Verfahren zur Optimierung des Brennereinschaltpunktes im Bereich der minimalen Kesseltemperatur

Abstract

 Verfahren zur Optimierung des Einschaltpunktes T_EIN eines Brenners für einen während des normalen Betriebs unterhalb einer minimalen Kesseltemperatur T_MIN zu schützenden Heizkessels, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinschaltpunkt T_EIN im Bereich der minimalen Kesseltemperatur T_MIN um eine Hilfsgrösse T_H korrigiert wird, die in Abhängigkeit von der thermischen Last ermittelt wird, wodurch gewährleistet ist, dass die minimale Kesseltemperatur T_MIN auch bei unterschiedlichen Lasten während des normalen Betriebs in der Regel nicht unterschritten wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Es ist bekannt, dass Heizkessel bauartbedingt nicht unterhalb einer bestimmten minimalen Kesseltemperatur betrieben werden dürfen, da sonst die Gefahr der Kondensatbildung im Kessel besteht, was zur Zerstörung des Kessels durch Korrosion führen könnte. Die einzuhaltende minimale Kesseltemperatur kann hierbei auch unter anderem vom Brennstoff abhängig sein. Im allgemeinen ist es wünschenswert, dass die minimale Kesseltemperatur so tief wie möglich eingestellt werden kann, damit der Heizkessel in einem möglichst grossen Temperaturbereich betrieben werden kann.

[0003] Bei den bekannten Lösungen wird der Brenner beim Unterschreiten der minimalen Kesseltemperatur eingeschaltet, um zu verhindern, dass die minimale Kesseltemperatur weiter absinkt. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der Druckschrift DE 2919751 C2 beschrieben. Da der Brenner im allgemeinen nach dem Brennereinschaltbefehl durch die Regelung nicht sofort startet, beispielsweise aufgrund der Öffnung der Luftklappe, Ölvorwärmung, Vorlüften, etc. und auch aufgrund der Trägheit des Kessels, z. B. Zeitkonstante des Kesseltemperaturfühlers, Masse des Kessels, Wassermasse etc. kann die Kesseltemperatur unter die minimal zulässige Kesseltemperatur fallen. Wie weit die Kesseltemperatur nach dem Brennereinschaltbefehl noch absinkt, ist einerseits vom Brennertyp, beispielsweise von der Verzögerungszeit bis zum Brennerstart, der Temperaturfühlerzeitkonstanten, der Kesselkonstruktion und andererseits von der thermischen Last abhängig, beispielsweise wenn die Last gross ist, fällt die Kesseltemperatur pro Zeiteinheit stärker als bei einer kleinen thermischen Last.

[0004] Um die minimale Kesseltemperatur in jedem Betriebsfall, d. h. auch bei unterschiedlichen thermischen Lasten einzuhalten, sollte der Einschaltpunkt des Brenners im allgemeinen so gewählt werden, dass auch bei einer grossen Last die Kesseltemperatur nicht unter die minimal zulässige Kesseltemperatur fallen kann. Bei den bekannten Lösungen führt dies jedoch dazu, dass der Brenner in vielen Fällen, beispielsweise bei kleineren Lasten, früher einschaltet als unbedingt notwendig wäre. Dies führt jedoch zu einer unnötig hohen mittleren Kesseltemperatur im Schwachlastbetrieb und damit zu höheren Kesselabstrahlverlusten.

[0005] Es ist auch bekannt, die Unterschreitung der minimalen Kesseltemperatur dadurch zu reduzieren, dass nachgeschaltete thermische Lasten mit Hilfe eines Mischventils eingeschränkt werden. Die DE 3446167 C3 beschreibt ein solches Verfahren, wobei ein Mischventil in Abhängigkeit von der festgestellten Unterschreitung zur minimalen Kesseltemperatur entsprechend gesteuert wird. Dies bedingt jedoch zusätzliche Schaltungsglieder für die Erzeugung eines Signals zum Schliessen des die Vorlauftemperatur beeinflussenden Mischventils. Auch hat dieses bekannte Verfahren den Nachteil, dass einer Unterschreitung der minimalen Kesseltemperatur nur dadurch entgegengewirkt werden kann, indem die nachgeschalteten Lasten eingeschränkt werden. Soll jedoch die Last im wesentlichen gleichbleiben, so ist dieses Verfahren nur bedingt dafür geeignet.

