DE4428953A1

DE4428953A1 - Verfahren zur Regelung und Überwachung

Info

Publication number: DE4428953A1
Application number: DE4428953A
Authority: DE
Inventors: Gunar Dr Baier; Harald Dipl Ing Weber; Albrecht Dr Vogel
Original assignee: LAMTEC MES und REGELTECHNIK FU
Current assignee: LAMTEC MES und REGELTECHNIK FU
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1994-08-16
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2014-08-17
Also published as: EP0697564B1; DE59503838D1; EP0697564A1; DE4428953C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage gemäß dem Ober begriff des Patentanspruches 1.

Zur Energieeinsparung und Vermeidung von Umweltschäden ist die Überwachung bzw. Regelung von Verbrennungsprozessen in Feuerungs anlagen unbedingt notwendig. Die Messung des Sauerstoffgehalts in Abgasen allein kann keinen Hinweis auf eine vollständige Verbren nung liefern. Deshalb ist es besonders wichtig, die Anteile der im Abgas enthaltenen und nicht verbrannten Bestandteile zu erfassen und zu reduzieren. Zu diesen unverbrannten Bestandteilen gehören Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung, so treten im Abgas Wasserstoff- und Kohlenmonoxid emission immer gemeinsam auf. Das genaue Verhältnis von Wasser stoff zu Kohlenmonoxid kann dagegen je nach Brennereinstellung Lastfaktor, Brennstoffbelastung sowie Lufttemperatur und Luftdruck schwanken. Als Leitgröße, an der sich erkennen läßt, ob eine un vollständige Verbrennung einsetzt, kann das Auftreten von Wasser stoff ebenso wie das Auftreten von Kohlenmonoxid im Abgas herange zogen werden.

In der deutschen Patentanmeldung P 43 40 534.7 ist ein Verfahren zur Regelung und Überwachung einer Verbrennungsanlage beschrieben, wobei der Arbeitspunkt der Feuerungsanlage zyklisch daraufhin überprüft wird, ob seine Einstellung den geringstmöglichen Sauer stoffüberschuß im Abgas gewährleistet. Für die Erfassung der Ab gaskomponenten werden zwei Sensoren verwendet, wobei der eine zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes dient, und der zweite zur Er fassung des Wasserstoffanteils im Abgas. Die Signalein- und Signalausgänge der beiden Sensoren sind mit den Signalein- und -ausgängen einer Verarbeitungseinheit verbunden, von der unter an derem alle Störmeldungen ausgegeben werden. Das Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit wird einer Regeleinrichtung zugeführt. Diese kann mit ihrem Ausgangssignal, das einem Stellglied zugeleitet wird, die Luftzufuhr für die Verbrennungsanlage mit Hilfe einer Luftklappe steuern. Mit der Sonde, die zu Erfassung des Wasser stoffs vorgesehen ist, kann im Zustand vollständiger Verbrennung auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas bestimmt werden. Damit ist es möglich, die beiden Sonden zur gegenseitigen Überwachung zu verwenden, wodurch die Sicherheit der Anlage erhöht wird. Nachtei lig an diesem Verfahren ist allerdings, daß zwei Sonden benötigt werden, wodurch sich der schaltungstechnische Aufwand der Regelung verdoppelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur feh lersicheren Überwachung und Regelung von Feuerungsanlagen aufzu zeigen, für das ein Minimum an Sonden sowie Regel- und Steuerungs einrichtungen erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent anspruches 1 gelöst.

