[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung
einer Feuerungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] Zur Energieeinsparung und Vermeidung von Umweltschäden ist die Überwachung bzw. Regelung
von Verbrennungsprozessen von Feuerungsanlagen unbedingt notwendig. Die Messung des
Sauerstoffgehalts in Abgasen allein kann keinen Hinweis auf eine vollständige Verbrennung
liefern. Deshalb ist es besonders wichtig, die im Abgas enthaltenen und nicht verbrannten
Bestandteile wie beispielsweise Kohlenmonoxid zu erkennen und zu reduzieren.
[0003] Bei den bis jetzt bekannten Verfahren erfolgt der Betrieb der Feuerungsanlagen mit
einem möglichst optimalen Verhältnis von Brennstoff und Luft. Für diese Einstellung
ist eine Regeleinheit vorgesehen. Hierfür wird der Sauerstoffgehalt im Agas mit einem
potentiometrisch oder amperometrisch arbeitenden Sensor ermittelt. Die Regeleinheit
vergleicht den ermittelten Sauerstoffgehalt des Abgases mit einem vorgegebenen Sollwert,
der in ihr gespeichert ist. In Abhängigkeit hiervon wird dann die Menge an Luft und
Brennstoff, die dem Brenner zugeführt wird, von der Regeleinheit eingestellt. Der
gewünschte Sollwert des Sauerstoffs im Abgas wird bei der Inbetriebnahme der Feuerungsanlage
eingestellt. Sein Wert wird so festgelegt, daß die bei der Inbetriebnahme manuell
auf diesen Wert eingestellte Feuerungsanlage schadstoffarm mit dem geringst möglichen
Luftüberschuß arbeitet. Zu dem Sauerstoffgehalt des Abgases wird bei dieser Einstellung
ein Toleranzwert addiert. Die hieraus resultierende Menge an Sauerstoff wird in Form
eines Zahlenwertes in der Regeleinheit gespeichert. Der Toleranzwert dient als Sicherheitszuschlag
um eine Regelung der Feuerungsanlage in einen Zustand unvollständiger Verbrennung
zu verhindern. Von Nachteil ist an diesem Verfahren, daß der Zustand der Feuerungsanlage
bei einem einmal festgelegten Sollwert des Sauerstoffs im späteren Betrieb nicht kontrolliert
werden kann. Es kann daher nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, daß die Feuerungsanlage
bei diesem Sauerstoffsollwert in einem Zustand unvollständiger Verbrennung arbeitet.
Ursache hierfür kann beispielsweise sein, daß der Toleranzzuschlag nicht ausreicht,
um die Variationen der Verbrennungsbedingungen wie Umwelteinflüsse und Zustand des
Brennstoffes zu kompensieren. Außerdem ist nicht auszuschließen, daß eine Fehlfunktion
der Feuerungsanlage wegen einer Verstopfung der Brennerdüse auftritt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem das
Auftreten einer unvollständigen Verbrennung erkannt und die Feuerungsanlage in einen
schadstoffreien Betrieb zurückgeführt werden kann, sowie eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5
gelöst.
[0006] Zum Erkennen von Kohlenmonoxid im Abgas wird der Anteil des hierin enthaltenen Sauerstoffs
mit mindestens zwei unterschiedlichen Meßverfahren erfaßt. Die beiden Meßsignale werden
in Zahlenwerte umgerechnet. Eine Abweichung definierter Größe zwischen diesen beiden
Zahlenwerten dient als Anzeige für das Vorhandensein von Kohlenmonoxid im Abgas. Erfindungsgemäß
wird beim Auftreten einer relativen Abweichung zwischen diesen beiden Werten, die
größer ist als 20%, davon ausgegangen, daß Kohlenmonoxid in einer Konzentration von
mehr als 4000ppm im Abgas vorhanden ist. Um den Anteil an Kohlenmonoxid zu reduzieren,
wird mit Hilfe der Regeleinheit die Luftzufuhr zum Brenner solange vergrößert bis
die relative Abweichung zwischen den beiden ermittelten Zahlenwerten unter den obengenannten
Grenzwert gesunken ist. Für die Durchführung des Verfahrens werden in den Abgaskanal
der Feuerungsanlage zwei Sensoren eingebaut. Der eine Sensor arbeitet nach dem potentiometrischen
Meßprinzip, während der andere nach dem amperometrischen Meßprinzip arbeitet. Die
Meßsignale der beiden Sensoren werden der Regeleinheit zugeführt. Ihr Signalausgang
steht mit einem Stellglied zur Steuerung der Luftzufuhr zum Brenner der Feuerungsanlage
in Verbindung. Wird mit Hilfe der beiden Zahlenwerte das Auftreten von Kohlenmonoxid
im Abgas festgestellt, so erhöht die Regeleinheit die Luftzufuhr zum Brenner solange,
bis diese in einen Betrieb mit vollständiger Verbrennung zurückgeführt ist, d.h. die
Konzentration an Kohlenmonoxid des Abgases soweit reduziert ist, daß die relative
Abweichung zwischen den errechneten Zahlenwerten unter den Grenzwert gesunken ist,
der in der Regeleinheit gespeichert ist. Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
[0008] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Feuerungsanlage,
- Fig. 2
- die Konzentration des Kohlenmonoxids im Abgas der Feuerungsananlage in Abhängigkeit
von einer Konzentration des Restsauerstoffes zwischen 1 und 4%,
- Fig. 3
- die aus den Meßsignalen der beiden Sensoren berechneten Zahlenwerte im Diagramm,
- Fig. 4
- die relative Abweichung der aus den Meßsignalen der beiden Sensoren berechneten Zahlenwerte
in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlenmonoxids.
