EP0697564A1 - Verfahren zur Regelung und Überwachung - Google Patents

Abstract

Die fehlersichere Überwachung und Regelung einer Feuerungsanlage (1) erfolgt mit einem Sensor (7), der den Anteil an Sauerstoff sowie an Wasserstoff und/oder Kohlenstoff im Abgas gleichzeitig erfassen kann. Das Signal (U) des Sensors (7) wird von einer Regelungs- und Überwachungseinheit (8) redundant auswertet. Die Regelungs- und Überwachungseinheit (8) verarbeitet neben dem stationären Signal (U) des Sensor (7) die Position (S) des Stellgliedes (5) für die Luftzufuhr. Ferner erfaßt sie den zeitlichen Verlauf sowie die differentielle Änderung der Sensorsignale (U) in Abhängigkeit von der Position des Stellgliedes (5). <IMAGE>

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 notwendig. 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 Brennereinstellung Lastfaktor, Brennstoffbelastung sowie Lufttemperatur und Luftdruck schwanken. Als Leitgröße, an der sich erkennen läßt, ob eine unvollständige Verbrennung einsetzt, kann das Auftreten von Wasserstoff ebenso wie das Auftreten von Kohlenmonoxid im Abgas herangezogen werden.
  In der deutschen Patentanmeldung P 43 40 534.7 ist ein Verfahren zur Regelung und Überwachung einer Verbrennunganlage beschrieben, wobei der Arbeitspunkt der Feuerungsanlage zyklisch daraufhin überprüft wird, ob seine Einstellung den geringstmöglichen 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 Signalein- und -ausgängen einer Verarbeitungseinheit verbunden, von der unter anderem 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 Verbrennunganlage mit Hilfe einer Luftklappe steuern. Mit der Sonde, die zu Erfassung des Wasserstoffs 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. Nachteilig 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 fehlersicheren Überwachung 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 Überwachung der Feuerungsanlage nur ein Sensor erforderlich ist. Sein Signal wird mit Hilfe einer Regelungs- und Überwachungeinheit redundant ausgewertet. Die Regelungs- und Überwachungseinheit verarbeitet neben dem stationären Signal des Sensors, die Signale der Stellglieder für die Brennstoff- und Luftzufuhr 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 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 Sensorsignal 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 kontinuierlich überprüft wird. Diese Überprüfung geschieht einmal durch Registrierung der Signaländerung des Sensors bei kurzzeitiger Änoderung der Sensortemperatur und zum zweiten durch Registrierung eines kurzen Signalanstiegs beim Starten der Feuerungsanlage. Der Anstieg des Sensorsignals wird beim Starten der Feuerungsanlage durch einen kurzzeitigen Anstieg der Wasserstoff/Kohlenmonoxidemission 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 oxidationskatalytisch inaktiv und ermöglicht somit die Erfassung des Wasserstoffanteils 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 Abgases bestimmen. Beim Auftreten von brennbaren Gasbestandteilen im Abgas, wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid, nimmt das Sensorsignal deutlich höhere Werte an, aus denen die Konzentration der oxidierbaren Gasbestandteile bestimmt werden kann.
• Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Feuerungsanlage mit einer Regelungs- und Überwachungeinheit 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 Brenners.

• 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 Überwachungseinheit 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 Signalausgänge 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 dargestellt. Die Kurve U zeigt den Verlauf des stationären Sensorsignals, 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 unvollständige Verbrennung sowohl bei Luftmangel als auch Luftüberschuß 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 vollständigen Verbrennung kann aus dem stationären Sensorsignal der Restsauerstoff 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 Verbrennung, 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 unvollständige Verbrennung wird von der Regelungs- und Überwachungseinheit 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 unvollständigen Verbrennung, so erkennt die Regelungs- und Überwachungseinheit 8 beim Erreichen eines dieser Grenzwerte U_GM bzw. U_GÜ, ob sich die Feuerungsanlage 1 auf den Zustand einer unvollständigen Verbrennung zubewegt, der durch Luftmangel oder Luftüberschuß 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 $\text{α = dU/dS}$

  

  der Kurve U größer. Eine unvollständige Verbrennung wird von der Regelungs- und Überwachungseinheit 8 zusätzlich erkannt, wenn die Steigung $\text{α = dU/dS}$

  

  betragsmäßig einen Grenzwert ${\text{α}}_{\text{GM}}{\text{= |dU}}_{\text{M}}{\text{/dS}}_{\text{M}}\text{|}$

  

  bzw. ${\text{α}}_{\text{GÜ}}{\text{= |dU}}_{\text{Ü}}{\text{/dS}}_{\text{Ü}}\text{|}$

  

  überschreitet. Diese Grenzwerte werden in der Regelungs- und Überwachungseinheit 8 ebenfalls einmal gespeichert. Somit kann der Übergang zu einer unvollständigen Verbrennung bei Luftmangel als auch bei Luftüberschuß durch die Regel- und Überwachungseinheit 8 auch auf diese Weise erkannt werden. Gegenmaßnahmen 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 gealterten Sensor weist das Sensorsignal U_A beim Einsetzen einer unvollständigen Verbrennung eine geringere Steigung ${\text{α}}_{\text{A}}{\text{=dU}}_{\text{A}}\text{/dS}$