Ein besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß für die Überwachung der Feuerungsanlage nur ein Sensor erfor derlich ist. Sein Signal wird mit Hilfe einer Regelungs- und Über wachungeinheit redundant ausgewertet. Die Regelungs- und Überwa chungseinheit verarbeitet neben dem stationären Signal des Sen sors, die Signale der Stellglieder für die Brennstoff- und Luftzu fuhr und das dynamische Signal des Sensors. Zudem ermittelt sie die differentielle Änderung des Sensorssignals mit der Änderung der Position des Stellgliedes für die Luftzufuhr. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die zu überwachende und zu re gelnde Feuerungsanlage mindestens eine verstellbare Luftklappe aufweist, die mit einem Stellmotor angetrieben wird, und die je weilige Position der Luftklappe der Regelungs- und Überwachungs einrichtung als Meßwert zur Verfügung steht. Für die Regelung und Überwachung der Feuerungsanlage werden neben dem stationären Sen sorsignal U auch noch das dynamische Sensorverhalten dU/dt sowie die differentielle Änderung des Sensorsignals mit der Änderung der Stellgliedposition dU/dS herangezogen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß die Funktionsfähigkeit des Sensors kontinuier lich überprüft wird. Diese Überprüfung geschieht einmal durch Re gistrierung der Signaländerung des Sensors bei kurzzeitiger Ände rung der Sensortemperatur und zum zweiten durch Registrierung ei nes kurzen Signalanstiegs beim Starten der Feuerungsanlage. Der Anstieg des Sensorsignals wird beim Starten der Feuerungsanlage durch einen kurzzeitigen Anstieg der Wasserstoff/Kohlenmonoxid emission hervorgerufen. Der verwendete Sensor ist in der DE-A 40 21 929 beschrieben. Er verfügt über zwei Meßelektroden und eine Referenzelektrode. Eine der Meßelektroden ist oxidationskataly tisch inaktiv und ermöglicht somit die Erfassung des Wasserstoff anteils im Abgas. Die zweite Meßelektrode ist katalytisch aktiv. Mit ihr kann der Sauerstoffanteil im Abgas ermittelt werden. Im schadstofffreien Betrieb, ohne oxidierbare Rauchgasbestandteile, läßt sich aus dem Sensorsignal die Sauerstoffkonzentration des Ab gases bestimmen. Beim Auftreten von brennbaren Gasbestandteilen im Abgas, wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, nimmt das Sensorsignal deutlich höhere Werte an, aus denen die Konzentration der oxidier baren Gasbestandteile bestimmt werden kann.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schema tischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Feuerungsanlage mit einer Regelungs- und Überwachung einheit sowie einem Sensor,

Fig. 2 die Signalverläufe des Sensors,

Fig. 3, 4, und 5 die zeitlichen Verläufe des Sensorsignals,

Fig. 6 die Signalverläufe des Sensors bei Temperaturänderung,

Fig. 7 die Signalverläufe des Sensors nach dem Zünden des Bren ners.

Fig. 1 zeigt eine Feuerungsanlage 1, mit einem Brenner 2, einem Feuerungsraum 3, einem Stellglied 4 für die Brennstoffzufuhr zum Brenner, einem Stellglied 5 für die Luftzufuhr zum Brenner, einem Abgaskanal 6, einen Sensor 7 sowie einer Regelungs- und Überwa chungseinheit 8. Der Sensor 7 ist am Ausgang des Feuerungsraumes 3 in den Abgaskanal 6 eingebaut. Seine Signalein- und -ausgänge 7A und 7B stehen mit den Signalein- und -ausgängen 8A und 8B der Regelungs- und Überwachungseinheit 8 in Verbindung. Die Signalaus gänge 8V und 8W der Regelungs- und Überwachungseinheit 8 sind mit den Signaleingängen der Stellglieder 4 und 5 für die Zufuhr des Brennstoffs und die Zufuhr für die Luft zum Brenner 2 verbunden.

