CH667717A5

CH667717A5 - Verfahren zur leistungsmaessig gesteuerten inbetriebnahme bzw. abschaltung von heizkesseln.

Info

Publication number: CH667717A5
Application number: CH1732/85A
Authority: CH
Inventors: Ernst Urs Troesch; Stefan Hagmann
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1985-04-23
Filing date: 1985-04-23
Publication date: 1988-10-31
Also published as: NL190734B; NL190734C; FR2580792B3; DE3517902C2; FR2580792A3; NL8601022A; DE3517902A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur leistungsmässig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Verfahren zur Zu- und Abschaltung von Wärmeerzeugern bekannt, bei denen das nötige Schaltkriterium aus den Abweichungen der Vorlauftemperatur vom Sollwert abgeleitet wird (DE-PS 31 12 220). Dabei ist keine Gewähr geboten, dass jeder Heizkessel möglichst nahe seinem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kann. Der Heizkesselwirkungsgrad sinkt im allgemeinen mit geringer werdender Kesselbelastung ab, jedoch gibt es Heizkessel, deren grösster Wirkungsgrad unterhalb ihrer Vollast erreicht wird, während bei Vollast der Wirkungsgrad wieder kleiner ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem wenigstens zwei Heizkessel energieoptimal zu- oder abgeschaltet werden können.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 bis 8 gekennzeichnet. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Zeichnungsfigur näher erläutert.

Mit HK1 und HK2 sind zwei zueinander hydraulisch parallel geschaltete Heizkessel bezeichnet, die an einem gemeinsamen Sammelvorlauf 1 und einen Sammelrücklauf 2 eines weiter nicht dargestellten Heizungsnetzes angeschlossen sind. In einen Rücklauf 3 des ersten Heizkessels HK1 sind ein erster Dreiwegmischer 4 und eine erste Umwälzpumpe 5 eingebaut. Vom Dreiwegmischer 4 führt eine erste Beipassleitung 6 zu einem Vorlauf 7 des Heizkessels HK1, wobei der Dreiwegmischer 4 hydraulisch so geschaltet ist, dass er in seiner einen Endstellung den Zufluss vom Sammelrücklauf 2 und in seiner zweiten Endstellung die Beipassleitung 6 absperrt. Steht der Heizkessel HK1 nicht in Betrieb, dann ist der Zufluss vom Sammelrücklauf 2 verschlossen und die Umwälzpumpe 5 ausgeschaltet.

Der zweite Heizkessel HK2 ist dem ersten Heizkessel HK1 parallel geschaltet und die Beschaltung ist der des Heizkessel HK1 entsprechend. In einem Rücklauf 8 des Heizkessels HK2 sind ein zweiter Dreiwegmischer 9 sowie eine zweite Umwälzpumpe 10 eingebaut. Vom zweiten Dreiwegmischer 9 führt eine zweite Beipassleitung 11 zu einem Vorlauf 12 des Heizkessels HK2, wobei der zweite Dreiwegmischer 9 hydraulisch analog zum ersten Dreiwegmischer 4 so geschaltet ist, dass er in seiner einen Endstellung den Zufluss vom Sammelrücklauf 2 und in seiner zweiten Endstellung die Beipassleitung 11 absperrt. Steht der Heizkessel HK2 nicht in Betrieb, dann ist der Zufluss vom Sammelrücklauf 2 verschlossen und die Umwälzpumpe 10 ausgeschaltet.

Der Vorlauf 7 des Heizkessels HK1 und der Vorlauf 12 des Heizkessels HK2 münden in den Sammelvorlauf 1 ; der Sammelrücklauf 2 verzweigt in den Rücklauf 3 des Heizkessels HK1 und den Rücklauf 8 des Heizkessels HK2.

Am Heizkessel HK1 sind ein erster Brenner 13 sowie ein s

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erster Kesseltemperaturfühler 14 angebaut, am Heizkessel HK2 in analoger Weise ein zweiter Brenner 15 und ein zweiter Kesseltemperaturfühler 16. Am Rücklauf 3 des Heizkessels HK1 ist ausserdem ein erster Rücklauftemperaturfühler 17 montiert, am Rücklauf 8 des Heizkessels HK2 ein zweiter Rücklauftemperaturfühler 18.

