WO2021219582A1 - Vorrichtung und verfahren zur verbrennungsregelung für ein brenngas mit anteiligem zusatzgas - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur verbrennungsregelung für ein brenngas mit anteiligem zusatzgas Download PDF

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WO2021219582A1
WO2021219582A1 PCT/EP2021/060888 EP2021060888W WO2021219582A1 WO 2021219582 A1 WO2021219582 A1 WO 2021219582A1 EP 2021060888 W EP2021060888 W EP 2021060888W WO 2021219582 A1 WO2021219582 A1 WO 2021219582A1
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gas
fuel gas
flame temperature
burner
air ratio
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PCT/EP2021/060888
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Hack
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Viessmann Climate Solutions Se
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for
  • Combustion control whereby an additional gas is detected in the combustion gas and control variables for the combustion can be adjusted accordingly.
  • Natural gas is generally used as the fuel gas. Natural gas is a gas mixture containing hydrocarbons, the chemical composition of which fluctuates considerably depending on where it was found. The main component, however, is usually methane, whereby the proportion can vary between 75 and 99 mol%.
  • burner test gases can contain an admixture of additional gas such as nitrogen or propane. Burner test gases can also consist of 100% methane or even 100% of an additional gas such as propene. Examples are the burner test gases G271 and G21 or G20 and G32.
  • the flame speed increases exponentially.
  • the maximum of the laminar flame speed shifts to the more fuel-rich area of the combustion, i.e. to lower lambda values.
  • hydrogen reaches the highest maximum flame speed if the combustion mixture is not preheated. The higher the flame speed, the more likely a transition from deflagration, i.e. the spread of the reaction front through diffusion, to detonation, i.e. the spread of the reaction front due to a pressure wave.
  • the ignition delay time of hydrogen is 1000 times less than that of natural gas, with a significantly lower ignition energy and a higher upper ignition limit.
  • DE 10 2013 224 246 A1 describes, for example, a device for determining the Fh content of Fh / natural gas mixtures, with an input interface for reading in a calorific value of the Fh / natural gas mixture, which was determined at a transfer station of a gas network; an input interface for the Fh / natural gas mixture, for introducing the Fh / natural gas mixture into the device; a proton-conducting layer, which enables a current-voltage characteristic to be determined, the proton-conducting layer being fluidically connected to the input interface for the Fh / natural gas mixture, and a control device which is connected to the proton-conducting layer and the input interface for the Fh / natural gas mixture and is set up for this purpose is to carry out the following steps: a) Determine, with the aid of the current-voltage characteristic of the proton-conducting layer, whether there is a hydrogen depletion of the proton-conducting layer when a volume flow of the Fh / natural gas mixture flows through the
  • a method for regulating the combustion of fuel gas by means of a gas burner comprises the step a) of setting a burner load to a first predetermined load value LI at a Actual air ratio / is t .
  • fuel gas describes mixtures of natural gas as the base gas with admixtures of an additional gas of different types, such as nitrogen, hydrogen, propane or propene, in variable proportions.
  • the air ratio or the lambda value A describes an air to fuel gas ratio of an air / fuel gas mixture.
  • the first predetermined load value LI is not restricted. In a preferred embodiment, however, the load value LI can be in a range from 5 to 10 kW.
  • the method according to the invention further comprises the step b) of approaching a predetermined target air ratio Asoii in a predetermined time period Ati_i.
  • the target air ratio Asoii is not restricted as long as it is different from the actual air ratio.
  • Aist> Asoii can apply.
  • the predetermined time period Ati_i is also not restricted according to the invention and can be selected such that the profile of the flame temperature TF , LI determined in this time period in step c) contains the information necessary to determine the fuel gas parameter in step d).
  • the predetermined period of time Atu . between 10s and 60s, preferably between 20s and 40s, particularly preferably 30s.
  • the predetermined target air ratio Asoii can be approached linearly via the time constant change in the gas flow rate in the gas burner.
  • the predetermined target air ratio Asoii can also be approached in a parabolic or exponential manner over time.
  • the method according to the invention further comprises the step c) of determining a profile of a flame temperature TF , LI in the time period AtLi.
  • flame temperature as used herein, more precisely describes a temperature reading of the flame from the combustion chamber of the gas burner.
  • flame temperature is used in the following.
  • the flame temperature can generally be determined in different ways, for example using one or more thermocouples.
  • the flame temperature can be determined using the glowing electrical effect on the ignition electrode (temperature of the flame on the ignition electrode), as described, for example, in EP 2 549 187 B1.
  • the glowing electrical effect mentioned above refers to the fact that electrons from a heated metal electrode overcome the work function above a material-dependent minimum temperature and can escape from the electrode.
  • the current generated in this way allows conclusions to be drawn about the temperature of the electrode.
  • the flame temperature can thus be determined in a simple manner by means of a voltage tapped at the ignition electrode of the burner.
  • Such an ignition electrode is mandatory in the burner space of every burner and, once the air-fuel gas mixture has been ignited, is no longer required for the operation of the gas burner.
  • the profile of the flame temperature TF as a function of time at a given load value has characteristic features, the evaluation of which allows conclusions to be drawn as to the type of additional gas and the proportion of it in the fuel gas.
  • the method according to the invention comprises the step d) of determining a fuel gas parameter from the profile of the flame temperature TF , LI and deriving a control variable for regulating the combustion in the gas burner as a function of the fuel gas parameter.
  • the term fuel gas parameter is to be interpreted broadly here and relates to the type and proportion of the additional gas in the fuel gas.
  • the fuel gas parameter can therefore correspond to a volume fraction of the additional gas in the fuel gas.
  • the additional gas can be hydrogen. In this way, with the inventive Process of a planned injection of hydrogen into the natural gas network can be flexibly countered.
  • the fuel gas parameter can therefore indicate, for example, which additional gas is present in the fuel gas and how high the proportion of additional gas is.
  • a corresponding control variable for regulating the combustion in the gas burner can then be derived as a function of the determined fuel gas parameter.
  • calibration coefficients can be stored in the form of a characteristic curve.
  • the controlled variable for the combustion can then be derived independently by a control circuit in the gas burner and the combustion can be adjusted.
  • the method according to the invention between steps c) and d) can further include step i) of moving back to the air ratio st and setting the burner load to a second predetermined load value L2> LI, as well as step ii) of restarting the predetermined target air ratio lbo ⁇ i in a predetermined period of time ⁇ ti_2, and the step iii) of determining the course of the flame temperature TF , L2 in the period of time ⁇ ti_2, then in step d) the fuel gas parameter from the course of the flame temperature TF , LI and TF , L2 can be determined.
  • the fuel gas parameter can advantageously be determined even more precisely in step d) and the regulation of the combustion can be derived even more precisely.
  • the load value L2 is also not restricted according to the invention as long as the flame kinetics differ significantly from the load value LI. According to a preferred embodiment, however, the load value L2 can be in a range from 10 to 20 kW.
  • the fuel gas parameter can be determined by comparing the respective determined flame temperature profile TF with a corresponding reference profile of the flame temperature TF , Ret for natural gas as the fuel gas.
  • the flame temperature profile for a given load value for natural gas as fuel gas can be stored in the control circuit of the gas burner. From a comparison of a currently determined flame temperature curve with the same load value, it can then be determined which additional gas is present in the currently available fuel gas and how high the proportion is.
  • the fuel gas parameter can in each case be determined on the basis of a minimum flame temperature TF , min and / or on the basis of one or more flame temperature differences ATF determined from the respective profile of the flame temperature TF.
  • the type and proportion of an additional gas can be determined on the basis of the measurement of a minimum and / or maximum based on an initial state.
  • the difference between the fleas and a characteristically occurring maximum in the flame temperature curve is specific. The extent of the fleas difference also shows the proportion of hydrogen.
  • the gas burner can additionally have an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for disconnecting the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage and the profile of the flame temperature TF can be determined using the ignition electrode be determined.
