DE4428952C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zur Energieeinsparung und Vermeidung von Umweltschäden ist die Überwachung bzw. Regelung von Verbrennungsprozessen von Feuerungsanlagen unbedingt notwendig. Die Messung des Sauerstoffgehalts in Abgasen allein kann keinen Hin­ weis auf eine vollständige Verbrennung liefern. Deshalb ist es besonders wichtig, die im Abgas enthaltenen und nicht verbrannten Bestandteile wie beispielsweise Kohlen­ monoxid zu erkennen und zu reduzieren.

Bei den bis jetzt bekannten Verfahren erfolgt der Betrieb der Feuerungsanlagen mit einem möglichst optimalen Verhältnis von Brennstoff und Luft. Für diese Einstellung ist eine Regeleinheit vorgesehen. Hierfür wird der Sauerstoffgehalt im Abgas mit ei­ nem potentiometrisch oder amperometrisch arbeitenden Sensor ermittelt. Die Rege­ leinheit vergleicht den ermittelten Sauerstoffgehalt des Abgases mit einem vorge­ gebenen Sollwert, der in ihr gespeichert ist. In Abhängigkeit hiervon wird dann die Menge an Luft und Brennstoff, die dem Brenner zugeführt wird, von der Regeleinheit eingestellt. Der gewünschte Sollwert des Sauerstoffs im Abgas wird bei der Inbetrieb­ nahme der Feuerungsanlage eingestellt. Sein Wert wird so festgelegt, daß die bei der Inbetriebnahme manuell auf diesen Wert eingestellte Feuerungsanlage schadstoffarm mit dem geringst möglichen Luftüberschuß arbeitet. Zu dem Sauerstoffgehalt des Ab­ gases wird bei dieser Einstellung ein Toleranzwert addiert. Die hieraus resultierende Menge an Sauerstoff wird in Form eines Zahlenwertes in der Regeleinheit gespei­ chert. Der Toleranzwert dient als Sicherheitszuschlag um eine Regelung der Feu­ erungsanlage in einen Zustand unvollständiger Verbrennung zu verhindern. Von Nachteil ist an diesem Verfahren, daß der Zustand der Feuerungsanlage bei einem einmal festgelegten Sollwert des Sauerstoffs im späteren Betrieb nicht kontrolliert werden kann. Es kann daher nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, daß die Feuerungsanlage bei diesem Sauerstoffsollwert in einem Zustand unvollständiger Verbrennung arbeitet. Ursache hierfür kann beispielsweise sein, daß der Toleranzzu­ schlag nicht ausreicht, um die Variationen der Verbrennungsbedingungen wie Um­ welteinflüsse und Zustand des Brennstoffes zu kompensieren. Außerdem ist nicht auszuschließen, daß eine Fehlfunktion der Feuerungsanlage wegen einer Ver­ stopfung der Brennerdüse auftritt.

Aus der DE-A-35 26 384 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Feinregulierung des Brennstoffmengenstroms an brennerbetriebenen Feuerungsanlagen bekannt. Der Entgegenhaltung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, welches die problemlose Steuerung eines restsauerstoffgeführten Mengenstromfeinreglers ermöglicht, wobei der Mikroprozessor des Feinreglers nach einem absolvierten Lern­ programm, das für jede Anlage spezifisch ist, automatisch die Feinregelung des Brennstoffmengenstroms ermöglicht. Hierzu wird vorgeschlagen, als Kenngröße zur Bewertung des optimalen Stoffumsatzes das im Abgas enthaltene Kohlenmonoxid zu verwenden, wobei der Feineinregler einen Mikroprozessor enthält, der mittels einer Softwareroutine und an Hand eines CO-Monitors mit entsprechender Schnittstelle das Einlesen der realen Kohlenmonoxidkonzentration erlaubt, die zu einem jeweiligen Brennermischkopf und zu einer eingestellten Ausbrandluftmenge gehört. Der Mi­ kroprozessor des Feinreglers leitet ein Lernporgramm ein, das bei der ersten Inbetriebnahme der Anlage mittels eines digitalisierten Co-Meßgerätes den CO-Wert und mittels einer O₂ Meßsonde den O₂-Wert im Abgas laufend mißt und den zunächst zugeregelten Mengenstromfeinregler Stufe für Stufe auffährt, bis der CO-Gehalt stark zunimmt, wobei der zugehörige O₂-Wert im Speicher des Mikroprozessors ge­ speichert wird, und schließlich der Lernvorgang Laststufe für Laststufe bis zur kompletten Aufnahme und Speicherung der brennertypischen Ausbrandkennlinie im Speicher des Mikroprozessors ausgeführt wird.

