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DE10113468A1 - Regeleinrichtung für einen Luftzahlgeregelten Brenner - Google Patents

Regeleinrichtung für einen Luftzahlgeregelten Brenner

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DE10113468A1
DE10113468A1 DE10113468A DE10113468A DE10113468A1 DE 10113468 A1 DE10113468 A1 DE 10113468A1 DE 10113468 A DE10113468 A DE 10113468A DE 10113468 A DE10113468 A DE 10113468A DE 10113468 A1 DE10113468 A1 DE 10113468A1
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DE
Germany
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signal
control device
control
burner
sensor
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DE10113468A
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Rainer Lochschmied
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Siemens Building Technologies AG
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Siemens Building Technologies AG
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Publication date
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Abstract

Eine Regeleinrichtung überwacht während des Aufstartens die Qualität der zeitlichen Luftzahlsteuerung erfindungsgemäß dadurch, dass sie die Differenz eines Signals und eines Vergleichssignals beobachtet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In einem Brenner muss das Verhältnis der Luftmenge zur Brennstoffmenge, genannt Luftzahl oder Lambda, im gesamten Leistungsbereich entweder durch eine Steuerung oder durch eine Regelung aufeinander abgestimmt sein. In der Regel soll Lambda leicht über dem stöchiometrischen Wert 1 sein, zum Beispiel 1,3.
Luftzahlgeregelte Brenner reagieren, anders als gesteuerte Brenner, auf äußere Einflüsse, welche die Verbrennung verändern. Beispielsweise kann die Verbrennung nach einer Änderung der Brennstoffart oder der Luftdichte nachgeregelt werden. Sie haben einen höheren Wirkungsgrad, damit eine höhere Effizienz sowie niedrigere Schadstoff- und Russemissionen. Die Umweltbelastung ist geringer, die Lebensdauer wird verlängert.
Eine Regelung der Luftzahl ist besonders effektiv, wenn mit einem Sensor die Qualität der Verbrennung beobachtet werden kann. Typisch werden bei bekannten Brennern Sauerstoffsensoren im Abgaskanal, Temperatursensoren auf der Brenneroberfläche oder UV-Sensoren in der Brennkammer verwendet. Neuere Entwicklungen basieren auf der Ionisationselektrode, die schon lange standardmäßig zur Überwachung der Flamme in Brennern eingesetzt wird.
Luftzahlgeregelte Brenner, die eine Ionisationselektrode als Flammensensor benutzen, sind aus der DE-PS 196 18 573 bekannt. Solche Brenner überprüfen den Regelkreis unter anderem dadurch, dass das Messsignal eine Sicherheitsmarge um den Regelsollwert während des Regelbetriebes nicht langfristig verlassen soll. Trifft dies dennoch zu, so schaltet der Brenner ab.
Es ist zumeist wenig sinnvoll, die Luftzahl sofort nach der Zündung zu regeln, da das Ionisationssignal erst im thermisch eingeschwungenen Zustand repräsentativ für die Verbrennung ist. Daher wird das Verhältnis von Luft und Brennstoff zunächst gesteuert, beispielsweise während der ersten Minute nach der Inbetriebsetzung. Erst danach wird es genau ausgeregelt.
Weiterhin ist es bekannt, dass während des Zündvorgangs die Luftzahl variiert wird, damit ein für die gelieferte Brennstoffart gutes Gemisch gefunden werden kann. Auf diesen Luftzahlwert wird im weiteren Startvorgang gesteuert. Auch davon ist ein Beispiel in der DE-PS 196 18 573 beschrieben. Ein solcher Brenner fährt während des Zündvorgangs den Gasanteil bei festem Luftvolumenstrom solange hoch, bis die Ionisationselektrode eine Flamme detektiert. Die Anfahrsteuerung behält die der Zündung entsprechende Gasventilstellung bei, obwohl das Gas-Luft-Gemisch typisch etwas zu fett ist. Erst nachdem das System seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird auf Regelung mittels Ionisationssignal umgeschaltet.
