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EP2594848B1 - Verfahren zur Steuerung einer Feuerungseinrichtung und Feuerungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zur Steuerung einer Feuerungseinrichtung und Feuerungseinrichtung Download PDF

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Publication number
EP2594848B1
EP2594848B1 EP13152525.5A EP13152525A EP2594848B1 EP 2594848 B1 EP2594848 B1 EP 2594848B1 EP 13152525 A EP13152525 A EP 13152525A EP 2594848 B1 EP2594848 B1 EP 2594848B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
opening
firing device
value
gas
burner
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP13152525.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2594848A1 (de
Inventor
Rudolf Tungl
Martin Geiger
Ulrich Geiger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ebm Papst Landshut GmbH
Original Assignee
Ebm Papst Landshut GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE202004017851U external-priority patent/DE202004017851U1/de
Priority claimed from DE102004030299A external-priority patent/DE102004030299A1/de
Application filed by Ebm Papst Landshut GmbH filed Critical Ebm Papst Landshut GmbH
Publication of EP2594848A1 publication Critical patent/EP2594848A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2594848B1 publication Critical patent/EP2594848B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/16—Systems for controlling combustion using noise-sensitive detectors

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a firing device, in particular a gas burner, and a firing device, in particular a gas burner, which comprises a gas valve for adjusting the fuel supply to the firing device.
  • the power output is essentially determined by the setting of the supply of Fuel gas and air and determined by the set mixing ratio between gas and air.
  • the temperature generated by the flame is also a function of the mixing ratio between gas and air.
  • the mixing ratio can be specified, for example, as the ratio of the mass flows or the volume flows of the air and the gas. However, other parameters, such as the fuel composition, have an influence on the sizes mentioned.
  • a mixing ratio can be determined which maximizes the effectiveness of the combustion, i. where the fuel burns as completely and clean as possible.
  • known gas burners are usually equipped with a radial fan, which sucks the mixture of air and gas during operation.
  • the adjustment of the mass flows of air and gas can be done for example by changing the speed and thus the suction of the impeller of the radial fan.
  • valves can be provided in the gas and / or air supply line, which can be actuated to set the individual mass flows or their ratio.
  • various sensors can be arranged at suitable locations.
  • appropriate measuring devices can be provided for measuring the mass flow and / or the volume flow of the gas and / or the air and / or the mixture.
  • state variables such as the temperature of the air, pressures, etc., can be measured at appropriate locations, evaluated and used for the control.
  • the regulation of the mixing ratio is done today by default, especially for gas burners used in the household, by pneumatic control of a gas valve in dependence on the volume flow of the supplied air quantity (principle of pneumatic composite).
  • pneumatic control pressures or pressure differences on orifices, in constrictions, or in venturi nozzles are used as control variables for a pneumatic gas control valve that adjusts the gas supply to the airflow.
  • a disadvantage of the pneumatic control is in particular that mechanical components must be used which are subject to hysteresis effects due to the friction. Especially at low working pressures, inaccuracies in the control, so that the blower must always produce a certain minimum pressure to achieve a sufficiently precise control, which inversely leads.
  • the use of the electronic interconnect also presents situations that can not be adequately addressed, such as a change in sensitivity of the sensors due to contamination.
  • the DE 100 45 270 C2 discloses a firing device and method for controlling the firing device with fluctuating fuel quality.
  • the fuel-air ratio becomes corresponding changed.
  • the mixture composition is adjusted for each suitable type of fuel until the desired flame core temperature is reached.
  • maps are used for different fuels, from which a new, suitable fuel-air ratio is read out whenever the performance requirements change.
  • a derivative component for the control signal of the gas valve is derived from the speed change of the air blower. Since the power control signal characteristic is known and stored in an evaluation circuit, the derivative part can be determined.
  • the reference signal J ' ie a change in the power requirement
  • the speed of the fan is changed. This change in the speed determines via an adder a positive or negative derivative part, by which the control signal is adjusted. The resulting control signal changes accordingly the position of the gas valve.
  • the EP 1 293 727 A1 further discloses a burner control apparatus using an ionization electrode and a calibration unit.
  • a control system for a gas burner is shown.
  • the regulation takes place here using a temperature measured at the burner surface. Since the surface temperature depends on the flow rate of the air-gas mixture, falling below a certain temperature, the speed of the fan motor is lowered, whereby the air flow and thus the air-gas ratio is lowered.
  • a method for controlling a gas burner is known in which the CO concentration in the exhaust gases of the burner flame is detected with an exhaust gas sensor.
  • a certain CO value corresponds to a certain gas-air ratio.
  • gas-air ratio at a certain CO value a desired gas-air ratio can be set.
  • the EP 770 824 B1 shows a control of the gas-air ratio in the fuel-air mixture by measuring a Ionisationsstrorns, which depends on the excess air in the exhaust gases of the burner flame. In stoichiometric combustion is known a maximum of the ionization current is measured. Depending on this value, the mixture composition can be optimized.
  • a disadvantage of the last-mentioned method is that the feedback signal can only be detected when the flame is burning and fed back to the control loop.
  • the inertia of the sensors limits accurate readjustment.
  • the sensors used are subject to contamination, so that the combustion is suboptimal regulated over time and thus increase the pollutant levels.
  • pneumatic regulator which, however, increases the complexity of the plant as well as the costs.
  • the inventive method for controlling a firing device is characterized by the combination of features according to claim 1.
  • the actuators such as the fan or a gas control valve
  • a certain period of time which depends on the inertia of the sensors, be readjusted. It thus takes place in the execution of the method according to the invention, a transition from a pure control to a control.
  • the parameter corresponding to the burner load is the mass flow of the air to be supplied to the firing device.
