REGULATION METHOD FOR THE COMBUSTION AIR QUANTITY OF A BURNER APPARATUS

Abstract: 1. Method of controlling the combustion air volume (air volume lambda) of a furnace plant with a burner as a function of the CO content (CO concentration) in the flue gas measured by a transducer, in which excess air is fed to the burner until the CO concentration in the flue gas reaches a low value, characterised by the following method stages : a) when the air volume is deficient, various values of CO concentration are determined and stored with the associated air volumes (lambda values C and C') and the gradient of a straight line (G) for the CO values versus the air volume (lambda axis) is determined from the stored values ; b) starting from the air volume setting with excess air (lambda value A), the excess air is reduced until a CO concentration which is presettable and reliably recordable with the transducer is obtained in the flue gas (for example 50 ppm CO, lambda value C) ; c) starting from the value for the CO concentration in the flue gas set according to method stage b) and the associated air volume, the working point of the burner is fixed at an air volume which corresponds to the point of intersection of the straight line (G) with the lambda axis (lambda value B) or deviates therefrom to a desired extent ; d) method stages b) and c) are repeated continuously or at presettable intervals of time in a cyclic sequence so that an optimal quantity of air and fuel for the combustion is obtained (Fig. 1).

Description: Regelverfahren für die Verbrennungsluftmenge einer Feuerungseinrichtung Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für die Verbrennungsluftmenge einer Feuerungseinrichtung nach der Gattung des Anspruches 1. Zweck der Erfindung ist die Reduktion von Brennstoffkosten, Verminderung bestimmter Schadstoffe und Reduktion der Verschmutzung im Feuerungsraum wie auch in den Abgaskanälen. Die Erfindung betrifft Feuerungseinrichtungen, die mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden. Durch die Veröffentlichung in der Zeitschrift "Brennstoff Wärme-Kraft" 35 (1983) Nr. 10, Oktober, S. 447 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Regelung für Verbrennungsanlagen bekannt geworden, bei dem unter Verwendung einer inlineessanordnung der Gehalt an Kohlenmonoxyd (CO) in einem Rauchgas-Kanal ermittelt und zur Einstellung des Brennstoff Luft-Verhältnisses benutzt wird. Solche Anordnungen arbeiten mit CO-Werten von 100 bis 700 ppm im Abgas. Diese Arbeitsweise kann Kesselverunreinigungen hervorrufen und führt nicht zu einer optimalen Verbrennungsregelung. Die grundlegende Überlegung zur Feuerungsoptimierung basiert auf der bekannten Tatsache, dass der CO-Gehalt im Abgas - über dem relativen Luftüberschuss > aufgetragen bei abnehmender Luftmenge sehr steil ansteigt und dass in der Regel der Kniepunkt der CO-Kurve für nahezu alle Brennstoffe mit dem Maximum des Wirkungsgrades zusammenfällt. Bei zu geringem Luftüberschuss sinkt der Wirkungsgrad, weil unverbrannte Stoffe in das Abgas und in die Asche gelangen. Bei zu hohem Luftüberschuss steigen die thermischen Verluste über das Abgas, was ein Absinken des Wirkungsgrades zur Folge hat. Wenn der Sollwert für CO so gewählt ist, dass das Maximum des Wirkungsgrades eingeregelt wird, dann sind erhebliche Brennstoffeinsparungen möglich. Bei der Feuerungsführung mit dem Wert für die CO-Ronzentra- tion kann es jedoch je nach Feuerungsart zu einer Kollision mit anderen Auflagen oder Zielen kommen (Überschreitung des