Ein Steuergerät 19 enthält einen Rechner 20 sowie die nötigen Ein- und Ausgänge für die Messwerterfassung und für die Erteilung der nötigen Befehle. Ferner weist es zwei Anschlüsse 21 für eine Speisespannung auf.

Mit gestrichelten Linien sind elektrische Verbindungen vom Steuergerät 19 zu den einzelnen Apparaten gezeichnet. Über eine erste Steuerleitung 22 lässt sich die Umwälzpumpe 5 ein- bzw. ausschalten, über eine zweite Steuerleitung 23 die Umwälzpumpe 10. Über eine erste Messleitung 24 bzw. eine zweite Messleitung 25 werden die von den Rücklauftemperaturfühlern 17 bzw. 18 gemessenen Temperaturen dem Steuergerät 19 übermittelt. Eine weitere Steuerleitung 26 übermittelt die Steuersignale vom Steuergerät 19 an einen ersten Mischerantrieb 27, der den Dreiwegmischer 4 steuert. Analog dazu übermittelt eine weitere Steuerleitung 28 die Steuersignale vom Steuergerät 19 an einen zweiten, den Dreiwegmischer 9 steuernden Mischerantrieb 29. Weitere Messleitungen 30 und 31 melden die von den Kesseltemperaturfühlern 14 bzw. 16 gemessenen Temperaturen an das Steuergerät 19. Über eine weitere Steuerleitung 32 übermittelt das Steuergerät 19 Befehle an den Brenner 13 ; mittels einer ersten Meldeleitung 33 meldet der Brenner 13 an das Steuergerät 19 zurück, ob er in Betrieb ist oder nicht. Entsprechend ist der Brenner 15 mit dem Steuergerät 19 durch eine weitere Steuerleitung 34 und eine zweite Meldeleitung 35 verbunden.

Das hier zu beschreibende Verfahren der leistungsmässig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln ist nicht nur für eine Anlage gemäss der Figur 1 anwendbar, sondern darüber hinaus sowohl für Kesselkaskaden mit mehr als zwei Heizkesseln als auch für Anlagen mit abweichender hydraulischer Schaltung.

Jede Kombination aus Heizkessel und Brenner kann im Dauerbetrieb eine bestimmte Maximalleistung abgeben. Deren Grösse wird dem Rechner 20 als Parameter, zum Beispiel in Form einer Potentiometerstellung, eingegeben. Es ist aber auch möglich, statt der Maximalleistung jedes Kessels das Verhältnis der Maximalleistungen der installierten Kessel einzugeben. Weiterhin ist es möglich, dass man den Rechner 20 so ausbildet, dass er aufgrund der Zu-und Abschaltungen der einzelnen Heizkessel und der sich daraus ergebenden Leistungsbilanzen selbstadaptierend in einem Lernverfahren das Verhältnis der Maximalleistungen der Heizkessel erlernt.

Bei einer gegebenen Last im Heizkreis wird der Brenner 13 bzw. 15 des in Betrieb stehenden Heizkessels HK1 bzw. HK2 - oder allenfalls auch beide - vom Steuergerät 19 mit einem der Last entsprechenden Einschaltverhältnis e ein-und ausgeschaltet. Das Steuergerät 19 kann aus den an den Meldeleitungen 33 und 35 anstehenden Informationen darüber, ob die Brenner 13 bzw. 15 in Betrieb sind, für den Brenner 13 das Einschaltverhältnis el und für den Brenner 15 das Einschaltverhältnis e2 ermitteln. Aus dem Produkt der von jedem Heizkessel HK1, HK2 bekannten Maximalleistung und den laufend ermittelten Einschaltverhältnissen el für den Brenner 13 bzw. e2 für den Brenner 15 wird periodisch approximativ die momentane Leistung bestimmt. Daraus wird eine Gesamtleistungsbilanz erstellt, was so zu verstehen ist, dass die momentan nötige Leistung mit der Leistungsfähigkeit der einzelnen Heizkessel verglichen wird. Anhand dieses Vergleichs kann der Rechner 20 unter Berücksichtigung des energieoptimalen Umschaltpunktes entscheiden, ob ein Heizkessel zu- oder abgeschaltet werden soll.

