Verfahren zur Regelung beziehungsweise Steuerung eines Brenners

Abstract

 Verfahren zur Regelung beziehungsweise Steuerung eines Brenners (5), dem eine bestimmte Luftmenge (3) und Brennstoffmenge (4) zugeführt wird, wobei das bei der Verbrennung entstehende Abgas (6) einem Sensor (7) zugeführt wird und das der vom Sensor detektierte Istwert (8) mit einem Sollwert (9) verglichen wird und das aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert eine Regelabweichung erhalten wird, die in eine von der Brennerleistung unabhängige Stellgrösse (11) umgesetzt wird, wobei eine leistungsabhängige Stellgrösse (15) ausgehend von der leistungsunabhängigen Stellgrösse (11) und von brennerspezifischen Parametern (13), die bei der Einstellung des Brenners für die jeweiligen Leistungspunkte des Brenners ermittelt werden, generiert wird und wobei die leistungsabhängige Stellgrösse (15) in ein Steuersignal (17,18) zur Beeinflussung des Verhältnisses der Luftmenge (3) zur Brennstoffmenge (4) umgesetzt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung beziehungsweise Steuerung eines Brenners gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein System zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens gemäss dem Anspruch 7.

[0002] Ein Verfahren der eingangsgenannten Art ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 0 644 376 B1 bekannt. Die Figur 1 dieser Druckschrift zeigt eine Feuerungsanlage mit einem Heizkessel 1, einem Brenner 2, der hinsichtlich der Leistung stufig oder mudulierend umschaltbar ist. Der Brenner hat eine Brennstoffzufuhr 4 und eine Luftzufuhr 5, wobei in der Luftzufuhr ein Stellglied, zum Beispiel eine Luftklappe 6 zur Anpassung der zugeführten Luftmenge an die zugeführte Brennstoffmenge vorhanden ist. Die bei der Verbrennung enstehenden Abgase 7 werden über einen Abgaskanal 3 fortgeleitet. Im Abgaskanal 3 befindet sich eine Messsonde 8, die zum Beispiel den Sauerstoffgehalt im Abgas misst. Der von der Messsonde gemessene O2-Istwert wird einer Regelungsvorrichtung 9 zugeführt, und dort mit einem O2-Sollwert verglichen. In Abhängigkeit von der zwischen Soll- und Istwert ermittelten Differenz wird die Luftklappe 6 so gesteuert, dass der im Abgas gemessene Sauerstoffgehalt (O2-Istwert) den eingestellten O2-Sollwert erreicht.

[0003] Da die optimale Luftzufuhr beziehungsweise der optimale Luftüberschuss für die Verbrennung leistungsabhängig ist, ist in Figur 2 der O2-Regelkreis in Abhängigkeit von der Leistung des Brenners schematisch dargestellt. Aus der Differenz zwischen O2-Istwert und O2-Sollwert ergibt sich eine Regelabweichung 11, die einem Regler 12 zugeführt wird. Der Regler 12 berechnet zunächst eine leistungsunabhängige Stellgrösse YR aus der Regelabweichung 11. Die leistungsunabhängige Stellgrösse YR wird dann von einem Korrekturglied 12a in eine von der Leistung des Brenners abhängige Stellgrösse 13 umgesetzt. Diese wird dann der Luftklappe 6 zugeführt, deren Luftklappenstellung 15, eine Regelstrecke 16 beeinflusst.
Die Regelparameter werden hierbei aus Messungen von Sprungantworten am offenen Regelkreis gemäss Figur 3 gewonnen. Die so ermittelten Regelparameter können hierbei zu jedem verwendeten Brennstoff und für jede Leistungsstufe des Brenners ermittelt und gespeichert werden.

[0004] Bei dem bekannten Verfahren ist der Zusammenhang zwischen der leistungungsabhängigen Stellgrösse und der leistungsunabhängigen Stellgrösse über die Streckenverstärkung KS definiert.

