhaust gas and no unburned fuel.
  • the case l ⁇ 1 means lack of air. This is also referred to as a rich mixture. There is more fuel in the air-gas mixture than can react with the oxygen in the air.
  • the case l> 1 means excess air and is also referred to as a lean mixture.
  • the lambda probe 4 shown in FIG. 1 is not required for the present invention.
  • the method according to the invention does not evaluate the signals from the lambda probe 4.
  • the method can therefore also be used for burners that do not have a lambda probe.
  • the burner control 6 detects the output signals of the lambda probe 4 and the ionization electrode 5 and processes them further in order to regulate the combustion.
  • the automatic firing system 6 thus determines the control signals 7 and 8 for the first 2 and second 3 adjusting devices as a function of the signals 9 and 10.
  • the automatic firing system 6 can control or control a load level by means of the control signals.
  • the ionization signal 9 is evaluated by the ionization electrode 5 in order to recognize a dangerous wind influence. Gusts of wind can cause large deviations between the measured value of the ionization signal 9 and the setpoint value specified by the control device 6.
  • FIG. 2 represents the method according to the invention in a simplified manner.
  • the burner 1 In the first operating state BZ1, the burner 1 is operated in a first power level at a partial load of, for example, 5.8% of the maximum load.
  • the ionization electrode 5 measures the ionization current I ist and outputs a corresponding ionization signal 9 to the automatic furnace 6, which at the same time serves as a control device for regulating the combustion and evaluates the ionization current.
  • the degree of the deviation d is predetermined based on a Limit value ö max evaluated in order to determine from this a necessary increase in the burner load level. Pressure fluctuations due to wind have a negative influence on the combustion and the measured ionization current can therefore deviate from the target value.
  • the burner 1 continues to be operated in the first operating state BZ1 at the first power level. However, if the deviation is greater than the predetermined limit value Qa in FIG. 2), the burner 1 is transferred to a second operating state BZ2 in which the burner 1 is operated at a higher load level. This lifting is intended to prevent an impending explosion of the fire. For example, a deviation of 15% of the ionization current from the nominal value can be specified as the limit value.
  • the power range from the first power level to the increased partial load (second power level) can be divided into five intermediate levels, for example (not shown in FIG. 2).
  • the burner 1 can be operated at each stage for a period of, for example, (at least) one minute before a new test is carried out to determine whether the measured ionization current deviates from the setpoint value.
  • the increased partial load is, for example, 30% of the maximum load.
  • the wind function according to the invention can also determine a time duration in which the limit value is exceeded in the deviation of the ionization current.
  • a range of a lower time threshold for example 0.1 seconds, is linearly subdivided up to an upper time threshold.
  • the upper time threshold can be determined on the basis of a process cycle that is specified by the automatic furnace 6. For example, a duration of twenty revolutions of the automatic furnace 6 can be specified as the upper time threshold.
  • the wind function thus raises the lower limit of the burner output. This remains active for a defined period of time, after which burner 1 can modulate again to lower load levels.
  • the lower part load can also be released in stages.
  • the control device 6 can regulate the burner 1 again to a higher load level until a level with stable combustion (Deviation smaller than the limit value) is reached.
  • the burner 1 can thus be independently regulated to the lowest possible partial load under the influence of wind.
  • a modulation speed when approaching the stable second load level can be accelerated with a coefficient which can be a factor of 3 to 8, for example.
  • a faster transition of the burner 1 to a higher load level is thus achieved in order to efficiently prevent the flame from breaking out.
  • the modulation speed of the burner 1 is increased by the control device 6 (especially briefly) in order to operate the burner 1 with the optimum air ratio even in the event of a disturbance from the outside (e.g. due to a gust of wind).
  • FIG. 3 shows a diagram which illustrates a typical course of the operating state of the burner 1 under the influence of wind.
  • the ionization current generated and measured in the ionization electrode 5 (dotted), the target value specified for the ionization current (solid line) and the load level (dashed line) to which the burner is controlled are plotted against time. The data are in percent, with an ionization current of 100% being established here at a load level of 30%.
  • burner 1 After approx. 10 seconds, burner 1 is given a load level of 30%. The combustion is started and after approx. 30 seconds the burner 1 reaches an ionization current of approx. 100%. The specified load level is now reduced to a first load level of 8%, which corresponds to the first operating state BZ1, and the first operating state BZ1 is reached at approx. 60 seconds. A first wind event A occurs at approx. 75 seconds and the combustion is disturbed, so that a large discrepancy between the measured ionization current and the specified target value is determined. As a result, the control device transfers the burner 1 to the second operating state BZ2 with a load level of 17.5%.