Der energieoptimale Umschaltpunkt berechnet sich in bekannter Weise aus den Brennstoffbedarfs-Kurven der einzelnen Heizkessel und der Kesselkombination.

Das Zuschalten eines Heizkessels ist nur dann sinnvoll, wenn die Last nach dem Zuschalten während längerer Zeit so hoch ist, dass der Energiegewinn durch den höheren Wirkungsgrad nach dem Zuschalten eines Heizkessels grösser ist als der Energieaufwand für das Aufheizen des zuzuschaltenden Heizkessels. Um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass ein Heizkessel bereits bei einer nur kurzzeitigen Lasterhöhung zugeschaltet wird, muss eine relativ lange Zuschalt-Wartezeit gewählt werden, während der die Belastung über dem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein muss, ehe ein weiterer Heizkessel zugeschaltet wird.

Beim Abschalten eines Heizkessels muss andererseits die Belastung während einer Abschalt-Wartezeit unter dem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein, ehe der Heizkessel abgeschaltet wird.

Der Rechner 20 kann das Zu- oder Abschalten der Heizkessel in einer festgelegten Reihenfolge veranlassen. Es ist aber auch möglich, den Rechner 20 so zu programmieren, dass er aufgrund der Gesamtleistungsbilanz jenen Heizkessel auswählt, der den Wärmebedarf langfristig mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erbringen vermag. Bei Anlagen mit mehr als zwei Heizkesseln kann der Rechner 20 unter Berücksichtigung des höchstmöglichen Wirkungsgrades auch mehr als einen Heizkessel zu- oder abschalten.

Für einen energieoptimalen Betrieb muss der Verlauf des Kesselwirkungsgrades über der Belastung jedes Heizkessels berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung des Wirkungsgradverlaufs der einzelnen Heizkessel kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Es ist möglich, in einem dem Rechner 20 zugeordneten Speicher den Verlauf der Wirkungsgradkurven in Funktion der Belastung abzulegen, beispielsweise derart, dass für jeden Heizkessel eine Anzahl von Wertepaaren abgespeichert wird, zwischen denen zu interpolieren der Rechner 20 imstande ist. Der Rechner 20 kann aus den Wirkungsgradkurven der einzelnen Heizkessel die energieoptimalen Umschaltpunkte selbst berechnen. Eine andere Lösung besteht darin, aus den Daten der installierten Heizkessel in bekannter Weise die energieoptimalen Umschaltpunkte für die einzelnen Heizkessel vor Inbetriebnahme der Anlage zu berechnen und dem Rechner 20 beziehungsweise dessen Speicher diese energieoptimalen Umschaltpunkte einzugeben.

Die relativ lange Zuschalt-Wartezeit muss dann als zu lang angesehen werden, wenn der in Betrieb stehende Heizkessel auf Vollast läuft und den Leistungsbedarf nicht mehr decken kann. Bei Vollast-Betrieb wird deshalb anstelle der Zuschalt-Wartezeit eine Sperrfrist vorgesehen, die wesentlich kürzer bemessen ist, um das Einhalten der geforderten Vorlauftemperatur zu gewährleisten.

Da in einem Heizkreis vorübergehend grosse Lasten auftreten können, z.B. dann, wenn von einem Nachtprogramm mit reduzierter Raumtemperatur auf ein Tagprogramm mit an der Behaglichkeit orientierter Raumtemperatur umgeschaltet wird, ist es in vielen Fällen nicht sinnvoll, nur zwecks Deckung dieser kurzzeitigen Lastspitze einen weiteren Heizkessel, im Fall einer Anlage mit mehr als zwei Kesseln sogar mehrere, in Betrieb zu nehmen. Eine solche Lastspitze macht sich in einem Unterschreiten der Soll-Vorlauftemperatur bemerkbar und kann darüber hinaus auch daran erkannt werden, dass der im Moment in Betrieb stehende Heizkessel auf Vollast läuft. Für den Fall, dass die Soll-Vorlauftemperatur unterschritten ist, ist die Sperrfrist vorgesehen, die vorerst ein Zuschalten eines weiteren Heiz-