  

  auf, als bei einem neuen Sensor. Die Steigung α_AM bzw. α_AÜ ist jedoch auch jetzt noch größer als ein festgesetzter und gespeicherter Grenzwert 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 ${\text{α}}_{\text{O}}{\text{= dU}}_{\text{O}}\text{/dS}$

  

  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 übergeht. Werden die Werte α_O von dem Sensorsignal U des Sensors 7 erreicht oder unterschritten, so erkennt die Regelungs- und Überwachungseinheit 8, daß der Sensor 7 wegen Überalterung ausgetauscht werden muß.
• Eine weitere Sicherheitskontrolle für die Überwachung der Feuerungsanlage läßt sich aus dem dynamischen Verlauf des Sensorsignals dU/dt ableiten. Dieses wird anhand der Fig. 3, 4 und 5 erläutert. Im Bereich C, wenn eine vollständige Verbrennung vorliegt, ändert sich der Sauerstoffgehalt im Abgas nur langsam. Entsprechend 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. Kohlenmonoxid emittiert. Diese Emissionen geschehen nicht gleichmäßig, sondern je nach Flammenbild mehr oder weniger pulsierend. Der Sensor 7 folgt diesen schnellen Änderungen der Wasserstoff- und Kohlenmonoxidemmission. 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 unvollständigen 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 Feuerungsanlage 1 erforderlich sind, werden vorzugsweise bei der Inbetriebnahme der Feuerungsanlage in der Regel- und Überwachungseinheit 8 gespeichert. Die Feuerungsanlage wird zu diesem Zweck in die Zustände 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 funktionsfähigen 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 eines Zustandes vollständiger Verbrennung durchgeführt werden. Die Temperaturänderung wird beispielsweise durch eine kurzzeitige Änderung 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 Sensors 7 noch in der Lage ist, Wasserstoff bzw. Kohlenmonoxid zu detektieren, kann während des Startvorgangs des Brenners vorgenommen werden. Diese Prüfung wird anhand von Fig. 7 erläutert. Beim Zünden des Brenners entsteht zwangsläufig eine kurzzeitige Wasserstoff-/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 Kohlenmonoxid nicht, so ist er defekt und muß ausgetauscht werden. Dieses wird von der Regel- und Überwachungseinheit 8 ebenfalls angezeigt.

Claims (8)

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, 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 zur Überwachung und Regelung der Feuerungsanlage (1) das Signal des Sensors (7) redundant 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 Verbrennung bei Luftüberschuß oder Luftmangel in der Regel- und Überwachungseinheit (8) gespeichert werden, und daß der Verlauf des Sensorsignals von der Regel- und Überwachungseinheit (8) kontinuierlich 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 jeweils zugehörigen Position (S) des Stellgliedes (5) aufgetragen ist, die Grenzwerte ${\text{α}}_{\text{GM}}{\text{= |dU}}_{\text{M}}{\text{/dS}}_{\text{M}}\text{|}$

   

   bzw. ${\text{α}}_{\text{GÜ}}{\text{= [dU}}_{\text{Ü}}{\text{/dS}}_{\text{Ü}}\text{|}$

   

   ermittelt 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 Erhöhung oder einer Reduzierung der Luftzufuhr automatisch eingeleitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung der Fehlfunktion des Sensors (7) der Signalverlauf (U_O) des Sensor 7 bei ausschließlicher Sauerstoffempfindlichkeit über der jeweils zugehörigen Position (S) des Stellgliedes (5) aufgetragen und zu jeder Stellgliedposition (S) ein Wert (α_O) ermittelt wird, welcher der Steigung ${\text{α}}_{\text{O}}{\text{= dU}}_{\text{O}}\text{/dS}$

   

   des Sensorsignals (U_O) an der jeweiligen Stellgliedposition (S) entspricht, daß diese Werte (α_O) sowie die Grenzwerte (α_OM bzw α_OÜ) bei denen die vollständige Verbrennung in den Zustand einer unvollständigen Verbrennung übergeht erfaßt und einmal in der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) gespeichert werden, daß das Erreichen 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 gekennzeichnet, 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 Verbrennung hin vorgenommen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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) angezeigt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung des Sensors (7) die kurzzeitige Emission von Wasserstoff/Kohlenmonoxid beim Einschalten des Brenners genutzt und bei unverändertem Sensorsignal (U) eine Fehlfunktion des Sensors (7) von der Regelungs- und Überwachungseinheit (8) angezeigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, 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 Feuerungsanlage 1 erforderlich sind, bei der Inbetriebnahme der Feuerungsanlage (1) in der Regel- und Überwachungseinheit 8 für die spätere Regelung und Überwachung gespeichert werden.

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