In Fig. 2 sind verschiedene Zustände der Feuerungsanlage 1 darge stellt. Die Kurve U zeigt den Verlauf des stationären Sensorsig nals, das die Bereiche A, B, C, durchlaufen kann. Im Bereich A liegt eine unvollständige Verbrennung bei Luftmangel, im Bereich B eine unvollständige Verbrennung bei Luftüberschuß und im Bereich C eine vollständige Verbrennung vor. Wie Fig. 2 zeigt kann eine un vollständige Verbrennung sowohl bei Luftmangel als auch Luftüber schuß auftreten. Bei sehr hohem Luftüberschuß wird die Flamme gekühlt, und es kommt wegen der zu niedrigen Temperatur der Flamme zu einer unvollständigen Verbrennung. Im Bereich C der vollstän digen Verbrennung kann aus dem stationären Sensorsignal der Rest sauerstoff im Rauchgas bestimmt werden. In diesem Bereich kann eine herkömmliche Lambda-Regelung mit dem Sensor 7 durchgeführt werden. Fährt der Brenner 2 in einen Bereich unvollständiger Ver brennung, so steigt die Emission an unverbrannten Gasbestandteilen wie Wasserstoff und Kohlenmonoxid an. Die Folge davon ist, daß sich der Wert des stationären Sensorsignals U ändert. Eine unvoll ständige Verbrennung wird von der Regelungs- und Überwachungsein heit 8 erkannt, wenn der Wert des stationären Sensorsignals U einen festgelegten Grenzwert U_GM bzw. U_GÜ überschreitet. Wie dem Verlauf des stationären Sensorsignal U zu entnehmen ist, ist der Grenzwert U_GM vor dem Übergang in den Bereich A mit Luftmangel größer als der Grenzwert U_GÜ vor dem Übergang in den Bereich B mit Luftüberschuß. Diese Grenzwerte werden einmal in der Regelungs- und Überwachungseinheit 8 gespeichert. Fährt die Feuerungsanlage vom Zustand einer vollständigen Verbrennung in Richtung einer un vollständigen Verbrennung, so erkennt die Regelungs- und Über wachungseinheit 8 beim Erreichen eines dieser Grenzwerte U_GM bzw. U_GÜ, ob sich die Feuerungsanlage 1 auf den Zustand einer unvoll ständigen Verbrennung zubewegt, der durch Luftmangel oder Luft überschuß verursacht wird.

In Fig. 2 ist der Signalverlauf U des Sensors 7 über der jeweils zugehörigen Position S des Stellgliedes 5 aufgetragen. Wie an Hand von Fig. 2 zu sehen ist, wird bei der Zunahme von Wasserstoff und Kohlenmonoxid im Abgas auch die Steigung α = dU/dS der Kurve U größer. Eine unvollständige Verbrennung wird von der Regelungs- und Überwachungseinheit 8 zusätzlich erkannt, wenn die Steigung α = dU/dS betragsmäßig einen Grenzwert α_GM = |dU_M/dS_M| bzw. α_GÜ = |dU_Ü/dS_Ü| überschreitet. Diese Grenzwerte werden in der Rege lungs- und Überwachungseinheit 8 ebenfalls einmal gespeichert. Somit kann der Übergang zu einer unvollständigen Verbrennung bei Luftmangel als auch bei Luftüberschuß durch die Regel- und Über wachungseinheit 8 auch auf diese Weise erkannt werden. Gegenmaß nahmen werden von der Regel- und Überwachungseinheit 8 automatisch eingeleitet. Diese können in der Erhöhung der Luftzufuhr bestehen, wenn die Feuerungsanlage in den Bereich des Luftmangels fährt, oder in einer Verminderung der Luftzufuhr, wenn die unvollständige Verbrennung durch Luftüberschuß erfolgt. Bei einem schon gealter ten Sensor weist das Sensorsignal U_A beim Einsetzen einer unvoll ständigen Verbrennung eine geringere Steigung α_A = dU_A/dS auf, als bei einem neuen Sensor. Die Steigung α_AM bzw. α_AÜ ist jedoch auch jetzt noch größer als ein festgesetzter und gespeicherter Grenz wert α_OM bzw. α_OÜ Die Grenzwerte α_OM und α_OÜ werden aus dem in Fig. 2 auf getragenen Signalverlauf U_O ermittelt. Dieser ist über der jeweils zugehörigen Position S des Stellgliedes 5 aufgetragen. Der Signalverlauf U_O entspricht dem eines Sensor 7, wenn dieser als reiner Sauerstoffsensor arbeitet oder seine Funktionsfähigkeit verloren hat, Wasserstoff bzw. Kohlenstoff zu erkennen. Jeder Stellgliedposition S ist ein Wert a_O angeordnet. Diese Werte entsprechen der Steigung α_O = dU_O/dS des Sensorsignals U_O bei der jeweiligen Stellgliedposition S. Beim Erreichen der Grenzwerte α_OM bzw. α_OÜ erkennt die Regelungs- und Überwachungseinheit 8, daß die Feuerungsanlage in einen Betrieb unvollständigen Verbrennung über geht. Werden die Werte α_O von dem Sensorsignal U des Sensors 7 er reicht oder unterschritten, so erkennt die Regelungs- und Überwa chungseinheit 8, daß der Sensor 7 wegen Überalterung ausgetauscht werden muß.