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kessels verhindert. Zu diesem Zweck kann die Kesseltemperatur des in Betrieb stehenden Heizkessels oder auch die Temperatur am gemeinsamen Vorlauf 1, falls dort ein Temperaturfühler angeordnet ist, gemessen, und ein Zuschalten eines weiteren Heizkessels nach dem Ablauf der Sperrfrist dann verhindert werden, wenn der zeitliche Verlauf der Sollwertunterschreitungso ist, dass innerhalb einer vorgegebenen Zeit der Sollwert vermutlich wieder erreicht sein wird.

Vorteilhaft wird der Temperaturverlauf während der Zuschalt-Sperrfrist periodisch erfasst. Je mehr der Istwert der Vorlauf- bzw. Kesseltemperatur den Sollwert unterschreitet, desto kürzer wird die Sperrfrist ; je geringer die Differenz zwischen Soll- und Istwert, desto grösser wird die Sperrfrist. Die Sperrfrist wird demnach variabel.

Ferner ist es wirtschaftlich von Vorteil, für die Zuschalt-Entscheidung auch die Temperatur des allenfalls in Betrieb zu setzenden Heizkessels zu berücksichtigen. Es ist daher sowohl die Sperrfrist als auch die Zuschalt-Wartezeit zusätzlich von der Temperaturdifferenz zwischen dem in Betrieb stehenden Heizkessel und dem zuzuschaltenden Heizkessel abhängig. Sperrfrist und Zuschalt-Wartezeit sind umso kleiner, je kleiner diese Temperaturdifferenz ist. Damit wird erreicht, dass ein noch warmer Heizkessel rascher wieder zugeschaltet wird als ein gänzlich ausgekühlter.

Wie vorangehend beschrieben, werden zur Erfassung der Kesselleistung die Einschaltverhältnisse el, e2 der Brenner 13,15 benötigt. Dabei ist es von Wichtigkeit, als Berechnungsgrundlage immer die neuesten Werte der Einschaltverhältnisse e 1, e2 zur Verfügung zu haben. Die Einschaltverhältnisse el, s2 werden daher laufend aus der Dauer der beiden zuletzt abgelaufenen Betriebszustände des Brenners bzw. der Brenner, das heisst aus einem Ein-Aus-Zyklus, nach der Formel

Zeit(Ein) Zeit(Ein) + Zeit(Aus)

ermittelt. Die zuletzt ermittelten Werte von el und e2 werden als Berechnungsgrundlage bis zum nächsten Schaltereignis beibehalten, doch höchstens so lange, bis die aus io der Zeitdauer des momentanen Schaltzustandes und der Zeitdauer des unmittelbar vorangegangenen Schaltzustandes hervorgegangenen Einschaltverhältnisse ël und ë2 die aus den beiden vorausgegangenen, abgeschlossenen Schaltzuständen ermittelten Werte wieder erreicht haben. is Ist bis dahin kein neues Schaltereignis eingetreten, werden periodisch neue Einschaltverhältnisse ël und ë2 aus der Dauer des vorangegangenen Schaltzustandes und der bisherigen Dauer des momentanen Schaltzustandes errechnet und diese neuen Einschaltverhältnisse 61 und s2 für die 20 Berechnung der momentanen Kesselleistung verwendet. Damit ist Gewähr geboten, dass die momentane Kesselleistung aus den aktuellen Daten bestimmt wird.

Ferner ist der Rechner 20 im Hinblick auf die Verhütung von Kesselkorrosion so programmiert, dass ein einmal 2s zugeschalteter Heizkessel mit Sicherheit eine Minimaltemperatur erreicht und über mindestens einen Schaltzyklus beibehält, bevor der Heizkessel beispielsweise wegen sehr raschen Abfallens einer Lastspitze wieder ausser Betrieb gesetzt werden kann.