zugelassenen CO-Wertes, Bildung von Russ). Bekanntlich ist der CO-Wert im Bereich seiner Bildung nicht stabil, sondern starken Schwankungen unterworfen. Ein weiteres Problem bildet auch die Diagnose und Einstellung des Luft-/Brennstoffverhältnisses der einzelnen Brenner bei ehrbrennersystemen. Bei einer integralen Nachstellung des Luft-/Brennstoffverhältnisses über alle Brenner können Fehler auftreten, die das Ziel der Optimierung der Feuerung ins Gegenteil verkehren. Das im folgenden beschriebene Regelverfahren zur Feuerungsoptimierung berücksichtigt daher die Einstellung und Diagnose jeder einzelnen Brennstelle, wie auch die Tatsache, dass der CO-Wert im Bereich seiner Bildung stark schwankt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Regelung der Verbrennungsluftmenge einer Feuerungseinrichtung anzugeben, das unter Ausnutzung der bekannten Kriterien für eine Feuerungsoptimierung auch bei wechselnden Feuerungskonditionen wie Last-, Brennstoff- oder Verbrennungsluftände rungen stets im Minimum der Verbrennungsverluste arbeitet. Das Regelverfahren soll auch für Anlagen mit mehreren Brennstellen innerhalb einer Feuerungseinrichtung geeignet sein. Der Erfindung ist mit den im Kennzeichen der Ansprüche 1 oder 2 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. Durch die zyklisch sich wiederholende Neueinstellung des Brennstoff/ Luftgemisches ist eine so betriebene Feuerungseinrichtung in der Lage, in kürzester Zeit auf eine Laständerung zu reagieren und für den neuen Belastungszustand den optimalen Arbeitspunkt einzustellen. Das vorgeschlagene Regelverfahren ist auch für Feuerungseinrichtungen mit zwei oder mehr Brennstellen geeignet, wenn dafür gesorgt wird, dass für jede Brennstelle die vorgesehenen Verfahrensschritte gesondert durchgeführt werden. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 - 3 näher erläutert. In den Figuren 1 bis 3 ist die Konzentration der Abgaskomponente CO in Abhängigkeit vom prozentualen Luftüberschuss > im Brennerraum dargestellt. Das Auffinden des optimalen Arbeitspunktes für das Luft/ Brennstoffverhältnis wird an einer Feuerungseinrichtung mit einer Brennstelle anhand der Figur 1 erläutert. Nach Figur 1 liegt der optimale Arbeitspunkt der Feuerungseinrichtung etwa-im Bereich der CO-Bildung bei einem Luft überschuss X im Bereich von B. Zum Auffinden dieses Arbeitspunktes wird zunächst mit einem erhöhten Luftüberschuss im Bereich eines > -Wertes von A gearbeitet. Mit Hilfe der heute üblichen Verfahren wird die Brennstoffmenge und die Brennerzuluft gemessen und das Brennstoff-/Luftgemisch so eingestellt, dass der CO-Anteil in der Abluft auf einen sehr geringen Wert absinkt. In der Regel liegt eine solche Konzentration im Bereich der Nachweisgrenze des CO Messwertaufnehmers. Ausgehend von der Verbrennungsluftmengen-Einstellung entsprechend dem > -WertA wird in einem zweiten Verfahrensschritt die dem Brenner zugeführte Luftmenge langsam gedrosselt; bei zunehmendem Luftmangel steigt die CO-Konzentration an Im Reren nh der zunehmenden Bildung wird ein Brennstoff-/Luftgemisch gewählt, bei dem sich im Abgas eine mit dem Messwertgeber sicher erfassbare CO-Konzentration einstellt. Es sei ei CO-Konzentrationswert von 50 ppm angenommen, der in Figur 1 mit dem X-Wert C bezeichnet ist. Der Wert C liegt in einem etwa linear verlaufenden Kurvenbereich, dessen Steigung durch die Gerade G gegeben ist. Der Schnittpunkt der Geraden G mit der > -Achse ergibt den Arbeitspunkt B, auf den in einem dritten Verfahrensschritt die Überschussluft eingestellt