  • the second operating state BZ2 remains active for approx. 90 seconds.
  • the deviation between the measured ionization current and the specified one remains Setpoint relatively small, so that the control device carries out a gradual lowering of the load level back to the first operating state.
  • the two load levels illustrated here between the first load level of the first operating state BZ1 and the second load level of the second operating state BZ2 are each active for about 110 seconds and amount to 13% and 10.5%, respectively. At approx. 400 seconds on the time axis, the burner is switched back to the first operating state BZ1 at a load level of 8%.
  • the method according to the invention for testing and calibrating a lambda probe can also be used in other applications in which a fuel is burned.
  • the burner arrangement according to the invention is also not limited exclusively to the combustion of a gaseous fuel.
  • the invention can also be used in an analogous manner in connection with an oil burner or a heating boiler in which wood is used as fuel. A use of the invention in an internal combustion engine would also be conceivable through appropriate modification.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung mit einem Brenner (1), der ein Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt. In einem Schritt des Verfahrens wird ein Sollwert für einen Ionisationsstrom vorgegeben. Der Brenner (1) wird in einem ersten Betriebszustand bei einer ersten vorgegebenen Leistungsstufe betrieben. Der Ionisationsstrom (9) wird mittels einer Ionisationselektrode (5) gemessen. Der gemessene Ionisationsstrom (9) wird mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen und eine Abweichung wird ermittelt. Falls die Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet wird der Brenner (1) in einen zweiten Betriebszustand bei einer zweiten Leistungsstufe überführt. Die zweite Leistungsstufe ist höher als die erste Leistungsstufe. Die zweite Leistungsstufe wird in Abhängigkeit der Abweichung bestimmt.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER BRENNERANORDNUNG UND BRENNERANORDNUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung. Insbesondere realisiert die vorliegende Erfindung eine Windfunktion, die einen Flammenabriss aufgrund von durch Wind verursachten Druckschwankungen verhindern kann.
Eine Brenneranordnung weist im Allgemeinen einen Brenner auf, der über ein Abgassystem mit der Atmosphäre verbunden ist. Starke Windböen, wie sie beispielsweise bei Sturm auftreten, können schnell wechselnden Zug oder Überdruck im Abgassystem verursachen. Hierdurch können Druckstöße im Brenner hervorgerufen werden. Solche Druckstöße können zu einem Flammenabriss im Brenner führen, bei dem giftige Emissionen auftreten können. Außerdem muss nach einem Flammenabriss beim folgenden Neustart des Brenners zwingend eine Kalibration durchgeführt werden. Eine Kalibration ist im Falle des Flammenabrisses notwendig, um ein Funktionieren der Brennerregelung festzustellen, da die Ursache des Flammenabrisses nicht immer eindeutig ist. Eine Kalibration bedingt ein Zwangsführen des Brenners auf einem hohen Lastniveau. Hierbei muss eine entsprechende Wärmeabnahme im Heizungssystem sichergestellt werden, was weitere Maßnahmen der Regelung erforderlich machen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brenneranordnungfür einen Heizungskessel bereitzustellen und ein Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung anzugeben. Insbesondere soll ein Flammenabriss aufgrund von Druckstößen verhindert werden, um giftige Emissionen und eine zwingende Kalibration zu vermeiden. Die Maßnahmen zum Vermeiden des Flammenabrisses werden im Folgenden auch als „Windfunktion“ bezeichnet.
Die Lösung der Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung nach Anspruch 1. Die Lösung gelingt ferner durch eine Brenneranordnung nach Anspruch 8. Ein Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung mit einem Brenner, der ein Luft- Brennstoff-Gemisch verbrennt, umfasst die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte. Die Reihenfolge der Schritte kann je nach Anwendung variiert werden. Einige Schritte können auch gleichzeitig ausgeführt werden. Als Brennstoff kann insbesondere ein fluider, also gasförmiger oder flüssiger Brennstoff verwendet werden, beispielsweise Erdgas oder Heizöl.
In einem ersten Betriebszustand wir der Brenner bei einer ersten vorgegebenen Leistungsstufe betrieben. Insbesondere wird der Brenner im ersten Betriebszustand in Teillast betrieben. Ein bevorzugter Teillastbereich der ersten Leistungsstufe kann beispielsweise zwischen 3% und 10% der Maximallast liegen, weiter bevorzugt zwischen 4% und 8% und besonders bevorzugt zwischen 5% und 7%.