In der Infromationsschrift F.J. Rohr, Sensor zur Messung und Regelung von Sauer­ stoffkonzentrationen bei Verbrennungsprozessen, DE-Z. messen und prüfen/auto­ matik, Jan/Feb. 1984, S. 23 bis 29, sind potentiometrisch und amperometrisch arbei­ tende Sauerstoffmeßvorrichtungen und ihre Einsatzbereiche beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem das Auftreten einer unvollständigen Verbrennung erkannt und die Feuerungsanlage in ei­ nen schadstoffreien Betrieb zurückgeführt werden kann, sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst.

Zum Erkennen von Kohlenmonoxid im Abgas wird der Anteil des hierin enthaltenen Sauerstoffs mit mindestens zwei unterschiedlichen Meßverfahren erfaßt. Die beiden Meßsignale werden in Zahlenwerte umgerechnet. Eine Abweichung definierter Größe zwischen diesen beiden Zahlenwerten dient als Anzeige für das Vorhandensein von Kohlenmonoxid im Abgas. Erfindungsgemäß wird beim Auftreten einer relativen Abweichung zwischen diesen beiden Werten, die größer ist als 20%, davon ausge­ gangen, daß Kohlenmonoxid in einer Konzentration von mehr als 4000 ppm im Abgas vorhanden ist. Um den Anteil an Kohlenmonoxid zu reduzieren, wird mit Hilfe der Re­ geleinheit die Luftzufuhr zum Brenner solange vergrößert bis die relative Abweichung zwischen den beiden ermittelten Zahlenwerten unter den obengenannten Grenzwert gesunken ist. Für die Durchfüh­ rung des Verfahrens werden in den Abgaskanal der Feuerungsanlage zwei Sensoren eingebaut. Der eine Sensor arbeitet nach dem poten­ tiometrischen Meßprinzip, während der andere nach dem ampero­ metrischen Meßprinzip arbeitet. Die Meßsignale der beiden Sen­ soren werden der Regeleinheit zugeführt. Ihr Signalausgang steht mit einem Stellglied zur Steuerung der Luftzufuhr zum Brenner der Feuerungsanlage in Verbindung. Wird mit Hilfe der beiden Zahlen­ werte das Auftreten von Kohlenmonoxid im Abgas festgestellt, so erhöht die Regeleinheit die Luftzufuhr zum Brenner solange, bis diese in einen Betrieb mit vollständiger Verbrennung zurück­ geführt ist, d. h. die Konzentration an Kohlenmonoxid des Abgases soweit reduziert ist, daß die relative Abweichung zwischen den errechneten Zahlenwerten unter den Grenzwert gesunken ist, der in der Regeleinheit gespeichert ist. Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet,

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeich­ nungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Feuerungsanlage,

Fig. 2 die Konzentration des Kohlenmonoxids im Abgas der Feu­ erungsananlage in Abhängigkeit von einer Konzentration des Restsauerstoffes zwischen 1 und 4%,

Fig. 3 die aus den Meßsignalen der beiden Sensoren berechneten Zahlenwerte im Diagramm,

Fig. 4 die relative Abweichung der aus den Meßsignalen der beiden Sensoren berechneten Zahlenwerte in Abhängigkeit von der Konzentration des Kohlenmonoxids.

