EP4143486B1 - Device and method for combustion control for a fuel gas with a proportion of additive gas - Google Patents
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- EP4143486B1 EP4143486B1 EP21722786.7A EP21722786A EP4143486B1 EP 4143486 B1 EP4143486 B1 EP 4143486B1 EP 21722786 A EP21722786 A EP 21722786A EP 4143486 B1 EP4143486 B1 EP 4143486B1
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
- F23N1/00—Regulating fuel supply
- F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
- F23N1/022—Regulating fuel supply conjointly with air supply using electronic means
-
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- F23N2229/00—Flame sensors
Definitions
- the invention relates to a device and a method for controlling combustion, wherein an additional gas in the fuel gas can be detected and control variables for the combustion can be adjusted accordingly.
- One object of the invention is to provide a device and a method for controlling combustion, which makes it possible to detect the type of additional gas, in particular hydrogen, in a fuel gas.
- a proportion of the additional gas in the fuel gas should also be able to be determined.
- Natural gas is generally used as a fuel gas. Natural gas is a hydrocarbon-containing gas mixture whose chemical composition can vary considerably depending on the location. However, the main component is usually methane, with the proportion varying between 75 and 99 mol%.
- burner test gases can contain an admixture of additional gas, such as nitrogen or propane.
- additional gas such as nitrogen or propane.
- burner test gases can also consist of 100% methane or even 100% of an additional gas such as propane. Examples are the burner test gases G271 and G21 or G20 and G32.
- hydrogen has a lower calorific value per volume than natural gas. This means that in order to achieve a comparable performance, the volume flow of fuel gas must be increased when hydrogen is added.
- reaction kinetics of the Combustion is different from that of pure natural gas, which has a strong influence on the flame speed, length and geometry, as well as the flame temperature, ignition properties and heat radiation.
- the flame speed increases exponentially.
- the maximum laminar flame speed shifts to the fuel-richer area of combustion, i.e. to lower lambda values.
- Hydrogen reaches the highest maximum flame speed of around 3.5 m/s with a non-preheated combustion mixture.
- the higher the flame speed the more likely a transition from deflagration, i.e. the spread of the reaction front by diffusion, to detonation, i.e. the spread of the reaction front due to a pressure wave.
- the ignition delay time of hydrogen is 1000 times shorter than that of natural gas, with significantly lower ignition energy and a higher upper ignition limit.
- EP 2 821 705 A1 discloses a gas burner in which the flame temperature and the air ratio are measured by respective sensors
- a method according to the invention for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner, wherein the gas burner has a measuring device and a control circuit, and wherein the fuel gas contains natural gas and an additional gas, comprises the step a) of setting a burner load to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio ⁇ Ist .
- fuel gas describes mixtures of natural gas as the base gas with admixtures of an additional gas of various kinds, such as nitrogen, hydrogen, propane or propene, in variable proportions.
- the air ratio or lambda value ⁇ describes an air to fuel gas ratio of an air-fuel gas mixture.
- the first predetermined load value L1 is not limited according to the invention. In a preferred embodiment, however, the load value L1 can be in a range of 5 to 10 kW.
- the method according to the invention further comprises the step b) of approaching a predetermined target air ratio ⁇ Soll in a predetermined period of time ⁇ t L1 .
- the target air ratio ⁇ target is not restricted as long as it is different from the actual air ratio.
- ⁇ actual > ⁇ target can apply.
- the target air ratio ⁇ target can particularly preferably be 1.
- the predetermined time period ⁇ t L1 is also not restricted according to the invention and can be selected such that the course of the flame temperature T F, L1 determined in this time period in step c) contains the information necessary for determining the fuel gas parameter in step d).
- the predetermined time period ⁇ t L1 can be between 10s and 60s, preferably between 20s and 40s, particularly preferably 30s.
- the predetermined target air ratio ⁇ target can be approached linearly over the time-constant change in the gas flow rate in the gas burner.
- the predetermined target air ratio ⁇ target can also be approached parabolically or exponentially over time.
- the method according to the invention further comprises the step c) of determining a profile of a flame temperature T F, L1 in the time period ⁇ t L1 .
- flame temperature as used herein more accurately describes a temperature measurement of the flame from the combustion chamber of the gas burner. However, for simplicity, the term flame temperature will be used below.
- the flame temperature can generally be determined in different ways, for example using one or more thermocouples. Preferably, however, the flame temperature can be determined using the thermoelectric effect at the ignition electrode (temperature of the flame at the ignition electrode), as for example in the EP 2 549 187 B1 described.
- thermionic effect refers to the fact that electrons can overcome the work function of a heated metal electrode above a material-dependent minimum temperature and can exit the electrode.
- the current generated in this way allows the temperature of the electrode to be determined.
- the flame temperature can thus be easily determined using a voltage tapped from the ignition electrode of the burner.
- Such an ignition electrode is mandatory in the burner chamber of every burner and, once the air-fuel gas mixture has been ignited once, is no longer required for the operation of the gas burner.
- the inventors have discovered that the course of the flame temperature T F as a function of time at a given load value has characteristic features, the evaluation of which allows a conclusion to be drawn as to the type of additional gas and the proportion in which it is present in the fuel gas.
- the method according to the invention comprises the step d) of determining a fuel gas parameter from the profile of the flame temperature T F, L1 and deriving a control variable for controlling the combustion in the gas burner as a function of the fuel gas parameter.
- the term fuel gas parameter is to be interpreted broadly here and refers to the type and proportion of the additional gas in the fuel gas. In a preferred embodiment, the fuel gas parameter can therefore correspond to a volume proportion of the additional gas in the fuel gas.
- the additional gas can be hydrogen. In this way, the inventive A planned injection of hydrogen into the natural gas network can be flexibly addressed.
- the fuel gas parameter can therefore, for example, indicate which additional gas is present in the fuel gas and what the proportion of additional gas is.
- a corresponding control variable can then be derived for controlling the combustion in the gas burner.
- Calibration coefficients can be stored in the form of a characteristic curve to determine the proportion of additional gas.
- the control variable for combustion can then be derived independently by a control circuit in the gas burner and the combustion can be adjusted.
- the method according to the invention can further comprise, between steps c) and d), the step i) of returning to the air ratio ⁇ Ist and setting the burner load to a second predetermined load value L2 > L1, as well as the step ii) of restarting the predetermined target air ratio ⁇ Soll in a predetermined period of time ⁇ t L2 , and the step iii) of determining the course of the flame temperature T F, L2 in the period ⁇ t L2 , wherein in step d) the combustion gas parameter can then be determined from the courses of the flame temperature T F, L1 and T F, L2 .
- the fuel gas parameter in step d) can advantageously be determined even more precisely and the combustion control can be derived even more precisely.
- the load value L2 is also not restricted according to the invention as long as the flame kinetics differ significantly from the load value L1. According to a preferred embodiment, however, the load value L2 can be in a range of 10 to 20 kW.
- the fuel gas parameter can be determined by comparing the respective determined flame temperature curve T F with a corresponding reference curve of the flame temperature T F, Ref. for natural gas as fuel gas.
- the flame temperature curve at a predetermined load value for natural gas as fuel gas can be stored in the control circuit of the gas burner. From a comparison of a currently determined flame temperature curve at the same load value, it can then be determined, which additional gas is present in the currently available fuel gas and what the proportion is.
- the fuel gas parameter can be determined based on a minimum flame temperature T F, min. and/or based on one or more flame temperature differences ⁇ T F determined from the respective course of the flame temperature T F.
- the type and proportion of an additional gas can be determined based on the measurement of a minimum and/or maximum starting from an initial state.
- the height of the difference to a characteristically occurring maximum in the flame temperature course is specific. The extent of the height difference also shows the proportion of hydrogen.
- the gas burner can additionally have an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for disconnecting the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage, and the course of the flame temperature T F can be determined in each case using the ignition electrode.
- the course of the flame temperature can advantageously be determined in particular using the thermionic effect at the ignition electrode.
- a gas burner according to the invention comprises a control circuit and a measuring device which are configured to carry out a method which comprises the step a) of setting a burner load to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio ⁇ Ist ; the step b) of approaching a predetermined target air ratio ⁇ Soll in a predetermined period of time ⁇ t L1 ; the step c) of determining a profile of a flame temperature T F, L1 in the period ⁇ t L1 ; and the step d) of determining a combustion gas parameter from the profile of the flame temperature T F, L1 and deriving a control variable for controlling the combustion in the gas burner depending on the combustion gas parameter.