In einem Schritt des Verfahrens wird ein Sollwert für einen lonisationsstrom vorgegeben. Der lonisationsstrom kann mittels einer lonisationselektrode gemessen werden, die so angeordnet ist, dass sie in die Flamme eintaucht.
Der gemessene lonisationsstroms wird dann mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen und eine Abweichung zwischen gemessenen lonisationsstrom und vorgegebenen Sollwert wird ermittelt. Hierzu kann beispielsweise eine elektronische Regeleinrichtung der Brenneranordnung verwendet werden, die insbesondere einen Prozessor und einen Speicher aufweist.
Wenn die Abweichung klein ist, wird der Brenner weiter im ersten Betriebszustand betrieben. Eine kleine Abweichung liegt insbesondere dann vor, wenn die Abweichung kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist. Falls die Abweichung den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, kann der Brenner in einen zweiten Betriebszustand bei einer zweiten Leistungsstufe überführt werden.
Die zweite Leistungsstufe liegt bei einem höheren Teillastbereich als die erste Leistungsstufe. Die zweite Leistungsstufe wird daher auch als „angehobene Teillast“ bezeichnet. Ein bevorzugter Teillastbereich der zweiten Leistungsstufe kann beispielsweise zwischen 20% und 40% der Maximallast liegen, weiter bevorzugt zwischen 25% und 35% und besonders bevorzugt zwischen 28% und 33%.
Insbesondere kann die zweite Leistungsstufe in Abhängigkeit der Abweichung bestimmt werden. Dies kann zum Beispiel derart erfolgen, dass die zweite Leistungsstufe bei einer höheren Abweichung auf eine höhere Teillast angehoben wird als bei einer geringeren Abweichung. In der Regeleinrichtung können entsprechend Werte oder ein Algorithmus hinterlegt sein, gemäß der die zweite Leistungsstufe in Abhängigkeit der Abweichung bestimmt wird.
Durch das Anheben der Leistungsstufe auf die zweite Leistungsstufe, also durch Betreiben des Brenners in einem höheren Lastbereich, wird eine stabile Verbrennung erreicht, selbst wenn Druckschwankungen auf die Flamme einwirken. Hierdurch kann ein Flammenabriss verhindert werden. Da die Leistungsstufe in Abhängigkeit der gemessenen Abweichung bestimmt wird, kann eine herkömmliche Brenneranordnung mit lonisationselektrode ohne weitere Sensorik auf Druckschwankungen reagieren, um den Flammenabriss zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auch bei älteren Geräten implementiert werden.
Nach Ablaufen eines vorgegebenen Zeitraums kann die Brenneranordnung zurück in den ersten Betriebszustand überführt werden. Der Zeitraum kann beispielsweise in Abhängigkeit der gemessenen Abweichung bestimmt werden oder ein festgelegter Wert sein. Hierdurch kann vermieden werden, dass über längere Zeit ein Betrieb bei unnötig hoher Leistungsstufe stattfindet. Da Windböen eher von kurzer Dauer sind, kann beispielsweise ein Zeitraum von mehreren Sekunden oder wenigen Minuten ausreichend sein. Insbesondere wird die Regeleinrichtung des Brenners versuchen, den Brenner in die unter den Bedingungen niedrigste mögliche Laststufe zu überführen, wobei die Bedingungen aus der Abweichungvon gemessenem lonisationsstrom zu Sollwert bestimmt werden kann.
Das Überführen vom ersten in den zweiten Betriebszustand beziehungsweise vom zweiten in den ersten Betriebszustand kann stufenweise über eine Leistungsstufe oder mehrere Leistungsstufen zwischen erster und zweiter Leistungsstufe ausgeführt werden. Durch das schrittweise Anheben der Leistungsstufe, kann die Brenneranordnung auf Druckschwankungen reagieren, ohne gleich auf eine hohe Leistungsstufe zu modulieren. Nach jedem Schritt des Anhebens, kann erneut ein lonisationsstrom gemessen und mit dem Sollwert verglichen werden. Sofern die Abweichung kleiner als der Grenzwert ist, kann auf ein weiteres Anheben der Leistungsstufe verzichtet werden oder sogar wieder auf eine niedrigere Leistungsstufe zurück moduliert werden.
Beim Überführen vom zweiten in den ersten Betriebszustand können in jeder Leistungsstufe zwischen erster und zweiter Leistungsstufe jeweils die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
Zunächst wird der Brenner bei der aktuellen Leistungsstufe betrieben und der lonisationsstrom wird gemessen. Der gemessene lonisationsstroms wird erneut mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen und die Abweichung wird ermittelt. Falls die Abweichung den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, kann der Brenner in die nächsthöhere Leistungsstufe überführt werden. Überschreitet die Abweichung den Grenzwert nicht, so kann der Brenner in der aktuellen Leistungsstufe weiterbetrieben werden, oder nach einem vorgegebenen Zeitraum in eine nächstniedrigere Leistungsstufe überführt werden.
