DE3888327T2

DE3888327T2 - Brennstoffbrennereinrichtung und ein Kontrollverfahren.

Info

Publication number: DE3888327T2
Application number: DE3888327T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Kimura; Keiichi Minamino; Neil Andrew Ovenden
Original assignee: British Gas PLC
Current assignee: BG Group Ltd
Priority date: 1987-12-03
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2008-12-03
Also published as: GB2214666A; EP0322132B1; JPH01260213A; GB2214666B; US4994959A; ES2049753T3; DE3888327D1; DK673088D0; DK673088A; DK171860B1; GB8728327D0; EP0322132A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung bzw. Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses für eine Brennstoffbrennereinrichtung und beschäftigt sich insbesondere mit solchen Systemen für den Hausgebrauch, d.h. für Wassererwärmungs- oder Raumheizungszwecke.
Konventionelle Heizeinrichtungen für den Hausgebrauch wurden auf einer An/Aus-Basis als Mittel zur Anpassung an die Systemlast gesteuert.
Es ist vorgeschlagen worden, ein Gasheizungssystem mit einem Gasbrenner mit vollständiger Vormischung und künstlichem Zug zu verwenden und die Brennstoff- und Luftversorgung für den Brenner unter Ansprechen auf die Lastanforderungen zu verändern bzw. zu modulieren und das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu regeln, um einen zufriedenstellenden Betrieb aufrechtzuerhalten.
In industriellen Anwendungen ist es eine herkömmliche Verfahrensweise, Luft/Brennstoff-Verhältnisse mittels des sogenannten "zern-governor-Systems" (Nullregler-System) konstant zu halten, aber es hat sich herausgestellt, daß dies für Haussysteme unpraktisch ist. In der industriellen Praxis war ebenfalls bekannt, Luft/Brennstoff-Verhältnisse unter Ansprechen auf Verbrennungsproduktsensoren zu steuern, indem ein geschlossener Regelkreis verwendet wird.
Die EP-A-0 062 855 offenbart ein Steuerungssystem für Gasheizer für erhitztes Wasser oder Luft, bei dem die für eine vollständige Verbrennung erforderliche Luftmenge automatisch bestimmt wird und zum Gebrauch zusammen mit dem zugeführten Gas zugeführt wird. Ein Gasregelventil versorgt einen Brenner mit der erforderkichen Menge Gas gemäß der Wärmeanforderung. Ein Sensor reagiert auf die Menge an Sauerstoff oder Kohlendioxid in den Heizgasen, indem er ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt, welches innerhalb eines elektrischen Reglers mit einem Sollwert verglichen wird. Wenn Abweichungen von dem Erforderlichen auftreten, steuert ein Ausgangssignal des Reglers eine einstellbare Luftversorgung durch ein Gebläse derartig, daß die erforderliche Luftmenge zur Erzielung einer optimalen Verbrennung zugeführt wird.
US-A-4369026 offenbart eine Methode zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Sauerstoff/Brennstoff-Verhältnisses in einem Verbrennungsprozess, wenn die von dem Verbrennungsprozess verlangte Hitze bzw. Wärme im wesentlichen konstant ist. Zusätzlicher Sauerstoff wird dem Verbrennungsprozess unter Ansprechen auf einen erhöhten Brennstoffzustrom, der von einer Steigerung der Wärmeanforderung an den Verbrennungsprozess herrührt, zugeführt, indem eine Steigerung des Sauerstoffzustroms begonnen wird, bevor die Brennstoffzustromrate unter Ansprechen auf die gesteigerte Hitzeanforderung erhöht wird. Wenn die von dem Verbrennungsprozess geforderte Wärme abnimmt, wird die Abnahme der Brennstoffzustromrate begonnen, bevor eine Reduzierung der Sauerstoffzustromrate begonnen wird.
DE-A-2 356 367 offenbart eine Regelungseinrichtung zum Schutz eines Dampferzeugers gegen Luftunterversorgung. Im Falle einer Erhöhung der Lastanforderung wird zuerst ein Verbrennungsluftstrom erhöht und dann wird der Brennstoffzustrom angepasst. Im Falle einer Abnahme der Last wird der Verbrennungsluftstrom nicht eher gedrosselt, als bis der Brennstoffzustrom erniedrigt wurde.
WO-A-8 001 603 offenbart eine Methode zur Regelung der Verbrennung in einem Ofen bzw. Feuerraum. Die Abgase werden durch eine Sensoranordnung überwacht, um den Sauerstoff - und/oder den Kohlendioxidgehalt zu bestimmen, um ein Regelungssignal zu liefern, welches mit einem geregelten Signal von einem Brennstoffflußsensor verglichen wird, um eine variable Geschwindigkeitssteuerung für ein Gebläse zu liefern, welches Verbrennungsluft für den geregelten Ofen liefert. Die Geschwindigkeit des Gebläses wird gemäß dem Abgasinhalt und der Brennstoffflußrate variiert, um eine kontinuierlich variable Gebläsegeschwindigkeit zu gewähren mit dem Ziel, eine optimale Wirksamkeit zu sichern.