- control circuit and the measuring device can additionally be configured to carry out a method which, between steps c) and d), additionally comprises the step i) of returning to the air ratio ⁇ and setting the burner load to a second predetermined Load value L2 >L1; the step ii) of restarting the predetermined target air ratio ⁇ target in a predetermined period of time ⁇ t L2; ; and the step iii) of determining the course of the flame temperature T F , L2 in the period ⁇ t L2 , wherein in step d) the combustion gas parameter can be determined from the courses of the flame temperature T F, L1 and T F, L2 .
- the gas burner can additionally comprise an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for disconnecting the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage.
- the method according to the invention and the gas burner according to the invention have numerous advantages. For example, while calibration by means of ionization when starting up to lambda 1 is sufficient to differentiate whether a burner test gas such as G21 or G271 is present, the method described above can be used to determine whether there is an additional gas in the fuel gas, what type it is and how high the proportion is. Hydrogen proportions cannot be determined with the calibration by means of ionization described above due to other causalities of the target values.
- the nominal air ratios and thus also the device performance for hydrogen-containing fuel gases can be achieved, as well as low NO x values. This can avoid the risk of thermoacoustics and overheating of the gas burner.
- Figure 1 shows a flow chart to illustrate an embodiment of a method for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner, wherein the gas burner has a measuring device and a control circuit, and wherein the fuel gas contains natural gas and an additional gas.
- a burner load is set to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio ⁇ Ist .
- the load value is not restricted according to the invention.
- the load value L1 can be in a range from 5 to 10 kW.
- the load value L1 can advantageously be stored in the control circuit of the gas burner and automatically approached in step S101 when the method is carried out.
- the actual air ratio ⁇ Actual is also not limited according to the invention and can, for example, result from a current mixture control during the normal operation of the gas burner.
- the method can be carried out during ongoing gas burner operation and the mixture control can be flexibly and optimally adapted to varying combustion gases, for example by adding an additional gas, in particular hydrogen.
- a predetermined target air ratio ⁇ Soll is approached in a predetermined period of time ⁇ t L1 .
- the target air ratio ⁇ Soll is also not restricted according to the invention, but it is different from the actual air ratio ⁇ Ist .
- the predetermined target air ratio ⁇ Soll can be approached linearly over the time constant change in the gas flow rate in the gas burner.
- the predetermined target air ratio ⁇ Soll can also be approached parabolically or exponentially over time.
- the length of the period ⁇ t L1 is also not limited according to the invention, insofar as the course of a flame temperature T F , L1 determined in this period in step S103, which is used to determine the fuel gas parameter in step S104 necessary information.
- the predetermined period ⁇ t L1 can be between 10s and 60s, preferably between 20s and 40s, particularly preferably 30s.
- the profile of the flame temperature T F , L1 in the time period ⁇ t L1 is determined.
- the flame temperature T F, L1 can be measured in different ways, for example using one or more thermocouples.
- the flame temperature T F , L1 can be determined using an ignition electrode by utilizing the thermoelectric effect.
- the gas burner can additionally have an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for disconnecting the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage.
- the flame temperature T F , L1 can be measured continuously, but individual measured values can also be recorded at a certain time interval within the time period ⁇ t L1 , as long as a sufficiently accurate flame temperature profile T F, L1 can be recorded.
- the number of measured values recorded can be increased in the areas in which characteristic features in the flame temperature curve T F , L1 are to be expected, for example minima and/or maxima, whereas in uncharacteristic areas, for example with a constant flame temperature curve T F , L1 , fewer measured values can be recorded.
- step S104 a fuel gas parameter is then determined from the course of the flame temperature T F , L1 and a control variable for controlling the combustion in the gas burner is derived depending on the fuel gas parameter.
- the determination of the fuel gas parameter and the derivation of the control variable are described below with reference to the Figures 3 to 5 described in more detail.
- Figure 2 shows a flow chart of a further embodiment of a method for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner, wherein the gas burner has a measuring device and a control circuit, and wherein the fuel gas contains natural gas and an additional gas.
- step S201 the air ratio ⁇ Ist can be reduced and the burner load can be set to a second predetermined load value L2 > L1.
- the air ratio ⁇ Ist can be the value in Figure 1 shown original air ratio ⁇ actual . In this way, when the predetermined target air ratio ⁇ target is approached again in a predetermined period of time ⁇ t L2 in step S202, the same air ratio range can be run at a different load value L2.
- the load value L2 is not restricted as long as the flame kinetics differ significantly from the load value L1. According to a preferred embodiment, however, the load value L2 can be in a range of 10 to 20 kW.
- Step S203 in Figure 2 can then provide for the determination of the course of the flame temperature T F , L2 in the period ⁇ t L2 .
- the measurement of the flame temperature T F, L2 and the length of the time period ⁇ t L2 are not restricted according to the invention.
- the flame temperature is advantageously measured using the ignition electrode and the length of the time period ⁇ t L2 advantageously corresponds to the length of the time period ⁇ t L1 .
- step S204 as in Figure 2 As shown, the combustion gas parameter can then be determined from the flame temperature curves T F, L1 and T F, L2 and a control variable for controlling the combustion in the gas burner can be derived.
- the determination of the fuel gas parameter from the course of the flame temperature T F, L1 or T F, L2 with reference to the Figures 3 and 4 explained in more detail.
- the inventors have found it advantageous that the course of the flame temperature T F for natural gas as a fuel gas has specific characteristics at the respective predetermined first and second load values L1 and L2 in comparison to mixtures of natural gas and an additional gas. Based on the evaluation of these specific characteristics, the type of additional gas and its proportion in the fuel gas can then be determined as a fuel gas parameter.
- FIG. 3 Flame temperature curves T F , L1 at a first predetermined load value L1 for pure methane (G20) as fuel gas 1 and for 70% methane and 30% hydrogen as fuel gas 2. Since the main component of natural gas is methane, pure methane is used as a substitute for natural gas in the present example. In this way, a uniform reference point can be advantageously created, independent of variations caused by sites.
- the load value L1 is set to 10kW.
- the flame temperature curve T F , L1 was also determined during this period. Standardized values for the flame temperature T F , L1 determined using an ignition electrode are plotted on the y-axis.
- the values in the Figures 3 and 4 The flame temperature values plotted are given in an artificial unit [I] which is inversely related to the actual temperature.
- the values Figure 3 and 4 The values shown are digitized measured values that an AD converter in the gas burner's automatic firing system can determine from a corresponding input channel.
- the time t in [s] is plotted on the x-axis.
- Both curves 1, 2 again show a different degree of pronounced minimum 1b, 2b (indicated by arrow 4), with curve 2 for 70% methane and 30% hydrogen as fuel gas additionally showing a maximum 2c following the minimum 2b.
- the minimum 2b for 70% methane and 30% hydrogen as fuel gas is ahead of the minimum 1b for pure methane as fuel gas.
- the fuel gas parameter can be determined by comparing the respective determined flame temperature curve T F with a corresponding reference curve of the flame temperature T F, Ref. for natural gas as fuel gas.
- the fuel gas parameter can be determined in each case based on a minimum flame temperature T F, min. and/or based on one or more flame temperature differences ⁇ T F determined from the respective course of the flame temperature T F.
- a mixture of 70% methane and 30% hydrogen shows a temporally advanced minimum in the course of the flame temperature T F, L1 compared to pure methane at the first predetermined load value L1.
- the difference in relation to the initial value is also lower for the mixture of 70% methane and 30% hydrogen.
- the mixture of 70% methane and 30% hydrogen also shows a temporally preceding minimum in the course of the flame temperature T F , L2 , compared to pure methane, as well as a maximum following the minimum.
- the difference of the minimum in relation to the initial value is lower for the mixture of 70% methane and 30% hydrogen. From the height difference of the maximum in relation to the initial value (indicated by arrow 5 in Figure 4 ) the proportion of hydrogen in the fuel gas can also be determined, since this is specific for hydrogen.
- additional gases also have such characteristic features.
- nitrogen as an additional gas in contrast to hydrogen, also shows a maximum at the load value L1 that follows the minimum.