[0006] Weiterhin sind auch Verfahren zur Optimierung der Brennerlaufzeiten und der Anzahl der Brennerstarts pro Zeiteinheit in einer Heizungsanlage bekannt. Bei dem z. B. aus der EP 0563752 B1 bekannten Verfahren erfolgt beispielsweise die Optimierung dadurch, dass der Heizwasservolumenstrom bei ausgeschaltetem Brenner reduziert wird.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ergänzend zur Optimierung der Brennerlaufzeit und der Anzahl der Brennerstarts je Zeiteinheit, ein Verfahren zur Optimierung des Einschaltpunktes eines Brenners im Bereich der minimalen Kesseltemperatur vorzuschlagen, das die eingangs genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und bei dem die Kesseltemperatur unter Einhaltung der geforderten minimalen Kesseltemperatur in einem möglichst grossen Temperaturbereich betrieben werden kann, wobei die minimale Kesseltemperatur dabei so tief wie möglich eingestellt werden kann.

[0008] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0009] Mit anderen Worten ausgedrückt besteht die erfindungsgemässe Lösung darin, dass der Brennereinschaltpunkt im Bereich der minimalen Kesseltemperatur an die in einer Heizungsanlage sich einstellenden Verhältnisse, beispielsweise thermische Last, Brennertyp, Kesseltyp, Zeitkonstante des Kesseltemperaturfühlers, etc. angepasst wird. Durch das erfindungsgemässe adaptive Verfahren zur Optimierung des Brennereinschaltpunktes wird erreicht, dass die Kesselminimaltemperatur gleich der minimal zulässigen Kesseltemperatur bei der Regelung eingestellt werden kann und dass trotzdem gewährleistet ist, dass die minimal zulässige Kesseltemperatur in der Regel nicht unterschritten wird.

[0010] Mit der Massnahme, dass die minimale Kesseltemperatur dabei auf den geringst möglichen Wert eingestellt wird, kann die Anzahl der Brennerstarts je Zeiteinheit in einer Heizungsanlage reduziert werden, wodurch Energie eingespart wird.

[0011] Die einfachste Variante des erfindungsgemässen Verfahrens besteht beispielsweise darin, nach dem Einschalten des Brenners zu bestimmen, wie stark die Kesseltemperatur noch absinkt, bevor die Kesseltemperatur wieder ansteigt. Dieser Wert wird als Hilfsgrösse abgespeichert und beim nächsten Brennerstart wird der Brenner bereits bei der um diese Hilfsgrösse korrigierten Brennereinschalt-Kesseltemperatur eingeschaltet. Durch dieses sehr einfache Verfahren kann der Brennereinschaltpunkt bei gleichbleibender thermischer Last entsprechend der Hilfsgrösse korrigiert werden. Dabei können für unterschiedliche Lasten verschiedene Hilfsgrössen zur Korrektur des Brennereinschaltpunktes zur Anwendung kommen. Diese Hilfsgrössen werden dabei in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastprofil verwendet. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch die Tatsache, dass Lastschwankungen immer erst im nachhinein erfasst werden können. Eine Verbesserung dieser Lösung stellt die Berücksichtigung des Kesseltemperaturgradienten als Mass für die thermische Last für die Bestimmung des Brennereinschaltpunktes dar.

[0012] Auch ist es bei dem erfindungsgemässen Verfahren möglich, eine anlagenspezifische Einstellung vorzusehen, die beispielsweise bei einem Standard-Kesseltemperaturgradienten, z. B. 10 Kelvin pro 60 Sekunden, eine typische Brennereinschaltvorverlegungszeit, z. B. von 60 Sekunden, vorsieht. Abhängig von dem tatsächlichen Gradienten der Kesseltemperatur kann dann die Kesseltemperatur errechnet werden, bei welcher der Brenner eingeschaltet werden muss, damit die Kesseltemperatur bei der minimalen Kesseltemperatur wieder ansteigt. Da diese Lösung jedoch von den Verhältnissen in der Heizungsanlage abhängig ist (Kessel/Brenner-Kombination, Heizwasservolumenstrom) und die anlagenspezifische Einstellung nicht immer einfach der Dokumentation der Heizungsanlage entnommen werden kann, wird die Brennereinschaltvorverlegungszeit vorzugsweise während einer Lernphase von der Regelung selbst gelernt.