Der Sollwert des lonisationsstroms kann in Abhängigkeit von der aktuellen Leistungsstufe vorgegeben werden. Da der in der lonisationselektrode erzeugte lonisationsstrom von Eigenschaften der Flamme, insbesondere der Temperatur, abhängt, ist der Sollwert des lonisationsstroms im Allgemeinen abhängig von der Leistungsstufe, auf die geregelt werden soll.
Eine Modulationsgeschwindigkeit des Brenners kann beim Überführen des Brenners in eine höhere Leistungsstufe mittels eines Koeffizienten beschleunigt werden. Da ein Flammenabriss vermieden werden soll, ist es vorteilhaft, den Brenner insbesondere bei einer Störung von außen, zum Beispiel durch einen Windstoß, möglichst schnell bei einer höheren Leistung zu betreiben. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Regelgeschwindigkeit erhöht wird, was beispielweise mittels eines Koeffizienten (bzw. mittels eines Faktors) zum Erhöhen der Modulationsgeschwindigkeit erreicht werden kann, was im Folgenden genauer beschrieben wird. Unter der Modulationsgeschwindigkeit des Brenners ist eine zeitliche Änderung der Brennerleistung zu verstehen. Hierunter kann auch die Fähigkeit des Brenners, auf wechselnden thermischen Bedarf zu reagieren, verstanden werden. Bei einem Brenner mit hoher Modulationsgeschwindigkeit kann somit die Brennerleistung in vorteilhafter Weise besonders schnell auf einen sich ändernden thermischen Bedarf angepasst werden. In anderen Worten, bei einem Brenner mit hoher Modulationsgeschwindigkeit kann die Brennerleistung in kurzer Zeit auf einen höheren (bzw. niedrigeren) Wert geregelt werden.
Um die Brennerleistung zu ändern, müssen insbesondere die zugeführte Luftmenge sowie die entsprechend zugeführte Menge an Brennstoff (bzw. Gasmenge) synchron, also im Wesentlichen gleichzeitig und in einem zueinander proportionalen Ausmaß verändert werden, so dass sich die resultierende Luftzahl nur möglichst wenig (bzw. so wenig wie möglich) ändert. Die zugeführte Luftmenge kann beispielsweise über eine Regelung einer Drehzahl eines Lüfters zum Zuführen von Luft in den Brennraum erfolgen.
Würde die Änderung der zugeführten Luftmenge und die Änderung der zugeführten Brennstoffmenge nicht in synchronisierter Weise erfolgen, so könnte eine Verbrennung mit einer hohen Menge an giftigen CO-Emissionen resultieren. Außerdem könnte die Flamme einen optimalen Bereich der Brennfähigkeit verlassen (drohender Flammenabriss), so dass sie bei z.B. bei einem Windstoß ausgeblasen werden könnte. Diesem Effekt kann durch ein Anpassen der Regelgeschwindigkeit in vorteilhafter Weise entgegen gewirkt werden.
Ein Windstoß kann einen schnellen Gegendruck im Abgassystem des Brenners erzeugen. In dieser Situation kann es also zu einer schlagartigen, unerwarteten Änderung, insbesondere einer Absenkung, der für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmenge kommen. Ein Hochfahren des Lüfters kann hierbei primär zu einer Erhöhung der für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmenge führen und die Absenkung kompensieren. In diesem Fall kann ein Modulieren des Brenners mit der normalen Geschwindigkeit (normale, niedrige Modulationsgeschwindigkeit, die für den ungestörten Normalbetrieb ausgelegt ist) zu langsam sein, um in geeigneter Weise auf die schlagartig geänderten Bedingungen zu reagieren. Dies könnte zum Beispiel zu einem Flammenabriss oder zu einer ineffizienten Verbrennung mit hohen Emissionswerten führen. Um diese negativen Wirkungen zu vermeiden, kann die Modulationsgeschwindigkeit des Brenners mittels eines Koeffizienten (Faktor) erhöht werden. Ein Betrieb ohne Koeffizienten könnte in dieser Situation bedeuten, einen schlechten Kompromiss zwischen dem Retten der Flamme und einer Luftzahlverschiebung bei Modulationen eingehen zu müssen.
