Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eines Gasbrenners, und eine Feuerungseinrichtung, insbesondere einen Gasbrenner, der ein Gasventil zur Einstellung der Brennstoffzufuhr zur Feuerungseinrichtung umfasst.
Im Haushalt werden Gasbrenner beispielsweise als Durchlauferhitzer, für die Bereitung von Warmwasser in einem Kessel, zur Bereitstellung von Heizwärme u. ä. eingesetzt. In den jeweiligen Betriebszuständen werden an das Gerät unterschiedliche Anforderungen gestellt. Dies betrifft insbesondere die Leistungsabgabe des Brenners.
Die Leistungsabgabe wird im Wesentlichen durch die Einstellung der Zufuhr von Brenngas und Luft und durch das eingestellte Mischungsverhältnis zwischen Gas und Luft bestimmt. Auch die von der Flamme erzeugte Temperatur ist unter anderem eine Funktion des Mischungsverhältnisses zwischen Gas und Luft. Das Mischungsverhältnis kann beispielsweise als Verhältnis der Massenströme oder der Volumenströme der Luft und des Gases angegeben werden. Es haben jedoch auch andere Parameter, wie die Brennstoffzusammensetzung, Einfluss auf die genannten Größen.
Für jeden vorgegebenen Luft-Massenstrom bzw. Gas-Massenstrom lässt sich zudem ein Mischungsverhältnis bestimmen, bei dem die Effektivität der Verbrennung maximiert wird, d.h. bei dem der Brennstoff möglichst vollständig und sauber verbrennt.
Aus diesem Grund hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Massenströme von Gas und Luft zu regeln und stets so einzustellen, dass jeweils eine optimale Verbrennung unter sich verändernden Anforderungen und Randbedingungen erreicht wird. Eine Regelung kann laufend oder in periodischen Abständen stattfinden. Insbesondere ist eine Regelung bei einer Umstellung des Betriebszustands, jedoch beispielsweise auch auf Grund von Änderungen der Brennstoffzusammensetzung im kontinuierlichen Betrieb erforderlich.
Zur Bereitstellung des Luft-/Gasgemisches, durch das die Brennerflamme gespeist wird, sind bekannte Gasbrenner in der Regel mit einem Radialgebläse ausgestattet, das im Betrieb das Gemisch aus Luft und Gas ansaugt. Die Einstellung der Massenströme von Luft und Gas kann beispielsweise durch die Änderung der Drehzahl und damit der Ansaugleistung des Gebläserads des Radialgebläses erfolgen. Zusätzlich können Ventile in der Gas- und/oder Luftzufuhrleitung vorgesehen sein, die zur Einstellung der einzelnen Massenströme oder ihres Verhältnisses betätigt werden können. Zur Messung einzelner Parameter können verschiedene Sensoren an geeigneten Stellen angeordnet sein. So können zur Messung des Massenstroms und/oder des Volumenstroms des Gases und/oder der Luft und/oder des Gemisches entsprechende Messvorrichtungen vorgesehen sein. Ebenso können Zustandsgrößen wie die Temperatur der Luft, Drücke usw. an geeigneten Stellen gemessen, ausgewertet und für die Regelung verwendet werden.