- Propane as an additional gas does not show any maximum in the course of the flame temperature.
- the two minima are shifted to shorter times compared to pure methane, with the difference to the initial value being larger in each case than with methane.
- FIG. 5 shows a block diagram of a gas burner according to an embodiment.
- the gas burner 100 has a combustion chamber 101 in which a combustion process can take place by supplying an air-combustion gas mixture.
- An ignition electrode 102 projects into the combustion chamber 101.
- an ionization electrode can also be provided in the gas burner 100, which also projects into the combustion chamber.
- An ionization electrode is generally used for flame monitoring.
- the ignition electrode 102 is connected to a device for generating an ignition voltage 104 in such a way that the ignition electrode 102 can be separated from the device for generating the ignition voltage 104.
- This can be done by a switch arrangement 103 connected between the ignition electrode 102 and the device for generating the ignition voltage 104.
- the switch arrangement 103 can in particular be set up in such a way that after the ignition electrode 102 is separated from the device for generating the ignition voltage 104, the ignition electrode 102 is connected as a passive electrode.
- the gas burner 100 also has a measuring device 105.
- the measuring device 105 can be used to determine the temperature of the flame at the electrode by utilizing the aforementioned thermoelectric effect and thus measure the flame temperature curve at a correspondingly set load value.
- the switch arrangement 103 is connected to the measuring device 105 and can receive signals from the measuring device 105.
- the measuring device 105 can also have a time measuring device, via which the predetermined time periods can be set.
- the measuring device 105 is also connected to a control circuit 106.
- the combustion in the gas burner 100 can be controlled via the control circuit 106 using a burner control 109.
- the burner control 109 has a valve control 110 for changing the proportion of fuel gas in the air-fuel gas mixture, as well as a fan control 111 for varying the proportion of air.
- the control circuit 106 has in particular a device for determining a fuel gas parameter 107.
- the device for determining the fuel gas parameter 107 is connected to the measuring device 105 and receives the measured values determined in the respective time periods for determining the flame temperature, which were determined by means of the ignition electrode 102 in the combustion chamber 101.
- the flame temperature curves are evaluated and, as described above, the fuel gas parameter is determined based on the respective characteristic features.
- the fuel gas parameter represents a type of additional gas determined and its proportion in the fuel gas, for example hydrogen, proportion 30%.
- the device for determining the combustion gas parameter 107 is connected to a device for deriving a control variable 108 for controlling the combustion in the gas burner 100.
- the control variable can be, for example, an air ratio ⁇ that is changed taking the combustion gas parameter into account and/or a changed volume flow.
- the controlled variable is then transmitted by the device for deriving the controlled variable 108 to the burner control 109, which can then regulate the combustion in the gas burner 100 accordingly or adapt it to the changed fuel gas via the valve control 110 and/or the fan control 111.
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbrennungsregelung, wobei ein Zusatzgas im Brenngas detektiert und Regelgrößen für die Verbrennung entsprechend angepasst werden können.The invention relates to a device and a method for controlling combustion, wherein an additional gas in the fuel gas can be detected and control variables for the combustion can be adjusted accordingly.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung, sowie ein Verfahren zur Verbrennungsregelung bereitzustellen, welches ermöglicht, die Art eines Zusatzgases, insbesondere Wasserstoff, in einem Brenngas zu detektieren. Insbesondere soll dabei auch ein Anteil des Zusatzgases im Brenngas bestimmt werden können.One object of the invention is to provide a device and a method for controlling combustion, which makes it possible to detect the type of additional gas, in particular hydrogen, in a fuel gas. In particular, a proportion of the additional gas in the fuel gas should also be able to be determined.
Als Brenngas wird im Allgemeinen Erdgas verwendet. Natürliches Erdgas ist ein kohlenwasserstoff-haltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung je nach Fundstätte beträchtlich schwanken an. Der Hauptbestandteil ist aber in der Regel Methan, wobei der Anteil zwischen 75 und 99 Mol-% schwanken kann.Natural gas is generally used as a fuel gas. Natural gas is a hydrocarbon-containing gas mixture whose chemical composition can vary considerably depending on the location. However, the main component is usually methane, with the proportion varying between 75 and 99 mol%.
Brennerprüfgase können neben Methan eine Beimengung an Zusatzgas, wie beispielsweise Stickstoff oder Propan, enthalten. Brennerprüfgase können aber auch zu 100% aus Methan oder sogar zu 100% aus einem Zusatzgas wie Propen bestehen. Beispiele sind die Brennerprüfgase G271 und G21 oder auch G20 und G32.In addition to methane, burner test gases can contain an admixture of additional gas, such as nitrogen or propane. However, burner test gases can also consist of 100% methane or even 100% of an additional gas such as propane. Examples are the burner test gases G271 and G21 or G20 and G32.
Motiviert durch eine langfristige Einsparung an CO2-Emissionen, ist die Einspeisung klimaneutral erzeugten Wasserstoffs als Zusatzgas im bestehenden Erdgasnetz mit Volumenanteilen von bis zu 40 Vol.-% geplant.Motivated by long-term savings in CO2 emissions, the injection of climate-neutrally produced hydrogen as additional gas into the existing natural gas network with volume shares of up to 40 vol.% is planned.
Die Beimengung von Wasserstoff zum Grundgas erzeugt jedoch zahlreiche technische Herausforderungen, insbesondere für den Betrieb und die Verbrennungsregelung in Gasbrennern. Zunächst weist Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas einen volumenbezogen niedrigeren Brennwert auf. Das bedeutet, um eine vergleichbare Leistung zu erzielen, muss der Volumenstrom an Brenngas im Fall einer Wasserstoffbeimengung erhöht werden. Außerdem ist die Reaktionskinetik der Verbrennung gegenüber reinem Erdgas verändert, wodurch etwa die Flammengeschwindigkeit, -länge, und -geometrie, sowie die Flammentemperatur, die Zündeigenschaften und die Wärmeabstrahlung stark beeinflusst werden.However, the addition of hydrogen to the base gas creates numerous technical challenges, especially for the operation and combustion control in gas burners. First of all, hydrogen has a lower calorific value per volume than natural gas. This means that in order to achieve a comparable performance, the volume flow of fuel gas must be increased when hydrogen is added. In addition, the reaction kinetics of the Combustion is different from that of pure natural gas, which has a strong influence on the flame speed, length and geometry, as well as the flame temperature, ignition properties and heat radiation.
So konnte beispielsweise festgestellt werden, dass bei einem linearen Anstieg der Wasserstoffkonzentration die Flammengeschwindigkeit exponentiell zunimmt. Außerdem verschiebt sich das Maximum der laminaren Flammengeschwindigkeit in den brennstoffreicheren Bereich der Verbrennung, d.h. zu kleineren Lambda Werten. Dabei erreicht Wasserstoff mit etwa 3,5 m/s die höchste maximale Flammengeschwindigkeit bei nicht vorgewärmten Brenngemisch. Dabei gilt, je höher die Flammengeschwindigkeit, desto wahrscheinlicher ist ein Übergang von der Deflagration, d.h. der Ausbreitung der Reaktionsfront durch Diffusion, zur Detonation, d.h. der Ausbreitung der Reaktionsfront aufgrund einer Druckwelle. Außerdem ist die Zündungsverzugszeit von Wasserstoff um den Faktor 1000 geringer als die von Erdgas, bei ebenfalls deutlich geringerer Zündenergie und höherer oberer Zündgrenze.For example, it was found that with a linear increase in hydrogen concentration, the flame speed increases exponentially. In addition, the maximum laminar flame speed shifts to the fuel-richer area of combustion, i.e. to lower lambda values. Hydrogen reaches the highest maximum flame speed of around 3.5 m/s with a non-preheated combustion mixture. The higher the flame speed, the more likely a transition from deflagration, i.e. the spread of the reaction front by diffusion, to detonation, i.e. the spread of the reaction front due to a pressure wave. In addition, the ignition delay time of hydrogen is 1000 times shorter than that of natural gas, with significantly lower ignition energy and a higher upper ignition limit.
Die Kenntnis, welches Zusatzgas, insbesondere Wasserstoff, im Brenngas vorhanden ist und in welchem Anteil, ist also für den Betrieb und die Verbrennungsregelung in Gasbrennern unabdingbar sowohl unter brenntechnischen, als auch unter sicherheitstechnischen Aspekten.Knowing which additional gas, in particular hydrogen, is present in the fuel gas and in what proportion is therefore essential for the operation and combustion control in gas burners, both from a combustion engineering and safety perspective.