Erfindungsgemäß kann die Modulationsgeschwindigkeit des Brenners mit einem Koeffizienten (Faktor) im Bereich von vorzugsweise drei bis acht erhöht werden. Eine beispielhafte Modulationsgeschwindigkeit im unteren Lastbereich (Teillastbereich der Brennerleistung bis ungefähr 10% Maximalleistung) liegt bei etwa 1% pro Sekunde bei Brennern mit einem Modulationsgrad von beispielsweise 1:20. Im oberen Lastbereich (Teillastbereich der Brennerleistung von ungefähr 30% bis 100% der Maximalleistung) kann mit Modulationsgeschwindigkeit von 15% pro Sekunde moduliert werden. Welcher Wert für den Koeffizienten (Faktor) gewählt wird, kann insbesondere vom spezifischen Brennerverhalten abhängen, sowie von Modulationsgeschwindigkeit im unteren Lastbereich, die bei manchen Brennern statt 1% pro Sekunde auch bei niedrigeren Werten, beispielsweise 0,7% pro Sekunde bis 0,8% pro Sekunde liegen kann.
Ferner kann eine zeitliche Dauer der Abweichung zwischen gemessenen lonisationsstrom und dem Sollwert ermittelt werden, insbesondere um die zweite Leistungsstufe in Abhängigkeit der Dauer der Abweichung zu bestimmen. Eine größere Dauer der Abweichung ist ein Hinweis für stärkere Windböen, zum Beispiel bei Sturm. Da bei Sturm mit häufigerem Auftreten starker Windböen zu rechnen ist, wird der Brenner vorzugsweise in eine höhere zweite Leistungsstufe überführt, um einen Flammenabriss zu vermeiden.
Die oben beschriebene Windfunktion kann somit bei drohendem Flammenabriss die Leistungsstufe des Brenners auf ein stabiles Niveau regulieren. Höhere Leistungsstufen bedingen einen höheren Druck im Brennraum, wodurch die Flamme stabiler gegen Flammenabriss wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher effektiv einem Flammenabriss Vorbeugen. KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 zeigt eine Brenneranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 3 zeigt ein Diagramm, das ein typisches Brennerverhalten unter Windeinfluss illustriert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Fig. 1 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brenneranordnung, die so zum Beispiel in einem Heizkessel eines Heizungssystems für ein Gebäude verwendet werden kann. Bei dem Heizkessel kann es sich beispielsweise um einen herkömmlichen Gasheizkessel oder auch einen Brennwertkessel handeln.
Die Brenneranordnung weist einen Brenner 1 auf, der über eine erste Stelleinrichtung 2 für Luft und eine zweite Stelleinrichtung 3 für Gas mit einem Gas-Luft-Gemisch versorgt wird. Die erste Stelleinrichtung 2 kann beispielsweise ein Luftgebläse (z.B. ein drehzahlgeregelter Lüfter) sein. Die zweite Stelleinrichtung 3 kann als Proportionalventil ausgeführt sein. Bei dem Brenner 1 handelt es sich beispielsweise um einen 35kW- Gasbrenner. Der Brenner 1 verbrennt das Gas-Luft-Gemisch. Der Betrieb des Brenners 1 wird durch eine Regeleinrichtung 6 mit einem Feuerungsautomaten geregelt bzw. gesteuert.
Eine lonisationselektrode 5 ist in der Nähe des Brenners 1 angeordnet und dazu ausgelegt, einen lonisationsstrom 9 zu messen und über eine geeignete Signalleitung an die Regeleinrichtung 6 bzw. den Feuerungsautomaten auszugeben. Beim Betrieb des Brenners 1, also während der Verbrennung, ragt die lonisationselektrode 5 in die Flamme hinein. Die lonisationselektrode 5 wird üblicherweise zur Flammenüberwachung in Gasbrennern verwendet, da erst das Vorliegen einer Flamme das Fließen des lonisationsstroms 9 verursacht.
Ferner kann eine Lambdasonde 4 im Abgasstrom des Brenners 1 angeordnet sein. Eine Lambdasonde 4 wird verwendet, um den Restsauerstoffgehalt im Abgas zu messen. Auf eine genauere Beschreibung der Lambdasonde 4 und deren Funktion wird im Folgenden verzichtet. Darüber hinaus kann der Brenner 1 weitere Komponenten, wie zum Beispiel eine Zündung, Abgaswege und Temperatursensoren umfassen, die hier nicht dargestellt sind, da sie für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig sind.