[0005] Voraussetzung hierfür ist jedoch das die Streckenverstärkung KS im wesentlichen umgekehrt proportional zur Leistung des Brenners ist.
Diese Annahme gilt zwar näherungsweise für einen ideal sich verhaltenden Brenner, wenn z.B. die leistungsabhängige Stellgrösse die absolute Luftmenge darstellt und der O2-Sollwert für alle Leistungspunkte gleich ist. In der Praxis ist dies jedoch selten der Fall. Vielmehr können die Brenner bei verschiedenen Leistungspunkten unterschiedlich stark auf eine Luftmengenänderung reagieren.
Bei dem bekannten Verfahren wird die leistungsabhängige Stellgrösse direkt einer Luftklappe aufgeschaltet. Dadurch kann zum Beispiel aufgrund einer nichtlinearen Luftklappencharakteristik der Zusammenhang zwischen Luftmenge und gemessenem O2-Wert nicht linear sein kann. Dies wird bei dem bekannten Verfahren jedoch nicht berücksichtigt. Auch hat das bekannte Verfahren den Nachteil, dass bei einer Feuerungsanlage mit mehreren luftbestimmenden Aktoren die leistungungsabhängige Stellgrösse auf diese entsprechend aufgeteilt werden muss. Dies ist jedoch schwierig und nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen.
Somit kann festgestellt werden, dass das bekannte Verfahren für die Praxis nur sehr eingeschränkt geeignet ist.

[0006] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung beziehungsweise Steuerung eines Brenners vorzuschlagen, welches unter Vermeidung der genannten Nachteile des Standes der Technik in der Praxis einfach und vielseitig einsetzbar ist.

[0007] Die Aufgabe wird durch die in dem Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0008] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1

den erfindungsgemässen Regelkreis dargestellt als Funktionsblockbild

Figur 2

eine Verbundkurve und eine Sollwertkurve

Figur 3

ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemässen Verfahrens

[0009] Die erfindungsgemässe Regelung ist vorzugsweise als O2-Regelung ausgeführt.
Dabei wird in bekannter Art und Weise mittels von Aktoren 1 und 2, beispielsweise Luftklappen beziehungsweise Gasventile, dem Brenner 5 eine bestimmte Luftmenge 3 und eine bestimmte Brennstoffmenge 4 zugeführt. Ein Sensor 7 detektiert beispielsweise den im Abgas 6 enthaltenen O2-Gehalt, der nachfolgend als Istwert 8 bezeichnet wird. Dieser stellt ein aktuelles Mass für die Qualität und den Wirkungsgrad der Verbrennung dar und wird mit einem Sollwert 9 verglichen. Aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert wird eine Regelabweichung erhalten und diese wird von einem Regler 10 in eine leistungsunabhängige Stellgrösse (YR)11 umgesetzt, die dann einer Vorsteuerung 12 zugeführt wird. Zur Weiterverarbeitung durch die Vorsteuerung 12 wird dieser z.B. die Brennerleistung 14 und eventuell auch der verwendete Brennstofftyp als Steuerungsinformation zugeführt.
Der Vorsteuerung erhält weiterhin brennerspezifische Parameter 13, welche das brenner-und kesselspezifische Verhalten der Feuerungsanlage bei Veränderung der Verbrennungsluftmenge für verschiedene Arbeitspunkte des Brenners kennzeichnen. Diese werden beispielsweise bei der Brennereinstellung für verschiedene Leistungspunkte des Brenners und eventuell auch für unterschiedliche Brennstofftypen ermittelt und als Kenngrössen gespeichert.

[0010] Die Vorsteuerung 12 bestimmt dann ausgehend von der leistungsunabhängigen Stellgrösse 11 und den brennerspezifischen Parametern 13 unter Berücksichtigung der Steuerungsinformation 14 eine leistungsabhängige Stellgrösse (Y) 15. Diese wird dann von einer elektronischen Verbundsteuerung 16 in ein Steuersignal 17 bzw. 18 für wenigstens einen der Aktoren 1 und 2 umgesetzt, welches dann die dem Brenner zugeführte Luftmenge 3 bzw. die Brennstoffmenge 4 entsprechend steuert.