  • the course of the flame temperature can advantageously be determined in particular on the basis of the use of the glowing electrical effect on the ignition electrode.
  • a gas burner according to the invention comprises a control circuit and a measuring device which are configured to carry out a method which includes the step a) of setting a burner load to a first predetermined load value LI at an actual air ratio Ais t ; the step b) of approaching a predetermined target air ratio Asoii in a predetermined time period Atu . ; the step c) of determining a profile of a flame temperature TF , LI in the period Ati_i; and the step d) of determining a fuel gas parameter from the profile of the flame temperature TF , LI and deriving a control variable for regulating the combustion in the gas burner as a function of the fuel gas parameter.
  • control circuit and the measuring device can also be configured to carry out a method which, between steps c) and d), additionally includes step i) of returning to the air ratio Ais t and setting the burner load to a second predetermined one Load value L2>LI; step ii) of restarting the predetermined target air ratio lbo ⁇ i in a predetermined period of time ⁇ ti_2 ; ; and the step iii) of determining the course of the flame temperature TF , L2 in the period of time ⁇ ti_2, wherein in step d) the fuel gas parameter can be determined from the course of the flame temperature TF, LI and TF , L2.
  • the gas burner can additionally have an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for separating the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage.
  • the method according to the invention and the gas burner according to the invention have numerous advantages. For example, while calibration by means of ionization when starting lambda 1 is sufficient to differentiate whether a burner test gas such as G21 or G271 is present, the method described above can be used to determine whether there is generally an additional gas in the fuel gas, and what type it is and how high the proportion is. Hydrogen proportions cannot be determined with the calibration described above by means of ionization due to other causalities of the target values.
  • the nominal air ratios and thus also the device output for fuel gases proportionate to hydrogen can be achieved, as well as low NO x values. This can avoid the risk of thermal acoustics and overheating of the gas burner.
  • FIG. 1 shows a flow chart to illustrate an embodiment of a method for regulating the combustion of fuel gas by means of a gas burner, the gas burner having a measuring device and a control circuit, and the fuel gas containing natural gas and an additional gas.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a further embodiment of a method for regulating the combustion of fuel gas by means of a gas burner, the gas burner having a measuring device and a control circuit, and the fuel gas containing natural gas and an additional gas.
  • FIG. 3 shows two flame temperature profiles at a first predetermined load value LI for methane as the fuel gas and for a mixture of methane and hydrogen as the fuel gas.
  • FIG. 4 shows the two flame temperature curves at the first predetermined load value LI from FIG. 3 and additionally the flame temperature curves at a second predetermined load value L2, also for methane as the fuel gas and for a mixture of methane and hydrogen as the fuel gas.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a gas burner according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a flow chart to illustrate an embodiment of a method for regulating the combustion of fuel gas by means of a gas burner, the gas burner having a measuring device and a control circuit, and the fuel gas containing natural gas and an additional gas.
  • a burner load is set to a first predetermined load value LI at an actual air ratio Aist.
  • the load value is not restricted.
  • the load value LI can be in a range from 5 to 10 kW.
  • the load value LI can advantageously be stored in the control circuit of the gas burner and automatically approached in step S101 when the method is carried out.
  • the actual air ratio Aist is likewise not restricted according to the invention and can result, for example, from a current mixture control during the regular operation of the gas burner.
  • the method can be carried out while the gas burner is in operation, and the mixture control can be flexibly and optimally adapted to varying fuel gases, for example by adding an additional gas, in particular hydrogen.
  • a predetermined target air ratio Asoii is approached in a predetermined time period Ati_i.
  • the desired air ratio Asoii is not restricted according to the invention either, but it is different from the actual air ratio Aist.
  • the predetermined target air ratio Asoii can be approached linearly via the time constant change in the gas flow rate in the gas burner.
  • the predetermined target air ratio Asoii can also be approached in a parabolic or exponential manner over time.
  • the length of the time period Ati_i is also not restricted according to the invention insofar as the profile of a flame temperature TF , UL determined in this time period in step S103 is used to determine the fuel gas parameter in step S104 includes necessary information.
  • the predetermined period of time Atu between 10s and 60s, preferably between 20s and 40s, particularly preferably 30s.
  • the course of the flame temperature TF, LI in the time period Ati_i is determined in step S103.
  • the flame temperature TF, LI can be measured in different ways, for example using one or more thermocouples.
  • the flame temperature TF, LI can be determined using the glowing electrical effect by means of an ignition electrode.
  • the gas burner can additionally have an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for separating the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage.
  • the flame temperature TF, LI can be measured continuously, but individual measured values can also be recorded at a certain time interval within the period At_i, as long as a sufficiently accurate flame temperature profile TF, LI is recorded can be.
  • the number of recorded measured values can be increased in the areas in which characteristic features in the flame temperature profile TF, LI ZU are expected, for example minima and / or maxima, whereas fewer measured values are recorded in uncharacteristic areas, for example with a constant flame temperature profile TF, LI can be.
  • step S104 a fuel gas parameter is then determined from the profile of the flame temperature TF, LI and a control variable for regulating the combustion in the gas burner is derived as a function of the fuel gas parameter.
  • a control variable for regulating the combustion in the gas burner is derived as a function of the fuel gas parameter.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a further embodiment of a method for regulating the combustion of fuel gas by means of a gas burner, the gas burner having a measuring device and a control circuit, and the fuel gas containing natural gas and an additional gas.
  • the method steps S201 to S204 shown in FIG. 2 can follow the method steps S101 to S103 shown in FIG Step S104 can replace.
  • the air ratio st can be reduced in step S201 and the burner load can be set to a second predetermined load value L2> LI.
  • the air ratio can the original air ratio shown in Figure 1 correspond. In this way, when the predetermined setpoint air ratio lbo ⁇ i is approached again in a predetermined period of time ⁇ ti_2 in step S202, the same air ratio range can be traversed at a different load value L2.
  • the load value L2 is not restricted as long as the flame kinetics differ significantly from the load value LI. According to a preferred embodiment, however, the load value L2 can be in a range from 10 to 20 kW.
  • Step S203 in FIG. 2 can then provide for the determination of the course of the flame temperature TF , L2 in the period of time ⁇ ti_2.
  • the measurement of the flame temperature TF , L2 and the length of the time period ⁇ ti_2 are not restricted according to the invention.
  • the flame temperature is advantageously measured using the ignition electrode and the length of the period D ⁇ i_ 2 advantageously corresponds to the length of the period D ⁇ i_i.
  • step S204 the fuel gas parameter can then be determined from the profiles of the flame temperature TF , LI and TF , L2 and a control variable for regulating the combustion in the gas burner can be derived.
  • the determination of the fuel gas parameter from the profile of the flame temperature TF , LI or TF , L2 will now be explained in more detail with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the inventors have advantageously found that the profile of the flame temperature TF for natural gas as fuel gas has specific features in comparison to mixtures of natural gas and an additional gas at the respective predetermined first and second load values LI and L2. Based on the evaluation of these specific features, the type of additional gas and its proportion in the fuel gas can then be determined as fuel gas parameters.
  • Figure 3 shows flame temperature curves TF , LI at a first predetermined load value LI for pure methane (G20) as fuel gas 1 and for 70% methane and 30% hydrogen as fuel gas 2. Since the main component of natural gas is methane, pure methane is used in the present example Used as a substitute for natural gas. on In this way, a uniform reference point can advantageously be created, regardless of fluctuations caused by the sites.
  • the load value LI is set to 10 kW.
  • the flame temperature profile TF , LI was also determined during this period. Normalized values for the flame temperature TF, LI determined by means of an ignition electrode are plotted on the y-axis.
  • the flame temperature values plotted in FIGS. 3 and 4 are given in an artificial unit [I] which is inversely related to the actual temperature.
  • the values shown in FIGS. 3 and 4 are digitized measured values that an AD converter in the automatic furnace of the gas burner can determine from a corresponding input channel.