Der Feuerungsautomat 6 gibt Steuersignale 7 und 8 für Luft und Gas an die erste 2 und zweite 3 Stelleinrichtung aus, so dass die für die jeweilige Anwendung gewünschte Luftzahl l während einer Betriebsphase eingestellt und gegebenenfalls konstant gehalten werden kann. Die Luftzahl l ist eine dimensionslose Kennzahl, die das Massenverhältnis aus Luft und Brennstoff in einem Verbrennungsprozess charakterisiert. Das Verbrennungsluftverhältnis setzt die tatsächlich für eine Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse mL tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse mL st, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird:
Figure imgf000010_0001
Ist A = 1, so liegt ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis vor. Dies ist der Fall, wenn alle Brennstoffmoleküle vollständig mit dem Luftsauerstoff reagieren, so dass kein Sauerstoff im Abgas und kein unverbrannter Brennstoff übrigbleiben. Der Fall l < 1 bedeutet Luftmangel. Hierbei spricht man auch von einem fetten Gemisch. Es ist mehr Brennstoff als mit dem vorhanden Luftsauerstoff reagieren kann im Luft-Gas-Gemisch vorhanden. Der Fall l > 1 bedeutet Luftüberschuss und wird auch als mageres Gemisch bezeichnet.
Die in Fig. 1 gezeigt Lambdasonde 4 wird für die vorliegende Erfindung nicht benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren wertet die Signale der Lambdasonde 4 nicht aus. Somit ist das Verfahren auch für Brenner anwendbar, die keine Lambdasonde aufweisen.
Der Feuerungsautomat 6 erfasst die Ausgangssignale der Lambdasonde 4 und der lonisationselektrode 5 und verarbeitet sie weiter, um die Verbrennung zu regeln. Der Feuerungsautomat 6 bestimmt also die Steuersignale 7 und 8 für die erste 2 und zweite 3 Stelleinrichtung in Abhängigkeit der Signale 9 und 10. Insbesondere kann der Feuerungsautomat 6 eine Laststufe mittels der Steuersignale steuern bzw.
Zum Erkennen eines gefährlichen Windeinflusses wird das lonisationssignal 9 von der lonisationselektrode 5 ausgewertet. Windböen können hohe Abweichungen des Messwerts des lonisationssignals 9 zu dem durch die Regeleinrichtung 6 vorgegebenen Sollwert bewirken.
Im Folgenden wird anhand des in Fig. 2 gezeigten Flussdiagrams, welches das erfindungsgemäße Verfahren vereinfacht darstellt, der Betrieb des Brenners 1 mit der Windfunktion näher beschrieben.
Im ersten Betriebszustand BZ1 wird der Brenner 1 in einer ersten Leistungsstufe bei Teillast von beispielsweise 5,8% der Maximallast betrieben. Die lonisationselektrode 5 misst den lonisationsstrom Iist und gibt ein entsprechendes lonisationssignal 9 an den Feuerungsautomaten 6 aus, der gleichzeitig als Regeleinrichtung zum Regeln der Verbrennung dient und eine Auswertung des lonisationsstroms durchführt.
Das lonisationssignal 9 wird mit einem vorgegebenen Sollwert /soii verglichen und eine Abweichung <5 = \Iist - Isou\ zwischen gemessenen lonisationsstrom /ist und Sollwert Isou wird bestimmt. Der Grad der Abweichung d wird anhand eines vorgegebenen Grenzwerts ömax bewertet, um hieraus eine erforderliche Anhebung der Brennerlaststufe zu ermitteln. Druckschwankungen aufgrund von Wind haben einen negativen Einfluss auf die Verbrennung und der gemessene lonisationsstrom kann deshalb vom Sollwert abweichen.
Ist die Abweichung kleiner als der Grenzwert (nein in Fig. 2), so wird der Brenner 1 weiter im ersten Betriebszustand BZ1 bei der ersten Leistungsstufe betrieben. Ist die Abweichung aber größer als der vorgegebene Grenzwert Qa in Fig. 2), so wird der Brenner 1 in einen zweiten Betriebszustand BZ2 überführt, in dem der Brenner 1 bei einer höheren Laststufe betrieben wird. Dieses Anheben soll einem drohenden Flammenabriss Vorbeugen. Als Grenzwert kann beispielsweise eine Abweichung von 15% des lonisationsstroms zum Sollwert vorgegeben werden.
Der Leistungsbereich von der ersten Leistungsstufe bis zur angehobenen Teillast (zweite Leistungsstufe) kann beispielsweise in fünf Zwischenstufen unterteilt sein (in Fig. 2 nicht dargestellt). Der Brenner 1 kann bei jeder Stufe für eine Dauer von beispielsweise (mindestens) einer Minute betrieben werden, bevor eine erneute Prüfung durchgeführt wird, ob der gemessene lonisationsstrom vom Sollwert abweicht.