  • the opening values of the gas valve can therefore be represented in this embodiment as a function of the mass of the air.
  • the characteristic of this characteristic is determined inter alia by the properties of the gas valve.
  • the burner load is substantially proportional to the amount of air supplied to the gas burner per unit time.
  • the change of the opening of the gas valve may be performed by the modulation of a pulse width, by the variation of a voltage or a current of a valve spool, or by the operation of a stepping motor of a valve.
  • Exceeding the upper or lower limit of the opening of the gas valve can be detected in the process. While after the control process, the opening of the gas valve is between the upper and lower limit, after the control step, the gas opening may be above or below the upper or lower limit. This can occur, in particular, if the setpoint values for the opening of the gas valve that are defined when the characteristic curve is generated deviate greatly from the optimally adjusted values. This can be due to changes in the fuel composition, changes in the measurement characteristics of the sensors or the settings of the system parameters.
  • the characteristic resulting from the opening values of the gas valve as a function of the parameter corresponding to the burner load is recalibrated based on the control unit operating parameters set by the controller. Falls after the regulation, the value of the opening of the gas valve from the through the upper and lower limits limited range, so a recalibration of the characteristic can be performed. For example, during this recalibration, the setpoints may be shifted so that the new setpoint line passes through the adjusted value for the opening of the gas valve. In the same way, the upper and lower limits can be shifted, so that the new setpoint curve is surrounded by a tolerance corridor, as in the previously valid characteristic curve.
  • Exceeding the upper or falling below the lower limit can, in particular after the expiry of a predetermined period of time, lead to switching off the firing device. This measure can be based on both safety concerns and economic considerations. Control to a range outside the desired margin indicated by the limits may, for example, indicate an undesirable change in the default settings of the gas burner, so that it may operate in an unsafe or ineffective operating range. The device would have to be checked and maintained below.
  • a firing device in particular a gas burner, comprises: a gas valve for adjusting the fuel supply to the firing device; a memory for storing set values that depend on a parameter corresponding to the burner load and upper and lower limits; a device for controlling the opening of the gas valve, which, in the event of a change of the parameter corresponding to the burner load from a starting value to a target value, adapts the opening of the gas valve from a first to a second opening value according to a stored nominal value, the second opening value between a stored upper and a lower limit, and wherein during the transition of the opening of the gas valve from the first to the second opening value, no control of the fuel supply is performed; Means for controlling, after reaching the target value of the parameter corresponding to the burner load, operating parameters of the firing device and means for recalibration a characteristic resulting from the set values for the opening (w) of the gas valve in dependence on the parameter (m L ), based on the operating parameters set by a controller following the control, when the valve opening (w)
  • the gas valve may be an actuator, in particular a stepper motor, a pulse width modulated or a coil controlled by an electrical variable.
  • the firing device has at least one mass flow sensor for measuring the amount of air supplied to the firing device per unit time.
  • the firing device may further comprise a mass flow sensor for measuring the amount of fuel medium supplied to the firing device per unit time and / or the amount of the supplied mixture of air and fuel medium.
  • the firing device in the region of the burner flame may have a device for measuring a temperature generated by the firing device.
  • the temperature sensor may be arranged, for example, in the region of the flame, but also on the burner in the vicinity of the flame.
  • a thermocouple can be used as a temperature sensor.
  • FIG. 1 shows a gas burner in which a mixture of air L and gas G is premixed and burned.
  • the gas burner has an air supply section 1, is sucked through the combustion air L.
  • a mass flow sensor 2 measures the mass flow of the air L sucked in by a blower 9.
  • the mass flow sensor 2 is arranged so that as laminar a flow as possible is generated in its environment in order to avoid measurement errors.
  • the mass flow sensor could be arranged in a bypass (not shown) and using a laminar element.
  • a valve 3 may be arranged for the combustion air. However, however, usually a regulated fan with air mass flow sensor will be used, so that the valve can be omitted.
  • a gas supply section 4 is provided, which is connected to a gas supply line.
  • the gas flows through the section 4, during operation of the gas burner.
  • a valve 6, which may be an electronically controlled valve the gas flows through a conduit 7 into the mixing region 8.
  • a mixing of the gas G with the air L takes place.
  • the fan of the fan 9 is driven at an adjustable speed to suck in both the air L and the gas G.
  • the valve 6 is adjusted so that, taking into account the other operating parameters, such as the speed of the fan, a predetermined air-gas ratio enters the mixing area 8.
  • the air-gas ratio should be chosen so that the most clean and effective combustion takes place.
  • the air-gas mixture flows from the blower 9 to the burner part 11. There it exits and feeds the burner flame 13, which is to deliver a predetermined heat output.
  • a temperature sensor 12 for example a thermocouple
  • an actual temperature is measured, which is used in carrying out the method described below for controlling or controlling the gas burner.
  • the temperature sensor 12 is arranged on a surface of the burner part 11. However, it is also conceivable to arrange the sensor elsewhere in the area of action of the flame 13.
  • the reference temperature of the thermocouple is measured at a position outside the effective range of the flame 13, for example in the air supply line 1.
  • a device, not shown, for controlling or regulating the air and / or gas flow receives input data from the temperature sensor 12 and the mass flow sensor 2 and outputs control signals to the valve 6 and to the drive of the blower 9.
  • the opening of the valve 6 and the speed of the fan of the fan 9 are adjusted so that the desired air and gas supply results.
  • control device has a memory for storing characteristic curves or nominal values as well as a corresponding data processing unit which is set up to carry out the corresponding methods.
  • FIG. 2 is a dependence of the opening w of the gas valve 6, which determines the fuel supply, shown in dependence on the mass flow m L of the burner supplied air.
