Sicherheitstechnische Überwachung eines drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sicherheitstechnischen Überwachung eines drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses für einen Öl-, Gas- oder Zweistoff-Gebläsebrenner zur Einhaltung eines jeweils vorgegebenen Brennstoff-Luft-Verhältnisses.

[0002] Die zur Verbrennung notwendige Luftmenge wird bei einem Öl-, Gas- oder Zweistoff-Gebläsebrenner durch ein Verbrennungsluftgebläse gefördert. Die Luftmenge wird der Brennstoffmenge durch eine Drosselklappe zugeführt; dies kann auch durch eine veränderbare Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses erreicht werden. Die sicherheitstechnische Überwachung des drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses dient dazu, bei Abweichungen vom festgelegten Brennstoff-Luft-Verhältnis vor dem Auftreten von unzulässig hohen Schadstoffemissionen die Feuerung sicher abzuschalten.

[0003] Nach dem Stand der Technik wird bei Öl-, Gas- oder Zweistoff-Gebläsebrennern, im folgenden Brenner genannt, zur Anpassung der Brennerleistung an den Wärmebedarf der Anlage der Brennstoff und die Verbrennungsluft mechanisch gekoppelt verändert. Die für die Verbrennung des jeweils vorgegebenen Brennstoffes notwendige Luftmenge wird über eine Luftklappe auf das für ein bestimmtes Brennstoff-Luft-Verhältnis erforderliche Maß bei konstanter, von der Netzfrequenz bestimmter Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses gedrosselt. Alternativ zu diesem Vorgehen kann die benötigte Luftmenge auch durch eine Veränderung der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses des Brenners erreicht werden.

[0004] Daraus ergeben sich die Vorteile einer Reduzierung der erforderlichen elektrischen Energie sowie einer Geräuschminderung. Im Falle der drehzahlabhängigen Luftmengensteuerung nimmt man eine Überwachung durch Messung der Massenströme der Verbrennungsluft und des Brennstoffes vor (US-A-4 162 889).

[0005] Es ist bereits bekannt - GB-A-21 40 587 und DE-C1-37 12 392 -, die Luftmengenzufuhr zu einer vorgegebenen Brennstoffmenge mit dem Ziel einer möglichst guten Verbrennung dadurch zu kontrollieren und ggfs. nachzusteuern, daß man das Verbrennungsgas im Sinne dieser angestrebt guten Verbrennung untersucht, insbesondere durch eine Messung des Restsauerstoffs. Dabei handelt es sich um einen Regelvorgang. Dabei wurde für die Bestimmung der Verbrennungsluftmenge bereits ein Verbrennungsluftgebläse verwendet.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Öl-, Gas- oder Zweistoff-Brennern, deren Verbrennungsluftmenge durch Drehzahländerung des Verbrennungsluftgebläses bestimmt wird, das Verhältnis von Brennstoff- zu Luftmenge sicherheitstechnisch zuverlässig zu überwachen.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 gelöst.

[0008] Das Verändern der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses und somit der geforderten Verbrennungsluftmenge mechanisch unabhängig von der vorgegebenen Brennstoffmenge verlangt eine Absicherung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses für einen sicheren Brennerbetrieb. Im Gegensatz zur bekannten Überwachung durch Messung der Massenströme der Verbrennungsluft und des Brennstoffes wird das vorgegebene Brennstoff-Luft-Verhältnis erfindungsgemäß durch die selbsttätig fehlererkennend und somit in eigensicherer Funktion stattfindende Überwachung der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses in Abhängkeit von der Stellung des Stellgliedes für die Brennstoffmenge vorgenommen. Abhängig vom Wärmebedarf der Feuerungsanlage wird von einem Leistungsregler ein Stellglied angesteuert, welches die Brennstoffmenge bestimmt. Über die Drehzahlsteuerung wird der vorgegebenen Brennstoffmenge die zur Verbrennung notwendige Luftmenge zugeordnet. In einer bevorzugten Ausführung wird die Drehzahl des Drehstrom-Asynchron-Motors des Verbrennungsluftgebläses über einen statischen Frequenzumrichter durch Variation der Frequenz und Spannung eingestellt.