  • the time t is plotted in [s] on the x-axis.
  • the respective curves show courses for pure methane as fuel gas 1 and for 70% methane and 30% hydrogen as fuel gas 2, differently pronounced characteristic features as a function of time t.
  • Both curves 1, 2 show a minimum la, 2a (indicated by the arrow 3) that is differently pronounced.
  • the minimum 2a for 70% methane and 30% hydrogen as fuel gas also precedes the minimum la for pure methane as fuel gas.
  • the air ratio was set to the original actual air ratio pulled back (evident from the step-like jumps in curves 1 and 2).
  • the different load values load levels
  • the different load values are accompanied by different basic levels of the flame temperature.
  • the flame temperature profile TF , L2 was then also determined during this period.
  • the fuel gas parameter can be determined by comparing the respective determined flame temperature profile TF with a corresponding reference profile of the flame temperature TF , Ret for natural gas as the fuel gas.
  • the fuel gas parameter can in each case be determined on the basis of a minimum flame temperature TF , min and / or on the basis of one or more flame temperature differences ATF determined from the respective profile of the flame temperature TF.
  • a mixture of 70% methane and 30% hydrogen compared to pure methane shows a temporally preceding minimum in the course of the flame temperature TF , LI at the first predetermined load value LI.
  • the difference in relation to the initial value is also lower for the mixture of 70% methane and 30% hydrogen.
  • the mixture of 70% methane and 30% hydrogen compared to pure methane also shows a temporally preceding minimum in the course of the flame temperature TF , L2, as well as a maximum following the minimum.
  • the difference in the minimum with respect to the initial value is smaller for the mixture of 70% methane and 30% hydrogen. From the height difference of the maximum in relation to the initial value (indicated by the arrow 5 in FIG. 4), the proportion of hydrogen in the fuel gas can also be determined, since this is specific for hydrogen.
  • Such characteristic features also have other additional gases, for example.
  • nitrogen as an additional gas in contrast to hydrogen, also shows a maximum following the minimum in time at the load value LI.
  • Propane as an additional gas does not show any maximum in the course of the flame temperature.
  • the two minima are shifted to shorter times compared to pure methane, the difference to the initial value being greater in each case than with methane.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a gas burner according to an embodiment.
  • the gas burner 100 has a combustion chamber 101 in which a combustion process can take place with the supply of an air-fuel gas mixture.
  • An ignition electrode 102 protrudes into the combustion chamber 101.
  • an ionization electrode can also be provided in the gas burner 100, which additionally protrudes into the combustion chamber.
  • An ionization electrode is generally used for flame monitoring.
  • the ignition electrode 102 is connected to a device for generating an ignition voltage 104 in such a way that the ignition electrode 102 can be separated from the device for generating the ignition voltage 104.
  • This can be done by a switch arrangement 103 connected between the ignition electrode 102 and the device for generating the ignition voltage 104.
  • the switch arrangement 103 can in particular be set up in such a way that after the ignition electrode 102 has been separated from the device for generating the ignition voltage 104, the ignition electrode 102 is connected as a passive electrode.
  • the gas burner 100 also has a measuring device 105.
  • the measuring device 105 can be used to draw conclusions about the temperature of the flame at the electrode using the glowing electrical effect mentioned, and thus the flame temperature profile can be measured with a correspondingly set load value.
  • the switch arrangement 103 is connected to the measuring device 105 and can receive signals from the measuring device 105.
  • the measuring device 105 can also have a time measuring device by means of which the predetermined time periods can be set.
  • the measuring device 105 is also connected to a control circuit 106.
  • the combustion in the gas burner 100 can be regulated via the regulating circuit 106 by means of a burner control 109.
  • the burner control 109 has a valve control 110 for changing the proportion of fuel gas in the air-fuel gas mixture, as well as a fan control 111 for varying the proportion of air.
  • the control circuit 106 has, in particular, a device for determining a fuel gas parameter 107.
  • Fuel gas parameter 107 is connected to the measuring device 105 and receives the measured values determined in the respective time periods to determine the
  • Flame temperature which was determined by means of the ignition electrode 102 in the combustion chamber 101.
  • the flame temperature profiles are evaluated and, as described above, the fuel gas parameter is determined on the basis of the respective characteristic features.
  • the fuel gas parameter indicates a type of additional gas determined and its proportion in the fuel gas, for example hydrogen, proportion 30%.
  • the device for determining the fuel gas parameter 107 is connected to a device for deriving a controlled variable 108 for regulating the combustion in the gas burner 100.
  • the controlled variable can be, for example, an air ratio l changed taking into account the fuel gas parameter and / or a changed volume flow. By adding hydrogen, for example, the maximum of the laminar flame speed is shifted to lower lambda values, and a higher volume flow is required for an output comparable to that of pure natural gas.
  • the controlled variable is then transmitted by the device for deriving the controlled variable 108 to the burner control 109, which can then regulate the combustion in the gas burner 100 accordingly or adapt it to the changed fuel gas via the valve control 110 and / or the fan control 111.
  • Control circuit 107 Device for determining a fuel gas parameter

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Abstract

Ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält. Durch das Verfahren kann die Art und der Anteil des Zusatzgases im Brenngas detektiert, eine Regelgröße zur Regelung der Verbrennung abgeleitet und die Verbrennung entsprechend angepasst werden. Beschrieben wird hierin außerdem ein entsprechender Gasbrenner.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR VERBRENNUNGSREGELUNG FÜR EIN
BRENNGAS MIT ANTEILIGEM ZUSATZGAS
TECHNISCHES FELD
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Verbrennungsregelung, wobei ein Zusatzgas im Brenngas detektiert und Regelgrößen für die Verbrennung entsprechend angepasst werden können.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung, sowie ein Verfahren zur Verbrennungsregelung bereitzustellen, welches ermöglicht, die Art eines Zusatzgases, insbesondere Wasserstoff, in einem Brenngas zu detektieren. Insbesondere soll dabei auch ein Anteil des Zusatzgases im Brenngas bestimmt werden können.
Als Brenngas wird im Allgemeinen Erdgas verwendet. Natürliches Erdgas ist ein kohlenwasserstoff-haltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung je nach Fundstätte beträchtlich schwanken an. Der Hauptbestandteil ist aber in der Regel Methan, wobei der Anteil zwischen 75 und 99 Mol-% schwanken kann.
Brennerprüfgase können neben Methan eine Beimengung an Zusatzgas, wie beispielsweise Stickstoff oder Propan, enthalten. Brennerprüfgase können aber auch zu 100% aus Methan oder sogar zu 100% aus einem Zusatzgas wie Propen bestehen. Beispiele sind die Brennerprüfgase G271 und G21 oder auch G20 und G32.
Motiviert durch eine langfristige Einsparung an C02-Emissionen, ist die Einspeisung klimaneutral erzeugten Wasserstoffs als Zusatzgas im bestehenden Erdgasnetz mit Volumenanteilen von bis zu 40 Vol.-% geplant.
Die Beimengung von Wasserstoff zum Grundgas erzeugt jedoch zahlreiche technische Herausforderungen, insbesondere für den Betrieb und die Verbrennungsregelung in Gasbrennern. Zunächst weist Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas einen volumenbezogen niedrigeren Brennwert auf. Das bedeutet, um eine vergleichbare Leistung zu erzielen, muss der Volumenstrom an Brenngas im Fall einer Wasserstoffbeimengung erhöht werden. Außerdem ist die Reaktionskinetik der Verbrennung gegenüber reinem Erdgas verändert, wodurch etwa die Flammengeschwindigkeit, -länge, und -geometrie, sowie die Flammentemperatur, die Zündeigenschaften und die Wärmeabstrahlung stark beeinflusst werden.