wird, um eine optimale Verbrennung zu erzielen. Um den Arbeitspunkt B aus der CO-Konzentration bestimmen zu können, ist während eines ersten Verfahrensschrittes bei zwei Werten die CO-Konzentration zu ermitteln; in Figur 1 sind dies die > k-Werte C und C', mit den CO-Konzentrationswerten von 50 ppm und 25 ppm in der Abluft. Die den Werten C und C' entsprechenden Brennerzuluftmengenwerden gespeichert und daraus in Verbindung mit den CO-Werten die Steigung der Geraden G bestimmt. Da die so ermittelte Kennlinie von der Brennstoffart und der Leistung abhängt, eignet sich diese Vorgehensweise vorzugsmässig für solche Verbrennungsanlagen, die nur einen Brennstoff verwenden und vorzugsweise bei einer Last arbeiten. Die Zeitabläufe für das Auffinden der X-Werte C, C' und B müssen langsam gegen die Verzögerungszeit für die CO-Mes- sung sein. Als Richtlinie kann gelten: Zum Auffinden der X-Werte gilt mindestens die doppelte Zeit wie für die 90 C/O-Zeit der CO-Messung. In einigen Anwendungsfällen ist es erwünscht, die Überschussluft nicht auf den Schnittpunkt B der Geraden G mit der > -Achse einzustellen, sondern abweichend hiervon mit mehr oder weniger Luftüberschuss zu arbeiten. Durch die im ersten Verfahrensschritt ermittelte Steigung des CO-Konzentrationswertes gegen die Brennerlufteinstellung ist es möglich, ausgehend von dem X-Wert B, einen dem gewünschten Luftüberschuss entsprechenden Arbeitspunkt zu finden. Der optimal einzustellende X-Wert für das Brennstoff-/ Luftgemisch ist auch ein Erfahrungswert, der von der Feuerungsart und vom Kessel und den Brennern abhängt. Bei dem beschriebenen Verfahren zum Auffinden des optimalen Arbeitspunktes für eine Feuerungseinrichtung mit einer Brennstelle sind die Genauigkeitsforderungen an den Mess wertaufnehmer für die CO-Messung hinsichtlich seines Nullpunktes recht hoch; die Verbrennung erfolgt im Arbeitspunkt B im Bereich von einigen ppm CO-Konzentration bei einem Messbereichsumfang des Messaufnehmers zwischen 30 und 100 ppm CO. Die Querempfindlichkeit und die Nullpunktdrift des Messwertaufnehmers muss daher klein gegen die im Arbeitspunkt vorhandene CO-Konzentration sein. Die Nullpunktdrift sollte innerhalb eines Wartungsintervalls kleiner als 1 ppm sein. Dagegen sind die Forderungen an die Empfindlichkeitsstabilität des Messwertaufnehmers für CO geringer, denn das Auffinden des Arbeitspunktes B ist von der Messgenauigkeit des CO-Gebers nur wenig abhängig. Wegen den starken Schwankungen der CO-Konzentration im Bereich der CO-Bildung lässt sich das Verfahren nach Figur 1 für verschiedenartige Brenner und Brennstoffarten nur schwer realisieren. In derartigen Fällen kann der Arbeitspunkt B durch ein langsames Durchfahren der CO-Konzentration im Bereich der CO-Bildung eingestellt werden. Figur 2 veranschaulicht diesen Fall. Ausgegangen wird von einem Luftüberschuss mit einem > -Wert von A zu einem Luftmangel bei > gleich B*. Der Luftmangel wird bei einem Brennstoff-/ Luftverhältnis festgestellt, bei dem sich gerade Kohlenmonoxyd bildet. Durch Zugabe und Wegnahme der Luft im Be reich der vorgebbaren > -Werte A' und B' wird der Arbeits- punkt der optimalen Brennerzuluft im Bereich B eingeengt und durch eine Mittenbildung fixiert. Bei diesem iterativen Vorgehen zur geziclten Einengung des Arbeitsbereiches B bleibt die CO-Messung weitgehend auf eine Ja/Nein-Aussage beschränkt; die Genauigkeitsanforderung an die CO-Messung hinsichtlich der Empfindlichkeit ist gering. Das vorgeschlagene Verfahren zur Regelung der Verbrennungsluftmenge einer