Die
- a) Feststellen, mit Hilfe der Strom-Spannungskennlinie der protonenleitenden Schicht, ob bei einem Durchströmen der protonenleitenden Schicht mit einem Volumenstrom der H2/Erdgasmischung eine Wasserstoffverarmung der protonenleitenden Schicht vorliegt, und Messen des Volumenstroms mit einem Sensor zur Messung des Volumenstroms der H2/Erdgasmischung in die protonenleitende Schicht, welcher mit dem Steuergerät verbunden ist;
- b) Falls keine Wasserstoffverarmung der protonenleitenden Schicht vorliegt, dann Verändern des Volumenstroms der H2/Erdgasmischung mittels einer Steuereinrichtung und Wiederholen des vorherigen Schritts;
- c) Falls eine Wasserstoffverarmung der protonenleitenden Schicht vorliegt, dann Ermitteln der kritischen Stromdichte der protonenleitenden Schicht, bei welcher die Wasserstoffverarmung an der protonenleitenden Schicht mit dem zugehörigen gemessenen Volumenstrom der H2/Erdgasmischung vorliegt;
- d) Feststellen, mittels eines Kennfeldes, des H2-Gehalts der H2/Erdgasmischung basierend auf der ermittelten kritischen Stromdichte;
- e) Bestimmen des aktuellen Brennwerts der H2/Erdgasmischung, basierend auf dem festgestellten H2-Gehalt der H2/Erdgasmischung und dem Brennwert der H2/Erdgasmischung von der Übergabe-Station des Gasnetzes;
- f) Ausgeben des aktuellen Brennwerts der H2/Erdgasmischung.
- a) Determine, using the current-voltage characteristic of the proton-conducting layer, whether a volume flow of the H 2 /natural gas mixture flows through the proton-conducting layer and measures the volume flow with a sensor for measuring the volume flow of the H 2 /natural gas mixture into the proton-conducting layer, which is connected to the control unit;
- b) If there is no hydrogen depletion of the proton-conducting layer, then changing the volume flow of the H 2 /natural gas mixture by means of a control device and repeating the previous step;
- c) If there is a hydrogen depletion of the proton-conducting layer, then determining the critical current density of the proton-conducting layer at which the hydrogen depletion at the proton-conducting layer occurs with the associated measured volume flow of the H 2 /natural gas mixture;
- (d) determining, by means of a characteristic map, the H 2 content of the H 2 /natural gas mixture based on the determined critical current density;
- (e) determining the current calorific value of the H 2 /natural gas mixture based on the determined H 2 content of the H 2 /natural gas mixture and the calorific value of the H 2 /natural gas mixture from the gas network transfer station;
- f) Output of the current calorific value of the H 2/ natural gas mixture.
Die oben genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf besondere Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.The above object is solved with the features of
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält, umfasst den Schritt a) des Einstellens einer Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten Lastwert L1 bei einer Ist-Luftzahl λIst.A method according to the invention for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner, wherein the gas burner has a measuring device and a control circuit, and wherein the fuel gas contains natural gas and an additional gas, comprises the step a) of setting a burner load to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio λ Ist .
Der Begriff Brenngas beschreibt hierin Mischungen aus Erdgas als Grundgas mit Beimengungen eines Zusatzgases unterschiedlicher Art, wie beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff, Propan oder Propen, in veränderbaren Anteilen.The term fuel gas describes mixtures of natural gas as the base gas with admixtures of an additional gas of various kinds, such as nitrogen, hydrogen, propane or propene, in variable proportions.
Die Luftzahl oder auch der Lambda-Wert λ beschreibt ein Luft zu Brenngas Verhältnis eines Luft-Brenngas-Gemisches.The air ratio or lambda value λ describes an air to fuel gas ratio of an air-fuel gas mixture.
Der erste vorbestimmte Lastwert L1 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert L1 jedoch in einem Bereich von 5 bis 10kW liegen.The first predetermined load value L1 is not limited according to the invention. In a preferred embodiment, however, the load value L1 can be in a range of 5 to 10 kW.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin den Schritt b) des Anfahrens einer vorbestimmten Soll-Luftzahl λSoll in einem vorbestimmten Zeitraum ΔtL1.The method according to the invention further comprises the step b) of approaching a predetermined target air ratio λ Soll in a predetermined period of time Δt L1 .
Die Soll-Luftzahl λSoll ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, so lange sie von der Ist-Luftzahl verschieden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann dabei gelten λIst > λSoll. Besonders bevorzugt kann jedoch die Soll-Luftzahl λSoll = 1 betragen. In diesem Fall kann somit die Ist-Luftzahl λIst in den Bereich der stöchiometrischen Verbrennung bei λ = 1 abgesenkt werden.According to the invention, the target air ratio λ target is not restricted as long as it is different from the actual air ratio. In a preferred embodiment, λ actual > λ target can apply. However, the target air ratio λ target can particularly preferably be 1. In this case, the actual air ratio λ actual can be reduced to the range of stoichiometric combustion at λ = 1.
Auch der vorbestimmte Zeitraum ΔtL1 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt und kann derart gewählt sein, dass der in diesem Zeitraum in Schritt c) ermittelte Verlauf der Flammentemperatur TF, L1, die zur Bestimmung des Brenngasparameters in Schritt d) notwendigen Informationen beinhaltet. Beispielsweise kann der vorbestimmte Zeitraum ΔtL1 zwischen 10s und 60s betragen, bevorzugt zwischen 20s und 40s, besonders bevorzugt 30s.The predetermined time period Δt L1 is also not restricted according to the invention and can be selected such that the course of the flame temperature T F, L1 determined in this time period in step c) contains the information necessary for determining the fuel gas parameter in step d). For example, the predetermined time period Δt L1 can be between 10s and 60s, preferably between 20s and 40s, particularly preferably 30s.
Generell sind verschiedene Varianten der zeitlichen Luft-Brenngas-Gemischführung (Anfetten) im Gasbrenner denkbar. Vorzugsweise kann das Anfahren der vorbestimmten Soll-Luftzahl λSoll aber linear über die Zeit-Konstante Änderung der Gasdurchflussmenge im Gasbrenner erfolgen. Alternativ kann das Anfahren der vorbestimmten Soll-Luftzahl λSoll aber auch parabelförmig oder exponentiell über die Zeit erfolgen.In general, various variants of the temporal air-fuel gas mixture control (enrichment) in the gas burner are conceivable. Preferably, the predetermined target air ratio λ target can be approached linearly over the time-constant change in the gas flow rate in the gas burner. Alternatively, the predetermined target air ratio λ target can also be approached parabolically or exponentially over time.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin den Schritt c) des Ermittelns eines Verlaufs einer Flammentemperatur TF, L1 in dem Zeitraum ΔtL1.The method according to the invention further comprises the step c) of determining a profile of a flame temperature T F, L1 in the time period Δt L1 .
Der Begriff Flammentemperatur, wie hierin verwendet, beschreibt genauer einen Temperaturmesswert der Flamme aus der Brennkammer des Gasbrenners. Der Einfachheit halber wird im Folgenden jedoch der Begriff Flammentemperatur verwendet.The term flame temperature as used herein more accurately describes a temperature measurement of the flame from the combustion chamber of the gas burner. However, for simplicity, the term flame temperature will be used below.
Die Flammentemperatur kann dabei generell auf unterschiedliche Weise bestimmt werden, beispielsweise über ein oder mehrere Thermoelemente. Vorzugsweise kann die Flammentemperatur jedoch unter Ausnutzung des glühelektrischen Effekts an der Zündelektrode (Temperatur der Flamme an der Zündelektrode) bestimmt werden, wie beispielsweise in der
Der obengenannte glühelektrische Effekt (auch Richardson-Effekt, Edison-Effekt oder Edison-Richardson-Effekt, siehe beispielweise
Die Erfinder haben herausgefunden, dass der Verlauf der Flammentemperatur TF als Funktion der Zeit bei vorgegebenem Lastwert charakteristische Merkmale aufweist, deren Auswertung einen Rückschluss darauf zulässt, welcher Art das Zusatzgas ist und in welchem Anteil es im Brenngas vorliegt.The inventors have discovered that the course of the flame temperature T F as a function of time at a given load value has characteristic features, the evaluation of which allows a conclusion to be drawn as to the type of additional gas and the proportion in which it is present in the fuel gas.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierzu den Schritt d) des Bestimmens eines Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, L1 und des Ableitens einer Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner in Abhängigkeit des Brenngasparameters.For this purpose, the method according to the invention comprises the step d) of determining a fuel gas parameter from the profile of the flame temperature T F, L1 and deriving a control variable for controlling the combustion in the gas burner as a function of the fuel gas parameter.