Es ist ein Ziel, eine verbesserte Steuerung für eine Brennstoffbrennereinrichtung bereitzustellen, die für den Hausgebrauch bzw. den häuslichen Bereich anwendbar ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffbrenners mittels einer programmierbaren Steuerungseinheit, die dafür ausgelegt ist, die Zufuhr von Brennstoff und Luft zu verändern, die folgenden Schritte auf:
(a) Bereitstellen eines Eingangswertes Pn für die Reglereinheit, der eine erwünschte Brennbzw. Feuerungsrate repräsentiert;
(b) Bereitstellen eines Eingangswertes Po für die Reglereinheit, der die vorhandene Feuerungsrate repräsentiert;
(c) Bereitstellen einer Abweichung bzw. eines Abweichungswertes Ep in der Reglereinheit, wobei Ep = Pn - Po;
(d) Bestimmen in der Reglereinheit, ob Ep positiv oder negativ ist, um so anzuzeigen, ob eine Zunahme oder eine Abnahme in der Feuerungsrate erforderlich ist, um die Feuerungsrate auf Pn zu setzen;
gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Schritte:
(e) Vergleichen von Ep mit einem vorher festgelegten Abbruchwert bzw. Verzweigungswert Xp;
(f) falls Ep positiv ist und Ep ≥ Xp, gleichzeitiges Modulieren der Brennstoff- und Luftzufuhren zum Brenner in einer luftgeführten Weise bzw. einer Weise, bei der die Luft voraneilt, um die Feuerungsrate auf Pn zu setzen;
(g) falls Ep negativ ist und Ep ≥ Xp, gleichzeitiges Modulieren der Brennstoff- und Luftzufuhren zum Brenner in einer brennstoffgeführten Weise bzw. einer Weise, bei der der Brennstoff voraneilt, um die Feuerungsrate auf Pn zu setzen;
(h) falls Ep positiv ist und Ep < Xp, getrenntes Modulieren der Brennstoff- und Luftzufuhren zum Brenner entweder in einer brennstoffgeführten oder in einer luftgeführten Weise, um die Feuerungsrate auf Pn zu setzen;
(i) falls Ep negativ ist und Ep < Xp, getrennte Modulieren der Brennstoff- und Luftzufuhren zum Brenner in einer brennstoffgeführten Weise, um die Feuerungsrate auf Pn zu setzen;
und unter Ansprechen auf die Abweichung Ep < Xp Durchführen der folgenden Schritte (j) bis (l):
(j) Bereitstellen eines Eingangswertes Ga, der die existierende Sauerstoffkonzentration im Abgas repräsentiert;
(k) Bereitstellen einer Abweichung EG, indem Ga von einem Wert Gn abgezogen wird, der aus einer Menge gespeicherter Daten stammt, die gewünschte Sauerstoffkonzentrationen bei gewünschten Feuerungsraten Pn repräsentieren; und
(l) Modulieren der existierenden Luftrate bzw. Luftzufuhr am Brenner (1), um die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf den gewünschten Wert Gn zu bringen.
Die Erfindung beinhaltet eine Brennstoffbrennerausrüstung mit Luftversorgungseinrichtungen, Brennstoffversorgungseinrichtungen, Modulationseinrichtungen für die Luftversorgung, Modulationseinrichtungen für die Brennstoffversorgung, eine programmierte Reglereinheit, die so ausgelegt ist, daß sie den dem Brenner zugeführten Brennstoff und die dem Brenner zugeführte Luft durch die Steuerung der Modulationseinrichtungen moduliert, Einrichtungen zur Bereitstellung eines Eingangswertes Pn für die Reglereinheit, der repräsentativ ist für die erforderliche Feuerungsrate des Brenners, Einrichtungen zur Bereitstellung eines Eingangswertes Po für die Reglereinheit, der repräsentativ ist für die bestehende bzw. aktuelle Feuerungsrate des Brenners, in einem Abgasweg des Brenners angebrachte Sensoreinrichtungen für die Sauerstoffkonzentration, die so ausgelegt sind, daß sie in die Reglereinheit einen Eingangswert Ga geben, der repräsentativ ist für die Sauerstoffkonzentration im Abgas, wobei die Reglereinheit so programmiert ist, daß sie eine Abweichung Ep = Pn - Po bereitstellt, und, abhängig davon, ob Ep positiv oder negativ ist, die dem Brenner zugeführten Brennstoff- und Luftmenge mittels der Modulationsenrichtungen erhöht oder erniedrigt, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen; Ep mit einem