Feuerungseinrichtung in Abhängigkeit von der CO-Konzentration im Abgas arbeitet bei sehr kleinen Konzentrationswerten; dadurch wird der Einzelbrenner durch eine CO-Messung im Rauchgas identifizierbar und das Verfahren lässt sich auch auf Feuerungseinrichtungen mit mehreren Brennsystemen übertragen. Das Verfahren wird für eine Feuerungseinrichtung mit 2 Brennern anhand der Figur 3 erläutert. Es lässt sich jedoch auf eine beliebige Anzahl von Brennern übertragen. Wie Figur 3 erkennen lässt, arbeiten beide Brenner im Bereich A mit Überschussluft bei nicht nachweisbaren oder sehr geringen CO-Konzentrationen in der Abluft. Ausgehend von einem Luftüberschuss für beide Brenner bei einem zu X-Wert von A wird die Luftmenge für jeden einzelnen Brenner in kleinen Portionen zyklisch nacheinander verringert und nach jeder Duftmen- genänderung die CO-Konzentration im Abgas gemessen Bei Entstehung von CO wird derjenige Brenner, dessen Luftmengenänderung zur Bildung der gemessenen CO-Konzentration geführt hat, wieder mit soviel Überschussluft betrieben, dass sich im Abgas gerade kein CO mehr bildet. Bei dem gewählten Beispiel nach Figur 3 wird der Brenner auf den Arbeitspunkt B2 fixiert. Die Überprüfung und Fixierung des anderen Brenners auf seinen Arbeitspunkt B1 erfolgt dann in der gleichen Weise, wobei nach jeder Luftmengenänderung an diesem Brenner die CO Konzentration in der Abluft gemessen wird. - Sind mehr als zwei Brenner in einer Feuerungseinrichtung vorhanden, so erfolgt die Luftmengenänderung sinngemäss für alle weiteren Brenner, indem die Arbeitspunkte der bereits eingestellten Brenner nicht verändert werden. Durch das jeweilige Zurücksetzen der Brenner mit Überschussluft in den Bereich sehr kleiner CO-Konzentrationen wird jeder einzelne Brenner durch eine CO-Messung in den von allen Brennern stammenden Abgasen identifizierbar und damit einstellbar. Mit dem Abschluss eines Einstellzyklus zur Ermittlung der optimalen Brennstoff-Luftverhältnisse B1 und B2 kann im Prinzip sofort ein neuer Einstellvorgang beginnen, so dass die Feuerungsoptimierung fortlaufend wirksam ist. Bei der Erfassung der CO-Konzentration im Abgas kommt es darauf an, die Entstehung von CO quantitativ möglichst rechtzeitig zu erkennen. In Feuerungseinrichtungen mit mehreren Brennern kann es immer dann zweckmässig sein, auch mehrere Messwertaufnehmer zu verwenden, wenn nicht gewährleistet ist, dass sich die Abgase der beteiligten Brennstellen nicht ausreichend durchmischen. Um einen repräsentativen Messwert für die jeweilige CO-Konzentration in der gesamten Abluft zu erhalten, sind verschiedene Möglichkeiten der Messwertauswertung denkbar. Beispielsweise kann als Mass für die CO-Konzentration der Mittelwert aus den CO-Messwerten der einzelnen Aufnehmer dienen. Es lassen sich auch andere von dem Aufbau der Feuerungseinrichtung abhängige Bewertungen der CO-Messwerte vornehmen, z.B. durch einen Messwertaufnehmer und mehreren Entnahmestellen, wobei die verschiedenen Probegase durchmischt und dann dem Messwertaufnehmer zugeführt werden. Es gibt Feuerungseinrichtungen, bei denen mehrere Brennstellen zu einer Gruppe zusammengefasst sind (Kohlemühlen) und mehrere solcher Gruppen mit unterschiedlichen Brennstoffen versorgt werden. Die Abgase werden über einen gemeinsamen Abzug geführt. Hier ist es schon wegen der Redundanz der Messwerterfassung zweckmässig, mit mehreren Messwertaufnehmern zu arbeiten und die Überschussluft so zu steuern, dass die Luftzufuhr für jeweils eine Gruppe von Brennern gemeinsam geregelt wird.