So konnte beispielsweise festgestellt werden, dass bei einem linearen Anstieg der Wasserstoffkonzentration die Flammengeschwindigkeit exponentiell zunimmt. Außerdem verschiebt sich das Maximum der laminaren Flammengeschwindigkeit in den brennstoffreicheren Bereich der Verbrennung, d.h. zu kleineren Lambda Werten. Dabei erreicht Wasserstoff mit etwa 3,5 m/s die höchste maximale Flammengeschwindigkeit bei nicht vorgewärmten Brenngemisch. Dabei gilt, je höher die Flammengeschwindigkeit, desto wahrscheinlicher ist ein Übergang von der Deflagration, d.h. der Ausbreitung der Reaktionsfront durch Diffusion, zur Detonation, d.h. der Ausbreitung der Reaktionsfront aufgrund einer Druckwelle. Außerdem ist die Zündungsverzugszeit von Wasserstoff um den Faktor 1000 geringer als die von Erdgas, bei ebenfalls deutlich geringerer Zündenergie und höherer oberer Zündgrenze.
Die Kenntnis, welches Zusatzgas, insbesondere Wasserstoff, im Brenngas vorhanden ist und in welchem Anteil, ist also für den Betrieb und die Verbrennungsregelung in Gasbrennern unabdingbar sowohl unter brenntechnischen, als auch unter sicherheitstechnischen Aspekten.
Die DE 10 2013 224 246 Al beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zur Bestimmung des Fh-Gehalts von Fh/Erdgasmischungen, mit einer Eingabeschnittstelle für das Einlesen eines Brennwerts der Fh/Erdgasmischung, welcher an einer Übergabe- Station eines Gasnetzes ermittelt wurde; einer Eingabeschnittstelle für die Fh/Erdgasmischung, zum Einleiten der Fh/Erdgasmischung in die Vorrichtung; einer protonenleitenden Schicht, welche die Bestimmung einer Strom-Spannungskennlinie ermöglicht, wobei die protonenleitende Schicht mit der Eingabeschnittstelle für die Fh/Erdgasmischung fluidisch verbunden ist, und einem Steuergerät, welches mit der protonenleitenden Schicht und der Eingabeschnittstelle für die Fh/Erdgasmischung verbunden und dazu eingerichtet ist, die folgenden Schritte auszuführen: a) Feststellen, mit Hilfe der Strom-Spannungskennlinie der protonenleitenden Schicht, ob bei einem Durchströmen der protonenleitenden Schicht mit einem Volumenstrom der Fh/Erdgasmischung eine Wasserstoffverarmung der protonenleitenden Schicht vorliegt, und Messen des Volumenstroms mit einem Sensor zur Messung des Volumenstroms der H2/Erdgasmischung in die protonenleitende Schicht, welcher mit dem Steuergerät verbunden ist; b) Falls keine Wasserstoffverarmung der protonenleitenden Schicht vorliegt, dann Verändern des Volumenstroms der Ph/Erdgasmischung mittels einer Steuereinrichtung und Wiederholen des vorherigen Schritts; c) Falls eine Wasserstoffverarmung der protonenleitenden Schicht vorliegt, dann Ermitteln der kritischen Stromdichte der protonenleitenden Schicht, bei welcher die Wasserstoffverarmung an der protonenleitenden Schicht mit dem zugehörigen gemessenen Volumenstrom der Ph/Erdgasmischung vorliegt; d) Feststellen, mittels eines Kennfeldes, des Ph-Gehalts der Ph/Erdgasmischung basierend auf der ermittelten kritischen Stromdichte; e) Bestimmen des aktuellen Brennwerts der Ph/Erdgasmischung, basierend auf dem festgestellten Ph-Gehalt der Ph/Erdgasmischung und dem Brennwert der Ph/Erdgasmischung von der Übergabe-Station des Gasnetzes; f) Ausgeben des aktuellen Brennwerts der Ph/Erdgasmischung.
LOSUNG DES PROBLEMS
Die oben genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf besondere Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält, umfasst den Schritt a) des Einstellens einer Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten Lastwert LI bei einer Ist-Luftzahl /ist.
Der Begriff Brenngas beschreibt hierin Mischungen aus Erdgas als Grundgas mit Beimengungen eines Zusatzgases unterschiedlicher Art, wie beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff, Propan oder Propen, in veränderbaren Anteilen. Die Luftzahl oder auch der Lambda-Wert A beschreibt ein Luft zu Brenngas Verhältnis eines Luft-Brenngas-Gemisches.
Der erste vorbestimmte Lastwert LI ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert LI jedoch in einem Bereich von 5 bis 10kW liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin den Schritt b) des Anfahrens einer vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii in einem vorbestimmten Zeitraum Ati_i.
Die Soll-Luftzahl Asoii ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, so lange sie von der Ist-Luftzahl verschieden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann dabei gelten Aist > Asoii. Besonders bevorzugt kann jedoch die Soll-Luftzahl Asoii = 1 betragen. In diesem Fall kann somit die Ist-Luftzahl Aist in den Bereich der stöchiometrischen Verbrennung bei l = 1 abgesenkt werden.
Auch der vorbestimmte Zeitraum Ati_i ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt und kann derart gewählt sein, dass der in diesem Zeitraum in Schritt c) ermittelte Verlauf der Flammentemperatur TF, LI, die zur Bestimmung des Brenngasparameters in Schritt d) notwendigen Informationen beinhaltet. Beispielsweise kann der vorbestimmte Zeitraum Atu. zwischen 10s und 60s betragen, bevorzugt zwischen 20s und 40s, besonders bevorzugt 30s.
Generell sind verschiedene Varianten der zeitlichen Luft-Brenngas- Gemischführung (Anfetten) im Gasbrenner denkbar. Vorzugsweise kann das Anfahren der vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii aber linear über die Zeit-Konstante Änderung der Gasdurchflussmenge im Gasbrenner erfolgen. Alternativ kann das Anfahren der vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii aber auch parabelförmig oder exponentiell über die Zeit erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin den Schritt c) des Ermittelns eines Verlaufs einer Flammentemperatur TF, LI in dem Zeitraum AtLi.
Der Begriff Flammentemperatur, wie hierin verwendet, beschreibt genauer einen Temperaturmesswert der Flamme aus der Brennkammer des Gasbrenners. Der Einfachheit halber wird im Folgenden jedoch der Begriff Flammentemperatur verwendet. Die Flammentemperatur kann dabei generell auf unterschiedliche Weise bestimmt werden, beispielsweise über ein oder mehrere Thermoelemente. Vorzugsweise kann die Flammentemperatur jedoch unter Ausnutzung des glühelektrischen Effekts an der Zündelektrode (Temperatur der Flamme an der Zündelektrode) bestimmt werden, wie beispielsweise in der EP 2 549 187 Bl beschrieben.
Der obengenannte glühelektrische Effekt (auch Richardson-Effekt, Edison-Effekt oder Edison-Richardson-Effekt, siehe beispielweise Neil W. Ashcroft, N. David Mermin: Solid State Physics. Saunders College Publishing, New York 1976, S. 362-364) bezeichnet die Tatsache, dass aus einer beheizten Metallelektrode oberhalb einer materialabhängigen Mindesttemperatur Elektronen die Austrittsarbeit überwinden, und aus der Elektrode austreten können. Der dadurch erzeugte Strom erlaubt es, auf die Temperatur der Elektrode zu schließen. Die Flammentemperatur kann so durch eine an der Zündelektrode des Brenners abgegriffene Spannung in einfacher Weise bestimmt werden. Eine solche Zündelektrode ist bei jedem Brenner zwingend im Brennerraum vorhanden und wird, nachdem das Luft-Brenngas-Gemisch einmal gezündet worden ist, für den Betrieb des Gasbrenners nicht weiter benötigt.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass der Verlauf der Flammentemperatur TF als Funktion der Zeit bei vorgegebenem Lastwert charakteristische Merkmale aufweist, deren Auswertung einen Rückschluss darauf zulässt, welcher Art das Zusatzgas ist und in welchem Anteil es im Brenngas vorliegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierzu den Schritt d) des Bestimmens eines Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, LI und des Ableitens einer Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner in Abhängigkeit des Brenngasparameters.