[0011] Im Ausführungsbeispiel wird die Luftmenge in Abhängigkeit von dem gemessenen Sauerstoffgehalt im Abgas von der elektronischen Verbundsteuerung gesteuert.

[0012] Vorzugsweise erfolgt dabei nur eine Reduktion der Luftmenge. Dies kann z.B.durch Verringern der Luftleistung auf einer Verbundkurve erfolgen, wodurch automatisch die Charakteristik der luftbestimmenden Aktoren mit berücksichtigt wird.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemässe Lehre nicht auf eine Beeinflussung der Luftmenge beschränkt, sondern anstelle der Luftmenge könnte auch die Brennstoffmenge entsprechend geregelt bzw. gesteuert werden. Auch ist die Erfindung nicht nur in Verbindung mit einer O2-Messung verwendbar, sondern es kann auch eine CO2-Messung eingesetzt werden.

[0013] Nachfolgend wird das Verhalten der Regelung bei Veränderung der Brennerleistung beschrieben. Sobald eine Leistungungsverstellung vorliegt, wird der Regler gesperrt, damit es nicht aufgrund einer durch die Laufzeit der Abgase bedingten Verzögerung zu einem Vergleich eines veralteten Istwertes mit dem Sollwert kommt.
Bei der Leistungsverstellung wird die vom Regler zuletzt bei stationärer Leistung erzeugte Stellgrösse beibehalten und zur Berechnung der leistungsabhängigen Stellgrösse verwendet. Die Vorsteuerung bestimmt dabei die leistungsabhängige Stellgrösse derart, dass bei gleichen Umgebungsbedingungen der Regler im ausgeregelten Zustand für alle Brennerleistungen die gleiche konstante leistungsunabhängige Stellgrösse erzeugt. Vorzugsweise führt die Vorsteuerung auch eine Normierung der vom Regler generierten leistungsunabhängigen Stellgrösse durch. Die Normierung erfolgt z.B. derart, dass eine prozentuale Änderung des Betrages der Luftdichte durch eine gleich grosse prozentuale Betragsänderung der Stellgrösse ausgeglichen werden kann.

[0014] Der Regler wird erst dann wieder freigegeben, wenn der Istwert stabil ist und somit mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden kann. Dies ist dann der Fall wenn z.B. wieder eine stationäre Leistung des Brenners vorliegt und genügend Zeit vergangen ist, dass sichergestellt ist, dass es nicht aufgrund der Zeitverzögerung bis zur Erfassung des Istwertes zu einer falschen Regelabweichung und somit zu einer vom Regler falsch erzeugten Stellgrösse kommen kann. Um ein Absinken des Istwertes unter den Sollwert während der Leistungsänderung zu verhindern, sind zusätzlich Steuereingriffe auch bei gesperrtem Regler möglich. Die Steuereingriffe können z.B. bei einem Unterschreiten des Sollwertes dann die Stellgrösse so erhöhen, dass der dadurch erzielte höhere Istwert wieder im zulässigem Bereich liegt.

[0015] Dies kann z.B. bei ungenauer Einstellung des Brenners oder bei Brennern mit über der Leistung stark schwankenden Eigenschaften erforderlich sein.
Auch kann bei einer Leistungsverstellung ein Offset zur Stellgrösse addiert werden. Dadurch fährt das System bei der Leistungsverstellung über den Sollwert, wodurch ein Unterschreiten des Sollwertes während der Leistungsverstellung vermieden wird.
Liegt wieder eine stationäre Leistung vor, so wird der Regler freigegeben und das System wird wieder auf den Sollwert geregelt.