Fig. 1 zeigt eine Feuerungsanlage 1 mit einem Brenner 2, einem Feuerungsraum 3, einem Abgaskanal 4, zwei Sensoren 5 und 6 einer Regeleinheit 7, einem Stellglied 8 und einer Luftklappe 9. Die beiden Sensoren 5 und 6 sind in den Abgaskanal 4 eingebaut, der sich an den Feuerungsraum 3 anschließt. Bei dem Sensor 5 handelt es sich um eine potentiometrisch arbeitende Meßvorrichtung, wäh­ rend der Sensor 6 als amperometrisch arbeitende Meßvorrichtung ausgebildet ist. Der Sensor 5 weist ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr (hier nicht dargestellt) auf. Auf dessen Au­ ßenfläche die Meßelektrode und auf dessen Innenfläche die Refe­ renzelektrode angeordnet ist. Das Festelektrolytrohr ist aus stabilisiertem Zirkoniumdioxd gefertigt. Die Meßelektrode ist aus Platin gefertigt, während die Referenzelektrode aus einem Spinell hergestelltist. Die Meßelektrode wird mit dem zu überwachenden Abgas in Kontakt gebracht, während die Referenzelektrode mit ei­ nem Referenzgas beaufschlagt wird. Als Referenzgas wird vorzugs­ weise Luft verwendet. Dadurch, daß die beiden Elektroden mit Ga­ sen unterschiedlicher Sauerstoffkonzentration in Kontakt gebracht werden, bildet sich zwischen den beiden Elektroden ein Potential aus. Seine Größe hängt logarithmisch von der Sauerstoffkonzentra­ tion im Abgas ab, und kann mit Hilfe der Nernst-Gleichung berech­ net werden. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß sich das Gas an der Meßelektrode im Gleichgewicht befindet. Gelangt jedoch Kohlenmonoxid, das nicht katalytisch an der Meßelektrode mit Sau­ erstoff reagiert hat, zur Dreiphasengrenze Gas/Meßelektrode/Fest­ elektrolyt, so reagiert das Kohlenmonoxid dort mit Sauerstoff­ ionen aus dem Festelektrolyten. Dabei werden Elektronen frei. Zwischen der Meßelektrode und der Referenzelektrode bildet sich deshalb ein Mischpotential aus, das nicht alleine durch den im Abgas enthaltenen restlichen Sauerstoff gebildet wird. Beträgt der Anteil des Sauerstoffs im Abgas weniger als 3,5%, und ent­ hält das Abgas Kohlenmonoxid in einer Konzentration von mehr als 3000 ppm, so führt dieses zu einer merklichen Spannungserhöhung. Der zweite Sensor 6 weist ebenfalls ein Festelektrolytrohr aus Zirkoniumdioxid (hier nicht dargestellt) auf. Auf der Außenfläche dieses Festelektrolytrohres ist ebenfalls eine Meßelektrode ange­ ordnet, während sich auf der Innenfläche des Festelektrolyten eine zweite Elektrode befindet. An diese beiden Elektroden wird eine Spannung vorgegebener Größe angelegt. Vorzugsweise beträgt diese Spannung etwa 1 bis 1,2 Volt. Die zweite Elektrode muß mit keinem Gas beaufschlagt werden. Wird die Meßelektrode des Sensors 6 mit dem Abgas in Kontakt gebracht, so beginnt ein Strom zwi­ schen der Meßelektrode und der zweiten Elektrode zu fließen, wenn im Abgas Sauerstoff enthalten ist. Da die Meßelektrode aus Platin gefertigt ist, wird hierdurch die katalytische Reaktion des im Abgas enthaltenen Kohlenmonoxids mit dem freien Sauerstoff im Ab­ gas begünstigt. Der Kohlenmonoxid, der nicht katalytisch ver­ brannt werden kann, führt bei diesem Sensor zu keiner Erhöhung des zwischen den Elektroden fließenden Stroms. Das Meßsignal die­ ses Sensors wird alleine durch den restlichen Sauerstoff im Abgas bestimmt. Diese Tatsache wird ausgenutzt, um einen erhöhten An­ teil an Kohlenmonoxid im Abgas festzustellen. Mit Hilfe der Regeleinheit 7 werden aus den Signalen der Sensoren 5 und 6 die zugehörigen Zahlenwerte A und P berechnet. Ist der Gehalt an Koh­ lenmonoxid im Abgas gering, so sind die berechneten Werte A und P aus den beiden Meßsignalen etwa gleich groß.