Der Begriff Brenngasparameter ist hierin breit auszulegen und bezieht sich auf die Art und den Anteil des Zusatzgases im Brenngas. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter daher einem Volumenanteil des Zusatzgases im Brenngas entsprechen.
Wie eingehend bereits beschrieben, können unterschiedliche Zusatzgase dem Brenngas beigemischt sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Zusatzgas jedoch Wasserstoff sein. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einer geplanten Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz flexibel begegnet werden.
Der Brenngasparameter kann also beispielsweise angeben, welches Zusatzgas im Brenngas vorliegt und wie hoch der Anteil an Zusatzgas ist. Abhängig von dem bestimmten Brenngasparameter kann dann eine entsprechende Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner abgeleitet werden.
Zur Bestimmung des Anteils des Zusatzgases können Kalibrationskoeffizienten in Form einer Kennlinie hinterlegt sein. Je nach ermitteltem Anteil kann dann die Regelgröße für die Verbrennung selbstständig durch eine im Gasbrenner vorhandene Regelschaltung abgeleitet und die Verbrennung angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren zwischen den Schritten c) und d) weiterhin den Schritt i) des Zurückfahrens auf die Luftzahl st und des Einstellens der Brennerlast auf einen zweiten vorbestimmten Lastwert L2 > LI, sowie den Schritt ii) des erneuten Anfahrens der vorbestimmten Soll- Luftzahl lboΐi in einem vorbestimmten Zeitraum Äti_2, und den Schritt iii) des Ermittelns des Verlaufs der Flammentemperatur TF, L2 in dem Zeitraum Äti_2, umfassen, wobei dann in Schritt d) der Brenngasparameter aus den Verläufen der Flammentemperatur TF, LI und TF, L2 bestimmt werden kann.
Auf diese Weise kann vorteilhaft der Brenngasparameter in Schritt d) noch genauer ermittelt und die Regelung der Verbrennung noch genauer abgeleitet werden.
Auch der Lastwert L2 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, so lange sich die Flammenkinetik signifikant zum Lastwert LI unterscheidet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert L2 jedoch in einem Bereich von 10 bis 20kW liegen.
In einer überdies bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter durch einen Vergleich des jeweiligen ermittelten Flammentemperaturverlaufs TF mit einem entsprechenden Referenzverlauf der Flammentemperatur TF, Ret für Erdgas als Brenngas bestimmt werden. Hierzu kann beispielsweise der Flammentemperaturverlauf bei vorgegebenem Lastwert für Erdgas als Brenngas in der Regelschaltung des Gasbrenners hinterlegt sein. Aus einem Vergleich eines aktuell ermittelten Flammentemperaturverlaufs bei gleichem Lastwert kann dann bestimmt werden, welches Zusatzgas im aktuell vorliegenden Brenngas vorhanden ist und wie hoch der Anteil ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter jeweils anhand einer minimalen Flammentemperatur TF, min und/oder anhand einer oder mehrerer aus dem jeweiligen Verlauf der Flammentemperatur TF ermittelter Flammentemperatur-Differenzen ATF bestimmt werden. Beispielsweise kann die Art und der Anteil eines Zusatzgases anhand der Messung eines Minimums und/oder Maximums ausgehend von einem Ausgangszustand bestimmt werden. Für Wasserstoff, beispielsweise, ist die Flöhe der Differenz zu einem charakteristisch auftretenden Maximum im Flammentemperaturverlauf spezifisch. In der Ausprägung des Flöhenunterschieds zeigt sich überdies der Anteil an Wasserstoff.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, kann der Gasbrenner zusätzlich eine Zündelektrode, Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und eine Schalteranordnung zum Verbinden der Zündelektrode mit und zum Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung aufweisen und der Verlauf der Flammentemperatur TF kann jeweils anhand der Zündelektrode ermittelt werden. Wie oben bereits erwähnt, kann der Verlauf der Flammentemperatur vorteilhaft insbesondere anhand der Ausnutzung des glühelektrischen Effekts an der Zündelektrode bestimmt werden.
Ein erfindungsgemäßer Gasbrenner umfasst eine Regelschaltung und eine Messeinrichtung, welche zur Durchführung eines Verfahrens konfiguriert sind, das den Schritt a) des Einstellens einer Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten Lastwert LI bei einer Ist-Luftzahl Aist; den Schritt b) des Anfahrens einer vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii in einem vorbestimmten Zeitraum Atu.; den Schritt c) des Ermittelns eines Verlaufs einer Flammentemperatur TF, LI in dem Zeitraum Ati_i; und den Schritt d) des Bestimmens eines Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, LI und des Ableitens einer Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner in Abhängigkeit des Brenngasparameters, umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Regelschaltung und die Messeinrichtung zusätzlich zur Durchführung eines Verfahrens konfiguriert sein, welches zwischen den Schritten c) und d) zusätzlich den Schritt i) des Zurückfahrens auf die Luftzahl Aist und des Einstellens der Brennerlast auf einen zweiten vorbestimmten Lastwert L2 > LI; den Schritt ii) des erneuten Anfahrens der vorbestimmten Soll-Luftzahl lboΐi in einem vorbestimmten Zeitraum Äti_2;; und den Schritt iii) des Ermittelns des Verlaufs der Flammentemperatur TF, L2 in dem Zeitraum Äti_2, umfasst, wobei in Schritt d) der Brenngasparameter aus den Verläufen der Flammentemperatur TF, LI und TF, L2 bestimmt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Gasbrenner zusätzlich eine Zündelektrode, Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und eine Schalteranordnung zum Verbinden der Zündelektrode mit und zum Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Gasbrenner weisen zahlreiche Vorteile auf. Während beispielsweise die Kalibration mittels Ionisation bei Anfahren von Lambda 1 ausreichend ist, um zu differenzieren, ob etwa ein Brennerprüfgas wie G21 oder G271 vorliegt, so kann mittels des oben beschriebenen Verfahrens ermittelt werden, ob generell ein Zusatzgas im Brenngas vorliegt, welcher Art es ist und wie hoch der Anteil ist. Wasserstoffanteile sind mit der vorstehend beschriebenen Kalibration mittels Ionisation aufgrund anderer Kausalitäten der Soll- Werte nicht bestimmbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Gasbrenner sind überdies die Nennluftzahlen und somit auch die Geräteleistung für Wasserstoff anteilige Brenngase erreichbar, sowie geringe NOx Werte. Dies kann die Gefahr von Thermoakustik und die Überhitzung des Gasbrenners vermeiden.
Außerdem ist kein vorgelagertes System mit entsprechendem Datenaustausch notwendig, da die Erkennung des Zusatzgases und dessen Anteils im Gasbrenner stattfindet. Hierzu kann eine einfache Sensorik verwendet werden, Lambda-Sensoren sind nicht notwendig.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Figuren 1 bis 5 zeigen schematisch Ausführungsformen des Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, sowie Ausführungsformen des Gasbrenners. Insbesondere zeigt Figur 1 ein Flussdiagramm zur Illustration einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält.
Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält.
Figur 3 zeigt zwei Flammentemperaturverläufe bei einem ersten vorbestimmten Lastwert LI für Methan als Brenngas und für ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff als Brenngas.
Figur 4 zeigt die beiden Flammentemperaturverläufe bei dem ersten vorbestimmten Lastwert LI aus Figur 3 und zusätzlich die Flammentemperaturverläufe bei einem zweiten vorbestimmten Lastwert L2 ebenfalls für Methan als Brenngas und für ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff als Brenngas.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Gasbrenners gemäß einer Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN UND BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.
Es sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch in keiner Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikation der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der Ansprüche umfasst sind. Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält.
