DE4428953C2 - Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage - Google Patents

Description

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

Zur Energieeinsparung und Vermeidung von Umweltschäden ist die Überwachung bzw. Regelung von Verbrennungsprozessen in Feuerungsanlagen unbedingt notwen­ dig. Die Messung des Sauerstoffgehalts in Abgasen allein kann keinen Hinweis auf eine vollständige Verbrennung 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 Kohlenmonoxidemission immer gemeinsam auf. Das genaue Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid kann dagegen je nach Brennerein­ stellung Lastfaktor, Brennstoffbelastung sowie Lufttemperatur und Luftdruck schwan­ ken. Als Leitgröße, an der sich erkennen läßt, ob eine unvollständige Verbrennung einsetzt, kann das Auftreten von Wasserstoff ebenso wie das Auftreten von Kohlen­ monoxid im Abgas herangezogen werden.

In der deutschen Patentanmeldung DE 43 40 534 A1 ist ein Verfahren zur Regelung und Überwachung einer Verbrennungsanlage beschrieben, wobei der Arbeitspunkt der Feuerungsanlage zyklisch daraufhin überprüft wird, ob seine Einstellung den ge­ ringstmöglichen Sauerstoffüberschuß im Abgas gewährleistet. Für die Erfassung der Abgaskomponenten werden zwei Sensoren verwendet, wobei der eine zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes dient, und der zweite zur Erfassung des Wasserstoffanteils im Abgas. Die Signalein- und Signalausgänge der beiden Sensoren sind mit den Sig­ nalein- und -ausgängen einer Verarbeitungseinheit verbunden, von der unter an­ derem alle Störmeldungen ausgegeben werden. Das Ausgangssignal der Verarbei­ tungseinheit wird einer Regeleinrichtung zugeführt. Diese kann mit ihrem Ausgangs­ signal, das einem Stellglied zugeleitet wird, die Luftzufuhr für die Verbrennungsanlage mit Hilfe einer Luftklappe steuern. Mit der Sonde, die zu Erfassung des Wasserstoffs vorgesehen ist, kann im Zustand vollständiger Verbrennung auch die Sauerstoffkon­ zentration im Abgas bestimmt werden. Damit ist es möglich, die beiden Sonden zur gegenseitigen Überwachung zu verwenden, wodurch die Sicherheit der Anlage erhöht wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist allerdings, daß zwei Sonden benötigt wer­ den, wodurch sich der schaltungstechnische Aufwand der Regelung verdoppelt.

Aus der DE 30 39 994 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung von Verbundreglern für die Brenner in Wärmeerzeugungsanlagen bekannt. Die Vorrichtung umfaßt einen Mikroprozessor, an den unter anderem ein Analog/Digital- Wandler angeschlossen ist, der die analoge Wärmebedarfsmeldung in ein für den Mi­ kroprozessor geeignetes Signal umsetzt. Mit dem Mikroprozessor ist ferner ein Ar­ beitsspeicher verbunden. Gemäß dem Signal des Analog/Digital-Wandlers fragt der Mikroprozessor ein Wertepaar aus dem Arbeitsspeicher ab und erzeugt hieraus einen Steuerbefehl, mit dem eine Luftklappe in einer Zuluftleitung bzw. ein Brenn­ stoffregelventil in einer Brennstoffzuleitung gesteuert wird. Die hierdurch erzielte Position der Luftklappe in einer Zuluftleitung bzw. des Brennstoffregelventils wird an den Mikroprozessor zurückgemeldet. Mit einem zusätzlichen Sauerstoffsensor und/oder einem CO-Sensor können der Sauerstoffgehalt und/oder der CO-Anteil des Abgases ermittelt werden. Die beiden Sensoren liefern zwei getrennte Signale, die zur Einstellung des Abgases genutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur fehlersicheren Über­ wachung und Regelung von Feuerungsanlagen aufzuzeigen, für das ein Minimum an Sonden sowie Regel- und Steuerungseinrichtungen erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Ein besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß für die Über­ wachung der Feuerungsanlage nur ein Sensor erforderlich ist. Sein Signal wird mit Hilfe einer Regelungs- und Überwachungseinheit redundant ausgewertet. Die Rege­ lungs- und Überwachungseinheit verarbeitet neben dem stationären Signal des Sen­ sors, die Signale der Stellglieder für die Brennstoff- und Luftzufuhr und das dynami­ sche Signal des Sensors. Zudem ermittelt sie die differentielle Änderung des Sensor­ signals mit der Änderung der Position des Stellgliedes für die Luftzufuhr. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die zu überwachende und zu regelnde Feuerungsanlage mindestens eine verstellbare Luftklappe aufweist, die mit einem Stellmotor angetrieben wird, und die jeweilige Position der Luftklappe der Regelungs- und Überwachungseinrichtung 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 40 21 929 A1 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 schadstoffreien 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 aufgetragenen 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 α_O zugeordnet. Diese Werte α_O 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 monoxidemmission. 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 (3)

1. Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage (1) mit einem Brenner (2) für feste und strömende Brenn­ stoffe, der ein Sensor (7) nachgeschaltet ist, wobei 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) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Inbe­ triebnahme der Feuerungsanlage die Grenzwerte (U_GM und U_GÜ) des statio­ nären Sensorsignals (U) beim Überschreiten in die Bereiche einer unvollstän­ digen Verbrennung bei Luftüberschuß oder Luftmangel erfaßt und gespeichert werden, daß aus dem Verlauf des Spannungssignals (U) des Sensors (7) über den jeweils zugehörigen Positionen (S) des Stellgliedes (5), die Grenzwerte α_GM = |dU_M/dS_M| bzw. α_GÜ = |dU_Ü/dS_Ü|, bei denen ein Übergang zu einer un­ vollständigen Verbrennung bei Luftmangel oder Luftüberschuß erfolgt, ermittelt und gespeichert werden, daß zur Erkennung der Fehlfunktion des Sensors (7) aus dem Verlauf des Spannungssignals (U) des Sensors (7) über den jeweils zugehörigen Positionen (S) des Stellgliedes (5) bei ausschließlicher Sauerstoff­ empfindlichkeit des Sensors (7) die Werte der Steigungen α_O = dU_O/dS ermittelt und werden, daß diese Werte (α_O) sowie die ermittelten Grenzwerte (α_OM bzw. α_OÜ), bei denen die vollständige Verbrennung in den Zustand einer unvollständigen Verbrennung übergeht, gespeichert werden, daß der Verlauf des Spannungssignals (U) des Sensors (7) von der Regel- und Überwachungs­ einheit (8) kontinuierlich überwacht und mit den in der Regelungs- und Über­ wachungseinheit 8 gespeicherten Werten (α_O) und Grenzwerten (U_GM bzw. U_GÜ, α_GM bzw. α_GÜ, α_OM bzw. α_OÜ) die Übergänge zu einer unvollständigen Verbrennung bei Luftmangel und Luftüberschuß erkannt und beim Erreichen eines dieser Grenzwerte (U_GM bzw. U_GÜ, α_GM bzw. α_GÜ, α_OM bzw. α_OÜ) Gegenmaßnahmen in Form einer Erhöhung oder einer Reduzierung der Luftzu­ fuhr automatisch eingeleitet werden, daß von der Regelungs- und Über­ wachungseinheit (8) zusätzlich der Signalverlauf (dU/dt) des Sensors (7) überwacht und beim Überschreiten eines ebenfalls in der Regelungs- und Über­ wachungseinheit (8) gespeicherten Grenzwerts (G_D) eine Regelung der Feuerungsanlage (1) zu einer vollständigen Verbrennung hin vorgenommen wird, und daß zusätzlich zur Überprüfung des Sensors (7) die Heizspannung geändert und die kurzzeitige Emission von Wasserstoff/Kohlenmonoxid beim Einschalten des Brenners genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Über­ prüfung des Sensors (7) mit Hilfe der Regel- und Überwachungseinrichtung (8) die Heizspannung des Sensors (7) geändert und bei unverändertem Sen­ sorsignal (U) eine Fehlfunktion des Sensors (7) von der Regelungs- und Über­ wachungseinheit (8) angezeigt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Überprüfung des Sensors (7) die kurzzeitige Emission von Was­ serstoff/Kohlenmonoxid beim Einschalten des Brenners genutzt und bei unver­ ändertem Sensorsignal (U) eine Fehlfunktion des Sensors (7) von der Rege­ lungs- und Überwachungseinheit (8) angezeigt wird.