Der Begriff Brenngasparameter ist hierin breit auszulegen und bezieht sich auf die Art und den Anteil des Zusatzgases im Brenngas. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter daher einem Volumenanteil des Zusatzgases im Brenngas entsprechen.The term fuel gas parameter is to be interpreted broadly here and refers to the type and proportion of the additional gas in the fuel gas. In a preferred embodiment, the fuel gas parameter can therefore correspond to a volume proportion of the additional gas in the fuel gas.
Wie eingehend bereits beschrieben, können unterschiedliche Zusatzgase dem Brenngas beigemischt sein. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Zusatzgas jedoch Wasserstoff sein. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einer geplanten Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz flexibel begegnet werden.As already described in detail, different additional gases can be mixed with the fuel gas. In a further preferred embodiment, however, the additional gas can be hydrogen. In this way, the inventive A planned injection of hydrogen into the natural gas network can be flexibly addressed.
Der Brenngasparameter kann also beispielsweise angeben, welches Zusatzgas im Brenngas vorliegt und wie hoch der Anteil an Zusatzgas ist. Abhängig von dem bestimmten Brenngasparameter kann dann eine entsprechende Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner abgeleitet werden.The fuel gas parameter can therefore, for example, indicate which additional gas is present in the fuel gas and what the proportion of additional gas is. Depending on the specific fuel gas parameter, a corresponding control variable can then be derived for controlling the combustion in the gas burner.
Zur Bestimmung des Anteils des Zusatzgases können Kalibrationskoeffizienten in Form einer Kennlinie hinterlegt sein. Je nach ermitteltem Anteil kann dann die Regelgröße für die Verbrennung selbstständig durch eine im Gasbrenner vorhandene Regelschaltung abgeleitet und die Verbrennung angepasst werden.Calibration coefficients can be stored in the form of a characteristic curve to determine the proportion of additional gas. Depending on the proportion determined, the control variable for combustion can then be derived independently by a control circuit in the gas burner and the combustion can be adjusted.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren zwischen den Schritten c) und d) weiterhin den Schritt i) des Zurückfahrens auf die Luftzahl λIst und des Einstellens der Brennerlast auf einen zweiten vorbestimmten Lastwert L2 > L1, sowie den Schritt ii) des erneuten Anfahrens der vorbestimmten Soll-Luftzahl λSoll in einem vorbestimmten Zeitraum ΔtL2, und den Schritt iii) des Ermittelns des Verlaufs der Flammentemperatur TF, L2 in dem Zeitraum ΔtL2, umfassen, wobei dann in Schritt d) der Brenngasparameter aus den Verläufen der Flammentemperatur TF, L1 und TF, L2 bestimmt werden kann.In a preferred embodiment, the method according to the invention can further comprise, between steps c) and d), the step i) of returning to the air ratio λ Ist and setting the burner load to a second predetermined load value L2 > L1, as well as the step ii) of restarting the predetermined target air ratio λ Soll in a predetermined period of time Δt L2 , and the step iii) of determining the course of the flame temperature T F, L2 in the period Δt L2 , wherein in step d) the combustion gas parameter can then be determined from the courses of the flame temperature T F, L1 and T F, L2 .
Auf diese Weise kann vorteilhaft der Brenngasparameter in Schritt d) noch genauer ermittelt und die Regelung der Verbrennung noch genauer abgeleitet werden.In this way, the fuel gas parameter in step d) can advantageously be determined even more precisely and the combustion control can be derived even more precisely.
Auch der Lastwert L2 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, so lange sich die Flammenkinetik signifikant zum Lastwert L1 unterscheidet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert L2 jedoch in einem Bereich von 10 bis 20kW liegen.The load value L2 is also not restricted according to the invention as long as the flame kinetics differ significantly from the load value L1. According to a preferred embodiment, however, the load value L2 can be in a range of 10 to 20 kW.
In einer überdies bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter durch einen Vergleich des jeweiligen ermittelten Flammentemperaturverlaufs TF mit einem entsprechenden Referenzverlauf der Flammentemperatur TF, Ref. für Erdgas als Brenngas bestimmt werden. Hierzu kann beispielsweise der Flammentemperaturverlauf bei vorgegebenem Lastwert für Erdgas als Brenngas in der Regelschaltung des Gasbrenners hinterlegt sein. Aus einem Vergleich eines aktuell ermittelten Flammentemperaturverlaufs bei gleichem Lastwert kann dann bestimmt werden, welches Zusatzgas im aktuell vorliegenden Brenngas vorhanden ist und wie hoch der Anteil ist.In a further preferred embodiment, the fuel gas parameter can be determined by comparing the respective determined flame temperature curve T F with a corresponding reference curve of the flame temperature T F, Ref. for natural gas as fuel gas. For this purpose, for example, the flame temperature curve at a predetermined load value for natural gas as fuel gas can be stored in the control circuit of the gas burner. From a comparison of a currently determined flame temperature curve at the same load value, it can then be determined, which additional gas is present in the currently available fuel gas and what the proportion is.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter jeweils anhand einer minimalen Flammentemperatur TF, min. und/oder anhand einer oder mehrerer aus dem jeweiligen Verlauf der Flammentemperatur TF ermittelter Flammentemperatur-Differenzen ΔTF bestimmt werden. Beispielsweise kann die Art und der Anteil eines Zusatzgases anhand der Messung eines Minimums und/oder Maximums ausgehend von einem Ausgangszustand bestimmt werden. Für Wasserstoff, beispielsweise, ist die Höhe der Differenz zu einem charakteristisch auftretenden Maximum im Flammentemperaturverlauf spezifisch. In der Ausprägung des Höhenunterschieds zeigt sich überdies der Anteil an Wasserstoff.In a further preferred embodiment, the fuel gas parameter can be determined based on a minimum flame temperature T F, min. and/or based on one or more flame temperature differences ΔT F determined from the respective course of the flame temperature T F. For example, the type and proportion of an additional gas can be determined based on the measurement of a minimum and/or maximum starting from an initial state. For hydrogen, for example, the height of the difference to a characteristically occurring maximum in the flame temperature course is specific. The extent of the height difference also shows the proportion of hydrogen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, kann der Gasbrenner zusätzlich eine Zündelektrode, Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und eine Schalteranordnung zum Verbinden der Zündelektrode mit und zum Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung aufweisen und der Verlauf der Flammentemperatur TF kann jeweils anhand der Zündelektrode ermittelt werden. Wie oben bereits erwähnt, kann der Verlauf der Flammentemperatur vorteilhaft insbesondere anhand der Ausnutzung des glühelektrischen Effekts an der Zündelektrode bestimmt werden.In a further preferred embodiment, the gas burner can additionally have an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for disconnecting the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage, and the course of the flame temperature T F can be determined in each case using the ignition electrode. As already mentioned above, the course of the flame temperature can advantageously be determined in particular using the thermionic effect at the ignition electrode.