[0016] Die erfindungsgemässe Reglung bzw. Steuerung hat somit den Vorteil , dass durch die bei der Einstellung des Brenners für verschiedene Leistungspunkte bzw. Arbeitspunkte ermittelten brennerspezifischen Parameter, das tatsächliche Verhalten des Brenners und Kessels auf eine Stellgrössenänderung wiedergeben wird. Somit muss der Regler unter realen Bedingungen in der Praxis nur noch bei einer Veränderung der Umgebungsbedingungen (Luftdruck, Temperatur, etc.) aktiv werden.

[0017] Die Ermittlung der brennerspezifischen Parameter wird nachfolgend anhand der Figuren 2 und 3 näher beschrieben. Figur 2 zeigt schematisiert eine bei der Einstellung des Brenners für verschiedene Leistungspunkte des Brenners erhaltene Verbundkurve 20. Auf der Verbundkurve sind vorzugsweise Brennstoff- und Luftleistung gleich. Die Verbundkurve 20 und eine dazu korrespondierende Sollwertkurve 21 stellen z.B. den prozentualen O2-Gehalt im Abgas in Abhängigkeit von der Brennerleistung dar. Zur Bestimmung der brennerspezifischen Parameter kann z.B. ein auf der Verbundkurve 20 ausgewählter Messwert 22 und ein dazu auf der Sollwertkurve korresondierender Sollwert 23 herangezogen werden.

[0018] Selbstverständlich können auch andere Werte zur Ermittlung der brennerspezifischen Parameter verwendet werden. Beispielsweise können hierfür zwei Messwerte und die zur Aenderung vom ersten auf den zweiten Wert dafür notwendige leistungsabhängige Stellgrösse Y bei geöffnetem Regelkreis verwendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das System mit der Verbundkurve auf den Sollwert gleich eingestellt werden kann und zur Ermittlung der brennerspezifischen Eigenschaften lediglich zwei beliebige Werte auf der Verbundkurve benötigt werden.

[0019] Die Verbund- beziehungsweise Sollwertkurve kann bei der Einstellung des Brenners auch für verschiedene Brennstofftypen ermittelt und gespeichert werden. Dabei sollte sichergestellt sein, dass diese zwischen den Leistungspunkten linear verlaufen, da ansonsten die Vorsteuerung die Bestimmung der brennerspezifischen Parameter nicht korrekt durchführen kann. Dabei ist zu beachten, dass die Einstellung der verschiedenen Leistungspunkte bei gleichen Umgebungsbedingungen (Luftdruck, Lufttemperatur, etc.) erfolgt.

[0020] Figur 3 zeigt in einem Ablaufdiagramm im Verfahrensschritt 30 zunächst die Auswahl des Leistungspunktes bzw. Arbeitspunktes auf der Verbund- und Sollwertkurve.
Im Verfahrensschritt 31 wird z.B. der O2-Wert auf der Verbundkurve gemessen und angezeigt. Wenn dieser stabil ist, wird im Verfahrensschritt 32 die Stellgrösse, z.B. die Luftleistung solange verändert, bis der Istwert den ausgewählten Sollwert erreicht.
Im Verfahrenschritt 33 wird dann überprüft, ob der neue Istwert stabil ist und dem Sollwert entspricht. Wenn dies erfüllt ist, so wird im Verfahrensschritt 34 die Stellgrösse, die zum Erreichen des Sollwertes notwendig war, angezeigt und als Normierwert gespeichert. Der Normierwert entspricht z.B. der relativen Luftleistungsänderung und somit in erster Näherung auch der Luftmengenänderung. Im Verfahrensschritt 35 wird dann die Ermittlung der brennerspezifischen Parameter durchgeführt. Vorzugsweise erfolgt dies basierend auf der Luftzahl Lambda. Beispielsweise kann aus dem gemessenen O2-Wert auf der Verbundkurve ein Lambda-Verbundwert und ein dazu korrespondierender Lambda-Sollwert bestimmt werden. Anhand dieser und des Normierwertes kann dann ein Lambdafaktor für den jeweiligen Leistungspunkt des Brenners bestimmt werden. Der Lambdafaktor berücksichtigt hierbei bei verschiedenen Arbeitspunkten die brenner- und kesselspezifischen Eigenschaften der Feuerungsanlage. Damit ist das Einstellverfahren beendet und im Verfahrensschritt 36 kann dann ausgehend von der leistungsunabhängigen Stellgrösse YR und den bei der Einstellung erhaltenen brennerspezifischen Parametern die leistungsabhängige Stellgrösse Y bestimmt werden. Dies wird nachfolgend näher beschrieben.