  • the mean curve K3 corresponds to a desired value curve which indicates the predetermined opening values w soll of a gas valve 6 as a function of a corresponding air mass flow m L.
  • the air mass flow m L is changed from an initial value m L1 to a second value m L2 and adapted to the new load Q 2 .
  • the control is switched off and the opening value w of the gas valve from previously set value w 1 changed to a new target opening value w 2 ,
  • the value w 2 is on the target opening curve K3.
  • the adjusting opening of the gas valve is in any case between an upper limit curve K1 and a lower limit curve K2, which indicate a tolerance range for the opening of the gas valve.
  • the upper limit curve K1 corresponds to a maximum allowable opening of the gas valve
  • the lower limit curve K2 a minimum allowable opening of the gas valve. 6
  • the operating parameters of the firing device in particular the setting of the valve 6 and the speed of the fan of the fan 9 are adjusted so that the combustion process is optimized.
  • the scheme can be done in any way. In the present example it is done by measuring a generated by the burner flame 13 in its sphere of temperature T is 12 by a temperature sensor
  • the control can for example take place as in the method described above.
  • pulse width modulated valves electronically controlled valves or valves with a stepper motor actuated actuator.
  • the control signal for adjusting the opening of the gas valve can accordingly trigger, for example, the operation of a stepping motor, or change the pulse width, the voltage or the current of a coil.
  • the air mass flows m L and gas mass flows m G are measured by mass flow sensors 2 and 5.
  • a valve opening w which lies above the upper limit curve K1 or below the lower limit curve K2 is now set in one phase of the method before or after the control process has been carried out, appropriate consequences can be drawn.
  • leaving the tolerance corridor lying between K1 and K2 can lead to a calibration process.
  • the setpoint curve K3 like the limit curves K1 and K2, can be shifted so that a uniform tolerance corridor for the opening of the gas valve 6 around the setpoint curve K3 also results in the new curve.
  • exceeding the limit curves K1 or K2 upwards or downwards after a certain period of time or in case of repeated overshoot or undershoot can cause the device to be switched off. It may happen that certain gas burner settings change over time or certain boundary conditions have changed so that a safety hazard occurs or the gas burner operates in a non-effective operating state.
  • a deviation of the opening of the gas valve from the permitted corridor can be triggered for example by a deviation of the gas pressure from the permissible inlet pressure range or by a malfunction of the sensors. The shutdown can thus be interpreted as an indication that a review and maintenance of the device is required.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Regulation And Control Of Combustion (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, und eine Feuerungseinrichtung, insbesondere einen Gasbrenner, der ein Gasventil zur Einstellung der Brennstoffzufuhr zur Feuerungseinrichtung umfasst.
  • Im Haushalt werden Gasbrenner beispielsweise als Durchlauferhitzer, für die Bereitung von Warmwasser in einem Kessel, zur Bereitstellung von Heizwärme u. ä. eingesetzt. In den jeweiligen Betriebszuständen werden an das Gerät unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dies betrifft insbesondere die Leistungsabgabe des Brenners.
  • Die Leistungsabgabe wird im Wesentlichen durch die Einstellung der Zufuhr von Brenngas und Luft und durch das eingestellte Mischungsverhältnis zwischen Gas und Luft bestimmt. Auch die von der Flamme erzeugte Temperatur ist unter anderem eine Funktion des Mischungsverhältnisses zwischen Gas und Luft. Das Mischungsverhältnis kann beispielsweise als Verhältnis der Massenströme oder der Volumenströme der Luft und des Gases angegeben werden. Es haben jedoch auch andere Parameter, wie die Brennstoffzusammensetzung, Einfluss auf die genannten Größen.
  • Für jeden vorgegebenen Luft-Massenstrom bzw. Gas-Massenstrom lässt sich zudem ein Mischungsverhältnis bestimmen, bei dem die Effektivität der Verbrennung maximiert wird, d.h. bei dem der Brennstoff möglichst vollständig und sauber verbrennt.
  • Aus diesem Grund hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Massenströme von Gas und Luft zu regeln und stets so einzustellen, dass jeweils eine optimale Verbrennung unter sich verändernden Anforderungen und Randbedingungen erreicht wird. Eine Regelung kann laufend oder in periodischen Abständen stattfinden. Insbesondere ist eine Regelung bei einer Umstellung des Betriebszustands, jedoch beispielsweise auch auf Grund von Änderungen der Brennstoffzusammensetzung im kontinuierlichen Betrieb erforderlich.
  • Zur Bereitstellung des Luft-/Gasgemisches, durch das die Brennerflamme gespeist wird, sind bekannte Gasbrenner in der Regel mit einem Radialgebläse ausgestattet, das im Betrieb das Gemisch aus Luft und Gas ansaugt. Die Einstellung der Massenströme von Luft und Gas kann beispielsweise durch die Änderung der Drehzahl und damit der Ansaugleistung des Gebläserads des Radialgebläses erfolgen. Zusätzlich können Ventile in der Gas- und/oder Luftzufuhrleitung vorgesehen sein, die zur Einstellung der einzelnen Massenströme oder ihres Verhältnisses betätigt werden können. Zur Messung einzelner Parameter können verschiedene Sensoren an geeigneten Stellen angeordnet sein. So können zur Messung des Massenstroms und/oder des Volumenstroms des Gases und/oder der Luft und/oder des Gemisches entsprechende Messvorrichtungen vorgesehen sein. Ebenso können Zustandsgrößen wie die Temperatur der Luft, Drücke usw. an geeigneten Stellen gemessen, ausgewertet und für die Regelung verwendet werden.