[0009] Da diese Ansteuerung als offene Steuerkette wirkt, kann nicht davon ausgegangen werden, daß in jedem Fall die richtige Drehzahl entsprechend der vorgegebenen Brennstoffmenge im Fehlerfall eingehalten wird. Das erfindungsgemäße Vorgehen zur sicherheitstechnischen Überwachung des drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses gilt bei der Fehlerbetrachtung nach DIN 57116/VDE 0116/79 als fehlersicher.

[0010] Bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, insbesondere in bezug auf die in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiele, deren nachfolgende Beschreibung die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1

ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform;

Figur 2

ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform, das gegenüber der ersten Ausführungsform zusätzlich eine O₂-Regelung aufweist;

Figur 3

ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform, das über das zweite Ausführungsbeispiel hinaus eine Abgasrückführung enthält.

[0011] In Figur 1 ist die Drehzahlsteuerung und die sicherheitstechnische Überwachung des drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses eines Brenners dargestellt. Von der Leistungsregelung (1) des Wärmeerzeugers wird der Antrieb (2) der Stellglieder zur Brennstoffdosierung (3), (4) angesteuert. Die jeweilige Stellung dieses Antriebes (2) wird über einen Sensor (5) erfaßt und als Eingangssignal einem Funktionsgeber (6) zugeführt. Dieser gibt ein dem Brennstoff-Luftverhältnis angepaßtes Signal an den Frequenzumrichter (7) als drehzahlproportionalen Sollwert. Eine in Frequenz und Spannung variable Ausgangsspannung des Frequenzumrichters bewirkt die Einstellung einer vorgegebenen Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses des Brenners (8). Durch diese offene Steuerkette ist die Funktion des Brenners bestimmt.

[0012] Zur Absicherung der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses und somit Einhaltung eines jeweils vorgegebenen Brennstoff-Luftverhältnisses wird direkt vom Motor ein Tachogenerator (9) zur Drehzahlerfassung angetrieben, welcher als aktiver Geber ein eigensicheres, drehzahlproportionales Signal abgibt. Dieses Signal wird als Drehzahl-Istwert den beiden Komparatoren (10) und (11) zugeführt. Ein zweiter unabhängiger Sensor (12), der ebenfalls vom Antrieb (2) betätigt wird, gibt sein Signal auf einen zweiten unabhängigen Funktionsgeber (13). Der im Funktionsgeber (13) gebildete VergleichsSollwert, welcher dem Drehzahl-Sollwert entspricht, wird ebenfalls auf die beiden Komparatoren (10) und (11) aufgeschaltet.

[0013] Beide Komparatoren, die als unabhängige Geräte arbeiten, führen einen Soll-Istwert-Vergleich durch. Tritt eine unzulässige Abweichung zwischen Soll- und Istwert auf, geben beide Komparatoren ein Signal an eine Auswertelogik (14), die nach Ablauf einer zulässigen Verzögerungszeit eine Abschaltung des Brenners (8) bewirkt. Somit sind die beiden unabhängigen Steuerketten zur Istwertbildung und Sollwertbildung zweikanalig überwacht. Zur Prüfung auf ordnungsgemäße Funktion der beiden Komparatoren (10) und (11) werden diesen in periodischen Zeitabständen Testsignale von der Komparator-Testschaltung (15) aufgeschaltet und deren funktionsrichtige Auswirkung überwacht. Der periodische Zeitablauf wird durch bauteilgeprüfte Zeitglieder bewirkt.

[0014] Zum Start des Brenners ist es notwendig, im Brenner einen erhöhten Luftdruck zu erzeugen, der der entstehenden Druckwelle, die durch den Zündvorgang ausgelöst wird, entgegenwirkt. Über die Startablauf-Steuerung (16) und (17) wird sowohl dem Frequenzumrichter (7) der Drehzahl-Sollwert, als auch direkt den Komparatoren (10) und (11) der Vergleichs-Sollwert von 2 unabhängigen Gebern ein entsprechendes erhöhtes Signal den Komparatoren vorgegeben. Zur Einstellung der vorgegebenen Luftmenge zum Zünden wird über eine zusätzlich im Luftkanal angebrachte Luftklappe (18) die geforderte Luftmenge eingestellt, wobei hierdurch der erhöhte Druck der Verbrennungsluft erreicht wird. Diese Luftklappe (18) wird durch einen zwangsläufig angesteuerten zweiten Korrekturstellantrieb (19) über einen mechanischen Verbund (20) betätigt. Nach erfolgter Zündung übernimmt die Drehzahlsteuerung die Brennstoff-Luftzuordnung.