vorher bestimmten Verzweigungswert Xp vergleicht und, falls Ep positiv ist und Ep ≥ Xp, die dem Brenner zugeführten Brennstoff- und Luftmenge gleichzeitig in einer luftgeführten Weise moduliert, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen, falls hingegen Ep negativ ist und Ep > Xp, die dem Brenner zugeführten Brennstoff- und Luftmenge gleichzeitig in einer brennstoffgeführten Weise moduliert, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen, falls hingegen Ep positiv ist und Ep < Xp, werden die dem Brenner zugeführten Brennstoff- und Luftmenge in einer entweder brennstoffgeführten oder in einer luftgeführten Weise getrennt moduliert, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen, falls hingegen Ep negativ ist und Ep < Xp, werden die dem Brenner zugeführten Brennstoff- und Luftmengen in einer brennstoffgeführten Weise getrennt moduliert, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen; und eine Abweichung EG wird festgesetzt indem Ga von einem Wert Gn abgezogen wird, der aus einer Menge gespeicherter Daten stammt, die repräsentativ sind für gewünschte Sauerstoffkonzentrationen bei gewünschten Feuerungsraten Pn; und die am Brenner existierende Luftrate moduliert, um die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf den gewünschten Wert Gn zu bringen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Beispiels beschrieben, wobei sich auf die begleitenden, teilweise schematischen Zeichnungen bezogen wird, in denen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Heizsystems ist, welches das Steuerungssytem in schematischer Form zeigt,
Figuren 2 bis 5 aufeinanderfolgende Teile eines Flußdiagramms eines Steuerungsprogramms für den Regler des Systems aus Figur 1 sind;
Figur 6 eine Alternative zu einem Teil des Flußdiagramms aus den Figuren 3 und 4 ist, und
Figur 7 ein Blockschaltbild ist, welches die Steuerungsstrategie des Steuerungsprogramms aus den Figuren 2 - 6 darstellt.
Das Heizsystem aus Figur 1 hat einen Hauswasserheizer bzw. -erwärmer mit einem Gasbrenner 1 mit vollständiger Vormischung, der mit Gas über ein Modulationsventil 2 und mit Verbrennungsluft durch ein Gebläse 3 versorgt wird, welches eine variable Geschwindigkeit aufweist, eine Gebläsegeschwindigkeitssteuereinheit 4 hat und passenderweise ein Gebläse ist, daß laminare Strömung erzeugt. Der Brenner 1 ist passenderweise ein Bandbrenner und so ausgelegt, daß die Flamme in eine wassergekühlte Verbrennungskammer hineinbrennt, die einen Wärmetauscher 5 aufweist, durch den Wasser von einer Einlaßseite 6 zu einer Auslaßseite 7 zwecks Versorgung von häuslichen Warmwassereinrichtungen oder von Raumheizkörpern fließt. Die Auslaßseite 7 hat passenderweise einen Wassertemperaturfühler oder -thermostaten 8. Ein Schornstein 9 ist zum Entweichen der Verbrennungsprodukte vorgesehen und ein Sauerstoffsensor 10 ist in dem Verbrennungsprodukteweg angebracht.
Passenderweise ist der Sauerstoffsensor ein Zirkonoxidsensor, der so ausgelegt ist, daß er im Betriebsmodus mit Strommessung arbeitet, so daß der begrenzende elektrische Strom, der durch den Sensor geht, im wesentlichen proportional dem Sauerstoffpartialdruck in den Abgasen ist. Alternativ können andere Einrichtungen zur Luftversorgungsmessung verwendet werden.
Der Sauerstoffsensor ist so ausgelegt, daß er ein analoges Signal, welches überschüssigen Sauerstoff in den Verbrennungsprodukten anzeigt, über einen Analog/Digital-Wandler 11 an eine auf einem Mikroprozessor basierende Reglereinheit 12 abgibt. Die Reglereinheit 12 wird von einem Steuerungsprogramm 13 gesteuert, welches unten beschrieben werden wird, und ist so ausgelegt daß sie in einer geregelten Weise einen Funkenerzeuger 15 zur Brennerzündung über ein Relais 14 betreibt, ein strömungsaufwärts oberhalb des Modulierventils 16 gelegenes Brennstoff-An/Aus-Ventil 16 mittels eines Relais 17 betreibt, und das Modulierventil 2 und die Gebläsegeschwindigkeitssteuerung 4 mittels jeweiliger Digital/Analog-Wandler 18, 19 steuert.
Ein Überwachungsdatensichtgerät 20 kann mit der Reglereinheit 12 zu Einstellzwecken oder Programmänderungszwecken verbunden sein.