Neben dem Startverhalten des Brenners ist es denkbar, dass später aus anderen Gründen das Ionisationssignal nicht repräsentativ für die Verbrennung ist oder der Regelkreis durch äußere Einflüsse instabil wird. Auch dann kann die Regelung zeitweise abgeschaltet und die Luftzahl während dieser Zeit gesteuert werden.
Die Steuerperiode sollte so kurz wie möglich sein, da äußere Einflüsse während dieser Zeit nicht ausgeregelt werden können. Zudem sollte die Qualität der Steuerung unter den konkreten Umständen wenigstens marginal und auf Plausibilität überwacht werden. Wird die Stellung des Brennstoffsventils oder des Luftgebläses während der Steuerperiode nicht durch zusätzliche Maßnahmen überwacht, so können bei einem Defekt die zulässigen Emissionswerte stark überschritten werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualitätsüberwachung während solcher Steuerperioden kostengünstig und in einfacher Art zu verbessern.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 den zeitlichen Ablauf des Aufstarten des Brenners mit der Regeleinrichtung und
Fig. 3 einen alternativen zeitlichen Ablauf des Aufstarten des Brenners mit der Regeleinrichtung.
In der Fig. 1 bedeutet 1 die Flamme eines luftzahlgeregelten Gasbrenners. Eine Ionisationselektrode 2 ragt in den Bereich der Flamme 1. Die Flamme 1 wird von einem stellbaren Luftgebläse 3 und einem stellbaren Gasventil 4 gespeist. Ein Sicherheitsventil 5 in der Gaszufuhr sorgt für ein fehlerfreies Abschalten im Falle einer Störungsmeldung.
Statt eines Luftgebläses wird bei manchen atmosphärischen Brennern die Luft durch den Brennerzug zugeführt und kann durch eine stellbare Luftklappe kontrolliert werden.
Eine Regeleinrichtung 6 stellt das Luftgebläse 3, das Gasventil 4 und das Sicherheitsventil 5 wie folgt.
Das Stellglied des Luftgebläses 3 wird mittels eines Leistungsanforderungssignals 7 auf eine Drehzahl angesteuert, welche einem Drehzahlsignal 8 entspricht, das als Eingabeparameter für die Leistungsanforderung verwendet wird.
Natürlich kann auch eine andere Größe, z. B. das Messsignal eines Differenzdruckmessers im Belüftungskanal, als Leistungsgröße verwendet werden.
Das stellbare Gasventil 4 wird von einem Stellsignal 9 über einen nicht gezeichneten Motor angetrieben. Ein nicht gezeichneter mechanischer Druckregler ist zwischengeschaltet.
Das Sicherheitsventil 5 wird gegen Federdruck geöffnet, solange ein Freigabesignal 10 anliegt.
Im Normalbetrieb wird die Luftzahl über die Ionisationselektrode 2 geregelt. Die Abstimmung des Steilsignals 9 auf das Drehzahlsignal 8 erfolgt durch Beobachtung von Strom und Spannung an der Ionisationselektrode 2 als Maß der Flammenqualität.
Das Drehzahlsignal 8 wird über ein Filter 11 zu einer Steuereinheit 12 geführt, welche als Programmteil in einem Mikroprozessor realisiert ist. Dort sind Kenndaten gespeichert, welche die Kennlinien eines ersten und eines zweiten Steuersignals 13 beziehungsweise 14 festlegen. Diese Kennlinien repräsentieren zu jeder Drehzahl eine unter ihren respektiven Umständen erwünschte Größe des Stellsignals 9, hier für zwei Gasarten mit unterschiedlichen spezifischen Energiewerten. Die Steuersignale 13, 14 werden einem Regler 15 zugeführt, wo sie anhand der Flammenqualität in einem Stellmodul 16 gewichtet und aufaddiert werden um das Stellsignal 9 zu bilden. Der Regler 15 ist als Programmteil in einem Mikroprozessor realisiert.