Ein erfindungsgemäßer Gasbrenner umfasst eine Regelschaltung und eine Messeinrichtung, welche zur Durchführung eines Verfahrens konfiguriert sind, das den Schritt a) des Einstellens einer Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten Lastwert L1 bei einer Ist-Luftzahl λIst; den Schritt b) des Anfahrens einer vorbestimmten Soll-Luftzahl λSoll in einem vorbestimmten Zeitraum ΔtL1; den Schritt c) des Ermittelns eines Verlaufs einer Flammentemperatur TF, L1 in dem Zeitraum ΔtL1; und den Schritt d) des Bestimmens eines Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, L1 und des Ableitens einer Regelgröße für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner in Abhängigkeit des Brenngasparameters, umfasst.A gas burner according to the invention comprises a control circuit and a measuring device which are configured to carry out a method which comprises the step a) of setting a burner load to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio λ Ist ; the step b) of approaching a predetermined target air ratio λ Soll in a predetermined period of time Δt L1 ; the step c) of determining a profile of a flame temperature T F, L1 in the period Δt L1 ; and the step d) of determining a combustion gas parameter from the profile of the flame temperature T F, L1 and deriving a control variable for controlling the combustion in the gas burner depending on the combustion gas parameter.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Regelschaltung und die Messeinrichtung zusätzlich zur Durchführung eines Verfahrens konfiguriert sein, welches zwischen den Schritten c) und d) zusätzlich den Schritt i) des Zurückfahrens auf die Luftzahl λIst und des Einstellens der Brennerlast auf einen zweiten vorbestimmten Lastwert L2 > L1; den Schritt ii) des erneuten Anfahrens der vorbestimmten Soll-Luftzahl λSoll in einem vorbestimmten Zeitraum ΔtL2;; und den Schritt iii) des Ermittelns des Verlaufs der Flammentemperatur TF, L2 in dem Zeitraum ΔtL2, umfasst, wobei in Schritt d) der Brenngasparameter aus den Verläufen der Flammentemperatur TF, L1 und TF, L2 bestimmt werden kann.In a preferred embodiment, the control circuit and the measuring device can additionally be configured to carry out a method which, between steps c) and d), additionally comprises the step i) of returning to the air ratio λ and setting the burner load to a second predetermined Load value L2 >L1; the step ii) of restarting the predetermined target air ratio λ target in a predetermined period of time Δt L2; ; and the step iii) of determining the course of the flame temperature T F , L2 in the period Δt L2 , wherein in step d) the combustion gas parameter can be determined from the courses of the flame temperature T F, L1 and T F, L2 .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Gasbrenner zusätzlich eine Zündelektrode, Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und eine Schalteranordnung zum Verbinden der Zündelektrode mit und zum Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung aufweisen.In a further preferred embodiment, the gas burner can additionally comprise an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for disconnecting the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Gasbrenner weisen zahlreiche Vorteile auf. Während beispielsweise die Kalibration mittels lonisation bei Anfahren von Lambda 1 ausreichend ist, um zu differenzieren, ob etwa ein Brennerprüfgas wie G21 oder G271 vorliegt, so kann mittels des oben beschriebenen Verfahrens ermittelt werden, ob generell ein Zusatzgas im Brenngas vorliegt, welcher Art es ist und wie hoch der Anteil ist. Wasserstoffanteile sind mit der vorstehend beschriebenen Kalibration mittels lonisation aufgrund anderer Kausalitäten der SollWerte nicht bestimmbar.The method according to the invention and the gas burner according to the invention have numerous advantages. For example, while calibration by means of ionization when starting up to
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Gasbrenner sind überdies die Nennluftzahlen und somit auch die Geräteleistung für Wasserstoffanteilige Brenngase erreichbar, sowie geringe NOx Werte. Dies kann die Gefahr von Thermoakustik und die Überhitzung des Gasbrenners vermeiden.With the method according to the invention and the gas burner according to the invention, the nominal air ratios and thus also the device performance for hydrogen-containing fuel gases can be achieved, as well as low NO x values. This can avoid the risk of thermoacoustics and overheating of the gas burner.
Außerdem ist kein vorgelagertes System mit entsprechendem Datenaustausch notwendig, da die Erkennung des Zusatzgases und dessen Anteils im Gasbrenner stattfindet. Hierzu kann eine einfache Sensorik verwendet werden, Lambda-Sensoren sind nicht notwendig.In addition, no upstream system with corresponding data exchange is necessary, since the detection of the additional gas and its proportion takes place in the gas burner. A simple sensor system can be used for this; lambda sensors are not necessary.
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Figuren 1 bis 5 zeigen schematisch Ausführungsformen des Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, sowie Ausführungsformen des Gasbrenners.
Insbesondere zeigtFigur 1 ein Flussdiagramm zur Illustration einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält.Figures 1 to 5 show schematically embodiments of the method for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner, as well as embodiments of the gas burner.
In particular,Figure 1 a flow chart to illustrate an embodiment of a method for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner, wherein the gas burner has a measuring device and a control circuit, and wherein the fuel gas contains natural gas and an additional gas. -
Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Regelung der Verbrennung von Brenngas mittels eines Gasbrenners, wobei der Gasbrenner eine Messeinrichtung und eine Regelschaltung aufweist, und wobei das Brenngas Erdgas und ein Zusatzgas enthält.Figure 2 shows a flow chart of a further embodiment of a method for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner, wherein the gas burner has a measuring device and a control circuit, and wherein the fuel gas contains natural gas and an additional gas. -
Figur 3 zeigt zwei Flammentemperaturverläufe bei einem ersten vorbestimmten Lastwert L1 für Methan als Brenngas und für ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff als Brenngas.Figure 3 shows two flame temperature curves at a first predetermined load value L1 for methane as fuel gas and for a mixture of methane and hydrogen as fuel gas. -
Figur 4 zeigt die beiden Flammentemperaturverläufe bei dem ersten vorbestimmten Lastwert L1 ausFigur 3 und zusätzlich die Flammentemperaturverläufe bei einem zweiten vorbestimmten Lastwert L2 ebenfalls für Methan als Brenngas und für ein Gemisch aus Methan und Wasserstoff als Brenngas.Figure 4 shows the two flame temperature curves at the first predetermined load value L1 fromFigure 3 and additionally the flame temperature curves at a second predetermined load value L2 also for methane as fuel gas and for a mixture of methane and hydrogen as fuel gas. -
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Gasbrenners gemäß einer Ausführungsform.Figure 5 shows a block diagram of a gas burner according to an embodiment.
Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.In the following, examples or embodiments of the present invention are described in detail with reference to the accompanying figures. Identical or similar elements in the figures may be designated by the same reference numerals, but sometimes also by different reference numerals.
Es sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch in keiner Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikation der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der Ansprüche umfasst sind.It should be emphasized that the present invention is in no way limited or restricted to the embodiments described below and their design features, but further comprises modifications of the embodiments, in particular those which are included within the scope of the claims by modifying the features of the examples described or by combining individual or several features of the examples described.
In Schritt S101 wird eine Brennerlast auf einen ersten vorbestimmten Lastwert L1 bei einer Ist-Luftzahl λIst eingestellt. Der Lastwert ist dabei erfindungsgemäß nicht eingeschränkt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert L1 in einem Bereich von 5 bis 10kW liegen. Der Lastwert L1 kann dabei vorteilhaft in der Regelschaltung des Gasbrenners hinterlegt und bei Durchführung des Verfahrens automatisch in Schritt S101 angefahren werden.In step S101, a burner load is set to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio λ Ist . The load value is not restricted according to the invention. In a preferred embodiment, the load value L1 can be in a range from 5 to 10 kW. The load value L1 can advantageously be stored in the control circuit of the gas burner and automatically approached in step S101 when the method is carried out.
Die Ist-Luftzahl λIst ist erfindungsgemäß ebenfalls nicht eingeschränkt und kann sich beispielsweise aus einer aktuellen Gemischführung während des Regelbetriebs des Gasbrenners ergeben. Auf diese Weise kann das Verfahren während eines laufenden Gasbrennerbetriebs durchgeführt, und die Gemischführung flexibel und optimal an variierende Brenngase, beispielsweise durch Beimengung eines Zusatzgases, insbesondere Wasserstoff, angepasst werden.The actual air ratio λ Actual is also not limited according to the invention and can, for example, result from a current mixture control during the normal operation of the gas burner. In this way, the method can be carried out during ongoing gas burner operation and the mixture control can be flexibly and optimally adapted to varying combustion gases, for example by adding an additional gas, in particular hydrogen.
Wie aus
Auch die Länge des Zeitraums ΔtL1 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, insofern der in diesem Zeitraum in Schritt S103 ermittelte Verlauf einer Flammentemperatur TF, L1, die zur Bestimmung des Brenngasparameters in Schritt S104 notwendigen Informationen beinhaltet. Beispielsweise kann der vorbestimmte Zeitraum ΔtL1 zwischen 10s und 60s betragen, bevorzugt zwischen 20s und 40s, besonders bevorzugt 30s.The length of the period Δt L1 is also not limited according to the invention, insofar as the course of a flame temperature T F , L1 determined in this period in step S103, which is used to determine the fuel gas parameter in step S104 necessary information. For example, the predetermined period Δt L1 can be between 10s and 60s, preferably between 20s and 40s, particularly preferably 30s.