Ein Flammensensor 21 ist passenderweise am Brenner 1 angebracht, um an die Reglereinheit eine Meldung über eine brennende oder nicht brennende Flamme zu liefern.
Die Steuerungseinheit ist passenderweise so ausgelegt, daß sie auf eine anfängliche Lastanforderung antwortet und den Funkenerzeuger 1 5 und das Brennstoff-An/Aus-Ventil 16 betätigt, um die Zündung bei passenden Starteinstellungen des Modulierventils 2 und der Gebläsegeschwindig keitssteuerung 4 zu bewirken.
Das Steuerungsprogramm 13 ist so ausgelegt daß es die Reglereinheit dazu bringt die in den Flußdiagrammen in den Figuren 2-5 dargelegten Schritte durchzuführen.
Der Überwachungsterminal 20 ist vorgesehen, um zu ermöglichen, die Steuerungsprogramme anzuzeigen und, falls gewünscht, zu verändern. In den meisten Anlagen jedoch wird eine Anzeigeeinrichtung unnötig sein und die wichtigen Programme werden in einem nichtflüchtigen bzw. permanenten EPROM in der Reglereinheit gespeichert sein.
In Figur 2 stellt der Schritt A eine Anfangsbedingung dar, nachdem Zündungs- und Flammendetektion durchgeführt wurden und die Brennerflamme in einem stabilen Zustand ist. Es gibt eine dauernde Überwachung der Flamme durch den Sensor 21 und das Steuerungsprogramm ist so ausgelegt, daß es den Regler dazu bringt, eine Ausschaltung zu bewirken, sollte ein Flammenversagen bemerkt werden. Am Punkt A wird die gewünschte Brennerfeuerungsrate Pn in von dem Zeitgeber T getakteten Intervallen bestimmt, dies richtet sich nach der Heizanwendung, für die die Anlage verwendet wird und kann zum Beispiel unter Ansprechen auf die am Thermostat 8 gemessene Ausgangswassertemperatur in Relation zu einer gewünschten Temperatur geschehen. Bei B wird die gewünschte Feuerungsrate mit der existierenden Feuerungsrate Po verglichen, um in C eine Feuerungsratenabweichung:
Ep = Pn - Po
zu erzeugen. In der Stufe D wird bestimmt, ob die Abweichung Ep positiv ist, was die Erfordernis einer Erhöhung der Feuerungsrate anzeigt; wenn das der Fall ist, geht es im Flußdiagramm bei Punkt M in Figur 5 weiter. Wenn Ep negativ ist, geht es im Flußdiagramm in Punkt E weiter, wo der Absolutwert von Ep verglichen wird mit einem vorprogrammierten Verzweigungswert Xp, der derartig eingestellt ist, daß, wenn Xp überschritten wird, eine derartig große Verringerung der Feuerungsrate erforderlich ist, daß die Brennstoff- und Luftmengen gleichzeitig in einer brennstoffgeführten Weise verringert werden müssen, um Verbrennungsinstabilität zu vermeiden. Wenn Xp überschritten wird, geht es im Flußdiagram in Punkt F in Figur 3 weiter, wodurch die Reglereinheit das Modulierventil 2 und die Gebläsegeschwindigkeitssteuerung dazu bringt, jeweils gleichzeitig die Brennstoff- und Luftraten in einer brennstoffgeführten Betriebsweise um einen Bruchteil rp, der mit der Größe von Ep zusammenhängt zu verringern, so daß in der Stufe G die Feuerungsrate auf den gewünschten Wert Pn eingestellt wird. Der Bruchteil rp wird aus einer gespeicherten Tabelle empirischer rp/Ep-Daten gewonnen.
Die Reglereinheit bestimmt dann eine passende Luftzufuhr, λ, für die Feuerungsrate Pn aus einer gespeicherten Tabelle, die zu verschiedenen Feuerungsraten passende, empirisch gewonnene Sauerstoffkonzentrationen enthält. Zum Beispiel sind bei einem metallischen Brenner mit vollständiger Vormischung bei kleinen Hitzezufuhren höhere Luftzufuhren erforderlich, um den Betriebsbereich des Brenners zu erweitern und die gespeicherte Tabelle wird für den im Einzelfall verwendeten Brenner relevante Daten enthalten.
Bei der Stufe H wird die der gewünschten Luftzufuhr λ entsprechende Abgassauerstoffkonzentration Gr festgestellt und mit der durch den Sensor 10 gemessenen Sauerstoffkonzentration Ga verglichen und ein Abweichungs- bzw. Fehlersignal EG durch Subtraktion festgestellt:
EG = Gr - Ga,