Eine weitere Sicherheitskontrolle für die Überwachung der Feu erungsanlage läßt sich aus dem dynamischen Verlauf des Sensorsi gnals dU/dt ableiten. Dieses wird anhand der Fig. 3, 4 und 5 er läutert. Im Bereich C, wenn eine vollständige Verbrennung vor liegt, ändert sich der Sauerstoffgehalt im Abgas nur langsam. Ent sprechend ändert sich auch die Sensorspannung mit der Zeit nur langsam, d. h. dU/dt ist klein. Fährt die Feuerungsanlage 1 in den Zustand unvollständiger Verbrennung gleichgültig ob Luftmangel oder Luftüberschuß vorliegt, so wird Wasserstoff bzw. Kohlenmon oxid emittiert. Diese Emissionen geschehen nicht gleichmäßig, son dern je nach Flammenbild mehr oder weniger pulsierend. Der Sensor 7 folgt diesen schnellen Änderungen der Wasserstoff- und Kohlen monoxidemission. Das Sensorsignal wird unruhig. Der dynamische Signalverlauf dU/dt übersteigt, wie Fig. 5 zeigt, einen Grenzwert G_D. Unabhängig vom stationären Sensorsignal kann von der Regel- und Überwachungseinheit 8 also am Verlauf des dynamischen Signals erkannt werden, ob sich die Feuerungsanlage im Zustand einer un vollständigen Verbrennung befindet oder nicht. Es werden dann von der Regel- und Überwachungseinheit 8 automatisch Gegenmaßnahmen eingeleitet.

Alle obenbeschriebenen Werte α_O und Grenzwerte U_GM, U_GÜ, α_GM, α_GÜ, α_OM, α_OÜ, α_AM, α_AÜ, G_D, welche für die Überwachung der Feuerungs anlage 1 erforderlich sind, werden vorzugsweise bei der Inbetrieb nahme der Feuerungsanlage in der Regel- und Überwachungseinheit 8 gespeichert. Die Feuerungsanlage wird zu diesem Zweck in die Zu stände gefahren, die während ihres späteren Betriebes auftreten können.

Die Funktionstüchtigkeit des Sensors 7 selbst kann zudem dadurch überwacht werden, daß die Registrierung der Sensorsignaländerung bei kurzzeitiger Änderung der Sensortemperatur erfolgt. Durch eine kurzzeitige Änderung der Sensortemperatur wird bei einem funkti onsfähigen Sensor 7 eine kurzzeitige Änderung des Sensorsignals hervorrufen. Dieser Test kann entweder bei Brennerstillstand an Luft oder beim Vorlüften des Brenners oder im Betrieb während ei nes Zustandes vollständiger Verbrennung durchgeführt werden. Die Temperaturänderung wird beispielsweise durch eine kurzzeitige Än derung der Heizspannung hervorgerufen, wie in Fig. 6 dargestellt.

Wird keine Änderung der Sensorspannung dU detektiert, so ist die Meßelektrode (hier nicht dargestellt) fehlerhaft und der Sensor 7 muß ausgetauscht werden.

Die Prüfung, ob die Meßelektrode (hier nicht dargestellt) des Sen sors 7 noch in der Lage ist, Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid zu de tektieren, kann während des Startvorgangs des Brenners vorgenommen werden. Diese Prüfung wird anhand von Fig. 7 erläutert. Beim Zün den des Brenners entsteht zwangsläufig eine kurzzeitige Wasser stoff-/Kohlenmonoxidemission, die der Sensor 7 detektiert, wenn seine sensitive Funktion in Ordnung ist. Erkennt der Sensor 7 kurz nach dem Zündvorgang den Anstieg von Wasserstoff und/oder Kohlen monoxid nicht, so ist er defekt und muß ausgetauscht werden. Die ses wird von der Regel- und Überwachungseinheit 8 ebenfalls ange zeigt.