Wie bereits erwähnt, wird in Schritt S103 der Verlauf der Flammentemperatur TF, L1 in dem Zeitraum ΔtL1 ermittelt. Die Messung der Flammentemperatur TF, L1 kann dabei auf unterschiedliche Arten erfolgen, etwa über ein oder mehrere Thermoelemente. Bevorzugt kann die Flammentemperatur TF, L1 jedoch unter Ausnutzung des glühelektrischen Effekts mittels einer Zündelektrode bestimmt werden. Hierzu kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Gasbrenner zusätzlich eine Zündelektrode, Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und eine Schalteranordnung zum Verbinden der Zündelektrode mit und zum Trennen der Zündelektrode von den Mitteln zur Erzeugung der Zündspannung aufweisen. Zur Ermittlung des Flammentemperaturverlaufs TF, L1 in dem Zeitraum ΔtL1, kann die Flammentemperatur TF, L1 kontinuierlich gemessen werden, es können aber auch einzelne Messwerte in einem bestimmten zeitlichen Abstand innerhalb des Zeitraums ΔtL1, erfasst werden, so lange ein hinreichend genauer Flammentemperaturverlauf TF, L1 erfasst werden kann. Hierzu kann beispielsweise die Anzahl der erfassten Messwerte in den Bereichen erhöht werden, in welchen charakteristische Merkmale im Flammentemperaturverlauf TF, L1 zu erwarten sind, beispielsweise Minima und/oder Maxima, wohingegen in uncharakteristischen Bereichen, etwa bei konstantem Flammentemperaturverlauf TF, L1, weniger Messwerte erfasst werden können.As already mentioned, in step S103 the profile of the flame temperature T F , L1 in the time period Δt L1 is determined. The flame temperature T F, L1 can be measured in different ways, for example using one or more thermocouples. Preferably, however, the flame temperature T F , L1 can be determined using an ignition electrode by utilizing the thermoelectric effect. For this purpose, according to a preferred embodiment, the gas burner can additionally have an ignition electrode, means for generating an ignition voltage and a switch arrangement for connecting the ignition electrode to and for disconnecting the ignition electrode from the means for generating the ignition voltage. To determine the flame temperature profile T F, L1 in the time period Δt L1 , the flame temperature T F , L1 can be measured continuously, but individual measured values can also be recorded at a certain time interval within the time period Δt L1 , as long as a sufficiently accurate flame temperature profile T F, L1 can be recorded. For this purpose, for example, the number of measured values recorded can be increased in the areas in which characteristic features in the flame temperature curve T F , L1 are to be expected, for example minima and/or maxima, whereas in uncharacteristic areas, for example with a constant flame temperature curve T F , L1 , fewer measured values can be recorded.
Wie in
Die in
Der Lastwert L2 ist erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, so lange sich die Flammenkinetik signifikant zum Lastwert L1 unterscheidet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Lastwert L2 jedoch in einem Bereich von 10 bis 20kW liegen.According to the invention, the load value L2 is not restricted as long as the flame kinetics differ significantly from the load value L1. According to a preferred embodiment, however, the load value L2 can be in a range of 10 to 20 kW.
Schritt S203 in
In Schritt S204, wie in
Im Folgenden wird nun die Ermittlung des Brenngasparameters aus dem Verlauf der Flammentemperatur TF, L1 bzw. TF, L2 mit Bezug auf die
Zunächst zeigt
Im Beispiel in
Wie aus
Vor der Ermittlung der Flammentemperaturverläufe TF, L2 bei dem Lastwert L2 = 20kW wurde die Luftzahl jeweils auf die ursprüngliche Ist-Luftzahl λIst zurückgefahren (ersichtlich aus den stufenartigen Sprüngen in den Kurven 1 und 2). In den in
Wie aus
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter durch einen Vergleich des jeweiligen ermittelten Flammentemperaturverlaufs TF mit einem entsprechenden Referenzverlauf der Flammentemperatur TF, Ref. für Erdgas als Brenngas bestimmt werden.According to a preferred embodiment, the fuel gas parameter can be determined by comparing the respective determined flame temperature curve T F with a corresponding reference curve of the flame temperature T F, Ref. for natural gas as fuel gas.
Bezugnehmend auf die
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Brenngasparameter jeweils anhand einer minimalen Flammentemperatur TF, min. und/oder anhand einer oder mehrerer aus dem jeweiligen Verlauf der Flammentemperatur TF ermittelter Flammentemperatur-Differenzen ΔTF bestimmt werden.According to a further preferred embodiment, the fuel gas parameter can be determined in each case based on a minimum flame temperature T F, min. and/or based on one or more flame temperature differences ΔT F determined from the respective course of the flame temperature T F.
Wie bezugnehmend auf die
Derartige charakteristische Merkmale weisen beispielsweise auch andere Zusatzgase auf. So zeigt beispielsweise Stickstoff als Zusatzgas im Gegensatz zu Wasserstoff auch bei dem Lastwert L1 ein dem Minimum zeitlich nachfolgendes Maximum. Propan als Zusatzgas hingegen weist im Verlauf der Flammentemperatur keinerlei Maximum auf. Allerdings sind auch hier die beiden Minima im Vergleich zu reinem Methan zu kürzeren Zeiten verschoben, wobei die Differenz zum Ausgangswert jeweils größer ist, als bei Methan.Other additional gases also have such characteristic features. For example, nitrogen as an additional gas, in contrast to hydrogen, also shows a maximum at the load value L1 that follows the minimum. Propane as an additional gas, on the other hand, does not show any maximum in the course of the flame temperature. However, here too the two minima are shifted to shorter times compared to pure methane, with the difference to the initial value being larger in each case than with methane.