[0009] Fig. 1 zeigt eine Feuerungsanlage 1 mit einem Brenner 2, einem Feuerungsraum 3, einem
Abgaskanal 4, zwei Sensoren 5 und 6 einer Regeleinheit 7, einem Stellglied 8 und einer
Luftklappe 9. Die beiden Sensoren 5 und 6 sind in den Abgaskanal 4 eingebaut, der
sich an den Feuerungsraum 3 anschließt. Bei dem Sensor 5 handelt es sich um eine potentiometrisch
arbeitende Meßvorrichtung, während der Sensor 6 als amperometrisch arbeitende Meßvorrichtung
ausgebildet ist. Der Sensor 5 weist ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr
(hier nicht dargestellt) auf. Auf dessen Außenfläche die Meßelektrode und auf dessen
Innenfläche die Referenzelektrode angeordnet ist. Das Festelektrolytrohr ist aus stabilisiertem
Zirkoniumdioxd gefertigt. Die Meßelektrode ist aus Platin gefertigt, während die Referenzelektrode
aus einem Spinell hergestellt ist. Die Meßelektrode wird mit dem zu überwachenden
Abgas in Kontakt gebracht, während die Referenzelektrode mit einem Referenzgas beaufschlagt
wird. Als Referenzgas wird vorzugsweise Luft verwendet. Dadurch, daß die beiden Elektroden
mit Gasen unterschiedlicher Sauerstoffkonzentration in Kontakt gebracht werden, bildet
sich zwischen den beiden Elektroden ein Potential aus. Seine Größe hängt logarithmisch
von der Sauerstoffkonzentration im Abgas ab, und kann mit Hilfe der Nernst-Gleichung
berechnet werden. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß sich das Gas an der Meßelektrode
im Gleichgewicht befindet. Gelangt jedoch Kohlenmonoxid, das nicht katalytisch an
der Meßelektrode mit Sauerstoff reagiert hat, zur Dreiphasengrenze Gas/Meßelektrode/Festelektrolyt,
so reagiert das Kohlenmonoxid dort mit Sauerstoffionen aus dem Festelektrolyten. Dabei
werden Elektronen frei. Zwischen der Meßelektrode und der Referenzelektrode bildet
sich deshalb ein Mischpotential aus, das nicht alleine durch den im Abgas enthaltenen
restlichen Sauerstoff gebildet wird. Beträgt der Anteil des Sauerstoffs im Abgas weniger
als 3,5 %, und enthält das Abgas Kohlenmonoxid in einer Konzentration von mehr als
3000 ppm, so führt dieses zu einer merklichen Spannungserhöhung. Der zweite Sensor
6 weist ebenfalls ein Festelektrolytrohr aus Zirkoniumdioxid (hier nicht dargestellt)
auf. Auf der Außenfläche dieses Festelektrolytrohres ist ebenfalls eine Meßelektrode
angeordnet, während sich auf der Innenfläche des Festelektrolyten eine zweite Elektrode
befindet. An diese beiden Elektroden wird eine Spannung vorgegebener Größe angelegt.