  • Die Regelung des Mischungsverhältnisses erfolgt heute standardmäßig, insbesondere bei im Haushalt eingesetzten Gasbrennern, durch pneumatische Steuerung eines Gasventils in Abhängigkeit vom Volumenstrom der zugeführten Luftmenge (Prinzip des pneumatischen Verbunds). Bei der pneumatischen Steuerung werden Drücke oder Druckdifferenzen an Blenden, in Verengungen oder in Venturidüsen als Steuergrößen für ein pneumatisches Gasregelventil, durch das die Gaszufuhr zum Luftstrom eingestellt wird, verwendet. Nachteilhaft an der pneumatischen Steuerung ist jedoch insbesondere, dass mechanische Bauteile eingesetzt werden müssen, die auf Grund der Reibung mit Hystereseeffekten behaftet sind. Besonders bei niedrigen Arbeitsdrücken kommt es zu Ungenauigkeiten in der Steuerung, so dass das Gebläse stets einen bestimmten Mindestdruck erzeugen muss, um eine ausreichend präzise Regelung zu erreichen, was umgekehrt.aber zu einer Überdimensionierung des Gebläses für die Maximalleistung führt. Außerdem ist der Aufwand bei der Herstellung der mit Membranen ausgestatteten pneumatischen Gasregelventile wegen der hohen Präzisionsanforderungen beachtlich. Im pneumatischen Verbund kann zudem auf Änderungen der Gasart und -qualität nicht flexibel reagiert werden. Um gewünschte Anpassungen der Gaszufuhr dennoch vornehmen zu können, müssen zusätzliche Einrichtungen, z.B. Stellglieder, bereit - und eingestellt werden, was erheblichen zusätzlichen Aufwand bei der Montage oder Wartung eines Gasheizgerätes bedeutet.
  • Aus diesen Gründen geht man dazu über, Gasbrenner mit einem elektronischen Verbund auszustatten. Bei elektronischer Steuerung können einfach steuerbare Ventile, etwa mit Pulsweiten modulierten Spulen oder mit Schrittmotoren, eingesetzt werden. Der elektronische Verbund funktioniert durch Erfassung wenigstens eines die Verbrennung charakterisierenden Signals, das an einen Regelkreis zum Nachregeln zurückgeführt wird.
  • Jedoch treten auch beim Einsatz des elektronischen Verbunds Situationen auf, auf die nicht angemessen reagiert werden kann, wie zum Beispiel eine Veränderung der Empfindlichkeit der Sensoren auf Grund von Verschmutzung. Außerdem besteht bei Änderungen der Last bzw. des Betriebszustands oder unmittelbar nach dem Betriebsstart des Gasbrenners die Gefahr, dass die Regelung wegen der Trägheit der Sensoren zeitlich verzögert funktioniert, was zu einer unvollkommenen Verbrennung und im Extremfall zum Erlöschen der Brennerflamme führt.
  • Die DE 100 45 270 C2 offenbart eine Feuerungseinrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Feuerungseinrichtung bei schwankender Brennstoffqualität. Insbesondere wird bei einer Änderung der Gasqualität das Brennstoff-Luftverhältnis entsprechend verändert. Dabei wird für jede geeignete Brennstoffart die Gemischzusammensetzung so lange nachgeregelt, bis die gewünschte Flammenkerntemperatur erreicht ist. Außerdem werden Kennfelder für verschiedene Brennstoffe verwendet, aus denen bei jeder Änderung der Leistungsanforderungen ein neues, geeignetes Brennstoff-Luftverhältnis ausgelesen wird.
  • Das Verfahren der DE 196 27 857 C2 soll bei der Regelschaltung des Gasbrenners große Regelabweichungen vermeiden. Dafür wird aus der Drehzahländerung des Luft-Gebläses ein Vorhalteanteil für das Steuersignal des Gasventils abgeleitet. Da die Leistungs-Steuersignal-Kennlinie bekannt und in einer Auswerteschaltung gespeichert ist, kann der Vorhalteanteil ermittelt werden. Bei einer Änderung des Bezugssignals J', d.h. einer Änderung des Leistungsbedarfs, wird die Drehzahl des Gebläses verändert. Diese Änderung der Drehzahl bestimmt über einen Addierer einen positiven oder negativen Vorhalteanteil, durch den das Steuersignal angepasst wird. Das daraus resultierende Steuersignal verändert entsprechend die Stellung des Gasventils.
  • Die EP 1 293 727 A1 offenbart ferner eine Regeleinrichtung für Brenner unter Verwendung einer Ionisationselektrode und einer Kalibiereinheit.
  • In der GB 2 270 748 A ist ein Steuerungssystem für einen Gasbrenner gezeigt. Die Regelung erfolgt hier unter Verwendung einer an der Brenneroberfläche gemessenen Temperatur. Da die Oberflächentemperatur von der Flussrate des Luft-Gas-Gemisches abhängt, wird bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur die Geschwindigkeit des Gebläserotors gesenkt, wodurch der Luftfluss und damit das Luft-Gas-Verhältnis gesenkt wird.
  • Aus der AT 411 189.B ist ein Verfahren zur Regelung eines Gasbrenners bekannt, bei dem die CO-Konzentration in den Abgasen der Brennerflamme mit einem Abgassensor erfasst wird. Ein bestimmter CO-Wert entspricht einem bestimmten Gas-LuftVerhältnis. Ausgehend von einem bekannten, z.B. experimentell ermittelten, Gas-Luftverhältnis bei einem bestimmten CO-Wert kann ein gewünschtes Gas-Luftverhältnis eingestellt werden.