Die Regelung des Mischungsverhältnisses erfolgt heute standardmäßig, insbesondere bei im Haushalt eingesetzten Gasbrennern, durch pneumatische Steuerung eines Gasventils in Abhängigkeit vom Volumenstrom der zugeführten Luftmenge (Prinzip des pneumatischen Verbunds). Bei der pneumatischen Steuerung werden Drücke oder Druckdifferenzen an Blenden, in Verengungen oder in Venturidüsen als Steuergrößen für ein pneumatisches Gasregelventil, durch das die Gaszufuhr zum Luftstrom eingestellt wird, verwendet. Nachteilhaft an der pneumatischen Steuerung ist jedoch insbesondere, dass mechanische Bauteile eingesetzt werden müssen, die auf Grund der Reibung mit Hystereseeffekten behaftet sind. Besonders bei niedrigen Arbeitsdrücken kommt es zu Ungenauigkeiten in der Steuerung, so dass das Gebläse stets einen bestimmten Mindestdruck erzeugen muss, um eine ausreichend präzise Regelung zu erreichen, was umgekehrt.aber zu einer Überdimensionierung des Gebläses für die Maximalleistung führt. Außerdem ist der Aufwand bei der Herstellung der mit Membranen ausgestatteten pneumatischen Gasregelventile wegen der hohen Präzisionsanforderungen beachtlich. Im pneumatischen Verbund kann zudem auf Änderungen der Gasart und -qualität nicht flexibel reagiert werden. Um gewünschte Anpassungen der Gaszufuhr dennoch vornehmen zu können, müssen zusätzliche Einrichtungen, z.B. Stellglieder, bereit - und eingestellt werden, was erheblichen zusätzlichen Aufwand bei der Montage oder Wartung eines Gasheizgerätes bedeutet.
Aus diesen Gründen geht man dazu über, Gasbrenner mit einem elektronischen Verbund auszustatten. Bei elektronischer Steuerung können einfach steuerbare Ventile, etwa mit Pulsweiten modulierten Spulen oder mit Schrittmotoren, eingesetzt werden. Der elektronische Verbund funktioniert durch Erfassung wenigstens eines die Verbrennung charakterisierenden Signals, das an einen Regelkreis zum Nachregeln zurückgeführt wird.
Jedoch treten auch beim Einsatz des elektronischen Verbunds Situationen auf, auf die nicht angemessen reagiert werden kann, wie zum Beispiel eine Veränderung der Empfindlichkeit der Sensoren auf Grund von Verschmutzung. Außerdem besteht bei Änderungen der Last bzw. des Betriebszustands oder unmittelbar nach dem Betriebsstart des Gasbrenners die Gefahr, dass die Regelung wegen der Trägheit der Sensoren zeitlich verzögert funktioniert, was zu einer unvollkommenen Verbrennung und im Extremfall zum Erlöschen der Brennerflamme führt.
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Nachteilhaft an den zuletzt genannten Verfahren ist jedoch, dass das Rückkopplungssignal erst bei brennender Flamme erfasst und an den Regelkreis zurückgeführt werden kann. Außerdem limitiert die Trägheit der Sensoren eine genaue Nachregelung. Zudem unterliegen die verwendeten Sensoren Verschmutzungen, so dass die Verbrennung im Zeitverlauf suboptimal geregelt wird und somit die Schadstoffwerte steigen. Insbesondere beim Startvorgang, bei dem noch kein Verbrennungssignal vorliegt, oder bei Laständerungen, bei denen in kurzer Zeit erhebliche Änderungen der Betriebsparameter erforderlich sind, kann es zu Schwierigkeiten und im Extremfall zu einem Erlöschen der Flamme kommen Häufig wird aus diesen Gründen zusätzlich auf pneumatische Regler zurückgegriffen, was jedoch eine Erhöhung der Komplexität der Anlage sowie der Kosten nach sich zieht.
Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerung zu einer Feuerungseinrichtung bereitzustellen, die zum einen bei schnellen Lastwechseln und in der Startphase ohne Zeitverzögerung eine gasartenunabhängige Brennstoffzufuhr zuverlässig gewährleistet, zum anderen auch bei stark veränderten Bedingungen, insbesondere hinsichtlich der Brennstoffzusammensetzung oder einer Veränderung der Messcharakteristiken der Sensoren oder der Einstellungen der Anlagenparameter ohne störungsbedingte Ausfälle funktioniert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Feuerungseinrichtung, insbesondere eine Gasbrenners, ist durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Mit Hilfe dieses Verfahrens können bei schnellem Lastwechsel, insbesondere aber auch beim Startvorgang, unmittelbar stabile Verhältnisse erreicht werden. Eine Nachregelung des Gasventils, welche bei starken Schwankungen der Betriebsparameter viel Zeit in Anspruch nimmt und durch die Trägheit der Sensoren unvollkommen ist, kann somit entfallen. An die Stelle einer Regelung tritt eine Steuerung, die in Abhängigkeit vom Zielwert des ersten Parameters einen Sollwert für eine neue Einstellung vorgibt Erst im darauf folgenden Schritt wird unter Verwendung realer Messgrößen nachgeregelt. Mit dem Verfahren kann unabhängig von der Trägheit der für die Regelung verwendeten Sensoren eine schnelle und zuverlässige Einstellung des Gasventils gefunden werden. Die reale Öffnung des Gasventils liegt dabei zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert. Bei schnellen Sollwertänderungen können die Stellglieder, beispielsweise der Ventilator oder ein Gasstellventil, nach einer gewissen Zeitspanne, die von der Trägheit der Sensoren abhängt, nachgeregelt werden. Es erfolgt also bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Übergang von einer reinen Steuerung zu einer Regelung.
Der Parameter, der der Brennerbelastung entspricht, ist die der Massenstrom der der Feuerungseinrichtung zuzuführenden Luft. Die Öffnungswerte des Gasventils können also in dieser Ausführung in Abhängigkeit vom Massen- der Luft dargestellt sein. Die Charakteristik dieser Kennlinie wird unter anderem durch die Eigenschaften des Gasventils bestimmt.
Die Brennerbelastung ist im Wesentlichen proportional zu der dem Gasbrenner zugeführten Luftmenge pro Zeiteinheit. Damit steht fest, dass die Darstellung der Öffnung des Gasventils in Abhängigkeit von Massenstrom der Luft äquivalent zu einer Darstellung der Öffnung des Gasventils in Abhängigkeit von einer Belastung des Brenners ist.
Die Änderung der Öffnung des Gasventils kann durch die Modulation einer Pulsweite, durch die Variation einer Spannung oder eines Stroms einer Ventilspule, oder durch Betätigung eines Schrittmotors eines Ventils durchgeführt werden. Ein Überschreiten des oberen oder des unteren Grenzwerts der Öffnung des Gasventils kann im Rahmen des Verfahrens erfasst werden. Während nach dem Steuerungsprozess die Öffnung des Gasventils zwischen oberem und unterem Grenzwert liegt, kann nach dem Regelungsschritt die Gasöffnung oberhalb oder unterhalb des oberen bzw. unteren Grenzwerts liegen. Dazu kann es insbesondere kommen, wenn die bei Erstellung der Kennlinie festgelegten Sollwerte für die Öffnung des Gasventils von den optimal eingeregelten Werten stark abweichen. Ursachen dafür können Änderungen in der Brennstoffzusammensetzung, Veränderungen der Messcharakteristiken der Sensoren oder der Einstellungen der Anlagenparameter sein.
Die Kennlinie, die sich aus den Sollwerten für die Öffnung des Gasventils in Abhängigkeit von dem Parameter ergibt, der der Brennerbelastung entspricht, wird auf Basis der durch die Regelung eingestellten Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung neu kalibriert. Fällt nach der Regelung der Wert der Öffnung des Gasventils aus dem durch den oberen und den unteren Grenzwert begrenzten Bereich, so kann eine Neukalibrierung der Kennlinie durchgeführt werden. Bei dieser Neukalibrierung können beispielsweise die Sollwerte so verschoben werden, dass die neue Sollwertlinie durch den eingeregelten Wert für die Öffnung des Gasventils verläuft. In gleicher Weise können die oberen und die unteren Grenzwerte verschoben werden, so dass die neue Sollwertkurve wie bei der bisher geltenden Kennlinie von einem Toleranzkorridor umgeben ist.