Vorzugsweise beträgt diese Spannung etwa 1 bis 1,2 Volt. Die zweite Elektrode muß
mit keinem Gas beaufschlagt werden. Wird die Meßelektrode des Sensors 6 mit dem Abgas
in Kontakt gebracht, so beginnt ein Strom zwischen der Meßelektrode und der zweiten
Elektrode zu fließen, wenn im Abgas Sauerstoff enthalten ist. Da die Meßelektrode
aus Platin gefertigt ist, wird hierdurch die katalytische Reaktion des im Abgas enthaltenen
Kohlenmonoxids mit dem freien Sauerstoff im Abgas begünstigt. Der Kohlenmonoxid, der
nicht katalytisch verbrannt werden kann, führt bei diesem Sensor zu keiner Erhöhung
des zwischen den Elektroden fließenden Stroms. Das Meßsignal dieses Sensors wird alleine
durch den restlichen Sauerstoff im Abgas bestimmt. Diese Tatsache wird ausgenutzt,
um einen erhöhten Anteil an Kohlenmonoxid im Abgas festzustellen. Mit Hilfe der Regeleinheit
7 werden aus den Signalen der Sensoren 5 und 6 die zugehörigen Zahlenwerte A und P
berechnet. Ist der Gehalt an Kohlenmonoxid im Abgas gering, so sind die berechneten
Werte A und P aus den beiden Meßsignalen etwa gleich groß.
Nimmt die Konzentration an Kohlenmonoxid merklich zu, so ist der aus dem Meßsignal
des Sensors 5 berechnete Zahlenwert P aus den obenangegebenen Gründe größer als der
aus dem Meßsignal des Sensors 6 berechnete Zahlenwert A. Übersteigt die relative Abweichung
D zwischen den berechneten Zahlenwerten A und P einen Grenzwert G, der größer ist
als 20%, wird dieses als Anzeige für das Vorhandensein größerer Mengen an Kohlenmonoxid
im Abgas gewertet. Es kann dann davon ausgegangen werden, daß die Konzentration an
Kohlenmonoxid oberhalb dieses Grenzwertes größer als 4000ppm ist. Die Regeleinheit
7 gibt beim Erreichen dieses Grenzwertes über ihren Signalausgang 7A ein Signal an
das Stellglied 8, mit dessen Hilfe die Luftklappe 9 weiter geöffnet und dem Brenner
2 mehr Luft zugeführt wird. Die Luftzufuhr wird solange erhöht, bis die relative Abweichung
zwischen den beiden errechneten Werten unter den Grenzwert von 20% gesunken ist. Die
Charakteristiken der Sensoren 5 und 6 wurde an einer Feuerungsanlage untersucht, deren
Luftmenge variierte. Fig. 2 zeigt den Kohlenmonoxidgehalt im Abgas einer Feuerungsanlage
bei einem Restsauerstoff zwischen 1% und 4%. Bei einer Sauerstoffkonzentrationen von
3,5% liegt der Kohlenmonoxidgehalt des Abgases unter 100 ppm. Bei einer Sauerstoffkonzentration,
die kleiner als 3,5 % ist, kann der Gehalt an Kohlenmonoxid im Abgas bis auf 1% ansteigen.
In Fig. 3 sind die aus den Meßsignalen errechneten Werte A und P der beiden Sensoren
5 und 6 bei gleichen Voraussetzungen wie in Fig. 2 dargestellt. Die Werte A sind längs
der horizontalen Achse und die Werte P längs der vertikalen Achse aufgetragen.
[0010] Es ist deutlich zu erkennen, daß bei einer Konzentration des Kohlenmonoxids, die
kleiner ist als 1000 ppm keine Abweichung zwischen den errechneten Werten A und P
bestehen. Differenzen treten dann deutlich auf, wenn die Konzentration des Kohlenmonoxids
im Abgases 3000 ppm überschreitet, wenn also die Konzentration des Sauerstoffs im
Abgas kleiner als 2% ist. Dieses Verhalten wird anhand von Fig. 4 verdeutlicht. Sie
zeigt, daß der Zustand einer unvollständigen Verbrennung einer Feuerungsanlage mit
einer Konzentrationen an Kohlenmonoxid die größer ist als 4000 ppm mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren einwandfrei nachgewiesen werden kann. Zur Kompensation der bei dem potentiometrisch
arbeitenden Sensor 5 auftretenden Nullpunktsdrift, wird in periodischen Abständen
eine Eichung des Sensor 5 vorgenommen. Dazu wird die Luftzufuhr zum Brenner der Feuerungsanlage
so weit erhöht, daß eine schadstoffarme Verbrennung bewirkt wird. Aus der Sauerstoffkonzentration
des Abgases bei dieser Einstellung, die aus dem Stromsignal der Sensors 6 ermittelt
wird, und dem Spannungssignal des Sensors 5 werden dann die neuen Anpassungsparameter
für die Umrechnung des Spannungssignals in die Sauerstoffkonzentration berechnet und
in der Regeleinheit abgespeichert. Somit ist gewährleistet, daß Abweichungen der beiden
Sensoren 5 und 6 im normalen Regelbetrieb tatsächlich auf eine Schadstoffproduktion
der Feuerungsanlage zurückzuführen sind. Die Vorrichtung hat zusätzlich den Vorteil
einer Eigenüberwachung. Sollte einer der Sensoren 5 und 6 eine Fehlfunktion aufweisen,
so ist es möglich, Differenzen zwischen den errechneten Sauerstoffkonzentrationen
durch Eingriff in die Regelung auszugleichen. In diesem Fall wird die Feuerungsanlage
in einen Bereich hohen Luftüberschusses geregelt, so daß das Abgas keine Schadstoffe
aufweist. Zusätzlich wird von der Regeleinheit eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben.
