[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Gas-/Luftgemisches bei voll vormischenden
Gasbrennern.
[0002] Ein gattungsgemäßer voll vormischender Brenner ist bekannt aus der
DE 199 22 226 C1. Bei voll vormischenden Brennern wird mittels einer Mischvorrichtung zunächst ein
zündfähiges Luft-Brenngas-Gemisch bereitgestellt, das dann über ein Gebläse einem
Brenner zur Verbrennung zugeführt wird. Das Brenngas wird danach in einem Schornstein
an die Umgebung abgeführt.
[0003] In der Mischvorrichtung wird der Gasstrom in Abhängigkeit vom Verbrennungsluftdruck
eingestellt. Die in der
DE 199 22 226 C1 beschriebene Mischvorrichtung misst den Differenzdruck zwischen Brenngas vor der
Hauptmengendrossel und der Verbrennungsluft. Die Druckdifferenz wird zu Null ausgeregelt.
[0004] Nach dem Stand der Technik werden sowohl für die Regelung als auch für die Messung
der Druckdifferenz Regel- und Messvorrichtungen mit geringer Dynamik eingesetzt. Dies
ist der Tatsache geschuldet, dass sich die Parameter der Luftzufuhr und des Verbrennungsprozesses
nur relativ langsam ändern.
[0005] Es besteht jedoch das Risiko, dass durch instabile Verbrennungsprozesse und Windstöße
im Schornstein Druckschwankungen hervorgerufen werden. Diese Druckschwankungen sind
insbesondere bei niedrigen Modulationsraten des Brenners zu vermeiden, da bei überlagerten
Druckschwankungen die resultierenden Strömungsgeschwindigkeiten zu klein werden können,
so dass es durch die Brennerdüsen zu einem Flammenrückschlag kommen kann. Die Gefahr
des Flammenrückschlags liegt vergrößert bei einem Gerätestart mit kaltem Gemisch und
kaltem Brennraum vor, da dann instabile Verbrennungsprozesse begünstigt sind.
[0006] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regelung des Gas-/Luftgemisches
an voll vormischenden Brennern bereitzustellen, bei dem das Risiko des Flammenrückschlags
oder Flammenverlusts verringert wird.
[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Dazu werden periodisch
die genannten Verfahrensschritte durchgeführt. Zunächst wird mit einer hohen Abtastrate
die Druckdifferenz zwischen der Luftzufuhr und der Gaszufuhr mit einer Mischvorrichtung
gemessen, die zum Erfassen der Druckdifferenz geeignet ist. Dies kann eine Messvorrichtung
sein, die direkt die Druckdifferenz misst, zwei getrennte mit Vorrichtungen für die
Luftzufuhr und Gaszufuhr mit anschließender Differenzbildung der Messwerte oder eine
Messvorrichtung zur Erfassung des Massenstroms einer Verbindung zwischen Gaszufuhr
und Luftzufuhr.
[0008] Die Messwerte werden nun parallel auf zwei Signalverarbeitungszweigen verarbeitet.
In dem ersten Zweig erfolgt zunächst eine Tiefpassfilterung der Messwerte. Diese Tiefpassfilterung
kann auf Basis eines allgemeinen aus der Literatur bekannten geeigneten Signalverarbeitungsalgorithmus
wie beispielsweise gleitende Mittelwertbildung oder Tiefpass erster oder höherer Ordnung
erfolgen. Erfindungsgemäß kann diese Tiefpassfilterung auch analog durch ein RC-Glied
oder durch die natürliche Trägheit des Messsystems erfolgen. Auf der Basis dieser
Tiefpass gefilterten Messwerte wird mittels eines Reglers das Gasventil in der Weise
angesteuert, dass die Druckdifferenz, die durch Tiefpass gefilterte Messwerte ermittelt
wird, zu Null ausgeregelt wird. Dies geschieht dadurch, dass bei einem zu hohen Druck
auf der Seite der Gasleitung der Regler das Gasventil schließt und umgekehrt. Zusätzlich
wird in einem zweiten Signalverarbeitungsalgorithmus die Streuung der Messwerte bestimmt.