Claims

1. Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage (1) mit einem Brenner (2) für feste und strömende Brennstoffe, der ein Sensor (7) nachgeschaltet ist, wo bei die Stellglieder (4 und 5) für die Brennstoff- und Luftzufuhr für den Brenner (2) von einer Regelungs- und Überwachungseinheit (8) gesteuert werden, an deren Signaleingänge der Sensor (7) ange schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung und Re gelung der Feuerungsanlage (1) das Signal des Sensors (7) redun dant ausgewertet und zusammen mit dem Istwert des Stellgliedes (5) für die Zufuhr der Luft von der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) verarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte (U_GM und U_GÜ) des stationären Sensorsignals (U) beim Überschreiten in die Bereiche einer unvollständigen Ver brennung bei Luftüberschuß oder Luftmangel in der Regel- und Überwachungseinheit (8) gespeichert werden, und daß der Verlauf des Sensorsignals von der Regel- und Überwachungseinheit (8) kon tinuierlich überwacht und beim Erreichen eines dieser Grenzwerte (U_GM bzw. U_GÜ) die Luftzufuhr erhöht oder reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verlauf des Signals (U) des Sensors (7), das über der je weils zugehörigen Position (S) des Stellgliedes (5) aufgetragen ist, die Grenzwerte α_GM = |dU_M/dS_M| bzw. α_GÜ = |dU_Ü/dS_Ü| er mittelt werden, bei denen ein Übergang zu einer unvollständigen Verbrennung bei Luftmangel oder Luftüberschuß erfolgt, daß mit diesen in der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) gespeicherten Grenzwerten (α_GM und α_GÜ) der Übergang zu einer unvollständigen Verbrennung erkannt wird, und Gegenmaßnahmen in Form einer Er höhung oder einer Reduzierung der Luftzufuhr automatisch einge leitet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Erkennung der Fehlfunktion des Sensors (7) der Signalverlauf (U_O) des Sensor (7) bei ausschließlicher Sauer stoffempfindlichkeit über der jeweils zugehörigen Position (S) des Stellgliedes (5) aufgetragen und zu jeder Stellgliedposition (S) ein Wert (α_O) ermittelt wird, welcher der Steigung α_O = dU_O/dS des Sensorsignals (U_O) an der jeweiligen Stellgliedposition (S) ent spricht, daß diese Werte (α_O) sowie die Grenzwerte (α_OM bzw. α_OÜ) bei denen die vollständige Verbrennung in den Zustand einer un vollständigen Verbrennung übergeht erfaßt und einmal in der Rege lungs- und Überwachungseinheit (8) gespeichert werden, daß das Er reichen oder Unterschreiten dieser Werte (α_O) bzw. der Grenzwerte (α_OM bzw. α_OÜ) durch das Signal (U) des Sensors (7) mit Hilfe der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) erkannt und der Übergang zu einer unvollständigen Verbrennung und/oder die Überalterung des Sensors (7) angezeigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Erkennung der unvollständigen Verbrennung der Signalverlauf dU/dt von der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) überwacht und beim Überschreiten eines Grenzwertes (G_D), der in der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) gespeichert wird, eine Regelung der Feuerungsanlage (1) zu einer vollständigen Ver brennung hin vorgenommen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Überprüfung des Sensors (7) mit Hilfe der Regel- und Überwachungseinrichtung (8) die Heizspannung des Sensors (7) geändert und bei unverändertem Sensorsignal (U) eine Fehlfunktion des Sensors (7) von der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) an gezeigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Überprüfung des Sensors (7) die kurzzeitige Emission von Wasserstoff/Kohlenmonoxid beim Einschalten des Bren ners genutzt und bei unverändertem Sensorsignal (U) eine Fehl funktion des Sensors (7) von der Regelungs- und Überwachungsein heit (8) angezeigt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß alle Werte (α_O) und Grenzwerte (U_GM, U_GÜ, α_GM, α_GÜ, α_OM, α_OÜ, α_AM, α_AÜ, G_D), welche für die Überwachung der Feu erungsanlage (1) erforderlich sind, bei der Inbetriebnahme der Feue-
rungsanlage (1) in der Regel- und Überwachungseinheit (8) für die spätere Regelung und Überwachung gespeichert werden.