1. Verfahren (1) zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage(1)
mit einem Brenner (2) für feste und/oder strömende Brennstoffe, der ein Sensor (5,6)
nachgeschaltet ist, und die wenigstens ein die Luftzufuhr zum Brenner (2) steuerndes
Stellglied (8) aufweist, dessen Signaleingang (8A) mit einer Regeleinheit (7) in Verbindung
steht, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen von Kohlenmonoxid im Abgas der Anteil des im Abgas enthaltenen
Sauerstoffs mit mindestens zwei unterschiedlichen Meßverfahren erfaßt und aus den
beiden Meßsignalen die jeweils zugehörigen Zahlenwerte (A und P) berechnet werden,
daß eine relative Abweichung (D) zwischen diesen beiden Werten (A und P), die größer
ist als ein festgelegter Grenzwert (G) als Anzeige für das Vorhandensein von Kohlenmonoxid
im Abgas genutzt wird, und daß zur Reduzierung des Kohlenmonoxids im Abgas eine Regelung
der Luftzufuhr zum Brenner (2) der Feuerungsanlage(1) vorgenommen wird, bis die relative
Abweichung (D) zwischen den errechneten Werten (A und P) unterhalb des festgelegten
Grenzwertes (G) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt im Abgas
mit einem potentiometrisch arbeitenden Sensor (5) und einem amperometrisch arbeitenden
Sensor (6) gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch kennzeichnet, daß die relative
Abweichung (D) zwischen dem potentiometrischen Meßsignal und dem amperometrischen
Meßsignal kontinuierlich ermittelt und eine relative Abweichung (D) von 20% zwischen
den berechneten Zahlenwerten (A und P) als Anzeige für Kohlenmonoxid im Abgas dient,
und daß beim Erkennen von Kohlenmonoxid im Abgas die Zufuhr der Luft zum Brenner (2)
solange erhöht wird, bis die relative Abweichung (D) zwischen dem potentiometrisch
ermittelten Wert (P) und dem amperometrisch ermittelten Wert (A) weniger als 20% beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß zur Kompensation
der Nullpunktsdrift des potentiometrisch arbeitenden Sensors (5) die Feuerungsanlage
(1) in definierten Abständen in einen Bereich hohen Restsauerstoffgehaltes zur Erzielung
einer schadstoffreien Verbrennung geregelt wird, daß die aus den amperometrischen
und potentiometrischen Meßsignalen dieser Regelung errechneten Werten (A und P) zur
Bildung neuer Anpassungsparameter für die Umrechnung des potentiometrischen Meßsignals
gespeichert werden, so daß Abweichungen der beiden Meßsignale im normalen Regelbetrieb
tatsächlich auf eine erhöhte Konzentration an Kohlenmonoxid im Abgas zurückgeführt
werden können.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Feuerungsanlage(1)
mit einem Brenner(2) für feste und/oder strömende Brennstoffe versehen ist, der ein
Sensor (5,6) nachgeschaltet ist, und die wenigstens ein die Luftzufuhr zum Brenner
(2) steuerndes Stellglied (8) aufweist, dessen Signaleingang (8A) mit einer Regeleinheit
(7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abgaskanal (4) der Feuerungsanlage(1) ein Sensor (5) mit potentiometrisch
arbeitender Meßvorrichtung und ein Sensor (6) mit amperometrisch arbeitender Meßvorrichtung
eingebaut ist, daß die Signalausgänge der Sensoren (5 und 6) mit der Regeleinheit
(7) verbunden sind, daß in der Regeleinheit ein Grenzwert (G) gespeichert ist, der
einer relativen Abweichung (D) von 20 % zwischen den berechneten Zahlenwerten (A und
P) aus den Meßsignalen der Sensoren (5 und 6) entspricht.