[0013] Ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

[0014] Es zeigt Figur 1, das erfindungsgemässige Verfahren unter Berücksichtigung der thermischen Last beispielsweise anhand des Kesseltemperaturgradienten und Figur 2 ein Schaltschema für den Brennereinschaltpunkt bei unterschiedlichen Lasten.

[0015] Vorzugsweise vor bzw. bei der Inbetriebnahme der Heizungsanlage wird die Regelung mit einem Startwert für die Brennereinschaltvorverlegungszeit T_BVZ versehen. Nach dem ersten Brennerstart wird erfasst, wie gross die Abweichung zwischen der gewünschten minimalen Kesseltemperatur T_MIN und der tatsächlichen minimalen Kesseltemperatur ist. In Abhängigkeit von dieser Abweichung und der Kenntnis des Kesseltemperaturgradienten zum Brennerfreigabezeitpunkt, kann die Brennereinschaltvorverlegungszeit entsprechend korrigiert werden. Wenn die minimale Kesseltemperatur zu früh erreicht worden ist, wird sie beispielsweise verkleinert, wenn sie zu spät erreicht worden ist, wird sie vergrössert. Die korrigierte Brennereinschaltvorverlegungszeit T_BVZ' wird abgespeichert und wird bei der nächsten Brennereinschaltung für die Bestimmung des Einschaltpunktes verwendet. Die korrigierte Brennereinschaltvorverlegungszeit T_BVZ' wird dabei ausgehend von den in Figur 1 dargestellten Grössen dT und dem Kesseltemperaturgradienten entsprechend der Formel T_BVZ' = dT/Kesseltemperaturgradient berechnet. Wenn die minimale Kesseltemperatur innerhalb einer neutralen Zone NZ (z.B. +/- 0.5 Kelvin um T_MIN) liegt, erfolgt keine Korrektur.

[0016] Das Lernen der Brennereinschaltvorverlegungszeit T_BVZ kann dabei bei jedem Brennerstart erfolgen. Der Lernfaktor, d. h. die Korrektur der Brennereinschaltvorverlegungszeit pro Brennerstart kann beispielsweise mit zunehmender Zeitdauer auch immer kleiner gemacht werden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass das Lernen der Brennereinschaltvorverlegungszeit nur in der Anfangsphase erfolgen kann und mit zunehmender Zeitdauer, beispielsweise nach einigen Tagen, eingefroren wird. Sinnvollerweise wird in beiden Fällen die Grösse der Brennereinschaltvorverlegungszeit begrenzt.

[0017] Wichtig ist, dass z. B. Brennerstörungen oder Ausnahmefälle, z.B ein Brennerstart im Kaltzustand der Heizungsanlage als solche erkannt werden und nicht in die Lernphase einfliessen, was zu einem falschen Lernen führen könnte. Aufgrund der in der Lernphase ermittelten Brennereinschaltvorverlegungszeit kann diese nun entsprechend korrigiert werden. Die Korrektur kann hierbei auch nur zunächst um einen Teilbetrag erfolgen, um so schrittweise zum richtigen Wert zu gelangen. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass es weniger anfällig bezüglich Störungen ist.

[0018] Es ist auch möglich, die Korrektur nach mehreren Brennerstarts vorzunehmen, wenn sich der Korrekturwert erhärtet hat. Die Brennersteuerung kann nach dem erfindungsgemässen adaptiven Verfahren aufgrund der Erfahrungen aus der Vergangenheit, beispielsweise ausgehend von der gelernten Brennereinschaltvorverlegungszeit und dem Kesseltemperaturgradienten die Brennereinschalttemperatur berechnen, bei welcher der Brenner ein Startsignal erhalten soll. Diese Kesseltemperatur T_EIN' für den Brennereinschaltpunkt kann gemäss der Formel T_EIN' = T_MIN + T_{BVZ X} Kesseltemperaturgradient berechnet werden. Sobald die tatsächliche Kesseltemperatur unter diesen Wert fällt, wird der Brenner entsprechend gestartet. Die Temperatur für den Brennereinschaltpunkt respektive die Verschiebung des Einschaltpunktes T_EIN wird sinnvollerweise zum Beispiel auf 20 Kelvin begrenzt. Auch ist darauf zu achten, dass eine minimale Temperaturdifferenz zum Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) dabei auf jeden Fall eingehalten werden muss.