Claims: Patentansprüche 1. Regelverfahren für die Verbrennungsluftmenge einer Feuerungseinrichtung in Abhängigkeit des von einem Messwertaufnehmer gemessenen CO-Gehaltes im Abgas (CO-Konzentration), gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Die CO-Konzentration im Bereich ihrer Bildung ( > bei C und C') mit den dazugehörigen Brennerzuluftmengen wird ermittelt und gespeichert, und aus den gespeicherten Werten wird die Steigung für den CO-Wert gegen die Luftmenge bestimmt; b) dem Brenner wird soviel Luftüberschuss gegeben, dass die CO-Konzentration im Abgas einen geringen Wert (O, oder einige ppm CO, Arbeitspunkt A) erreicht; c) ausgehend von der Verbrennungsluftmengen-Einstellung nach b) wird der Luftüberschuss allmählich so weit re duziert, dass sich im Abgas eine vorgebbare und mit dem Messwertaufnehmer sicher erfassbare CO-Konzentration (beispielsweise 50 ppm CO, Arbeitspunkt C) einstellt; d) aus dem nach c) eingestellten Wert für die CO-Konzen tration im Abgas und die zugehörige Verbrennungsluft menge wird ein Arbeitspunkt (B) eingestellt, der sich aus den gespeicherten Werten nach a) ergibt und der eine bestimmte Luftmenge festlegt entsprechend dem Knie punkt der CO-Kurve bei geringen CO-Werten; e) die unter b) bis d) aufgeführten Verfahrensschritte werden laufend oder in vorgebbaren Zeitintervallen in zyklischer Reihenfolge wiederholt, so dass sich eine für die Verbrennung optimale Menge von Luft und Brenn stoff einstellt. 2. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) dem Brenner soviel Luftüberschuss gegeben wird, dass die Konzentration im Abgas einen geringen Wert (z.B. 0, oder einige ppm CO) erreicht; b) ausgehend von der Verbrennungsluftmengen-Einstellung nach a) wird der Luftüberschuss allmählich so weit redu ziert, dass eine sicher messbare CO-Konzentration ent steht (z.B. 10 - 50 ppm); c) ausgehend von den beiden so gefundenen CO-Werten wird durch iterative Vorgehensweise eine optimale Brennerluft menge gesucht, die den Arbeitspunkt in dem Bereich des CO/ -Kurvenknies bei geringen CO-Konzentrationen (einige ppm, Arbeitspunkt B) festlegt. 3. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Arbeitspunkt (B) so festgelegt ist, dass sich eine CO-Konzentration einstellt, die gerade noch sicher er mittelt werden kann und die den Arbeitspunkt im CO/i Kurvenknie festlegt. 4. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - die Feuerungseinrichtung zwei oder mehrere Brennstellen aufweist, dass ein für alle Brennstellen gemeinsamer itesswertaufnehmer an einer geeigneten Stelle mit guter Durchmischung der einzelnen Abgase vorgesehen ist und dass die Arbeitspunkte (B, B') der einzelnen Brennstel len zyklisch in einer wählbaren Reihenfolge entspre chend den Verfahrensschritten b) und c) des Anspruches 1 ermittelt werden, dass bis auf den zu optimierenden Brenner die Arbeitspunkte aller anderen Brenner im Be reich sehr niedriger CO-Konzentrationen liegen und dass in einem weiteren Verfahrensschritt die Brennerluftmenge des betreffenden Brenners in einer festgelegten Portion so erhöht und fixiert wird, dass die CO-Konzentration im Abgas wieder einen geringen Wert besitzt (0 oder einige ppm) und dass nach Fixierung der Brenner die zyklische Überprüfung mit Punkt C des Anspruchs 1 beginnt. 5. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messwertaufnehmer zur Messung der CO-Konzentration im Abgas vorgesehen sind und dass aus den Messwerten der einzelnen Aufnehmer durch Mit telwertbildung oder durch eine andere geeignete Bewertung der CO-Konzentrationswerte ein Messwert für die CO-Konzentration in der Abluft ermittelt wird. 6. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwertaufnehmer und mehrere Gasentnahmestellen vorgesehen sind, wobei die Gasproben zunächst durchmischt und dann dem Messwertaufnehmer zugeführt werden. 7. Regelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Grenzwerte für die CO-Konzentration in der Abluft vorgegeben sind und dass bei Überschreitung eines der Grenzwerte Überschussluft in geeigneter Weise den Brennstellen zugeführt wird. 8. Regelverfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstellen zu einer Gruppe ver bunden sind und dass zur Einstellung der Überschussluft die Luftzufuhr für jeweils eine Gruppe gemeinsam geregelt wird.

Inventors: FABINSKI, WALTER
Applicants: HARTMANN & BRAUN AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1984
Main classification: F23N5
IPC codes: F23N5