  • Die EP 770 824 B1 zeigt eine Regelung des Gas-Luftverhältnisses im Brennstoff-Luftgemisch durch Messen eines Ionisationsstrorns, der vom Luftüberschuss in den Abgasen der Brennerflamme abhängt. Bei stöchiometrischer Verbrennung wird bekanntermaßen ein Maximum des Ionisationsstroms gemessen. In Abhängigkeit von diesem Wert kann die Gemischzusammensetzung optimiert werden.
  • Nachteilhaft an den zuletzt genannten Verfahren ist jedoch, dass das Rückkopplungssignal erst bei brennender Flamme erfasst und an den Regelkreis zurückgeführt werden kann. Außerdem limitiert die Trägheit der Sensoren eine genaue Nachregelung. Zudem unterliegen die verwendeten Sensoren Verschmutzungen, so dass die Verbrennung im Zeitverlauf suboptimal geregelt wird und somit die Schadstoffwerte steigen. Insbesondere beim Startvorgang, bei dem noch kein Verbrennungssignal vorliegt, oder bei Laständerungen, bei denen in kurzer Zeit erhebliche Änderungen der Betriebsparameter erforderlich sind, kann es zu Schwierigkeiten und im Extremfall zu einem Erlöschen der Flamme kommen Häufig wird aus diesen Gründen zusätzlich auf pneumatische Regler zurückgegriffen, was jedoch eine Erhöhung der Komplexität der Anlage sowie der Kosten nach sich zieht.
  • Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerung zu einer Feuerungseinrichtung bereitzustellen, die zum einen bei schnellen Lastwechseln und in der Startphase ohne Zeitverzögerung eine gasartenunabhängige Brennstoffzufuhr zuverlässig gewährleistet, zum anderen auch bei stark veränderten Bedingungen, insbesondere hinsichtlich der Brennstoffzusammensetzung oder einer Veränderung der Messcharakteristiken der Sensoren oder der Einstellungen der Anlagenparameter ohne störungsbedingte Ausfälle funktioniert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eine Gasbrenners, ist durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
  • Mit Hilfe dieses Verfahrens können bei schnellem Lastwechsel, insbesondere aber auch beim Startvorgang, unmittelbar stabile Verhältnisse erreicht werden. Eine Nachregelung des Gasventils, welche bei starken Schwankungen der Betriebsparameter viel Zeit in Anspruch nimmt und durch die Trägheit der Sensoren unvollkommen ist, kann somit entfallen. An die Stelle einer Regelung tritt eine Steuerung, die in Abhängigkeit vom Zielwert des ersten Parameters einen Sollwert für eine neue Einstellung vorgibt Erst im darauf folgenden Schritt wird unter Verwendung realer Messgrößen nachgeregelt. Mit dem Verfahren kann unabhängig von der Trägheit der für die Regelung verwendeten Sensoren eine schnelle und zuverlässige Einstellung des Gasventils gefunden werden. Die reale Öffnung des Gasventils liegt dabei zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert. Bei schnellen Sollwertänderungen können die Stellglieder, beispielsweise der Ventilator oder ein Gasstellventil, nach einer gewissen Zeitspanne, die von der Trägheit der Sensoren abhängt, nachgeregelt werden. Es erfolgt also bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Übergang von einer reinen Steuerung zu einer Regelung.
  • Der Parameter, der der Brennerbelastung entspricht, ist die der Massenstrom der der Feuerungseinrichtung zuzuführenden Luft. Die Öffnungswerte des Gasventils können also in dieser Ausführung in Abhängigkeit vom Massen- der Luft dargestellt sein. Die Charakteristik dieser Kennlinie wird unter anderem durch die Eigenschaften des Gasventils bestimmt.
  • Die Brennerbelastung ist im Wesentlichen proportional zu der dem Gasbrenner zugeführten Luftmenge pro Zeiteinheit. Damit steht fest, dass die Darstellung der Öffnung des Gasventils in Abhängigkeit von Massenstrom der Luft äquivalent zu einer Darstellung der Öffnung des Gasventils in Abhängigkeit von einer Belastung des Brenners ist.
  • Die Änderung der Öffnung des Gasventils kann durch die Modulation einer Pulsweite, durch die Variation einer Spannung oder eines Stroms einer Ventilspule, oder durch Betätigung eines Schrittmotors eines Ventils durchgeführt werden. Ein Überschreiten des oberen oder des unteren Grenzwerts der Öffnung des Gasventils kann im Rahmen des Verfahrens erfasst werden. Während nach dem Steuerungsprozess die Öffnung des Gasventils zwischen oberem und unterem Grenzwert liegt, kann nach dem Regelungsschritt die Gasöffnung oberhalb oder unterhalb des oberen bzw. unteren Grenzwerts liegen. Dazu kann es insbesondere kommen, wenn die bei Erstellung der Kennlinie festgelegten Sollwerte für die Öffnung des Gasventils von den optimal eingeregelten Werten stark abweichen. Ursachen dafür können Änderungen in der Brennstoffzusammensetzung, Veränderungen der Messcharakteristiken der Sensoren oder der Einstellungen der Anlagenparameter sein.
  • Die Kennlinie, die sich aus den Sollwerten für die Öffnung des Gasventils in Abhängigkeit von dem Parameter ergibt, der der Brennerbelastung entspricht, wird auf Basis der durch die Regelung eingestellten Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung neu kalibriert. Fällt nach der Regelung der Wert der Öffnung des Gasventils aus dem durch den oberen und den unteren Grenzwert begrenzten Bereich, so kann eine Neukalibrierung der Kennlinie durchgeführt werden. Bei dieser Neukalibrierung können beispielsweise die Sollwerte so verschoben werden, dass die neue Sollwertlinie durch den eingeregelten Wert für die Öffnung des Gasventils verläuft. In gleicher Weise können die oberen und die unteren Grenzwerte verschoben werden, so dass die neue Sollwertkurve wie bei der bisher geltenden Kennlinie von einem Toleranzkorridor umgeben ist.