Auch hier stehen verschiedene Algorithmen zur Verfügung, beispielsweise Differenzbildung
aus Maximalwert und Minimalwert, Standardabweichung, Betragsbildung des Hochpass gefilterten
Signals et cetera. Der so ermittelte Wert der Streuung wird einem vorher durch Messung
oder Berechnung ermittelten und hinterlegten Referenzwert mittels Differenzbildung
verglichen und sobald der Wert für eine bestimmte Zeit den Referenzwert um einen bestimmten
Schwellwert überschreitet, wird in die Stellgrößen des Gasventils und/oder des Gebläses
eingegriffen. Eine hohe Streuung der Messwerte ist ein Indiz dafür, dass Druckschwankungen
durch instabile Verbrennungsprozesse oder durch windinduzierte Druckschwankungen vorliegen.
Diese Druckschwankungen bergen die Gefahr des Flammenrückschlags, des Flammenverlusts
oder der erhöhten CO-Bildung im Brenner und können durch das erfindungsgemäße Verfahren
minimiert werden.
[0009] Bevorzugt wird der Referenzwert in einem separaten Eichzyklus bei stabiler Flamme
und Windstille ermittelt. Dies kann im Werk für das einzelne Gerät oder für die Geräteserie
und/oder bei der Inbetriebnahme und/oder bei der Wartung des Gerätes erfolgen.
[0010] Besonders bevorzugt wird der Referenzwert abhängig von der Gebläsedrehzahl gespeichert.
Auch hier kann der Referenzwert durch einen Eichzyklus mit variabler Drehzahl ermittelt
werden.
[0011] Dieser Schwellwert kann entweder als Konstante dem Referenzwert additiv hinzugefügt
werden oder als zum Referenzwert proportionale Größe, beispielsweise als Prozentwert,
hinzugefügt werden. Bevorzugt ist der Referenzwert abhängig von der Gebläsedrehzahl.
[0012] In einer Weiterbildung ist der Schwellwert oder ein Parameter, der den Schwellwert
bestimmt, einstellbar, beispielsweise mittels eines oder mehrerer durch ein Bedieninterface
einstellbarer Konfigurationswerte.
[0013] Besonders bevorzugt wird der Schwellwert im Betrieb des Gasbrenners dynamisch angepasst.
So kann beispielsweise eine häufige Störung, die durch eine zu empfindliche Einstellung
des Schwellwerts oder durch eine zu restriktive Vorgabe des Referenzwertes ausgelöst
wird, durch eine langfristige Erhöhung des Schwellwerts vermieden werden.
[0014] Erfindungsgemäß sind nach einer Erkennung einer Schwellwertüberschreitung mehrere
Möglichkeiten vorgesehen durch Eingriff in die Stellgrößen des Gasventils und/oder
des Gebläses in den Verbrennungsprozess einzugreifen. Da das Risiko eines Flammenrückschlags
bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten besonders groß ist, wird in einer Variante
des Verfahrens die minimal zulässige Lüfterdrehzahl erhöht. Dies hat Einfluss auf
das Modulationsverhalten des Gasbrenners.
[0015] In einer anderen Variante des Verfahrens wird das Mischungsverhältnis des Gas/Luftgemisches
in engen Grenzen geändert, die durch eine saubere und effiziente Verbrennung vorgegeben
sind, indem das Gasventil etwas geöffnet oder geschlossen wird.
[0016] Die zuvor beschriebenen Eingriffe in die Stellgrößen werden solange vorgenommen und
kontinuierlich erhöht, bis die ermittelte Streuung den Schwellwert unterschreitet.
Bevorzugt jedoch so lange, bis die ermittelte Streuung unterhalb eines zweiten Schwellenwerts
kommt, der unterhalb des ersten Schwellwerts liegt. Dadurch wird eine Hysterese realisiert,
die verhindert, dass die Stellgrößen ständig schwanken.
[0017] In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren dadurch ergänzt, dass der
Eingriff in die Stellgrößen rückgängig gemacht wird, wenn der Vergleich der Streuung
mit dem Referenzwert einen dritten Schwellwert unterschreitet. Dieser dritte Schwellwert
kann kleiner als der zweite Schwellenwert sein. Es kann jedoch auch sinnvoll sein,
den dritten Schwellwert identisch mit dem ersten oder zweiten Schwellenwert zu wählen
und so eine kontinuierliche Regelung der Flammenstabilität zu erreichen.