[0015] Als Notbetrieb ist es möglich, das Verbrennungsluftgebläse direkt am elektrischen Netz (21) mit der Netzfrequenz zu betreiben. Hierbei wird der Frequenzumrichter (7) freigeschaltet und die Drehzahlsteuerung außer Betrieb gesetzt. Über den für den Startablauf eingesetzten Korrekturstellenantrieb (19) wird die Luftklappe (18) in eine Drosselstellung gebracht.

[0016] Über eine mechanische Verbundsteuereinrichtung (20) und (22) wird über den gesamten Leistungs-Stellbereich des Brenners ein vorgegebenes Brennstoff-Luftverhältnis erreicht.

[0017] Figur 2 zeigt das Blockschaltbild der Drehzalsteuerung und sicherheitstechnischen Überwachung mit zusätzlich wirkender Restsauerstoff-Regeleinrichtung. Über die Messung des Restsauerstoffwertes im Abgas des Wärmeerzeugers wird über eine nachgeschaltete Regeleinrichtung das Brennstoff-Luftverhältnis so beeinflußt, daß bei geringstem Luftüberschuß ein höchstmöglicher feuerungstechnischer Wirkungsgrad erreicht wird. Die zur Erfassung des Restsauerstoffwertes im Abgas eingesetze O₂-Sonde (23) gibt ihr Meßsignal aufbereitet über ein O₂-Meßgerät (24) auf einen Regler (25). Das für die Vergleichs-Sollwertvorgabe der Drehzahlregelung vom Sensor (12) gebildete Signal wird in gleicher Weise auf den Regler (25) und einen weiteren unabhängigen Funktionsgeber (26) aufgeschaltet. Der Funkionsgeber (26) bildet brennerleistungsabhängig einen O₂-Sollwert. Der Ausgang des Reglers (25) beeinflußt über die O₂-Korrektur (27) das vom Funktionsgeber (6) dem Frequenzumrichter (7) zugeführte Signal. Die Korrektur (27) beeinflußt des Drehzahl-Sollwertsignal nur in zulässigen vorgegebenen Grenzen. Diese Grenzen liegen innerhalb des zulässigen Bereiches der Drehzahlüberwachungseinrichtung, die durch die beiden Komparatoren (10) und (11) überwacht werden. Zusätzlich bewirkt ein Grenzwertschalter (28) bei einer definierten Abweichung des Restsauerstoffgehaltes vom Sollwert eine Abschaltung des Brenners.

[0018] Figur 3 zeigt eine Erweiterung der Drehzahlsteuerung für den Betrieb einer Abgas-Rückführung. Die Abgasrückführung, bei der dosiert eine Abgasmenge der Flamme zugeführt wird, bewirkt eine Verminderung der bei der Verbrennung auftretenden Stickoxide. Parallel zum frequenz- und spannungsveränderbaren Ausgang des Frequenzumrichters (7), an dem das Verbrennungsluftgebläse betrieben wird, arbeitet ein separates Gebläse (29) zur Abgasrückführung.