In Schritt S101 wird eine Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten Lastwert LI bei einer Ist-Luftzahl Aist eingestellt. Der Lastwert ist dabei erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert LI in einem Bereich von 5 bis 10kW liegen. Der Lastwert LI kann dabei vorteilhaft in der Regelschaltung des Gasbrenners hinterlegt und bei Durchführung des Verfahrens automatisch in Schritt S101 angefahren werden.
Die Ist-Luftzahl Aist ist erfindungsgemäß ebenfalls nicht eingeschränkt und kann sich beispielsweise aus einer aktuellen Gemischführung während des Regelbetriebs des Gasbrenners ergeben. Auf diese Weise kann das Verfahren während eines laufenden Gasbrennerbetriebs durchgeführt, und die Gemischführung flexibel und optimal an variierende Brenngase, beispielsweise durch Beimengung eines Zusatzgases, insbesondere Wasserstoff, angepasst werden.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, erfolgt in einem nächsten Schritt S102 das Anfahren einer vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii in einem vorbestimmten Zeitraum Ati_i. Auch die Soll-Luftzahl Asoii ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, sie ist aber von der Ist- Luftzahl Aist verschieden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann gelten Aist > Asoii. Dies trägt vorteilhaft der Tatsache Rechnung, dass im Regelbetrieb eines Gasbrenners mit Erdgas als Brenngas die Gemischführung im mageren Bereich liegt, so dass durch Anfetten des Gemischs die Luftzahl Asoii erreicht werden kann. Besonders bevorzugt kann dabei eine stöchiometrische Verbrennung bei Asoii = 1 angefahren werden. Generell sind dabei verschiedene Varianten der zeitlichen Gemischführung (Anfetten) im Gasbrenner denkbar. Vorzugsweise kann das Anfahren der vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii aber linear über die Zeit-Konstante Änderung der Gasdurchflussmenge im Gasbrenner erfolgen. Alternativ kann das Anfahren der vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii aber auch parabelförmig oder exponentiell über die Zeit erfolgen.
Auch die Länge des Zeitraums Ati_i ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, insofern der in diesem Zeitraum in Schritt S103 ermittelte Verlauf einer Flammentemperatur TF, UL, die zur Bestimmung des Brenngasparameters in Schritt S104 notwendigen Informationen beinhaltet. Beispielsweise kann der vorbestimmte Zeitraum Atu. zwischen 10s und 60s betragen, bevorzugt zwischen 20s und 40s, besonders bevorzugt 30s.
Wie bereits erwähnt, wird in Schritt S103 der Verlauf der Flammentemperatur TF, LI in dem Zeitraum Ati_i ermittelt. Die Messung der Flammentemperatur TF, LI kann dabei auf unterschiedliche Arten erfolgen, etwa über ein oder mehrere Thermoelemente. Bevorzugt kann die Flammentemperatur TF, LI jedoch unter Ausnutzung des glühelektrischen Effekts mittels einer Zündelektrode bestimmt werden. Hierzu kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Gasbrenner zusätzlich eine Zündelektrode, Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und eine Schalteranordnung zum Verbinden der Zündelektrode mit und zum Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung aufweisen. Zur Ermittlung des Flammentemperaturverlaufs TF, LI in dem Zeitraum AtuL, kann die Flammentemperatur TF, LI kontinuierlich gemessen werden, es können aber auch einzelne Messwerte in einem bestimmten zeitlichen Abstand innerhalb des Zeitraums At_i erfasst werden, so lange ein hinreichend genauer Flammentemperaturverlauf TF, LI erfasst werden kann. Hierzu kann beispielsweise die Anzahl der erfassten Messwerte in den Bereichen erhöht werden, in welchen charakteristische Merkmale im Flammentemperaturverlauf TF, LI ZU erwarten sind, beispielsweise Minima und/oder Maxima, wohingegen in uncharakteristischen Bereichen, etwa bei konstantem Flammentemperaturverlauf TF, LI, weniger Messwerte erfasst werden können.
Wie in Figur 1 gezeigt, wird in Schritt S104 dann ein Brenngasparameter aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, LI bestimmt und eine Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner in Abhängigkeit des Brenngasparameters abgeleitet. Die Bestimmung des Brenngasparameters und die Ableitung der Regelgröße wird weiter unten mit Bezug auf die Figuren 3 bis 5 näher beschrieben.
Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält.
Die in Figur 2 gezeigten Verfahrensschritte S201 bis S204 können an die in Figur 1 gezeigten Verfahrensschritte S101 bis S103 anschließen, wobei der Schritt S204 den Schritt S104 ersetzen kann. Wie in Figur 2 gezeigt, kann in Schritt S201 auf die Luftzahl st zurückgefahren und die Brennerlast auf einen zweiten vorbestimmten Lastwert L2 > LI eingestellt werden. Dabei kann die Luftzahl
Figure imgf000013_0001
der in Figur 1 gezeigten ursprünglichen Luftzahl
Figure imgf000013_0002
entsprechen. Auf diese Weise kann vorteilhaft bei erneutem Anfahren der vorbestimmten Soll-Luftzahl lboΐi in einem vorbestimmten Zeitraum Äti_2 in Schritt S202, der gleiche Luftzahl-Bereich bei unterschiedlichem Lastwert L2 abgefahren werden.
Der Lastwert L2 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, so lange sich die Flammenkinetik signifikant zum Lastwert LI unterscheidet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert L2 jedoch in einem Bereich von 10 bis 20kW liegen.
Schritt S203 in Figur 2 kann dann das Ermitteln des Verlaufs der Flammentemperatur TF, L2 in dem Zeitraum Äti_2 vorsehen. Analog zu Figur 1 ist auch hier die Messung der Flammentemperatur TF, L2 sowie die Länge des Zeitraums Äti_2 erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. Vorteilhaft wird jedoch auch hier die Flammentemperatur anhand der Zündelektrode gemessen und die Länge des Zeitraums Dΐi_2 entspricht vorteilhaft der Länge des Zeitraums Dΐi_i.
In Schritt S204, wie in Figur 2 gezeigt, kann dann der Brenngasparameter aus den Verläufen der Flammentemperatur TF, LI und TF, L2 bestimmt und eine Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner abgeleitet werden.
Im Folgenden wird nun die Ermittlung des Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, LI bzw. TF, L2 mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 näher erläutert. Die Erfinder haben vorteilhaft gefunden, dass der Verlauf der Flammentemperatur TF für Erdgas als Brenngas im Vergleich zu Mischungen aus Erdgas und einem Zusatzgas spezifische Merkmale bei den jeweiligen vorbestimmten ersten und zweiten Lastwerten LI und L2 aufweist. Anhand der Auswertung dieser spezifischen Merkmale kann dann die Art des Zusatzgases und dessen Anteil im Brenngas als Brenngasparameter bestimmt werden.
Zunächst zeigt Figur 3 Flammentemperaturverläufe TF, LI bei einem ersten vorbestimmten Lastwert LI für reines Methan (G20) als Brenngas 1 und für 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas 2. Da der Hauptbestandteil von Erdgas Methan ist, wird im vorliegenden Beispiel reines Methan stellvertretend für Erdgas verwendet. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein einheitlicher Bezugspunkt geschaffen werden, unabhängig von Fundstätten bedingten Schwankungen.
Im Beispiel in Figur 3 ist der Lastwert LI auf 10kW eingestellt. Die Ist-Luftzahl
Figure imgf000014_0001
lag im mageren Bereich und das jeweilige Luft-Brenngas-Gemisch wurde im Zeitraum Dΐi_i = 30s von lΐXΐ > 1 auf die Soll-Luftzahl lboΐi = 1 angefettet mittels linearer Gemischführung. In diesem Zeitraum wurde ebenfalls der Flammentemperaturverlauf TF, LI ermittelt. Auf der y-Achse sind normierte und anhand einer Zündelektrode bestimmte Werte für die Flammentemperatur TF, LI aufgetragen. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die in den Figuren 3 und 4 aufgetragenen Flammentemperaturwerte in einer künstlichen Einheit [I] angegeben sind, welche sich umgekehrt zur tatsächlichen Temperatur verhält. Die in Figur 3 und 4 gezeigten Werte sind digitalisierte Messwerte, die ein AD-Wandler im Feuerungsautomaten des Gasbrenners aus einem entsprechenden Eingangskanal ermitteln kann. Auf der x-Achse ist die Zeit t in [s] aufgetragen.