Ein Überschreiten des oberen oder ein Unterschreiten des unteren Grenzwerts kann, insbesondere nach dem Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, zum Abschalten der Feuerungseinrichtung führen. Dieser Maßnahme können sowohl Sicherheitsbedenken als auch wirtschaftlich Überlegungen zugrunde liegen. Eine Regelung in einen Bereich außerhalb der gewünschten, durch die Grenzwerte angegebenen Spanne kann beispielsweise eine unerwünschte Änderung der vorgegebenen Einstellungen des Gasbrenners anzeigen, so dass dieser möglicherweise in einem unsicheren oder uneffektiven Betriebsbereich arbeitet. Das Gerät müsste im Folgenden überprüft und gewartet werden.
Eine erfindungsgemäße Feuerungseinrichtung, insbesondere ein Gasbrenner, umfasst: ein Gasventil zur Einstellung der Brennstoffzufuhr zur Feuerungseinrichtung; einen Speicher zum Abspeichern von Sollwerten, die von einem Parameter abhängen, der der Brennerbelastung entspricht, und von oberen und unteren Grenzwerten; eine Einrichtung zur Steuerung der Öffnung des Gasventils, die bei einer Änderung des Parameters, der der Brennerbelastung entspricht, von einem Startwert zu einem Zielwert die Öffnung des Gasventils von einem ersten zu einem zweiten Öffnungswert unter Vorgabe eines abgespeicherten Sollwerts anpasst, wobei der zweite Öffnungswert zwischen einem abgespeicherten oberen und einem unteren Grenzwert liegt, und wobei während des Übergangs der Öffnung des Gasventils vom ersten zum zweiten Öffnungswert keine Regelung der Brennstoffzufuhr durchgeführt wird; Mittel zur Regelung, die nach Erreichen des Zielwerts des Parameters, der der Brennerbelastung entspricht, Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung regeln und Mittel zur neu Kalibrierung eine Kennlinie, die sich aus den Sollwerten für die Öffnung (w) des Gasventils in Abhängigkeit von dem Parameter (mL) ergibt, auf Basis der durch einer sich der Steuerung anschließenden Regelung eingestellten Betriebsparameter, wenn die Ventilöffnung (w) oberhalb einer oberen Grenzkurve (K1) oder unterhalb einer unteren Grenzkurve (K2) liegt.
Das Gasventil kann ein Stellglied, insbesondere einen Schrittmotor, eine pulsweitenmodulierte oder eine durch eine elektrische Größe gesteuerte Spule, umfassen.
Die Feuerungseinrichtung weist wenigstens einen Massenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Luftmenge auf. Die Feuerungseinrichtung kann ferner einen Massenstromsensor zur Messung der der Feuerungseinrichtung pro Zeiteinheit zugeführten Menge an Brennstoffmedium und/oder der Menge des zugeführten Gemisches aus Luft und Brennstoffmedium aufweisen.
Insbesondere kann die Feuerungseinrichtung im Bereich der Brennerflamme eine Einrichtung zum Messen einer von der Feuerungseinrichtung erzeugten Temperatur aufweisen.
Der Temperatursensor kann beispielsweise im Bereich der Flamme, aber auch am Brenner in der Nähe der Flamme angeordnet sein. Beispielsweise kann auch ein Thermoelement als Temperatursensor verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Der Gasbrenner weist einen Luftzufuhrabschnitt 1 auf, über den Verbrennungsluft L angesaugt wird. Ein Massenstromsensor 2 misst den Massenstrom der von einem Gebläse 9 angesaugten Luft L. Der Massenstromsensor 2 ist so angeordnet, dass in seiner Umgebung eine möglichst laminare Strömung erzeugt wird, um Messfehler zu vermeiden. Insbesondere könnte der Massenstromsensor in einem Bypass (nicht gezeigt) und unter Verwendung eines Laminarelements angeordnet werden.
Im Luftzufuhrabschnitt 1 kann auch ein Ventil 3 für die Verbrennungsluft angeordnet sein. Allerdings wird jedoch in der Regel ein geregeltes Gebläse mit Luftmassenstromsensor eingesetzt werden, so dass das Ventil entfallen kann.