[0021] Zur Ermittlung der brennerspezifischen Parameter kann der gemessene O2-Wert bei verschiedenen Abgasqualitäten wie folgt in Lambda umgerechnet werden.

[0022] Bei Messung des O2-Werts bei trockenem Abgas erhält man Lambda wie folgt.

[0023] Bei feuchtem Abgas ergibt sich Lambda wie folgt.

[0024] Dabei entsprechen :

λ = Luftzahl

O2tr = O2 - Gehalt von trockenemAbgas

O2f = O2 - Gehalt von feuchtemAbgas

O2L = O2 - Gehaltder Umgebungsluft (20,9%)

VLNmin= Luftmenge für stöcheometrische Verbrennung

VatrNmin= trockenes Abgasvolumen bei stöcheometrischerverbrennung

VafNmin= feuchtes Abgasvolumenbeistöcheometrischer Verbrennung

[0025] Die Luftleistung erhält man in Abhängigkeit von der Stellgrösse Y wie folgt.

[0026] Bei Veränderung der Luftleistung ergibt sich das daraus resultierende neue Lambda gemäss folgender Beziehung.

[0027] Unter der Voraussetzung das die in Formel (43) angegebene relative Luftmengenänderung beim geöffneten Regelkreis proportional zu der Stellgrösse Y ist, ergibt sich der Zusammenhang zwischen Lambda-Sollwert und Lambda-Verbundwert wie folgt. Dabei entspricht die Stellgrösse Y dem Normierwert "Norm".

[0028] Da in der Praxis nicht immer für alle Brenner der in den Formeln (43) und (44) definierte Zusammenhang zwischen Luftmengenänderung bzw. Normierwert und der Lambdaänderung gilt, wird ein brennerspezifischer Lambdafaktor eingeführt. Dieser wird für jeden Leistungspunkt ermittelt und repräsentiert die brenner- und kesselspezifischen Eigenschaften der Feuerungsanlage.

[0029] Aus Formel (45) erhält man dann den Lambdafaktor wie folgt.

[0030] Wenn sich die Luftdichte ändert, so ändert sich der Lamda-Verbundwert wie folgt.

[0031] Ohne Eingreifen des Reglers erhält man den sich daraufhin einstellenden Lambda-Sollwert wie folgt.

[0032] Um wieder auf den ursprünglichen Lambda-Sollwert zu gelangen wird eine andere vom Normierwert abweichende Luftmengenänderung ΔPLuft benötigt.

[0033] Die relative Luftleistungsänderung ergibt sich dann wie folgt.

[0034] In Formel (50) wird der neue Lambda-Verbundwert aus Gleichung (47) eingesetzt und dadurch erhält man die Stellgrösse Y wie folgt.

[0035] Da die in Formel (51) angegebene Luftdichteänderung leistungsunabhängig ist, kann die Luftdichteänderung mit der leistungunabhängigen Stellgrösse "Stell" gleichgesetzt werden, wodurch diese leistungsunabhängig wird. Gleichzeitig kann auch eine Normierung der Stellgrösse in Bezug auf die korrespondierende Luftdichteänderung vorgenommen werden. Die untenstehende Formel (52) wird dann wie folgt umgestellt.