wie es bei Stufe 1 in Figur 4 gezeigt ist. Aus einer gespeicherten Tabelle von empirisch gewonnenen Wertepaaren "Luftratendifferenzenquotient versus Abgassauerstoffabweichung" wird dann in der Stufe J ein Luftratendifferenzenquotient ΔAR/AR genommen. ΔAR ist repräsentativ für eine gewünschte Änderung der Luftrate, um zu der gewünschten Feuerungsrate Pn zu passen und wird in einer Stufe K berechnet, indem der Luftratendifferenzenquotient angewendet wird auf die bzw. multipliziert wird mit der vorhandene(n) Teilluftrateneinstellung, d.h. die vorhandene momentane Einstellung der Digitalsteuerung der Gebläsegeschwindigkeitssteuerung 4. Dies Berechnungsverfahren für die proportionale Änderung der Luftrate benötigt keine Information über die vorhandene Luftrate für die gespeicherte oder innerhalb der gespeicherten Tabelle. Die Tabelle sichert ein identisches Annäherungsprofil an den Null-Fehler-Punkt, unabhängig von der aktuellen Luftrate und des Vorzeichens der Sauerstoffabweichung und liefert eine gleitende Regelung.
Wenn die Sauerstoffabweichung positiv ist, was anzeigt, daß die erforderliche Abgassauerstoffkonzentration größer ist als die aktuelle Konzentration, wird ΔAR zu dem aktuellen Luftratensignal addiert, welches der Gebläsegeschwindigkeitssteuerung 4 zugeführt wird. Wenn EG negativ ist, wird ΔAR von dem vorhandenen Luftratensignal abgezogen.
Am Punkt S wird, wenn die Steuerungsaktion durchgeführt wurde, der Zeitgeber T aus Figur 2 auf Null zurückgesetzt und gestartet. Der Zeitgeber ist, wie in Figur 2 gezeigt, in Verbindung mit Stufe A eingerichtet, um sicherzustellen, daß wenn einmal eine Steuerungsaktion durchgeführt wurde, es eine vorher bestimmte Verzögerung von X Sekunden gibt, bevor eine weitere Steuerungsaktion durchgeführt wird, um Stabilität innerhalb des Systems sicherzustellen. Typischerweise ist eine Verzögerung X zwischen 1 und 5 Sekunden passend.
Unter Rückbezug auf Figur 2, geht das Programm zum Punkt M in Figur 5 und die Leistungsabweichung Ep wird mit Xp verglichen, wenn in der Stufe D die Leistungsabweichung positiv ist, d.h. EP ≥ 0. Wenn Ep ≥ Xp, werden die Luft- und Brennstoffraten in einer luftgeführten Weise gleichzeitig um einen Bruchteil ip erhöht, der mit der Größe von Ep in einer vorher bestimmten Weise in gespeicherten Werten ip gegen Ep, die empirisch gewonnen wurden, verknüpft ist. Ähnlich wie in der Situation mit negativer Leistungsabweichung sichert diese Vorgehensweise Verbrennungsstabiltät bei dem Brenner mit Vormischung. Für große positive Fehler, nach einer Erhöhung der Luft- und Brennstoffraten mit dem Faktor ip geht die Steuerung zurück zu den Figuren 3 und 4, Abschnitte G bis L, wie in Situationen mit großer negativer Abweichung.
Der Fall, wenn die Leistungsabweichung kleiner ist als Xp, d.h.
Ep oder Ep < Xp wird unten beschrieben.
Der Grund, warum (Ep) mit dem Verzweigungspunkt Xp verglichen wird, ist es, zu bestimmen, ob die Leistungsabweichung Ep ausreichend groß für eine zu erfolgende große abgeschätzte Verringerung in der Leistung ist, um eine schnelle Steuerungsaktion zu erhalten, um dann darauf folgend korrigiert zu werden, indem Ep durch eine langsame Steuerungsaktion unter Ansprechen auf den Abgassauerstoffgehalt Gr auf Null verringert wird, oder ob Ep ausreichend klein ist, damit die Korrektur sofort geschehen kann, ohne die Erfordernis eines Abschätzungszwischenschrittes. Diese Verfahrensweise stellt sicher, daß bei Situationen mit großer Regelabweichung eine schnelle Regelungsaktion durchgeführt wird, die dann im Folgenden mit einer langsameren Geschwindigkeit korrigiert wird.
Das Folgende bezieht sich auf alle Fälle mit kleiner Abweichung, sei sie positiv oder negativ.
In der Stufe G wird der kleine Fehler Ep in der Feuerungsrate korrigiert, große Fehler wurden bereits in einer passenden Weise behandelt. Wenn als Folge der Kleinheit der Abweichung Ep zu vermuten ist, daß in einigen Systemen alle Steuerungsaktionen, sei es Erhöhung oder Erniedrigung der Feuerungsrate Po, sicher sind, wenn sie in einer brennstoffgeführten Weise durchgeführt werden, d.h. die Pn entsprechende Brennstoffrate wird vor den kleinen Korrekturen in der Luftrate AR eingestellt, was zu der richtigen Abgassauerstoffkonzentration führt (wie es in den Abschnitten H bis L in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist), und der Verzweigungspunkt Xp entsprechend eingestellt wird, so gilt dies nicht für große Abweichungen in Ep, die behandelt werden müssen wie oben beschrieben, um eine sichere, schnelle Regelung sicherzustellen.