Für die Gaszufuhr ist ein Gaszufuhrabschnitt 4 vorgesehen, der an eine Gaszuleitung angeschlossen ist. Das Gas strömt während des Betriebs des Gasbrenners durch den Abschnitt 4,. Durch ein Ventil 6, das ein elektronisch gesteuertes Ventil sein kann, strömt das Gas durch eine Leitung 7 in den Mischungsbereich 8. Im Mischungsbereich 8 findet eine Vermischung des Gases G mit der Luft L statt. Der Ventilator des Gebläses 9 wird mit einer einstellbaren Drehzahl angetrieben, um sowohl die Luft L als auch das Gas G anzusaugen.
Das Ventil 6 ist so eingestellt, dass bei Berücksichtigung der übrigen Betriebsparameter, beispielsweise der Drehzahl des Ventilators, ein vorgegebenes Luft-Gas-Verhältnis in den Mischbereich 8 gelangt. Das Luft-Gas-Verhältnis soll dabei so gewählt sein, dass eine möglichst saubere und effektive Verbrennung stattfindet.
Über eine Leitung 10 strömt das Luft-Gasgemisch vom Gebläse 9 zum Brennerteil 11. Dort tritt es aus und speist die Brennerflamme 13, die eine vorgegebene Wärmeleistung abgeben soll. Am Brennerteil 11 ist eine Temperatursensor 12, beispielsweise ein Thermoelement, angeordnet. Mit Hilfe dieses Thermoelements wird eine Ist-Temperatur gemessen, die bei der Durchführung der nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Regelung bzw. zur Steuerung des Gasbrenners verwendet wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Temperatursensor 12 an einer Oberfläche des Brennerteils 11 angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, den Sensor an anderer Stelle im Wirkungsbereich der Flamme 13 anzuordnen. Die Referenztemperatur des Thermoelements wird an einer Stelle außerhalb des Wirkungsbereichs der Flamme 13, beispielsweise in der Luftzufuhrleitung 1, gemessen.
Eine nicht dargestellte Einrichtung zur Steuerung bzw. zur Regelung des Luft- und/oder Gasstroms erhält Eingangsdaten vom Temperatursensor 12 und von dem Massenstromsensor 2 und gibt Steuersignale an das Ventil 6 sowie an den Antrieb des Gebläses 9 ab. Die Öffnung des Ventils 6 und die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 werden so eingestellt, dass sich die gewünschte Luft- und Gaszufuhr ergibt.
Die Steuerung erfolgt dabei durch Durchführung der nachfolgend beschriebenen Verfahren. Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen Speicher zum Abspeichern von Kennlinien bzw. von Sollwerten sowie eine entsprechende Datenverarbeitungseinheit auf, die zur Durchführung der entsprechenden Verfahren eingerichtet ist.
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Bei einer Änderung der vorgegebenen Brennerbelastung Q, beispielsweise bei einer Änderung des Betriebszustandes oder beim Starten der Anlage, wird der Luftmassenstrom mL von einem Anfangswert mL1 zu einem zweiten Wert mL2 verändert und an die neue Belastung Q2 angepasst.
Da eine Regelung der Gaszufuhr bei dem relativ kurzfristigem Übergang von mL1 auf mL2 auf Grund der Trägheit der Sensoren zeitlich stark verzögert wäre, wird die Regelung ausgeschaltet und der Öffnungswert w des Gasventils vom bisher eingestellten Wert w1 auf einen neuen Sollöffnungswert w2 geändert. Der Wert w2 liegt auf der Sollöffnungskurve K3.
Die sich einstellende Öffnung des Gasventils liegt jedenfalls zwischen einer oberen Grenzkurve K1 und einer unteren Grenzkurve K2, welche einen Toleranzbereich für die Öffnung des Gasventils angeben. Die obere Grenzkurve K1 entspricht dabei einer maximalen erlaubten Öffnung des Gasventils, die untere Grenzkurve K2 einer minimalen erlaubten Öffnung des Gasventils 6.