Zugleich wird die Qualität und Präsenz der Flamme 1 von der Ionisationselektrode 2 ermittelt. Ein Sensorauswerter 17 bereitet daraus zwei Signale auf. Ein Sensorsignal 18 ist ein Maß für die Qualität der Flamme 1. Ein Überwachungssignal 19 gibt ein Erlöschen der Flamme 1 einer Überwachungseinheit 20 im Regler 15 weiter.
Die Überwachungseinheit 20 unterbricht auf ein entsprechendes Überwachungssignal 19 hin das Freigabesignal 10 und schließt dadurch das Sicherheitsventil 5. Somit hört die Gaszufuhr auf.
Auch das Sensorsignal 18 wird dem Regler 15 zugeführt. Dort wird es zuerst mittels eines Tiefpassfilters 21 geglättet, um Störimpulse und Flackern zu unterdrücken. In einer Vergleichseinheit 22 wird ein von der Steuereinheit 12 erzeugtes und über eine Korrektureinheit 23 geführtes Sollwertsignal 24 subtrahiert. Das Sollwertsignal 24 repräsentiert über eine Kennlinie zu jeder Drehzahl eine erwünschte Größe des Sensorsignals 18. Aus der Differenz wird von einem Proportionalregler 25 und einer parallelen Integriereinheit 26 der interne Regelwert x neu ermittelt, der die beiden Steuersignale 13 und 14 neu gewichtet und damit das Stellsignal 9 verändert.
Alternativ kann der Regelwert x natürlich durch andere Reglertypen, beispielsweise einen PID-Regler oder einen Zustandsregler, erzeugt werden.
Das Sensorsignal 18 wird somit im Normalbetrieb auf seinen zur aktuellen Leistung gehörigen Sollwert geregelt und die Verbrennung erhält die über das Sollwertsignal 24 eingestellte Qualität.
Dem entgegen wird die Luftzahl während eines Startvorganges programmiert gesteuert, bis der Brenner und die Ionisationselektrode 2 ihre Betriebstemperatur angenähert oder erreicht haben. Erst danach folgt der Normalbetrieb, in dem die Luftzahl geregelt wird.
Der Grund für die Steuerung am Start liegt unter anderem in der Trägheit des Sensors, der die Verbrennungsqualität misst.
Nicht nur Ionisationselektroden weisen übrigens eine solche Verzögerung auf. Ein Ionisationssignal kann je nach Brenner erst ungefähr 30 s nach der Zündung zum Regeln verwendet werden. Andere Sensoren, wie zum Beispiel ZrO2- Sauerstoffsensoren im Abgaskanal, benötigen je nach Bauart mehr als eine Minute, bis zuverlässige Regelsignale gewonnen werden können.
Während eines Startvorganges erzeugt die Steuereinheit 12 ein Aufstartsignal 27, welches dem Regler 15 zugeführt wird und ihn veranlasst, ein in der Zeit linear zunehmendes Stellsignal 9 zu erzeugen. Eine Schalteinheit 28 wählt solange das Aufstartsignal 27, anstatt des Regelwertes x, aus. Weil das Luftgebläse 3 indessen einen gleichbleibenden Luftstrom erzeugt, wird die Luftzahl von zunächst großen Werten immer kleiner. Sobald das Gemisch von Luft und Gas genügend fett ist, kann eine Zündung der Flamme 1 erfolgen.
Der zeitliche Verlauf des Stellsignals 9 für das Gasventil 4 während eines Startvorgangs ist in der Fig. 2 skizziert. Zum Zeitpunkt t = 0 tritt eine Leistungsanforderung auf.