Die angehobene Teillast beträgt zum Beispiel 30% der Maximallast. Die erfindungsgemäße Windfunktion kann zudem eine zeitliche Dauer der Überschreitung des Grenzwertes in der Abweichung des lonisationsstroms bestimmen. Dabei wird ein Bereich einer unteren zeitlichen Schwelle, beispielsweise 0,1 Sekunden, bis zu einer oberen zeitlichen Schwelle linear unterteilt. Die obere zeitliche Schwelle kann anhand einer Prozesstaktung bestimmt werden, die durch den Feuerungsautomaten 6 vorgegeben wird. Beispielsweise kann als obere zeitliche Schwelle eine Dauer von zwanzig Umläufen des Feuerungsautomaten 6 vorgegeben werden.
Somit hebt die Windfunktion die untere Grenze der Brennerleistung an. Diese bleibt für eine definierte Zeitspanne aktiv, nach Ablauf kann der Brenner 1 wieder auf niedrigere Laststufen modulieren. Die Freigabe der niedrigeren Teillast kann ebenfalls stufenweise erfolgen. Beim Auftreten eines weiteren Windereignisses kann die Regeleinrichtung 6 den Brenner 1 wieder auf eine höhere Laststufe regeln, bis ein Niveau mit stabiler Verbrennung (Abweichung kleiner als der Grenzwert) erreicht wird. Somit kann der Brenner 1 selbstständig auf die unter Windeinfluss niedrigste mögliche Teillast geregelt werden.
Eine Modulationsgeschwindigkeit beim Anfahren des stabilen zweiten Lastniveaus kann mit einem Koeffizienten beschleunigt werden, der beispielsweise ein Faktor von 3 bis 8 sein kann. Somit wird ein schnelleres Überführen des Brenners 1 in eine höhere Laststufe erreicht, um effizient den Flammenabriss zu verhindern. In anderen Worten, die Modulationsgeschwindigkeit des Brenners 1 wird durch die Regeleinrichtung 6 (insbesondere kurzzeitig) erhöht, um den Brenner 1 auch bei einer Störung von außen (z.B. durch einen Windstoß) bei optimaler Luftzahl zu betreiben.
In der Praxis kann eine höhere Laststufe zu einem früheren Erreichen von Sollwerten einer Vorlauftemperatur eines Heizungssystems führen.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das einen typischen Verlauf des Betriebszustands des Brenners 1 unter Windeinfluss illustriert. In Fig. 3 sind der in der lonisationselektrode 5 erzeugte und gemessene lonisationsstrom (gepunktet), der für den lonisationsstrom vorgegebene Sollwert (durchgezogene Linie) und die Laststufe (gestrichelte Linie), auf die der Brenner geregelt wird gegen die Zeit aufgetragen. Die Angaben sind in Prozent, wobei hier bei einer Laststufe von 30% eine lonisationsstrom von 100% festgelegt wird.
Nach ca. 10 Sekunden wird dem Brenner 1 eine Laststufe von 30% vorgegeben. Die Verbrennung wird gestartet und bei ca. 30 Sekunden erreicht der Brenner 1 einen lonisationsstrom von ca. 100%. Nun wird die vorgegebene Laststufe auf eine erste Laststufe von 8%, die dem ersten Betriebszustand BZ1 entspricht heruntergefahren und bei ca. 60 Sekunden wird der erste Betriebszustand BZ1 erreicht. Bei ca. 75 Sekunden tritt ein erstes Windereignis A ein und die Verbrennung wird gestört, so dass eine große Abweichung zwischen gemessenen lonisationsstrom und vorgegebenen Sollwert ermittelt wird. Infolgedessen überführt die Regeleinrichtung den Brenner 1 in den zweiten Betriebszustand BZ2 mit einer Laststufe von 17,5%.
Der zweite Betriebszustand BZ2 bleibt für ca. 90 Sekunden aktiv. Wie man im Diagramm erkennt bleibt die Abweichung zwischen gemessenem lonisationsstrom und vorgegebenen Sollwert relativ klein, so dass die Regeleinrichtung eine stufenweise Absenkung der Laststufe zurück zum ersten Betriebszustand vornimmt.
Die zwei hier illustrierten Laststufen zwischen der ersten Laststufe des ersten Betriebszustands BZ1 und der zweiten Laststufe des zweiten Betriebszustands BZ2 sind jeweils für ca. 110 Sekunden aktiv und betragen 13% beziehungsweise 10,5%. Bei ca. 400 Sekunden auf der Zeitachse wird der Brenner wieder in den ersten Betriebszustand BZ1 bei einer Laststufe von 8% überführt.