[0019] Bei dem in Figur 2 dargestellten Schaltschema für unterschiedliche Lasten schaltet der Brenner im Fall A früher als im Fall B ein.

[0020] Durch das erfindungsgemässe adaptive Verfahren (der Brennereinschaltpunkt TEIN wird den Anlagenverhältnissen angepasst) wird erreicht, dass bei der Regelung die Kesselminimaltemperatur gleich der minimal zulässigen Kesseltemperatur eingestellt werden kann und trotzdem gewährleistet ist, dass die minimal zulässige Kesseltemperatur in der Regel während des normalen Betriebs auch bei unterschiedlichen Lasten nicht unterschritten wird. Nur bei einer grossen Lastzunahme bereits kurz nach dem Einschalten des Brenners könnte auf einen solchen Lastwechsel nicht mehr reagiert werden und eine kurzzeitige Unterschreitung der minimalen Kesseltemperatur wäre in diesem Fall nicht auszuschliessen. Da solche Lastsprünge in der Regel jedoch während des normalen Betriebes sehr selten vorkommen, stellen diese Unterschreitungen kein Problem in der Praxis dar.

Ansprüche

1. Verfahren zur Optimierung des Einschaltpunktes T_EIN eines Brenners für einen während des normalen Betriebs unterhalb einer minimalen Kesseltemperatur T_MIN zu schützenden Heizkessels, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinschaltpunkt T_EIN im Bereich der minimalen Kesseltemperatur T_MIN um eine Hilfsgrösse T_H korrigiert wird, die in Abhängigkeit von der thermischen Last ermittelt wird, wodurch gewährleistet ist, dass die minimale Kesseltemperatur T_MIN auch bei unterschiedlichen Lasten während des normalen Betriebs in der Regel nicht unterschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der minimalen Kesseltemperatur T_MIN nach dem Brennereinschaltsignal ermittelt wird um welchen Betrag die Kesseltemperatur noch absinkt bevor diese aufgrund des Einschalten des Brenners wieder ansteigt, und dass der derart ermittelte Betrag als Hilfsgrösse T_H abgespeichert wird, wobei beim nächsten Brennerstart der Brennereinschaltpunkt T_EIN um diese Hilfsgrösse T_H korrigiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mass für die thermische Last der Kesseltemperaturgradient oder der Betrag des Nachheizens der Kesseltemperatur nach dem Ausschalten des Brenners oder der Betrag des Unterschwingens nach dem Einschalten des Brenners oder das Brenner Ein/Aus-Taktverhältnis zur Bestimmung der Hilfsgrösse T_H verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsgrösse T_H in Abhängigkeit von einer Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsgrösse T_H aus dem Kesseltemperaturgradienten und der Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ bestimmt wird und die Temperatur für den korrigierten Brennereinschaltpunkt T_EIN' gemäss der Formel T_EIN' = T_MIN + T_BVZ x Kesseltemperaturgradient berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ nach einer Lernphase ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor bzw. bei der Inbetriebnahme des Brenners die Regelung mit einem Startwert für die Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ versehen wird und nach dem ersten Brennerstart die Abweichung zwischen der gewünschten minimalen Kesseltemperatur T_MIN und der tatsächlichen minimalen Kesseltemperatur erfasst wird und das abhängig von dieser Abweichung und des Kesseltemperaturgradienten zum Brennerfreigabezeitpunkt die Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ korrigiert wird, wobei diese korrigierte Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ' abgespeichert und bei der nächsten Brennereinschaltung für die Bestimmung des Brennereinschaltpunktes T_EIN verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lernen der Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ bei jedem Brennerstart erfolgt, wobei die Korrektur der Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ pro Brennerstart mit zunehmender Zeitdauer immer kleiner gemacht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lernen der Brennereinschalt-Vorverlegungszeit T_BVZ nur in der Anfangsphase erfolgt und mit zunehmener Zeitdauer, vorzugsweise nach einigen Tagen, eingefroren wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinschaltpunkt T_EIN in Abhängigkeit von dem Brennertyp, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit bis zum Brennerstart, ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinschaltpunkt T_EIN in Abhängigkeit vom Kesseltyp, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Masse des Kessels oder der Wassermasse, ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennereinschaltpunkt T_EIN in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten des Kesseltemperaturfühlers ermittelt wird.

Zeichnung