[0019] Bei einer Veränderung der Brennerleistung und somit der Verbrennungsluftmenge durch Drehzahländerung wird auch die Drehzahl des Abgasrückführgebläses (29) parallel mitgeführt. Das bedeutet, daß die Drehzahl des Abgasrückführgebläses (29) bereits durch die Überwachung des Verbrennungsluftgebläses des Brenners (8) überwacht wird. Zusätzlich kann abhängig von der Brennerleistung die rückgeführte Abgasmenge durch eine Drosseleinrichtung (30) verringert werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur sicherheitstechnischen Überwachung eines drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses für einen Öl-, Gas- oder Zweistoff-Gebläsebrenner (8) zur Einhaltung eines jeweils vorgegebenen Brennstoff-Luft-Verhältnisses,
dadurch gekennzeichnet
daß unter Verzicht auf direkte Messung der Massenströme des Brennstoffes und der Verbrennungsluft ein zweikanalig ausgeführter Soll-Ist-Wertvergleich (10 - 15) zwischen Drehzahl-Istwert und Drehzahl-Sollwert des drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses mit daraus abgeleiteter selbsttätiger Fehlererkennung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet
daß der Drehzahl-Ist-Wert mit einem unabhängig gebildeten zweiten Sollwert in zwei unabhängig voneinander arbeitenden Komparatoren (10, 11) verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet
daß der Drehzahl-Ist-Wert über einen Tachogenerator (9) als eigensicheren Geber erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet
daß die Führungsgröße von zwei unabhängigen Sensoren (5, 12) gebildet wird und getrennt von zwei nachgeschalteten unabhängigen Funktionsgebern (6, 13) in drehzahlproportionale Sollwerte umgewandelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet
daß die beiden Komparatoren (10, 11) einer periodischen selbsttätigen Prüfung zur Fehlererkennung unterzogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet
daß bei einer unzulässigen Abweichung eines jeweils vorzugebenden Brennstoff-Luft-Verhältnisses nach Ablauf einer zulässigen Zeit eine sichere Abschaltung der Feuerung vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet
daß über eine zusätzliche im Luftkanal eingebaute Luftdrosseleinrichtung (18) während des Anfahrvorganges des Brenners bei zwangsläufig erhöhter Drehzahl zur Verbesserung des Starteigenschaft ein entsprechender Überdruck aufgebaut wird, welche Luftdrosseleinrichtung (18) über ein Korrekturstellglied (19) betätigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet
daß über die Luftdrosseleinrichtung (18) zum Brennerstart ein Notbetrieb mit Netzfrequenz ermöglicht wird, bei dem das Brennstoff-Luft-Verhältnis durch eine mechanische Zuordnung (20, 22) vorgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet
daß über eine Restsauerstoff-Messung (23, 24) (O₂-Messung) im Abgas des Wärmeerzeugers und eine nachgeschaltete Regelung (25) der vom Funktionsgeber erzeugte Drehzahl-Sollwert in der Weise korrigiert wird, daß eine optimale Verbrennung bei geringstem Luftüberschuß eingehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet
daß die Stellgröße der O₂-Regeleinrichtung eine Korrektur des Drehzahl-Sollwertes nur in den von den Komparatoren (10, 11) bestimmten Grenzen ermöglicht, wobei der O₂-Sollwert abhängig von der jeweiligen Brennleistung über einen Sollwertbildner (26) vorgegeben wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet
daß über die sicherheitstechnische Überwachung des drehzahlgesteuerten Verbrennungsluftgebläses ein parallel an diesem Netz betriebenes Abgasrückführungsgebläse (29) hinsichtlich seiner vorgegebenen Fördermenge gleichzeitig überwacht wird.

Claims

1. Process for monitoring the safety of a speed-controlled combustion air blower for an oil, gas or dual-fuel blast furnace (8) for maintaining a predetermined fuel-air ratio, characterised in that, whilst dispensing with direct measurement of the mass flows of fuel and combustion air, a theoretical/actual comparison (10-15) is made, in two channels, between the actual speed and the theoretical speed of the speed-controlled combustion air blower with automatic error recognition derived therefrom.

2. Process according to claim 1, characterised in that the actual speed is compared with an independently achieved second theoretical value in two comparators (10, 11) operating independently of each other.

3. Process according to claim 1 or 2, characterised in that the actual speed is measured via a tachogenerator (9) as the intrinsically safe generator.

4. Process according to one of claims 1 to 3, characterised in that the supply magnitude is produced by two independent sensors (5, 12) and is converted separately by two independent function generators (6, 13) connected thereto into theoretical values proportional to the speed.

5. Process according to one of claims 1 to 4, characterised in that the two comparators (10, 11) are subjected to a periodic automatic check to detect any errors.

6. Process according to one of claims 1 to 5, characterised in that, in the event of an inadmissible departure from a particular prescribed fuel-air ratio, the firing is reliably switched off after a permitted time has elapsed.

7. Process according to one of claims 1 to 6, characterised in that, by means of an additional air throttling device (18) incorporated in the air channel, during the starting up of the furnace, at automatically increased speed, a corresponding overpressure is built up in order to improve the starting performance, the air throttling device (18) being operated via a correcting element (19).