Wie aus Figur 3 ersichtlich, zeigen die jeweiligen Kurven Verläufe für reines Methan als Brenngas 1 und für 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas 2 unterschiedlich ausgeprägte charakteristische Merkmale als Funktion der Zeit t. Beide Kurven 1, 2 zeigen ein unterschiedlich stark ausgeprägtes Minimum la, 2a (angedeutet durch den Pfeil 3). Das Minimum 2a für 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas ist zudem dem Minimum la für reines Methan als Brenngas zeitlich vorgelagert.
Figur 4 zeigt die Flammentemperaturverläufe bei dem ersten vorbestimmten Lastwert LI = 10kW aus Figur 3 und zusätzlich die Flammentemperaturverläufe bei einem zweiten vorbestimmten Lastwert L2 = 20kW ebenfalls für reines Methan als Brenngas und für das Gemisch aus 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas.
Vor der Ermittlung der Flammentemperaturverläufe TF, L2 bei dem Lastwert L2 = 20kW wurde die Luftzahl jeweils auf die ursprüngliche Ist-Luftzahl
Figure imgf000014_0002
zurückgefahren (ersichtlich aus den stufenartigen Sprüngen in den Kurven 1 und 2). In den in Figur 4 gezeigten Flammentemperaturverläufen läuft der Gasbrenner dabei in den Bereichen, in welchen die Flammentemperatursignale konstant sind, jeweils auf konstanter Last mit derselben Luftzahl, beispielsweise l = 1,34. Grundsätzlich gilt, dass mit den verschiedenen Lastwerten (Lastniveaus) unterschiedliche Grundniveaus der Flammentemperatur einhergehen. Bei dem Lastwert L2 = 20kW wurde dann ebenfalls das entsprechende Luft-Brenngas-Gemisch im Zeitraum Äti_2 = 60s von Aist < 1 wieder auf die Soll-Luftzahl Asoii = 1 angefettet mittels linearer Gemischführung. In diesem Zeitraum wurde dann ebenfalls der Flammentemperaturverlauf TF, L2 ermittelt.
Wie aus Figur 4 ersichtlich, zeigen die jeweiligen Kurven Verläufe für reines Methan als Brenngas 1 und für 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas 2 auch bei dem Lastwert L2 = 20kW unterschiedlich ausgeprägte charakteristische Merkmale als Funktion der Zeit t. Beide Kurven 1, 2 zeigen wiederum ein unterschiedlich stark ausgeprägtes Minimum lb, 2b (angedeutet durch den Pfeil 4), wobei die Kurve 2 für 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas zusätzlich ein dem Minimum 2b nachgelagertes Maximum 2c aufweist. Auch bei dem Lastwert L2 = 20kW ist das Minimum 2b für 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas dem Minimum lb für reines Methan als Brenngas zeitlich vorgelagert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter durch einen Vergleich des jeweiligen ermittelten Flammentemperaturverlaufs TF mit einem entsprechenden Referenzverlauf der Flammentemperatur TF, Ret für Erdgas als Brenngas bestimmt werden.
Bezugnehmend auf die Figuren 3 und 4 kann beispielsweise der Flammentemperaturverlauf TF für reines Methan als Referenzverlauf bei den Lastwerten LI = 10kW und L2 = 20kW dienen. Aus dem Vergleich mit dem für 70% Methan und 30% Wasserstoff als Brenngas ermittelten Flammentemperaturverlauf TF bei den gleichen Lastwerten LI und L2 kann dann der Brenngasparameter anhand der unterschiedlichen charakteristischen Merkmale, wie oben beschrieben, bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter jeweils anhand einer minimalen Flammentemperatur TF, min und/oder anhand einer oder mehrerer aus dem jeweiligen Verlauf der Flammentemperatur TF ermittelter Flammentemperatur-Differenzen ATF bestimmt werden.
Wie bezugnehmend auf die Figuren 3 und 4 beschrieben, zeigt beispielsweise ein Gemisch aus 70% Methan und 30% Wasserstoff im Vergleich zu reinem Methan bei dem ersten vorbestimmten Lastwert LI ein zeitlich vorgelagertes Minimum im Verlauf der Flammentemperatur TF, LI. Die Differenz in Bezug auf den Ausgangswert (angedeutet durch den Pfeil 3 in den Figuren 3 und 4) ist überdies geringer bei dem Gemisch aus 70% Methan und 30% Wasserstoff. Bei dem Lastwert L2 = 20kW zeigt das Gemisch aus 70% Methan und 30% Wasserstoff im Vergleich zu reinem Methan ebenfalls ein zeitlich vorgelagertes Minimum im Verlauf der Flammentemperatur TF, L2, sowie ein dem Minimum nachfolgendes Maximum. Auch bei dem Lastwert L2 ist die Differenz des Minimums in Bezug auf den Ausgangswert (angedeutet durch den Pfeil 4 in Figur 4) geringer bei dem Gemisch aus 70% Methan und 30% Wasserstoff. Aus dem Höhenunterschied des Maximums in Bezug auf den Ausgangswert (angedeutet durch den Pfeil 5 in Figur 4) kann überdies der Anteil an Wasserstoff im Brenngas bestimmt werden, da dieser für Wasserstoff spezifisch ist.
Derartige charakteristische Merkmale weisen beispielsweise auch andere Zusatzgase auf. So zeigt beispielsweise Stickstoff als Zusatzgas im Gegensatz zu Wasserstoff auch bei dem Lastwert LI ein dem Minimum zeitlich nachfolgendes Maximum. Propan als Zusatzgas hingegen weist im Verlauf der Flammentemperatur keinerlei Maximum auf. Allerdings sind auch hier die beiden Minima im Vergleich zu reinem Methan zu kürzeren Zeiten verschoben, wobei die Differenz zum Ausgangswert jeweils größer ist, als bei Methan.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Gasbrenners gemäß einer Ausführungsform. Der Gasbrenner 100 besitzt eine Brennkammer 101 in der unter Zuführung eines Luft-Brenngas-Gemisches ein Verbrennungsvorgang ablaufen kann. In die Brennkammer 101 ragt eine Zündelektrode 102 hinein. Optional kann auch eine lonisationselektrode in dem Gasbrenner 100 vorgesehen sein, die zusätzlich in die Brennkammer hineinragt. Eine lonisationselektrode wird im Allgemeinen zur Flammenüberwachung eingesetzt.
Die Zündelektrode 102 steht mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung 104 so in Verbindung, dass die Zündelektrode 102 von der Einrichtung zur Erzeugung der Zündspannung 104 getrennt werden kann. Dies kann durch eine zwischen der Zündelektrode 102 und der Einrichtung zur Erzeugung der Zündspannung 104 geschaltete Schalteranordnung 103 geschehen. Dabei kann die Schalteranordnung 103 insbesondere so eingerichtet sein, dass nach einer Trennung der Zündelektrode 102 von der Einrichtung zur Erzeugung der Zündspannung 104 die Zündelektrode 102 als eine passive Elektrode geschaltet ist. Der Gasbrenner 100 weist außerdem eine Messeinrichtung 105 auf. Über die Messeinrichtung 105 kann unter Ausnutzung des genannten glühelektrische Effekts auf die Temperatur der Flamme an der Elektrode rückgeschlossen werden und so der Flammentemperaturverlauf bei entsprechend eingestelltem Lastwert gemessen werden. Hierzu steht die Schalteranordnung 103 mit der Messeinrichtung 105 in Verbindung und kann Signale von der Messeinrichtung 105 empfangen. Die Messeinrichtung 105 kann überdies über eine Zeitmesseinrichtung verfügen, über welche die vorbestimmten Zeiträume eingestellt werden können.