Danach schießt sich ein Regelungsvorgang an. Bei dem Regelungsvorgang werden die Betriebsparameter der Feuerungseinrichtung, insbesondere die Einstellung des Ventils 6 sowie die Drehzahl des Ventilators des Gebläses 9 so angepasst, dass der Verbrennungsvorgang optimiert wird. Die Regelung kann dabei in beliebiger Weise erfolgen. Im vorliegenden Beispiel erfolgt sie durch Messung einer von der Brennerflamme 13 in ihrem Wirkungsbereich erzeugten Temperatur Tist durch einen Temperatursensor 12. Die Regelung kann beispielsweise wie im zuvor beschriebenen Verfahren erfolgen.
Es bietet sich an, pulsweitenmodulierte Ventile, ein elektronisch gesteuerte Ventile oder ein Ventile mit einem durch einen Schrittmotor betätigten Stellglied zu verwenden.
Das Ansteuersignal zur Einstellung der Öffnung des Gasventils kann entsprechend z.B. die Betätigung eines Schrittmotors auslösen, oder die Pulsweite, die Spannung oder den Strom einer Spule verändern. Die Luftmassenströme mL und Gasmassenströme mG werden durch Massenstromsensoren 2 und 5 gemessen.
Wird nun in einer Phase des Verfahrens vor oder nach Durchführung des Regelvorgangs eine Ventilöffnung w eingestellt, die oberhalb der oberen Grenzkurve K1 oder unterhalb der unteren Grenzkurve K2 liegt, so können entsprechende Konsequenzen gezogen werden. Erfindungsgemäß kann ein Verlassen des zwischen K1 und K2 liegenden Toleranzkorridors zu einem Kalibriervorgang führen. Bei der Kalibrierung könnten die nach der Regelung eingestellten Bedingungen in einem Speicher der Steuereinrichtung abgelegt und für den nächsten Start verwendet werden. Die Sollwertkurve K3 kann wie die Grenzkurven K1 und K2, verschoben werden, so dass sich auch bei der neuen Kurve ein gleichmäßiger Toleranzkorridor für die Öffnung des Gasventils 6 um die Sollwertkurve K3 ergibt.
Dazu kann ein Überschreiten der Grenzkurven K1 oder K2 nach oben bzw. nach unten nach einer bestimmten Zeitspanne oder bei wiederholten Über- bzw. Unterschreiten ein Abschalten des Geräts bewirken. Es kann vorkommen, dass sich bestimmte Einstellungen des Gasbrenners im Laufe der Zeit verstellen oder sich bestimmte Randbedingungen so geändert haben, dass ein Sicherheitsrisiko auftritt oder der Gasbrenner in einem nicht effektiven Betriebszustand arbeitet. Eine Abweichung der Öffnung des Gasventils vom erlaubten Korridor kann beispielsweise durch eine Abweichung des Gasdrucks vom zulässigen Eingangsdruckbereich oder durch eine Fehlfunktion der Sensoren ausgelöst werden. Das Abschalten kann somit als Hinweis gewertet werden, dass eine Überprüfung und Wartung des Geräts erforderlich ist.
Durch das beschriebene Verfahren kann sichergestellt werden, dass, bis eine wirksame Regelung der Gaszufuhr einsetzen kann, durch die Steuerung, sei es bei einem Lastwechsel des Gasbrenners oder in der Startphase, eine plausible Öffnung w2 des Gasventils eingestellt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass etwa die Flamme während der Laständerung erlischt.
Durch das Verfahren wird beim Start des Brenners gewährleistet, dass in einem weiten Bereich, angepasst an die vorgegebene Brennerbelastung, gezündet werden kann. Bei Lastwechseln findet eine schnelle Anpassung der Gaszufuhr an die neue Last statt, bevor durch eine nachfolgende Regelung die Feineinstellung gefunden wird.
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