In einigen anderen Systemen mit kleinen Abweichungen in Ep jedoch kann es wünschenswert sein, ein luftgeführtes System zu verwenden, um die Feuerungsrate Po zu erhöhen und ein brennstoffgeführtes System, um Po zu erniedrigen. In derartigen Systemen folgt nach einer Stufe O für eine kleine positive Abweichung oder nach einer Stufe F für eine kleine negative Abweichung die Regelung bzw. die Steuerung, statt bei der Stufe G in Figur 3 weiterzumachen, einem alternativen Pfad, wie es in dem Flußdiagramm in Figur 6 gezeigt ist, der an einer Stufe beginnt, bei der eine Entscheidung gefällt wird, ob die Feuerungsrate Po erhöht oder erniedrigt werden soll. Wenn die Feuerungsrate in einer luftgeführten Weise erhöht werden soll, wird eine passende Luftbeimischung aus einer Nachschlagtabelle gewonnen und die Luftbeimischung (Luft/Brennstoff-Verhältnis) wird mittels ähnlicher Schritte durch die Stufen H bis L der Figuren 3 und 4 angepasst, aber indem Brennstoff anstatt Luft angepasst wird, bis Eg=0. Wenn nein, d.h. eine Erniedrigung erforderlich ist, wird die Feuerungsrate in einer brennstoffgeführten Weise erniedrigt, indem das Gasventil eingestellt wird, um die Brennstoffrate auf einen Wert, der Pn entspricht, einzustellen und dann wird den Abschnitten H bis L der Figuren 3 und 4, wie oben beschrieben, gefolgt.
Die Steuerungsstrategie des Systems wird durch das Blockdiagramm der Figur 7 dargestellt, in dem ein extern erzeugtes Wärmeanforderungssignal am Punkt P verglichen wird mit einem im System erzeugten Signal, welches die Wärmeabgabe repräsentiert und welches zum Beispiel von einem Temperatursensor im fließenden Wasser, einem Wassermengendurchflußsensor und einem Temperatursensor oder einem Brennstoffdurchsatzsensor hergeleitet sein kann, abhängig von der Art der Einrichtung, mit der das System verwendet wird und deren Anwendung. Der Vergleich dieser zwei Signale ergibt ein Abweichungssignal, das im luftgeführten Betriebsmodus eine proportionale Änderung in der Gebläsegeschwindigkeit erzeugt, bis die Abweichung Null ist, zu welchem Zeitpunkt die Gebläsegeschwindigkeit konstant gehalten wird. Bei Q wird dann das Brennstoffventil gesteuert unter Ansprechen auf empirische Daten des optimalen Sauerstoffüberschusses versus Wärmeanforderung, die verglichen werden mit dem aktuellen, in den Abgasen durch einen Sauerstoffsensor gemessenen, Sauerstoffüberschuß, um ein Abweichungssignal zur Steuerung des Brennstoffventils zu erzeugen.
Wie oben erwähnt kann es unter gewissen Umständen, zum Beispiel bei kleinen Leistungsabweichungen in Situationen mit schnellem Ansprechverhalten, aus Sicherheitsgründen wünschenswert sein, als luftgeführtes System zu arbeiten, wenn die Wärmeanforderung steigt, und als brennstoffgeführtes System, wenn die Anforderung fällt. Daher wird die Luftrate im brennstoffgeführten Betriebsmodus unter Ansprechen auf ein Abweichungssignal in Q verändert. Aus der Kenntnis der dynamischen, zeitabhängigen Eigenschaften des Sytems ist es möglich, deren kumulativen Effekt vorherzusehen, indem die Steuerungseingabe am Punkt P verändert wird und es ist möglich, Verzögerungen und Kompensationsfaktoren an den Punkten P und Q einzufügen, auf die der Systemregler einen Einfluß hat, um sicherzustellen, daß eine Betriebsinstallation planmäßig und nicht schwingend, aber genau und schnell handelnd ist.
Es ist einzusehen, daß, wenn die Zusammensetzung des zugeführten Gases variiert, sowohl die Wobbezahl bzw. der Wobbeindex als auch die Verbrennungslufterfordernis sich ändern können. Durch eine passende Wahl des Wärmeabgabesensors kann, falls nötig, der Einfluß eines variierenden Wobbeindexes auf die Wärmeabgabe kompensiert werden. Außerdem kann der Einfluß einer sich ändernden Verbrennungslufterfordernis auf die überschüssige Luft mit diesem System unwirksam gemacht werden.
Während die Erfindung in Bezug auf die Steuerung einer Gaseinrichtung beschrieben worden ist, kann sie in ähnlicher Weise angewendet werden auf Einrichtungen, die Brenner, die andere Brennstoffe als Gas verwerten, verwenden.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffbrenners (1) mit Hilfe einer programmierten Reglereinheit (12), welche dafür ausgelegt ist, die Zufuhr (3, 16) von Brennstoff und Luft zu dem Brenner (1) zu modulieren bzw. zu verändern mit:

(a) Bereitstellen eines Eingabewertes Pn für die Reglereinheit (12), welcher eine erforderliche Brenn- bzw. Feuerungsrate repräsentiert,

(b) Bereitstellen eines Eingabewertes Po für die Reglereinheit (12), welcher die aktuelle Feuerungsrate repräsentiert,

(c) Bereitstellen eines Fehlerwertes Ep in der Reglereinheit (12), wobei Ep = Pn - Po;

(d) Bestimmen in der Reglereinheit (12), ob Ep positiv oder negativ ist, um dadurch anzuzeigen, ob eine Steigerung oder Senkung der Feuerungsrate erforderlich ist, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Schritte:

(e) Vergleichen von Ep mit einem vorher festgelegten Unterbrechungswert Xp;

(f) falls Ep positiv und Ep ≥ Xp, gleichzeitiges Modulieren der Brennstoff- und der Luftzufuhr (13, 16) zu dem Brenner (1) in einer durch die Luft geführten bzw. luftvorauseilenden Weise, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen,

(g) falls Ep negativ ist und Ep ≥ Xp, Modulieren der Brennstoff- und der Luftzufuhr (3, 16) zu dem Brenner (1) gleichzeitig in einer durch den Brennstoff geführten bzw. brennstoffvorauseilenden Weise, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen,

(h) falls Ep positiv und Ep < Xp ist, Modulieren der Brennstoff- und Luftzufuhr (3, 16) getrennt zu dem Brenner (1) entweder in einer mit dem Brennstoff vorangehenden Weise oder in einer mit der Luft führenden Weise, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen,

(i) falls Ep negativ und Ep < Xp, Modulieren der Brennstoff- und Luftzufuhr (3, 16) getrennt zu dem Brenner (1) in einer mit dem Brennstoff vorangehenden Weise, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen,

und unter Ansprechen auf den Fehler Ep < Xp Ausführen der folgenden Schritte (j) bis (l) --

(j) Bereitstellen eines Eingabewertes Ga, der die vorhandene Sauerstoffkonzentration im Abgas repräsentiert,

(k) Bereitstellen eines Fehlers EG durch Subtrahieren des Wertes Ga von einem Wert Gr gespeicherter Daten, welcher bzw. welche der gewünschten Sauerstoffkonzentration bei gewünschten Feuerungsraten Pn entsprechen, und

(l) Modulieren der vorhandenen Belüftung bzw. Luftzufuhr an dem Brenner (1), um die Sauerstoffkonzentration des Abgases zu korrigieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem, falls Ep ≥ Xp, die Brennstoff- und Luftzufuhr (3, 16) zu dem Brenner (1) durch einen Reduktionsfaktor rp oder einen Steigerungsfaktor ip moduliert werden, der auf die Größe von Ep bezogen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches weiterhin die Schritte aufweist: Vergleichen von EG mit gespeicherten Daten, welche einem als Bruch dargestellten Luftratendifferential ΔAR/AR gegenüber EG, wobei ΔAR der gewünschten Änderung der Luftrate und AR der Luftstrom zu dem Brenner entsprechen, und Modulieren der aktuellen Luftrate entsprechend dem relevanten ΔAR, um die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu korrigieren.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Reglereinheit (12) zeitlich so abgestimmt wird, daß sie eine minimale Verzögerung X zwischen aufeinanderfolgenden Regelvorgängen bereitstellt und daß X mit Bezug auf die charakteristischen Eigenschaften des Brenners (1), die Reglereinrichtungen und Zusatzgeräte ausgewählt wird, um die Stabilität der Regelung bzw. Steuerung sicherzustellen.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Anwendung auf eine Gasbrennerausrüstung.