Die Messeinrichtung 105 steht weiterhin mit einer Regelschaltung 106 in Verbindung. Über die Regelschaltung 106 kann mittels einer Brennersteuerung 109 die Verbrennung im Gasbrenner 100 geregelt werden. Die Brennersteuerung 109 weist hierzu entsprechend eine Ventilsteuerung 110 zur Veränderung des Brenngasanteils im Luft-Brenngas-Gemisch auf, sowie eine Gebläsesteuerung 111 zur Variation des Luftanteils.
Die Regelschaltung 106 weist insbesondere eine Einrichtung zum Bestimmen eines Brenngasparameters 107 auf. Die Einrichtung zum Bestimmen des
Brenngasparameters 107 ist mit der Messeinrichtung 105 verbunden und empfängt die in den jeweiligen Zeiträumen ermittelten Messwerte zur Bestimmung der
Flammentemperatur, welche mittels der Zündelektrode 102 in der Brennkammer 101 ermittelt wurden. In der Einrichtung zum Bestimmen des Brenngasparameters 107 werden die Flammentemperaturverläufe ausgewertet und, wie oben beschrieben, der Brenngasparameter anhand der jeweiligen charakteristischen Merkmale bestimmt. Der Brenngasparameter gibt dabei eine Art des ermittelten Zusatzgases und dessen Anteil im Brenngas wieder, etwa beispielsweise Wasserstoff, Anteil 30%.
Die Einrichtung zur Bestimmung des Brenngasparameters 107 ist mit einer Einrichtung zum Ableiten einer Regelgröße 108 für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner 100 verbunden. Die Regelgröße kann beispielsweise eine unter Berücksichtigung des Brenngasparameters veränderte Luftzahl l sein und/oder ein veränderter Volumenstrom. Durch die Beimengung von Wasserstoff verschiebt sich beispielsweise das Maximum der laminaren Flammengeschwindigkeit zu kleineren Lambda Werten, außerdem wird ein höherer Volumenstrom für eine mit reinem Erdgas vergleichbare Leistung benötigt. Die Regelgröße wird dann durch die Einrichtung zum Ableiten der Regelgröße 108 an die Brennersteuerung 109 übermittelt, welche dann über die Ventilsteuerung 110 und/oder die Gebläsesteuerung 111 die Verbrennung im Gasbrenner 100 entsprechend regeln bzw. an das veränderte Brenngas anpassen kann.
BEZUGSZEICHEN
1 Flammentemperaturverlauf TF, LI TF, L2 für reines Methan
2 Flammentemperaturverlauf TF, LI TF, L2 für 70% Methan und 30% Wasserstoff la Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, LI für reines Methan 2a Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, LI für 70% Methan und 30%
Wasserstoff lb Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für reines Methan
2b Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für 70% Methan und 30%
Wasserstoff 2c Maximum im Flammentemperaturverlauf TF, LI für 70% Methan und 30% Wasserstoff
3 Differenz des Minimums zum Ausgangswert im Flammentemperaturverlauf TF, LI für 70% Methan und 30% Wasserstoff
4 Differenz des Minimums zum Ausgangswert im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für 70% Methan und 30% Wasserstoff
5 Differenz des Maximums zum Ausgangswert im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für 70% Methan und 30% Wasserstoff
100 Gasbrenner
101 Brennkammer 102 Zündelektrode
103 Schalteranordnung
104 Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung
105 Messeinrichtung
106 Regelschaltung 107 Einrichtung zur Bestimmung eines Brenngasparameters
108 Einrichtung zum Ableiten einer Regelgröße Brennersteuerung Ventilsteuerung Gebläsesteuerung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners (100), wobei der Gasbrenner (100) eine Messeinrichtung (105) und eine Regelschaltung (106) aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: a) Einstellen (S101) einer Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten Lastwert LI bei einer Ist-Luftzahl Aist; b) Anfahren (S102) einer vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii in einem vorbestimmten Zeitraum Äti_i; c) Ermitteln (S103) eines Verlaufs einer Flammentemperatur TF, LI (1, 2) in dem Zeitraum Atu.; und d) Bestimmen (S104) eines Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, LI (1, 2) und Ableiten (S104) einer Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner (100) in Abhängigkeit des Brenngasparameters.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zwischen den Schritten c) und d) zusätzlich die Schritte umfasst: i) Zurückfahren (S201) auf die Luftzahl Aist und Einstellen der Brennerlast auf einen zweiten vorbestimmten Lastwert L2 > LI; ii) Erneutes Anfahren (S202) der vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii in einem vorbestimmten Zeitraum Äti_2; iii) Ermitteln (S203) des Verlaufs der Flammentemperatur TF, L2 (1, 2) in dem Zeitraum Dΐi_2, wobei in Schritt d) der Brenngasparameter aus den Verläufen der Flammentemperatur
T , LI und T , L2 (1, 2) bestimmt wird (S204).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngasparameter durch einen Vergleich des jeweiligen ermittelten Flammentemperaturverlaufs (1, 2) mit einem entsprechenden Referenzverlauf (1) der Flammentemperatur TF, Ret für Erdgas als Brenngas bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngasparameter jeweils anhand einer minimalen Flammentemperatur TF, min (la, 2a, lb, 2b) und/oder anhand einer oder mehrerer aus dem jeweiligen Verlauf der Flammentemperatur TF ermittelter Flammentemperatur-Differenzen ATF (3, 4, 5) bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastwert LI in einem Bereich von 5 bis 10kW liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 5 in ihrer
Abhängigkeit von Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastwert L2 in einem Bereich von 10 bis 20kW liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbrenner (100) zusätzlich eine Zündelektrode (102) , Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung (104) und eine Schalteranordnung (103) zum Verbinden der Zündelektrode (102) mit und zum Trennen der Zündelektrode (102) von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung (104) aufweist und der Verlauf der Flammentemperatur TF (1, 2) jeweils anhand der Zündelektrode (102) ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass gilt
Alst > lbqII·
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenngasparameter einem Volumenanteil des Zusatzgases im Brenngas entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgas Wasserstoff ist.
11. Gasbrenner (100), gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (105) und eine Regelschaltung (106), welche zur Durchführung eines Verfahrens konfiguriert sind, das die folgenden Schritte umfasst: a) Einstellen (S101) einer Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten
Lastwert LI bei einer Ist-Luftzahl Aist; b) Anfahren (S102) einer vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii in einem vorbestimmten Zeitraum Atu.; c) Ermitteln (S103) eines Verlaufs einer Flammentemperatur TF, LI (1, 2) in dem Zeitraum Atu.; und d) Bestimmen (S104) eines Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, LI (1, 2) und Ableiten (S104) einer Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner (100) in Abhängigkeit des Brenngasparameters.
12. Gasbrenner (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (105) und die Regelschaltung (106) zusätzlich zur Durchführung eines Verfahrens konfiguriert sind, welches zwischen den Schritten c) und d) zusätzlich die folgenden Schritte umfasst: i) Zurückfahren (S201) auf die Luftzahl Aist und Einstellen der Brennerlast auf einen zweiten vorbestimmten Lastwert L2 > LI; ii) Erneutes Anfahren (S202) der vorbestimmten Soll-Luftzahl Asoii in einem vorbestimmten Zeitraum At_2; iii) Ermitteln (S203) des Verlaufs der Flammentemperatur TF, L2 (1, 2) in dem Zeitraum Dΐi_2, wobei in Schritt d) der Brenngasparameter aus den Verläufen der Flammentemperatur T , LI und T , L2 (1, 2) bestimmt wird.
13. Gasbrenner (100) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Gasbrenner (100) zusätzlich eine Zündelektrode (102), Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung (104) und eine Schalteranordnung (103) zum Verbinden der Zündelektrode (102) mit und zum Trennen der Zündelektrode (102) von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung (104) aufweist.
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