Nach einer eventuell programmierten Vorspülzeit muss das Luftgebläse 3 zum Zeitpunkt T1 auf eine festen Zünddrehzahl gefahren sein, damit Verbrennungsluft vorhanden ist. Eine Zündeinrichtung beginnt schon damit, periodisch Zündimpulse zu erzeugen.
Zum Zeitpunkt T1 muss auch Gas vorhanden sein. Dazu öffnet der Regler 15 mittels des Freigabesignals 10 das Sicherheitsventil 5 und erzeugt ein Stellsignal 9, das die Stellung des Gasventils 4 auf seine Startposition S1 stellt.
Zur Bestimmung der Startposition S1 führt die Steuereinheit 12 dem Regler 15 ein Aufstartsignal 27 zu. Das Aufstartsignal 27 bestimmt in dieser Phase einen Steuerwert x' als vorläufiger Ersatz für den Regelwert x bei der Gewichtung der beiden Steuersignale 13 und 14. Deren Größe liegt bei der oben genannten Zünddrehzahl des Luftgebläses 3 fest. Der Regler 15 gewichtet die Steuersignale 13 und 14 anhand des Aufstartsignals 27, so dass am Ausgang des Reglers ein der Startposition S1 entsprechendes Stellsignal 9 erscheint.
Unmittelbar nach dem Zeitpunkt T1 erhöht die Steuereinheit 12 in obengenannter Weise das Stellsignal 9 nach einem programmierten Ablauf, wobei die Gasmenge pro Zeiteinheit linear erhöht wird. Das Gas-Luft-Gemisch ist zunächst sehr mager und wird während des Zündvorganges immer fetter, bis zum Zeitpunkt T2 eine Zündung erfolgt.
Sobald das Überwachungssignal 19 das Vorhandensein der Flamme 1 bestätigt, wird der lineare Anwachs des Stellsignals 9 gestoppt und die Stellung des Gasventils 4 auf ihre Zündposition S2 konstant gehalten. Die Steuereinheit 12 kann dann anhand der Zündposition S2 und der benötigten Zündungszeit T2-T1 den Gasbereich abschätzen und wählt den Steuerwert x' neu, so dass er zum geschätzten Gasbereich passt. Der neue Steuerwert x' liegt, je nach Gasart, z. B. bei 0,9 oder 0,1. Dies führt zu einer Neustellung des Gasventils 4 auf eine Korrekturposition S3.
Das Stellsignal 9 in der Fig. 2 wird daher schnell zum Zeitpunkt T3 auf die Korrekturposition S3 korrigiert.
Alternativ zu dieser Startrampe könnte natürlich eine feste Zündstellung für das Gasventil 4 gewählt werden. Dabei würde der Steuerwert x' für die Steuerphase nach der Zündung als programmierter Wert vorgegeben oder aber als Lernwert aus der letzten Außerbetriebsetzung ermittelt und abgespeichert.
In der Fig. 2 ist auch eine strichpunktierte Kurve gezeichnet, die das Stellsignal 9 darstellt, falls es auf Grund des Sensorsignals 18 berechnet wird. Dieses fiktive Stellsignal sE wäre also das Stellsignal 9, wenn der Regelkreis während eines Startvorganges nicht aufgebrochen wird.
Dazu muss die Überwachungseinheit 20 natürlich mittels einer Analogschaltung oder eines Programmteils das Verhalten der Flamme als Antwort auf das fiktive Stellsignal sE annähernd simulieren und das fiktive Stellsignal sE so einstellen, dass sich der momentane Messwert des Ionisationssignals 18 ergibt.
Das fiktive Stellsignal sE ist aus oben genannten Gründen in diese Phase nicht geeignet, um eine Regelung zu ermöglichen. Es hat sich trotzdem gezeigt, dass das fiktive Stellsignal sE relativ schnell, beispielsweise schon 2 Sekunden nach dem Öffnen des Gasventils 4, so sehr in der Nähe des später optimal geregelten Wert kommt, dass es ein zuverlässiges Vergleichsmittel bildet, um ernsthafte Fehler von ungefährlichen Ungenauigkeiten der Steuerung zu unterscheiden.