Nimmt die Konzentration an Kohlenmonoxid merklich zu, so ist der aus dem Meßsignal des Sensors 5 berechnete Zahlenwert P aus den obenangegebenen Gründe größer als der aus dem Meßsignal des Sen­ sors 6 berechnete Zahlenwert A. Übersteigt die relative Abwei­ chung D zwischen den berechneten Zahlenwerten A und P einen Grenzwert G, der größer ist als 20%, wird dieses als Anzeige für das Vorhandensein größerer Mengen an Kohlenmonoxid im Abgas ge­ wertet. Es kann dann davon ausgegangen werden, daß die Konzentra­ tion an Kohlenmonoxid oberhalb dieses Grenzwertes größer als 4000 ppm ist. Die Regeleinheit 7 gibt beim Erreichen dieses Grenz­ wertes über ihren Signalausgang 7A ein Signal an das Stellglied 8, mit dessen Hilfe die Luftklappe 9 weiter geöffnet und dem Brenner 2 mehr Luft zugeführt wird. Die Luftzufuhr wird solange erhöht, bis die relative Abweichung zwischen den beiden er­ rechneten Werten unter den Grenzwert von 20% gesunken ist. Die Charakteristiken der Sensoren 5 und 6 wurde an einer Feuerungs­ anlage untersucht, deren Luftmenge variierte. Fig. 2 zeigt den Kohlenmonoxidgehalt im Abgas einer Feuerungsanlage bei einem Restsauerstoff zwischen 1% und 4%. Bei einer Sauerstoffkonzentra­ tionen von 3,5% liegt der Kohlenmonoxidgehalt des Abgases unter 100 ppm. Bei einer Sauerstoffkonzentration, die kleiner als 3,5% ist, kann der Gehalt an Kohlenmonoxid im Abgas bis auf 1% an­ steigen. In Fig. 3 sind die aus den Meßsignalen errechneten Werte A und P der beiden Sensoren 5 und 6 bei gleichen Voraussetzungen wie in Fig. 2 dargestellt. Die Werte A sind längs der horizonta­ len Achse und die Werte P längs der vertikalen Achse aufgetragen.