[0018] Für den Fall, dass der Eingriff in die Stellgrößen innerhalb der zulässigen Grenzen
nicht zu einer Reduzierung der Streuung unterhalb der Schwellwerte führt, wird ein
Fehlerstatus ausgelöst, der beispielsweise zu einer Abschaltung des Gasbrenners oder
zu einer Fehlermeldung führt.
[0019] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.
[0020] Es stellt dar:
Figur 1: Einen Gasbrenner zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0021] Figur 1 zeigt einen voll vormischenden Gasbrenner mit einem dem Brenner vorgeschalteten
Gebläse. Über eine Luftzufuhr 5 wird einem Gebläse 1 Luft und über eine Gaszufuhr
6 Gas einer Mischvorrichtung 3 zugeführt, gemischt und in einem Brenner 2 in einem
Brennraum 12 verbrannt. Die Abgase werden über einen Schornstein 4 an die Umgebung
abgeführt. Die Luftzufuhr 5 und die Gaszufuhr 6 verfügen jeweils über eine Drosselblende
10 und 11, die so eingestellt sind, dass bei gleichen Drücken ein für die Verbrennung
optimales Luft-/Gasgemisch vorliegt. Damit dies gewährleistet ist, ist eine Messvorrichtung
7 vorgesehen, die über Verbindungsleitungen mit der Luftzufuhr und der Gaszufuhr verbunden
ist und die den Differenzdruck zwischen Gas und Luft misst. Dies kann durch Druckmessung,
Differenzdruckmessung oder einer Messung des Massenstroms in einer Verbindungsleitung
erfolgen. Die Messvorrichtung 7 leitet den Messwert an einen Regler 9 weiter, der
in einem ersten Signalverarbeitungszweig das Gasventil 8 in der Weise ansteuert, dass
der von der Messvorrichtung 7 gemessene Differenzdruck zu Null geregelt wird. In einem
zweiten Signalverarbeitungszweig wird die Streuung der Messwerte der Messvorrichtung
7 bestimmt, mit einem Referenzwert verglichen und bei Überschreiten eines Schwellwerts
die Einstellung des Gasventils in geringem Grenzen, die durch eine optimale Verbrennung
gesetzt sind, verändert. Zugleich oder alternativ wird der Grenzwert für die Mindestdrehzahl,
mit der das Gebläse 1 betrieben wird, erhöht.
[0022] Die Streuung der Messwerte deutet auf instabile Flammenzustände hin, die durch Windstöße
im Schornstein 4 oder ungünstige Verbrennungsparameter hervorgerufen werden und insbesondere
bei kaltem Brennraum 12 und bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten aufgrund der
Schwingungen zu einem Flammenrückschlag, Flammenverlust oder zu erhöhten CO-Werten
führen können. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert.
[0023] So kann beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren bewirken, dass an einem windigen
Tag erkannt wird, dass die Streuung der Messwerte den Referenzwert zuzüglich eines
vorgegebenen ersten Schwellwerts überschreitet. Die Mindestdrehzahl des Gebläses 1
wird nun so lange schrittweise erhöht, bis die Streuung der Messwerte den Referenzwert
zuzüglich eines vorgegebenen zweiten Schwellwerts, der geringer als der erste Schwellwerts
sein kann, unterschreitet. Wenn die Streuung der Messwerte den Referenzwert zuzüglich
eines vorgegebenen dritten Schwellwerts, der geringer als der zweite Schwellenwert
ist, unterschreitet, wird der Eingriff in die Stellgröße "Mindest Drehzahl des Gebläses
1" wieder zurückgenommen. Dies tritt dann auf, wenn die Windstöße nachlassen. Alternativ
oder zusätzlich wird das Verfahren auch auf die Stellung des Gasventils 8 ein, welches
im Rahmen einer sauberen Verbrennung in geringem Maße geöffnet oder geschlossen wird.