  • Ein Überschreiten des oberen oder ein Unterschreiten des unteren Grenzwerts kann, insbesondere nach dem Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, zum Abschalten der Feuerungseinrichtung führen. Dieser Maßnahme können sowohl Sicherheitsbedenken als auch wirtschaftlich Überlegungen zugrunde liegen. Eine Regelung in einen Bereich außerhalb der gewünschten, durch die Grenzwerte angegebenen Spanne kann beispielsweise eine unerwünschte Änderung der vorgegebenen Einstellungen des Gasbrenners anzeigen, so dass dieser möglicherweise in einem unsicheren oder uneffektiven Betriebsbereich arbeitet. Das Gerät müsste im Folgenden überprüft und gewartet werden.
  • Eine erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung, insbesondere ein Gasbrenner, umfasst: ein Gasventil zur Einstellung der Brennstoffzufuhr zur Feuerungseinrichtung; einen Speicher zum Abspeichern von Sollwerten, die von einem Parameter abhängen, der der Brennerbelastung entspricht, und von oberen und unteren Grenzwerten; eine Einrichtung zur Steuerung der Öffnung des Gasventils, die bei einer Änderung des Parameters, der der Brennerbelastung entspricht, von einem Startwert zu einem Zielwert die Öffnung des Gasventils von einem ersten zu einem zweiten Öffnungswert unter Vorgabe eines abgespeicherten Sollwerts anpasst, wobei der zweite Öffnungswert zwischen einem abgespeicherten oberen und einem unteren Grenzwert liegt, und wobei während des Übergangs der Öffnung des Gasventils vom ersten zum zweiten Öffnungswert keine Regelung der Brennstoffzufuhr durchgeführt wird; Mittel zur Regelung, die nach Erreichen des Zielwerts des Parameters, der der Brennerbelastung entspricht, Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung regeln und Mittel zur neu Kalibrierung eine Kennlinie, die sich aus den Sollwerten für die Öffnung (w) des Gasventils in Abhängigkeit von dem Parameter (mL) ergibt, auf Basis der durch einer sich der Steuerung anschließenden Regelung eingestellten Betriebsparameter, wenn die Ventilöffnung (w) oberhalb einer oberen Grenzkurve (K1) oder unterhalb einer unteren Grenzkurve (K2) liegt.
  • Das Gasventil kann ein Stellglied, insbesondere einen Schrittmotor, eine pulsweitenmodulierte oder eine durch eine elektrische Größe gesteuerte Spule, umfassen.
  • Die Feuerungseinrichtung weist wenigstens einen Massenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge auf. Die Feuerungseinrichtung kann ferner einen Massenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Brennstoffmedium und/oder der Menge des zugeführten Gemisches aus Luft und Brennstoffmedium aufweisen.
  • Insbesondere kann die Feuerungseinrichtung im Bereich der Brennerflamme eine Einrichtung zum Messen einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur aufweisen.
  • Der Temperatursensor kann beispielsweise im Bereich der Flamme, aber auch am Brenner in der Nähe der Flamme angeordnet sein. Beispielsweise kann auch ein Thermoelement als Temperatursensor verwendet werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Feuerungseinrichtung;
    Fig. 2
    eine Kennlinie, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
  • Figur 1 zeigt einen Gasbrenner, bei dem ein Gemisch aus Luft L und Gas G vorgemischt und verbrannt wird.
  • Der Gasbrenner weist einen Luftzufuhrabschnitt 1 auf, über den Verbrennungsluft L angesaugt wird. Ein Massenstromsensor 2 misst den Massenstrom der von einem Gebläse 9 angesaugten Luft L. Der Massenstromsensor 2 ist so angeordnet, dass in seiner Umgebung eine möglichst laminare Strömung erzeugt wird, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere könnte der Massenstromsensor in einem Bypass (nicht gezeigt) und unter Verwendung eines Laminarelements angeordnet werden.
  • Im Luftzufuhrabschnitt 1 kann auch ein Ventil 3 für die Verbrennungsluft angeordnet sein. Allerdings wird jedoch in der Regel ein geregeltes Gebläse mit Luftmassenstromsensor eingesetzt werden, so dass das Ventil entfallen kann.
  • Für die Gaszufuhr ist ein Gaszufuhrabschnitt 4 vorgesehen, der an eine Gaszuleitung angeschlossen ist. Das Gas strömt während des Betriebs des Gasbrenners durch den Abschnitt 4,. Durch ein Ventil 6, das ein elektronisch gesteuertes Ventil sein kann, strömt das Gas durch eine Leitung 7 in den Mischungsbereich 8. Im Mischungsbereich 8 findet eine Vermischung des Gases G mit der Luft L statt. Der Ventilator des Gebläses 9 wird mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, um sowohl die Luft L als auch das Gas G anzusaugen.
  • Das Ventil 6 ist so eingestellt, dass bei Berücksichtigung der übrigen Betriebsparameter, beispielsweise der Drehzahl des Ventilators, ein vorgegebenes Luft-Gas-Verhältnis in den Mischbereich 8 gelangt. Das Luft-Gas-Verhältnis soll dabei so gewählt sein, dass eine möglichst saubere und effektive Verbrennung stattfindet.