[0036] Anschliessend wird die leistungsunabhängige Stellgrösse in Formel (53) noch invertiert, damit ein positiver Wert mehr Luftleistung bedeutet und es wird der Lambdafaktor gemäss Formel (46) eingesetzt, womit die leistungsabhängige Stellgrösse Y wie folgt erhalten wird.

[0037] Legende zu den in den Formeln verwendeten Symbolen.

λV = Lambda-Verbundwert

λSoll = Lambda-Sollwert

Norm = Normierwert

Stell =YR = leistungsunabhängige Stellgrösse

ΔPLuft = relative Luftleistungsänderung [%]

dLB = Lambdafaktor

ΔD = Luftdichteänderung [%]

Y = leistungsabhängige Stellgrösse

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung beziehungsweise Steuerung eines Brenners (5), dem eine bestimmte Luftmenge (3) und Brennstoffmenge (4) zugeführt wird, wobei das bei der Verbrennung entstehende Abgas (6) einem Sensor (7) zugeführt wird und das der vom Sensor detektierte Istwert (8) mit einem Sollwert (9) verglichen wird und das aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert eine Regelabweichung erhalten wird, die in eine von der Brennerleistung unabhängige Stellgrösse (11) umgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass eine leistungsabhängige Stellgrösse (15) ausgehend von der leistungsunabhängigen Stellgrösse (11) und von brennerspezifischen Parametern (13), die bei der Einstellung des Brenners für die jeweiligen Leistungspunkte des Brenners ermittelt werden, generiert wird und dass die leistungsabhängige Stellgrösse (15) in ein Steuersignal (17,18) zur Beeinflussung des Verhältnisses der Luftmenge (3) zur Brennstoffmenge (4) umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei einer stationären Brennerleistung zuletzt vorhandene leistungsunabhängige Stellgrösse (11) bei einer Leistungsverstellung des Brenners beibehalten wird und zur Bestimmung der leistungsabhängigen Stellgrösse (15) mit berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungsunabhängige Stellgrösse (11) derart normiert wird, dass eine prozentuale Bertagsänderung der Luftdichte durch eine gleich grosse prozentuale Bertagsänderung der Stellgrösse (11) ausgeglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die brennerspezifischen Parameter (13) bei der Einstellung des Brenners ausgehend von einem ersten gemessenen Wert (22) und einem zweiten Wert (23) und einer zur Aenderung vom ersten auf den zweiten Wert dafür notwendigen leistungsabhängigen Stellgrösse (15) bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die brennerspezifischen Parameter (13) ein Lambdafaktor verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungsabhängige Stellgrösse (15) eine Luftleistungs- oder Brennstoffleistungsänderung darstellt, welche die zugeführte Luftmenge (3) beziehungsweise die Brennstoffmenge (4) verändert.

7. System zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Brenner (5), dem eine bestimmte Luftmenge (3) und Brennstoffmenge (4) mittels von Aktoren (1,2) zugeführt wird, wobei das bei der Verbrennung entstehende Abgas (6) einem Sensor (7) zugeführt wird und das der von dem Sensor (7) detektierte Istwert (8) mit einem Sollwert (9) verglichen wird, wobei aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert eine Regelabweichung erhalten wird, die vom Regler (10) in eine von der Brennerleistung unabhängige Stellgrösse (11) umgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass eine leistungsabhängige Stellgrösse (15) ausgehend von der leistungsunabhängigen Stellgrösse (11) und von brennerspezifischen Parametern (13) durch eine Vorsteuerung (12) bestimmt wird,
und dass die leistungsabhängige Stellgrösse (15) einer elektronischen Verbundsteuerung (16) zugeführt wird, die daraufhin ein Steuersignal (17,18) für wenigstens einen Aktor (1,2) zur Beeinflussung des Verhältnisses der Luftmenge (3) zur Brennstoffmenge (4) erzeugt.

Zeichnung