[0024] In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird die Streuung der Druckdifferenz
bereits vor dem Brennerstart ermittelt und ein Eingriff in die Stellgrößen des Gasventils
und/oder des Gebläses entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren vorgenommen,
wenn der Referenzwert um einen Schwellwert überschritten wird.
Bezugszeichenliste
[0025]
- 1
- Gebläse
- 2
- Brenner
- 3
- Mischvorrichtung
- 4
- Schornstein
- 5
- Luftzufuhr
- 6
- Gaszufuhr
- 7
- Messvorrichtung
- 8
- Gasventil
- 9
- Regler
- 10
- Luft-Drosselblende
- 11
- Gas-Drosselblende
- 12
- Brennraum
1. Verfahren zum Regeln des Gas-/Luftgemisches mittels einer Mischvorrichtung (3) bei
voll vormischenden Gasbrennern mit einem dem Brenner (2) vorgeschalteten Gebläse (1),
wobei die Mischvorrichtung (3) eine Messvorrichtung (7) beinhaltet, die zum Erfassen
der Druckdifferenz zwischen Luft- und Gaszufuhr (5, 6) geeignet ist, wobei die Mischvorrichtung
(3) ein verstellbares Gasventil (8) aufweist und wobei die Mischvorrichtung (3) eine
Regler (9) aufweist, der mit der Messvorrichtung (7) und mit dem Gasventil (8) und
dem Gebläse (1) verbunden ist,
gekennzeichnet, durch die zyklisch durchgeführten Schritte
- Messen der Druckdifferenz mit hoher Abtastrate,
- Ermitteln der Streuung der Messwerte,
- Tiefpassfiltern der Messwerte,
- Ansteuern des Gasventils in der Weise, dass die durch die tiefpassgefilterten Messwerte repräsentierte Druckdifferenz zu Null ausgeregelt
werden,
- Vergleich der Streuung mit einem hinterlegten Referenzwert,
- Eingriff in die Stellgrößen des Gasventils und/oder des Gebläses, wenn der Referenzwert
um einen Schwellwert überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert vorher in einem separaten Eichzyklus bei stabiler Flamme und Windstille
ermittelt und gespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert abhängig von der Gebläsedrehzahl gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert als Konstante oder als eine zum Betrag des Referenzwertes proportionale
Größe und/oder als von der Gebläsedrehzahl abhängige Größe gespeichert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert oder eine den Schwellwert beeinflussender Parameter einstellbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert im Betrieb des Gasbrenners dynamisch angepasst wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff in die Stellgrößen darin besteht, dass der gespeicherte Wert der minimal
zulässigen Lüfterdrehzahl erhöht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff in die Stellgrößen darin besteht, dass das Gasventil innerhalb eines
für eine saubere Verbrennung zulässigen Bereiches geöffnet oder geschlossen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff in die Stellgrößen so lange und wiederholt erfolgt, bis das Ergebnis
des Vergleichs der Streuung mit einem Referenzwert den Schwellwert unterschritten,
bevorzugt einen zweiten, kleineren Schwellwert unterschritten hat.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff in die Stellgrößen wieder rückgängig gemacht wird, wenn das Ergebnis
des Vergleichs der Streuung mit dem Referenzwert einen dritten, vorzugsweise kleineren
Schwellwert unterschritten hat.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlerstatus ausgelöst wird, wenn die Stellgrößen vorgegebene Grenzwerte erreicht
haben.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt "Vergleich der Streuung mit einem Referenzwert" und/oder der
Verfahrensschritt "Eingriff in die Stellgrößen" mit einer geringeren Frequenz durchgeführt
wird als der Verfahrensschritt "Messen der Druckdifferenz".
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich unmittelbar vor dem Start des Brenners die Schritte
- Messen der Druckdifferenz mit hoher Abtastrate,
- Ermitteln der Streuung der Messwerte,
- Vergleich der Streuung mit einem hinterlegten Referenzwert,
- Eingriff in die Stellgrößen des Gasventils und/oder des Gebläses, wenn der Referenzwert
um einen Schwellwert überschritten wird,
durchgeführt werden.