6. Brennstoffbrennernusrüstung mit:

Luftzufuhreinrichtungen (3), Brennstoffzufuhreinrichtungen (16), Modulier- bzw. Veränderungseinrichtungen für die Luftzufuhr (4) und Modulier- bzw. Veränderungseinrichtungen für die Brennstoffzufuhr (2), einer programmierten Regeleinheit (12), die so ausgelegt ist, daß sie den dem Brenner (1) zugeführten Brennstoff und die zugeführte Luft durch Steuerung bzw. Regelung der Moduliereinrichtungen (4, 2) verändert, Einrichtungen für die Bereitstellung eines Eingabewertes Pn für die Regeleinheit (12), welcher einer erforderlichen Befeuerungsrate des Brenners (1) entspricht, Einrichtungen zum Bereitstellen eines Eingabewertes Po für die Regeleinheit (12), welcher der aktuellen Befeuerungsrate des Brenners (1) entspricht, Sensoreinrichtungen (10) für die Sauerstoffkonzentration, welche in einem Abgasweg des Brenners (1) angeordnet und so ausgelegt sind, daß sie an die Regeleinheit (12) einen Eingabewert Ca geben, welcher der Sauerstoffkonzentration im Abgas entspricht, wobei die Regeleinheit (12) so programmiert ist, daß sie einen Fehler Ep = Pn - Po bereitstellt und in Abhängigkeit davon, ob Ep positiv oder negativ ist, die Brennstoff- und Luftzufuhr zu dem Brenner (1) steigert oder senkt, und zwar mit Hilfe der Moduliereinrichtungen (4, 2), um die Befeuerungsrate auf Pn einzustellen, Ep mit einem vorbestimmten Grenzwert Xp vergleicht, und, wenn Ep positiv und Ep ≥ Xp ist, die Brennstoff- und Luftzufuhr (3,16) zu dem Brenner (1) gleichzeitig in einer Weise moduliert, bei welcher die Luft voraneilt, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen, während dann, wenn Ep negativ und Ep ≥ Xp ist, die Brennstoff- und Luftzufuhr (3,16) zu dem Brenner (1) gleichzeitig in einer Weise moduliert, bei welcher der Brennstoff voraneilt, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen, während dann, wenn Ep positiv und Ep < Xp ist, die Brennstoff- und Luftzufuhr (3, 16) zu dem Brenner (1) getrennt moduliert wird und zwar entweder in einer Weise, bei welcher der Brennstoff voraneilt oder in einer Weise, bei welcher die Luft voraneilt, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen während dann, wenn Ep negativ und Ep < Xp ist, die Brennstoff- und Luftzufuhr (3, 16) zu dem Brenner getrennt moduliert wird in einer Weise, bei welcher der Brennstoff voraneilt, um die Feuerungsrate auf Pn einzustellen, und weiterhin so programmiert ist, daß sie einen Fehler EG bereitstellt, indem sie Ca von einem Wert Gr gespeicherter Daten abzieht, welche gewünschten Sauerstoffkonzentrationen bei gewünschten Feuerungsraten Pn entsprechen und die aktuelle Luftrate an dem Brenner (1) so moduliert wird, daß die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf den gewünschten Wert Gr korrigiert wird.

7. Ausrüstung nach Anspruch 6, bei welcher die Regeleinheit (12) so programmiert ist, daß sie die Brennstoff- und Luftzufuhr (3,16) zu dem Brenner (1) durch einen Reduktionsfaktor rp oder einen Steigerungsfaktor ip moduliert, falls Ep ≥ Xp.

8. Ausrüstung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher die Regeleinheit (12) so programmiert ist, daß sie den Fehler EG mit gespeicherten Daten vergleicht, welche einem als Bruch dargestellten Luftratendifferential ΔAR/AR gegenüber EG entsprechen, wobei ΔAR die gwünschte Änderung der Luftrate wiedergibt und AR der Luftstrom zu dem Brenner (1) ist, und so, daß die vorhandene Luftrate entsprechend dem relevanten ΔAR moduliert wird, um die Sauerstoffkonzentration im Abgas zu korrigieren.

9. Ausrüstung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner ein Gasbrenner ist.