  • Über eine Leitung 10 strömt das Luft-Gasgemisch vom Gebläse 9 zum Brennerteil 11. Dort tritt es aus und speist die Brennerflamme 13, die eine vorgegebene Wärmeleistung abgeben soll. Am Brennerteil 11 ist eine Temperatursensor 12, beispielsweise ein Thermoelement, angeordnet. Mit Hilfe dieses Thermoelements wird eine Ist-Temperatur gemessen, die bei der Durchführung der nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Regelung bzw. zur Steuerung des Gasbrenners verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Temperatursensor 12 an einer Oberfläche des Brennerteils 11 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, den Sensor an anderer Stelle im Wirkungsbereich der Flamme 13 anzuordnen. Die Referenztemperatur des Thermoelements wird an einer Stelle außerhalb des Wirkungsbereichs der Flamme 13, beispielsweise in der Luftzufuhrleitung 1, gemessen.
  • Eine nicht dargestellte Einrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung des Luft- und/oder Gasstroms erhält Eingangsdaten vom Temperatursensor 12 und von dem Massenstromsensor 2 und gibt Steuersignale an das Ventil 6 sowie an den Antrieb des Gebläses 9 ab. Die Öffnung des Ventils 6 und die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 werden so eingestellt, dass sich die gewünschte Luft- und Gaszufuhr ergibt.
  • Die Steuerung erfolgt dabei durch Durchführung der nachfolgend beschriebenen Verfahren. Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen Speicher zum Abspeichern von Kennlinien bzw. von Sollwerten sowie eine entsprechende Datenverarbeitungseinheit auf, die zur Durchführung der entsprechenden Verfahren eingerichtet ist.
  • In Figur 2 ist eine Abhängigkeit der Öffnung w des Gasventils 6, welches die Brennstoffzufuhr bestimmt, in Abhängigkeit vom Massenstrom mL der dem Brenner zugeführten Luft dargestellt. Dabei entspricht die mittlere Kurve K3 einer Sollwertkurve, die die vorgegebenen Öffnungswerte wsoll eines Gasventils 6 in Abhängigkeit von einem entsprechenden Luftmassenstrom mL angibt.
  • Bei einer Änderung der vorgegebenen Brennerbelastung Q, beispielsweise bei einer Änderung des Betriebszustandes oder beim Starten der Anlage, wird der Luftmassenstrom mL von einem Anfangswert mL1 zu einem zweiten Wert mL2 verändert und an die neue Belastung Q2 angepasst.
  • Da eine Regelung der Gaszufuhr bei dem relativ kurzfristigem Übergang von mL1 auf mL2 auf Grund der Trägheit der Sensoren zeitlich stark verzögert wäre, wird die Regelung ausgeschaltet und der Öffnungswert w des Gasventils vom bisher eingestellten Wert w1 auf einen neuen Sollöffnungswert w2 geändert. Der Wert w2 liegt auf der Sollöffnungskurve K3.
  • Die sich einstellende Öffnung des Gasventils liegt jedenfalls zwischen einer oberen Grenzkurve K1 und einer unteren Grenzkurve K2, welche einen Toleranzbereich für die Öffnung des Gasventils angeben. Die obere Grenzkurve K1 entspricht dabei einer maximalen erlaubten Öffnung des Gasventils, die untere Grenzkurve K2 einer minimalen erlaubten Öffnung des Gasventils 6.
  • Danach schießt sich ein Regelungsvorgang an. Bei dem Regelungsvorgang werden die Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung, insbesondere die Einstellung des Ventils 6 sowie die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 so angepasst, dass der Verbrennungsvorgang optimiert wird. Die Regelung kann dabei in beliebiger Weise erfolgen. Im vorliegenden Beispiel erfolgt sie durch Messung einer von der Brennerflamme 13 in ihrem Wirkungsbereich erzeugten Temperatur Tist durch einen Temperatursensor 12. Die Regelung kann beispielsweise wie im zuvor beschriebenen Verfahren erfolgen.
  • Es bietet sich an, pulsweitenmodulierte Ventile, ein elektronisch gesteuerte Ventile oder ein Ventile mit einem durch einen Schrittmotor betätigten Stellglied zu verwenden.
  • Das Ansteuersignal zur Einstellung der Öffnung des Gasventils kann entsprechend z.B. die Betätigung eines Schrittmotors auslösen, oder die Pulsweite, die Spannung oder den Strom einer Spule verändern. Die Luftmassenströme mL und Gasmassenströme mG werden durch Massenstromsensoren 2 und 5 gemessen.
  • Wird nun in einer Phase des Verfahrens vor oder nach Durchführung des Regelvorgangs eine Ventilöffnung w eingestellt, die oberhalb der oberen Grenzkurve K1 oder unterhalb der unteren Grenzkurve K2 liegt, so können entsprechende Konsequenzen gezogen werden. Erfindungsgemäß kann ein Verlassen des zwischen K1 und K2 liegenden Toleranzkorridors zu einem Kalibriervorgang führen. Bei der Kalibrierung könnten die nach der Regelung eingestellten Bedingungen in einem Speicher der Steuereinrichtung abgelegt und für den nächsten Start verwendet werden. Die Sollwertkurve K3 kann wie die Grenzkurven K1 und K2, verschoben werden, so dass sich auch bei der neuen Kurve ein gleichmäßiger Toleranzkorridor für die Öffnung des Gasventils 6 um die Sollwertkurve K3 ergibt.
  • Dazu kann ein Überschreiten der Grenzkurven K1 oder K2 nach oben bzw. nach unten nach einer bestimmten Zeitspanne oder bei wiederholten Über- bzw. Unterschreiten ein Abschalten des Geräts bewirken. Es kann vorkommen, dass sich bestimmte Einstellungen des Gasbrenners im Laufe der Zeit verstellen oder sich bestimmte Randbedingungen so geändert haben, dass ein Sicherheitsrisiko auftritt oder der Gasbrenner in einem nicht effektiven Betriebszustand arbeitet. Eine Abweichung der Öffnung des Gasventils vom erlaubten Korridor kann beispielsweise durch eine Abweichung des Gasdrucks vom zulässigen Eingangsdruckbereich oder durch eine Fehlfunktion der Sensoren ausgelöst werden. Das Abschalten kann somit als Hinweis gewertet werden, dass eine Überprüfung und Wartung des Geräts erforderlich ist.