Bei ca. 430 Sekunden auf der Zeitachse tritt ein zweites Windereignis B ein und der beschriebene Prozess des Überführens des Brenners 1 in den zweiten Betriebszustand BZ2 wird erneut durchgeführt. Im Ergebnis kann somit ein Flammenabriss im Brenner verhindert werden. Für die beschriebene Regelungist ein Auswerten des lonisationsstroms von der lonisationselektrode ausreichend. Da eine solche lonisationselektrode in den meisten Brennern vorhanden ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei den meisten Brenner angewendet werden, ohne dass eine Nachrüstung mit besonderer Sensorik notwendig wäre.
Die Ausführungsbeispiele wurden zwar im Zusammenhang mit einem Gaskessel für eine Heizungsanalage beschrieben, das erfindungsgemäße Verfahren zum Prüfen und Kalibrieren einer Lambdasonde kann aber auch in anderen Anwendungen, bei denen ein Brennstoff verbrannt wird, eingesetzt werden. Auch die erfindungsgemäße Brenneranordnung ist nicht ausschließlich auf die Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffes limitiert. Die Erfindung kann in analoger Weise auch im Zusammenhang mit einem Ölbrenner oder einem Heizkessel, bei dem Holz als Brennstoff verwendet wird, eingesetzt werden. Durch entsprechende Modifizierung wäre auch ein Einsatz der Erfindung in einem Verbrennungsmotor denkbar.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Brenner
2 erste Stelleinrichtung für Luft 3 zweite Stelleinrichtung für Gas
4 Lambdasonde
5 lonisationselektrode
6 Feuerungsautomat (Regeleinrichtung) 7 Steuersignal für Luft 8 Steuersignal für Gas
9 lonisationsstrom
10 Stromsignal der Lambdasonde

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer Brenneranordnung mit einem Brenner (1), der ein Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
Vorgeben eines Sollwerts für einen lonisationsstrom;
Betreiben des Brenners (1) in einem ersten Betriebszustand bei einer ersten vorgegebenen Leistungsstufe;
Messen eines lonisationsstroms (9) mittels einer lonisationselektrode (5); Vergleichen des gemessenen lonisationsstroms (9) mit dem vorgegebenen Sollwert und Ermitteln einer Abweichung; und
Falls die Abweichung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet:
Überführen des Brenners (1) in einen zweiten Betriebszustand bei einer zweiten Leistungsstufe, wobei die zweite Leistungsstufe höher als die erste Leistungsstufe ist, und wobei die zweite Leistungsstufe in Abhängigkeit der Abweichung bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner (1) nach Ablaufen eines vorgegebenen Zeitraums zurück in den ersten Betriebszustand überführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Überführen vom ersten in den zweiten Betriebszustand beziehungsweise vom zweiten in den ersten Betriebszustand stufenweise über eine Leistungsstufe oder mehrere Leistungsstufen zwischen erster und zweiter Leistungsstufe ausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei beim Überführen vom zweiten in den ersten Betriebszustand in jeder Leistungsstufe zwischen erster und zweiter Leistungsstufe die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
Betreiben des Brenners (1) bei der aktuellen Leistungsstufe;
Messen des lonisationsstroms (9);
Vergleichen des gemessenen lonisationsstroms (9) mit dem vorgegebenen Sollwert und Ermitteln der Abweichung; und Falls die Abweichung den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, Überführen des Brenners (1) in die nächsthöhere Leistungsstufe.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Sollwert in Abhängigkeit von der aktuellen Leistungsstufe vorgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine Modulationsgeschwindigkeit des Brenners (1) beim Überführen des Brenners (1) in eine höhere Leistungsstufe mittels eines Koeffizienten beschleunigt wird.
7. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine zeitliche Dauer der Abweichung ermittelt wird und die zweite Leistungsstufe in Abhängigkeit der Dauer der Abweichung bestimmt wird.
8. Brenneranordnung für einen Heizungskessel, wobei die Brenneranordnung umfasst: einen Brenner (1) zum Verbrennen eines Luft-Brennstoff-Gemisches; eine am Brenner (1) angeordnete lonisationselektrode (5), die bei der Verbrennung in eine Flamme ragt und einen lonisationsstrom (9) ausgibt; eine Regeleinrichtung (6) zum Regeln des Brennvorgangs, wobei die
Regeleinrichtung (6) konfiguriert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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