Ab einem Zeitpunkt T4 bis zum Ende der Steuerperiode zum Zeitpunkt T5 überprüft die Überwachungseinheit 20 dauerhaft, ob das fiktive Stellsignal sE oder der zugehörige Regelwert xE innerhalb eines Grenzbereichs um das tatsächliche Stellsignal 9 herum liegt. Die Grenzen sind in der Fig. 2 mit S3min und S3max bezeichnet und weisen beispielsweise die Werte von 0,90mal S3 und 1,25mal S3 auf.
In der Tat überprüft die Überwachungseinheit 20 übrigend den sonst unbenutzten Regelwert x in dem sie ihn mit dem Steuerwert x' vergleicht. Dieser Vergleich ist einem Vergleich zwischen das fiktive Stellsignal sE und das Stellsignal (9) gleichwertig. Der Unterschied ist lediglich die vorherige oder die nachherige Bearbeitung durch das Stellmodul 16.
Sobald das fiktive Stellsignal sE den genannten Grenzbereich verlässt, erzeugt die Überwachungseinheit 20 ein nicht dargestelltes Störungssignal und stellt das Freigabesignal 10 aus, damit das Sicherheitsventil 5 geschlossen wird.
Die Regeleinrichtung 6 speichert die Feststellung eines Störungssignals in einem EEPROM, damit das Ereignis nach einem etwaigen Ausfall des Versorgungsstroms wieder erkennbar ist. Ein nicht dargestelltes Entriegelungssignal durch den Brennerbetreiber kann die Konsequenzen eines früheren Störungssignals aufheben.
In einer Alternative schaltet die Überwachungseinheit 20 die Verbrennung erst ab, wenn das fiktive Stellsignal sE während einer vorgegebenen Zeit den Grenzbereich verlassen hat. Ebenso muss die Überwachung nicht unbedingt kontinuierlich sein, sondern könnte auch diskret zu einem oder mehreren festgelegten Zeitpunkten erfolgen.
Nach Erreichen einer unteren Differenz zwischen dem fiktiven Stellsignal sE und S3 wird die Steuerperiode beendet und der Verbund von Luft und Gas anhand des Sensorsignals 18 geregelt.
Das Ende der Steuerperiode zum Zeitpunkt T5 könnte natürlich auch vorprogrammiert sein.
Nach dem Zeitpunkt T5 wird die Erzeugung des Stellsignals 9 durch die Verarbeitung des Sensorsignals 18 übernommen. Das Stellsignal 9 verstellt sich schnell zu seinem Regelwert S4.
Alternativ kann die Leistung des Brenners während der Steuerperiode auf einen anderen Wert im gesamten zulässigen Bereich gestellt werden.
Die Fig. 1 zeigt zudem, dass die Überwachungseinheit 20 alternativ das Ionisationssignal 18 statt des Stellsignals 9 oder des Regelwertes x verarbeitet. Dabei wird es mit seinem Sollwertsignal 24 verglichen und darf beispielsweise einen vorprogrammierten Grenzbereich, der auch zeitabhängig sein kann, nicht verlassen. Eine alleinige Anwendung dieser Alternative würde eine sehr einfache Ausgestaltung der Überwachungseinheit 20 ermöglichen. Ein Vergleichssignal ist ohnehin im Form des Sollwertsignals 24 vorhanden und der Vergleich wird schon durch die Vergleichseinheit 22 in Form des Differenzsignals 35 der Überwachungseinheit 20 zugeführt.
In der Fig. 3 wird diese Alternative näher erläutert. Der zeitliche Verlauf des Ionisationssignals 18 während eines Startvorgangs ist als strichpunktierte Kurve IE gezeichnet. Der Wert des Sollwertsignals 24 ist mit ISOLL angedeutet.