8. Process according to claim 7, characterised in that the air throttling device (18) enables the furnace to operate on mains frequency in an emergency when the furnace starts up, the fuel-air ratio being managed by mechanical control means (20, 22).

9. Process according to one of claims 1 to 8, characterised in that the theoretical speed produced by the function generator is corrected, by measurement of the residual oxygen (23, 24) (O₂ measurement) in the exhaust gas from the heat generator and adjustment means (25) connected thereto, so as to maintain optimum combustion with the least possible air excess.

10. Process according to claim 9, characterised in that the regulated quantity of the O₂ regulating device allows the theoretical speed to be corrected only within the limits specified by the comparators (10, 11), the O₂ theoretical values being prescribed as a function of the combustion performance by means of a theoretical value setter (26).

11. Process according to one of claims 1 to 10, characterised in that, using the safety monitoring of the speed-controlled combustion air blower, an exhaust gas recycling blower (29) operating parallel to this power supply is monitored simultaneously with regard to its prescribed throughput.

Revendications

1. Procédé pour contrôler au regard des règles de sécurité une soufflante d'air de combustion, à vitesse de rotation commandée, pour un brûleur (8) à jet de fioul, de gaz ou des deux matières en vue de conserver un rapport prédéfini air-carburant, procédé caractérisé en ce que pour recourir à une mesure directe des flux de carburant et d'air de combustion on procède à une comparaison (10-15) d'une valeur de consigne et d'une valeur réelle exécutée avec deux canaux, entre la valeur réelle de la vitesse de rotation et la valeur de consigne de la vitesse de rotation de la soufflante d'air de combustion, dont on règle la vitesse de rotation, avec la détection automatique des défauts qui en ressort.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur réelle de la vitesse de rotation est comparée à une seconde valeur de consigne, formée de façon indépendante, dans deux comparateurs (10, 11) fonctionnant indépendamment l'un de l'autre.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur tachymétrique (9) fonctionnant comme un détecteur intrinsèquement sûr.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la grandeur de guidage est formée par deux capteurs indépendants (5, 12) et est convertie, de façon réparée, par deux détecteurs de fonctionnement (6, 13) indépendants, montés en aval, en valeurs de consigne proportionnelle à la vitesse de rotation.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux comparateurs (10, 11) sont soumis à un contrôle périodique automatique servant à détecter les défauts.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans le cas où il se produit un écart non acceptable du rapport air-carburant prédéfini on procède au bout d'un temps convenable à un débranchement par sécurité de la mise à feu.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, au moyen d'un dispositif additionnel d'étranglement d'air (18) monté dans le canal d'admission de l'air, on provoque pendant le processus de démarrage du brûleur lors d'une vitesse de rotation obligatoirement accrue pour améliorer les conditions de vitesse de démarrage, une surpression correspondante, le dispositif d'étranglement d'air (18) étant actionné au moyen d'un organe de réglage de correction (19).

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est possible au moyen du dispositif d'étranglement d'air (18) servant au démarrage du brûleur d'avoir un fonctionnement de secours à la fréquence du réseau, dans le cas où on réalise le rapport air-carburant au moyen d'une concordance mécanique (20, 22).

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on coupe au moyen d'une mesure de la teneur en oxygène résiduel (23, 24) (mesure d'oxygène) dans les gaz d'échappement du générateur de chaleur et d'une régulation montée en aval (25) la valeur de consigne de la vitesse de rotation fournie par le détecteur de fonctionnement d'une manière telle que l'on conserve une combustion optimale dans le cas du moindre excès d'air.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la grandeur de réglage du dispositif de réglage de l'oxygène permet d'effectuer une correction de la valeur de consigne de la vitesse de rotation seulement dans des limites déterminées par les comparateurs (10, 11), la valeur de consigne de l'oxygène étant prédéfinie en fonction de la puissance correspondante du brûleur au moyen d'un dispositif de formation des valeurs de consigne (26).

11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moyen du contrôle de la soufflante d'air de combustion, dont on règle la vitesse de rotation au regard des règles de sécurité, on contrôle en même temps une soufflante (29) de recyclage des gaz d'échappement que l'on fait fonctionner parallèlement à ce réseau en ce qui concerne son débit de refoulement prédéfini.

Zeichnung