Die Zündelektrode 102 steht mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Zündspannung 104 so in Verbindung, dass die Zündelektrode 102 von der Einrichtung zur Erzeugung der Zündspannung 104 getrennt werden kann. Dies kann durch eine zwischen der Zündelektrode 102 und der Einrichtung zur Erzeugung der Zündspannung 104 geschaltete Schalteranordnung 103 geschehen. Dabei kann die Schalteranordnung 103 insbesondere so eingerichtet sein, dass nach einer Trennung der Zündelektrode 102 von der Einrichtung zur Erzeugung der Zündspannung 104 die Zündelektrode 102 als eine passive Elektrode geschaltet ist.The
Der Gasbrenner 100 weist außerdem eine Messeinrichtung 105 auf. Über die Messeinrichtung 105 kann unter Ausnutzung des genannten glühelektrische Effekts auf die Temperatur der Flamme an der Elektrode rückgeschlossen werden und so der Flammentemperaturverlauf bei entsprechend eingestelltem Lastwert gemessen werden. Hierzu steht die Schalteranordnung 103 mit der Messeinrichtung 105 in Verbindung und kann Signale von der Messeinrichtung 105 empfangen. Die Messeinrichtung 105 kann überdies über eine Zeitmesseinrichtung verfügen, über welche die vorbestimmten Zeiträume eingestellt werden können.The
Die Messeinrichtung 105 steht weiterhin mit einer Regelschaltung 106 in Verbindung. Über die Regelschaltung 106 kann mittels einer Brennersteuerung 109 die Verbrennung im Gasbrenner 100 geregelt werden. Die Brennersteuerung 109 weist hierzu entsprechend eine Ventilsteuerung 110 zur Veränderung des Brenngasanteils im Luft-Brenngas-Gemisch auf, sowie eine Gebläsesteuerung 111 zur Variation des Luftanteils.The measuring
Die Regelschaltung 106 weist insbesondere eine Einrichtung zum Bestimmen eines Brenngasparameters 107 auf. Die Einrichtung zum Bestimmen des Brenngasparameters 107 ist mit der Messeinrichtung 105 verbunden und empfängt die in den jeweiligen Zeiträumen ermittelten Messwerte zur Bestimmung der Flammentemperatur, welche mittels der Zündelektrode 102 in der Brennkammer 101 ermittelt wurden. In der Einrichtung zum Bestimmen des Brenngasparameters 107 werden die Flammentemperaturverläufe ausgewertet und, wie oben beschrieben, der Brenngasparameter anhand der jeweiligen charakteristischen Merkmale bestimmt. Der Brenngasparameter gibt dabei eine Art des ermittelten Zusatzgases und dessen Anteil im Brenngas wieder, etwa beispielsweise Wasserstoff, Anteil 30%.The
Die Einrichtung zur Bestimmung des Brenngasparameters 107 ist mit einer Einrichtung zum Ableiten einer Regelgröße 108 für die Regelung der Verbrennung im Gasbrenner 100 verbunden. Die Regelgröße kann beispielsweise eine unter Berücksichtigung des Brenngasparameters veränderte Luftzahl λ sein und/oder ein veränderter Volumenstrom. Durch die Beimengung von Wasserstoff verschiebt sich beispielsweise das Maximum der laminaren Flammengeschwindigkeit zu kleineren Lambda Werten, außerdem wird ein höherer Volumenstrom für eine mit reinem Erdgas vergleichbare Leistung benötigt.The device for determining the
Die Regelgröße wird dann durch die Einrichtung zum Ableiten der Regelgröße 108 an die Brennersteuerung 109 übermittelt, welche dann über die Ventilsteuerung 110 und/oder die Gebläsesteuerung 111 die Verbrennung im Gasbrenner 100 entsprechend regeln bzw. an das veränderte Brenngas anpassen kann.The controlled variable is then transmitted by the device for deriving the controlled variable 108 to the
- 11
- Flammentemperaturverlauf TF, L1 TF, L2 für reines MethanFlame temperature curve T F, L1 T F, L2 for pure methane
- 22
- Flammentemperaturverlauf TF, L1 TF, L2 für 70% Methan und 30% WasserstoffFlame temperature curve T F, L1 T F, L2 for 70% methane and 30% hydrogen
- 1a1a
- Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, L1 für reines MethanMinimum in the flame temperature curve T F, L1 for pure methane
- 2a2a
- Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, L1 für 70% Methan und 30% WasserstoffMinimum in the flame temperature curve T F, L1 for 70% methane and 30% hydrogen
- 1b1b
- Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für reines MethanMinimum in the flame temperature curve T F, L2 for pure methane
- 2b2 B
- Minimum im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für 70% Methan und 30% WasserstoffMinimum in the flame temperature curve T F, L2 for 70% methane and 30% hydrogen
- 2c2c
- Maximum im Flammentemperaturverlauf TF, L1 für 70% Methan und 30% WasserstoffMaximum in the flame temperature curve T F, L1 for 70% methane and 30% hydrogen
- 33
- Differenz des Minimums zum Ausgangswert im Flammentemperaturverlauf TF, L1 für 70% Methan und 30% WasserstoffDifference of the minimum to the initial value in the flame temperature curve T F, L1 for 70% methane and 30% hydrogen
- 44
- Differenz des Minimums zum Ausgangswert im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für 70% Methan und 30% WasserstoffDifference of the minimum to the initial value in the flame temperature curve T F, L2 for 70% methane and 30% hydrogen
- 55
- Differenz des Maximums zum Ausgangswert im Flammentemperaturverlauf TF, L2 für 70% Methan und 30% WasserstoffDifference of the maximum to the initial value in the flame temperature curve T F, L2 for 70% methane and 30% hydrogen
- 100100
- GasbrennerGas burner
- 101101
- BrennkammerCombustion chamber
- 102102
- ZündelektrodeIgnition electrode
- 103103
- SchalteranordnungSwitch arrangement
- 104104
- Einrichtung zur Erzeugung einer ZündspannungDevice for generating an ignition voltage
- 105105
- MesseinrichtungMeasuring device
- 106106
- RegelschaltungControl circuit
- 107107
- Einrichtung zur Bestimmung eines BrenngasparametersDevice for determining a fuel gas parameter
- 108108
- Einrichtung zum Ableiten einer RegelgrößeDevice for deriving a controlled variable
- 109109
- BrennersteuerungBurner control
- 110110
- VentilsteuerungValve control
- 111111
- GebläsesteuerungFan control
Claims (13)
- Method for controlling the combustion of fuel gas by means of a gas burner (100), wherein the gas burner (100) has a measuring device (105) for measuring the flame temperature and a control circuit (106), wherein the fuel gas contains natural gas and an additional gas, and wherein the method comprises:a) setting (S101) a burner load to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio λactual;b) starting (S102) a predetermined setpoint air ratio λsetpoint in a predetermined time period ΔtL1;c) determining (S103) a profile of a flame temperature TF, L1 (1, 2) in the time period ΔtL1; andd) determining (S104) a fuel gas parameter from the profile of the flame temperature TF, L1 (1, 2) and deriving (S104) a controlled variable for controlling the combustion in the gas burner (100) as a function of the fuel gas parameter.
- Method according to Claim 1, wherein the method additionally comprises the steps between steps c) and d):i) returning (S201) to the air ratio λactual and setting the burner load to a second predetermined load value L2 > L1;ii) restarting (S202) the predetermined setpoint air ratio λsetpoint in a predetermined time period ΔtL2;iii) determining (S203) the profile of the flame temperature TF, L2 (1, 2) in the time period ΔtL2,wherein in step d) the fuel gas parameter is determined (S204) from the profiles of the flame temperature TF, L1 and TF, L2 (1, 2).
- Method according to claim 1 or 2, wherein the fuel gas parameter is determined by a comparison of the respective determined flame temperature profile (1, 2) with a corresponding reference profile (1) of the flame temperature TF, Ref. for natural gas as fuel gas.
- Method according to one of claims 1 to 3, wherein the fuel gas parameter is determined in each case on the basis of a minimum flame temperature TF, min (1a, 2a, 1b, 2b) and/or on the basis of one or more flame temperature differences ΔTF (3, 4, 5) determined from the respective profile of the flame temperature TF.
- Method according to one of claims 1 to 4, wherein the load value L1 lies in a range from 5 to 10 kW.
- Method according to claim 2 or one of claims 3 to 5 when dependent on claim 2, wherein the load value L2 lies in a range from 10 to 20 kW.
- Method according to one of claims 1 to 6, wherein the gas burner (100) additionally has an ignition electrode (102), means for generating an ignition voltage (104) and a switch arrangement (103) for connecting the ignition electrode (102) to and for separating the ignition electrode (102) from the means for generating the ignition voltage (104), and the profile of the flame temperature TF (1, 2) is determined in each case on the basis of the ignition electrode (102).
- Method according to one of claims 1 to 7, wherein λactual > λsetpoint.
- Method according to one of claims 1 to 8, wherein the fuel gas parameter corresponds to a volume fraction of the additional gas in the fuel gas.
- Method according to one of claims 1 to 9, wherein the additional gas is hydrogen.
- Gas burner (100) having a measuring device (105) for measuring the flame temperature and having a control circuit (106), which are configured to carry out a method which comprises the following steps:a) setting (S101) a burner load to a first predetermined load value L1 at an actual air ratio λactual;b) starting (S102) a predetermined setpoint air ratio λsetpoint in a predetermined time period ΔtL1;c) determining (S103) a profile of a flame temperature TF, L1 (1, 2) in the time period ΔtL1; andd) determining (S104) a fuel gas parameter from the profile of the flame temperature TF, L1 (1, 2) and deriving (S104) a controlled variable for controlling the combustion in the gas burner (100) as a function of the fuel gas parameter.
- Gas burner (100) according to Claim 11, wherein the measuring device (105) and the control circuit (106) are additionally configured to carry out a method which additionally comprises the following steps between steps c) and d):i) returning (S201) to the air ratio λactual and setting the burner load to a second predetermined load value L2 > L1;ii) restarting (S202) the predetermined setpoint air ratio λsetpoint in a predetermined time period ΔtL2;iii) determining (S203) the profile of the flame temperature TF, L2 (1, 2) in the time period ΔtL2,wherein in step d) the fuel gas parameter is determined from the profiles of the flame temperature TF, L1 and TF, L2 (1, 2).
- Gas burner (100) according to Claim 11 or 12, wherein the gas burner (100) additionally has an ignition electrode (102), means for generating an ignition voltage (104) and a switch arrangement (103) for connecting the ignition electrode (102) to and for separating the ignition electrode (102) from the means for generating the ignition voltage (104).
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