Zum Zeitpunkt T4, kurz nach dem Zeitpunkt T3 oder sogar gleichzeitig, fängt die Überwachung an. Die Überwachungseinheit 20 überprüft dauerhaft oder zu diskreten Zeitpunkten, ob das Ionisationssignal IE seine Grenzwerte, welche als ISOLLmin und als ISOLLmax gezeichnet sind, nicht verlässt.
Zum Zeitpunkt T5 beginnt der Regelvorgang auf Grund des Ionisationssignals 18.

Claims (8)

1. Regeleinrichtung (6) für einen luftzahlgeregelten Brenner,
welcher Brenner ausgestattet ist
mit einem Sensor (2), der die Qualität der Verbrennung erfasst,
mit einem Stellglied, das die Brennstoffzufuhrmenge oder die Luftzufuhrmenge in Abhängigkeit von einem Stellsignal (9) beeinflusst,
welche Regeleinrichtung (6) ausgestattet ist
mit einem dem Sensor (2) nachgeschalteten Sensorauswerter (17), der ein Sensorsignal (18) erzeugt,
mit einer Steuereinheit (12), in der Kenndaten zur Bestimmung von mindestens einem Verhalten des Stellgliedes gespeichert sind und die zumindest zeitweise mindestens ein Steuersignal (13, 14) erzeugt, und
mit einem Regler (15), der das Stellsignal (9) während zumindest einer Steuerperiode in Abhängigkeit vom Steuersignal und nicht in Abhängigkeit vom Sensorsignal (18), und sonst in Abhängigkeit vom Sensorsignal (18) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Regler (15) zumindest zeitweise während der Steuerperiode ein Vergleichssignal (sE) in Abhängigkeit vom Sensorsignal (18) erzeugt,
die Regeleinrichtung (6) die Differenz zwischen Vergleichssignal (sE) und
einem korrespondierenden Signal feststellt und
die Regeleinrichtung (6) in Abhängigkeit von der Differenz ein Störungssignal erzeugen kann.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) eine im Flammenbereich des Brenners angeordnete Ionisationselektrode ist.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Regeleinrichtung (6) eine Zeiterfassung aufweist und
die Regeleinrichtung (6) frühestens ab 2 Sekunden nach Beginn der Steuerperiode ein Störungssignal erzeugen kann.
4. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Regeleinrichtung (6) ein positiver Grenzwert und ein negativer Grenzwert gespeichert sind, und
die Regeleinrichtung (6) ein Störungssignal erzeugt, falls die Differenz einen positiven Grenzwert überstiegen oder einen negativen Grenzwert unterschritten hat.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (6) unmittelbar nachdem die Differenz den positiven Grenzwert überstiegen oder den negativen Grenzwert unterschritten hat ein Störungssignal erzeugt.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der positiven Grenzwert bis zu +30% des Wertes des korrespondierenden Signals, und der negativen Grenzwert bis zu -13% dieses Wertes beträgt.
7. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (12) beim Zünden des Brenners den Regler (15) das Stellsignal (9) so erzeugen lässt, dass sich die Luftzahl von unterstöchiometrisch zu überstöchiometrisch bewegt,
die Regeleinrichtung (6) aus dem Verhalten des Stellglieds bei der Flammenzündung den spezifischen Energieinhalt des Brennstoffs abschätzt und
die Steuereinheit (12) nach dem Zünden des Brenners den Regler (15) ein dementsprechendes Stellsignal (9) erzeugen lässt.
8. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Regeleinrichtung (6) zumindest einmal während einer Regelperiode die Größe des Stellsignals (9), welches während der Steuerperiode geeignet ist, ermittelt und in der Steuereinheit (12) speichert, und
die Steuereinheit (12) nach einem Zünden des Brenners den Regler (15) ein dementsprechendes Stellsignal (9) erzeugen lässt.
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