  • Durch das beschriebene Verfahren kann sichergestellt werden, dass, bis eine wirksame Regelung der Gaszufuhr einsetzen kann, durch die Steuerung, sei es bei einem Lastwechsel des Gasbrenners oder in der Startphase, eine plausible Öffnung w2 des Gasventils eingestellt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass etwa die Flamme während der Laständerung erlischt.
  • Durch das Verfahren wird beim Start des Brenners gewährleistet, dass in einem weiten Bereich, angepasst an die vorgegebene Brennerbelastung, gezündet werden kann. Bei Lastwechseln findet eine schnelle Anpassung der Gaszufuhr an die neue Last statt, bevor durch eine nachfolgende Regelung die Feineinstellung gefunden wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Feuerungseinrichtung mit anschließender Regelung, wobei
    bei einer Änderung eines Parameters (mL), der ein Massenstrom der der Feuerungseinrichtung zuzuführenden Luft ist und der Brennerbelastung (Q) entspricht, von einem Startwert (Q1) zu einem Zielwert (Q2) die Brennstoffzufuhr zur Feuerungseinrichtung durch eine Änderung der Öffnung eines Gasventils (6) von einem ersten (w1) zu einem zweiten Öffnungswert (w2) unter Vorgabe eines Sollwerts, der von dem durch Luftmassenstrommessung ermittelten Parameter (mL) abhängt, angepasst wird, wobei der zweite Öffnungswert (w2) zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert liegt und wobei während des Übergangs der Öffnung des Gasventils vom ersten (w1) zum zweiten Öffnungswert (w2) keine Regelung der Brennstoffzufuhr durchgeführt und nach Erreichen des Zielwerts des Parameters (mL), der der Brennerbelastung (Q) entspricht, die Regelung von Betriebsparametern der Feuerungseinrichtung durchgeführt wird, wobei
    eine Kennlinie, die sich aus den Sollwerten für die Öffnung (w) des Gasventils in Abhängigkeit von dem Parameter (mL) ergibt, der der Brennerbelastung (Q) entspricht, auf Basis der durch einer sich der Steuerung anschließenden Regelung eingestellten Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung neu kalibriert wird wenn die Ventilöffnung (w2) oberhalb einer oberen Grenzkurve (K1) oder unterhalb einer unteren Grenzkurve (K2) liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerbelastung (Q) im Wesentlichen proportional zu der dem Gasbrenner zugeführten Luftmenge pro Zeiteinheit (mL) ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Öffnung des Gasventils durch die Modulation einer Pulsweite, durch die Variation einer Spannung oder eines Stroms einer Ventilspule, oder durch Betätigung eines Schrittmotors eines Ventils durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschreiten des oberen oder des unteren Grenzwerts der Öffnung erfasst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschreiten des oberen oder ein Unterschreiten des unteren Grenzwerts, nach dem Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, zum Abschalten der Feuerungseinrichtung führt.
  6. Feuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend:
    ein Gasventil (6) zur Einstellung der Brennstoffzufuhr zur Feuerungseinrichtung;
    einen Speicher zum Abspeichern von Sollwerten, die von einem Parameter (mL) abhängen, der der Brennerbelastung (Q) entspricht, und von oberen und unteren Grenzwerten;
    wenigstens einen Massenstromsensor (2, 5) zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge (mL), welche als Parameter verwendet wird;
    eine Einrichtung zur Steuerung der Öffnung des Gasventils, die bei einer Änderung des Parameters (mL), der der Brennerbelastung (Q) entspricht, von einem Startwert zu einem Zielwert die Öffnung des Gasventils von einem ersten (w1) zu einem zweiten Öffnungswert (w2) unter Vorgabe eines abgespeicherten Sollwerts anpasst, wobei der zweite Öffnungswert (w2) zwischen einem abgespeicherten oberen und einem unteren Grenzwert liegt, und wobei während des Übergangs der Öffnung des Gasventils vom ersten (w1) zum zweiten Öffnungswert (w2) keine Regelung der Brennstoffzufuhr durchgeführt wird; und
    Mittel zur Regelung, die nach Erreichen des Zielwerts des Parameters, der der Brennerbelastung (Q) entspricht, Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung regeln; und
    Mittel zur Neukalibrierung einer Kennlinie, die sich aus den Sollwerten für die Öffnung (w) des Gasventils in Abhängigkeit von dem Parameter (mL) ergibt, der der Brennerbelastung (Q) entspricht, auf Basis der durch einer sich der Steuerung anschließenden Regelung eingestellten Betriebsparameter der ) Feuerungseinrichtung, wenn die Ventilöffnung (w2) oberhalb einer oberen Grenzkurve (K1) oder unterhalb einer unteren Grenzkurve (K2) liegt.
  7. Feuerungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasventil (6) ein Stellglied, insbesondere einen Schrittmotor, eine pulsweitenmodulierte oder eine durch eine elektrische Größe gesteuerte Spule, umfasst.
  8. Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung wenigstens einen Massenstromsensor (2, 5) zur Messung der pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Brennstoffmedium (mG) und/oder der Menge des zugeführten Gemisches (mM) aus Luft und Brennstoffmedium aufweist.
  9. Feuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuerungseinrichtung im Bereich der Brennerflamme (13) eine Einrichtung (12) zum Messen einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur (Tist) aufweist.
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