Es ist deutlich zu erkennen, daß bei einer Konzentration des Koh­ lenmonoxids, die kleiner ist als 1000 ppm keine Abweichung zwi­ schen den errechneten Werten A und P bestehen. Differenzen treten dann deutlich auf, wenn die Konzentration des Kohlenmonoxids im Abgases 3000 ppm überschreitet, wenn also die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas kleiner als 2% ist. Dieses Verhalten wird anhand von Fig. 4 verdeutlicht. Sie zeigt, daß der Zustand einer unvollständigen Verbrennung einer Feuerungsanlage mit einer Kon­ zentrationen an Kohlenmonoxid die größer ist als 4000 ppm mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einwandfrei nachgewiesen werden kann. Zur Kompensation der bei dem potentiometrisch arbeitenden Sensor 5 auftretenden Nullpunktsdrift, wird in periodischen Abständen eine Eichung des Sensor 5 vorgenommen. Dazu wird die Luftzufuhr zum Brenner der Feuerungsanlage so weit erhöht, daß eine schad­ stoffarme Verbrennung bewirkt wird. Aus der Sauerstoffkonzen­ tration des Abgases bei dieser Einstellung, die aus dem Strom­ signal der Sensors 6 ermittelt wird, und dem Spannungssignal des Sensors 5 werden dann die neuen Anpassungsparameter für die Um­ rechnung des Spannungssignals in die Sauerstoffkonzentration be­ rechnet und in der Regeleinheit abgespeichert. Somit ist ge­ währleistet, daß Abweichungen der beiden Sensoren 5 und 6 im normalen Regelbetrieb tatsächlich auf eine Schadstoffproduktion der Feuerungsanlage zurückzuführen sind. Die Vorrichtung hat zusätzlich den Vorteil einer Eigenüberwachung. Sollte einer der Sensoren 5 und 6 eine Fehlfunktion aufweisen, so ist es möglich, Differenzen zwischen den errechneten Sauerstoffkonzentrationen durch Eingriff in die Regelung auszugleichen. In diesem Fall wird die Feuerungsanlage in einen Bereich hohen Luftüberschusses gere­ gelt, so daß das Abgas keine Schadstoffe aufweist. Zusätzlich wird von der Regeleinheit eine entsprechende Fehlermeldung ausge­ geben.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung und Überwachung der Verbrennung einer Feuerungsanlage (1) mit einem Brenner (2) für feste und/oder strömende Brennstoffe, der ein Sensor (5, 6) nachgeschaltet ist, und die wenigstens ein die Luftzufuhr zum Brenner (2) steuerndes Stellglied (8) aufweist, dessen Signaleingang (8A) mit einer Re­ geleinheit (7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen von Kohlenmonoxid im Abgas der Anteil des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs mit einem poteniometrisch und einem amperometrisch arbeitenden Sensor gemessen und aus den beiden Meßsignalen die jeweils zugehörigen Zahlenwerte (A und P) berechnet werden, daß eine relative Abweichung (D) zwischen diesen beiden Werten (A und P), die größer ist als ein festgelegter Grenzwert (G) als Anzeige für das Vorhandensein von Kohlenmonoxid im Abgas genutzt wird, und daß zur Reduzierung des Kohlenmon­ oxids im Abgas eine Regelung der Luftzufuhr zum Brenner (2) der Feuerungsanlage (1) vorgenommen wird, bis die relative Abweichung (D) zwischen den errechneten Werten (A und P) unterhalb des festgelegten Grenzwertes (G) liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch kennzeichnet, daß die relative Abwei­ chung (D) zwischen dem potentiometrischen Meßsignal und dem amperometrischen Meßsignal kontinuierlich ermittelt und eine relative Abweichung (D) von 20% zwi­ schen den berechneten Zahlenwerten (A und P) als Anzeige für Kohlenmonoxid im Abgas dient, und daß beim Erkennen von Kohlenmonoxid im Abgas die Zufuhr der Luft zum Brenner (2) solange erhöht wird, bis die relative Abweichung (D) zwischen dem potentiometrisch ermittelten Wert (P) und dem amperometrisch ermittelten Wert (A) weniger als 20% beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet daß zur Kompensation der Nullpunktsdrift des potentiometrisch arbeitenden Sensors (5) die Feuerungsanlage (1) in definierten Abständen in einen Bereich hohen Restsauerstoff­ gehaltes zur Erzielung einer schadstoffreien Verbrennung geregelt wird, und daß die aus den amperometrischen und potentiometrischen Meßsignalen dieser Regelung er­ rechneten Werte (A und P) zur Bildung neuer Anpassungsparameter für die Um­ rechnung des potentiometrischen Meßsignals gespeichert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Feuerungsanlage (1) mit einem Brenner (2) für feste und/oder strömende Brennstoffe versehen ist, der ein Sensor (5, 6) nachgeschaltet ist, und die wenigstens ein die Luft­ zufuhr zum Brenner (2) steuerndes Stellglied (8) aufweist, dessen Signaleingang (8A) mit einer Regeleinheit (7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abgaskanal (4) der Feuerungsanlage (1) ein Sensor (5) mit potentiometrisch arbei­ tender Meßvorrichtung und ein Sensor (6) mit amperometrisch arbeitender Meßvorrich­ tung eingebaut sind, daß die Signalausgänge der Sensoren (5 und 6) mit der Regel­ einheit (7) verbunden sind, daß in der Regeleinheit ein Grenzwert (G) gespeichert ist, der einer relativen Abweichung (D) von 20% zwischen den berechneten Zahlenwerten (A und P) aus den Meßsignalen der Sensoren (5 und 6) entspricht.