30 Das beschriebene Verfahren erlaubt es, mit geringem Aufwand eine Kesselkaskade zu steuern, bei der neben einem optimalen Wirkungsgrad auch noch die Erfordernisse zur Verhütung von Kesselkorrosion infolge des Betriebes bei zu tiefer Kesseltemperatur berücksichtigt 35 werden können.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur leistungsmässig gesteuerten Inbetriebnahme bzw. Abschaltung von Heizkesseln (HK1, HK2), die an je einen gemeinsamen Sammelvorlauf (1) und Sammelrücklauf (2) eines Heiznetzes angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Produkt der von jedem Heizkessel (HK1, HK2) bekannten Maximalleistung und dem laufend gemessenen Einschaltverhältnis (el, e2) des jeweiligen Brenners (13, 15) eine Gesamtleistungsbilanz erstellt wird und auf dieser basierend Heizkessel (HK1, HK2,) zu-bzw. abgeschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtleistungsbilanz mittels eines Rechners (20) durchgeführt wird, der in einer Kesselkaskade Heizkessel (HK1, HK2) zu- bzw. abschaltet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtleistungsbilanz mittels eines Rechners (20) durchgeführt wird, der aufgrund der Bilanzwerte den oder die Heizkessel (HK1, HK2) auswählt, die den Wärmebedarf langfristig mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erbringen vermögen.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtleistung während einer vorgegebenen Zuschalt-Wartezeit über einem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein muss, ehe ein weiterer Heizkessel (HK2 ; HK1) zugeschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtleistung während einer vorgegebenen Abschalt-Sperrzeit unter dem energieoptimalen Umschaltpunkt gewesen sein muss, ehe ein Heizkessel (HK2; HK 1 ) abgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Ansprüche 2 oder 3, bei dem eine Zuschaltung eines weiteren Heizkessels (HK1, HK2) infolge des Absinkens der Vorlauf-Isttemperatur unter die Vorlauf-Solltemperatur erst nach dem Ablauf einer Sperrfrist und nur dann vorgenommen wird, wenn innerhalb der Sperrfrist ein minimal geforderter Temperaturanstieg nicht erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Vorlauftemperatur während der Sperrfrist periodisch erfasst wird und dass die Sperrfrist umso kürzer ist, je geringer die Differenz zwischen Soll- und Istwert der Vorlauftemperatur ist, und umso länger ist, je grösser die Differenz zwischen Soll-und Istwert der Vorlauftemperatur ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschalt-Wartezeit und die Sperrfrist zusätzlich von der Temperaturdifferenz zwischen dem in Betrieb stehenden Heizkessel (HK1 ; HK2) und dem zuzuschaltenden Heizkessel (HK2; HK1) abhängig gemacht und umso kleiner gewählt werden, je kleiner die Temperaturdifferenz ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschaltverhältnis (el, e2)jedes Brenners ( 13, 15) laufend aus der Dauer der beiden zuletzt abgelaufenen Betriebszustände des dem Heizkessel (HK1, HK2) zugeordneten Brenners (13,15), das heisst aus einem Ein-Aus-Zyklus, nach der Formel

= Zeit(Ein)

8 Zeit(Ein) + Zeit(Aus)

berechnet wird und der zuletzt ermittelte Wert (el, e2) als Berechnungsgrundlage bis zum nächsten Schaltereignis beibehalten wird, doch höchstens so lange, bis das aus der Zeitdauer des momentanen Schaltzustandes und der Zeitdauer des unmittelbar vorangegangenen Schaltzustandes hervorgegangene Einschaltverhältnis (81,12) den aus den beiden vorausgegangenen, abgeschlossenen Schaltzuständen ermittelten Wert wieder erreicht hat, und dass dann periodisch ein neues Einschaltverhältnis (ël, £2) aus der Dauer des vorangehenden Schaltzustandes und der bisherigen Dauer des momentanen Schaltzustandes errechnet und dieses neue Einschaltverhältnis (ël, ë2) für die Berechnung der momentanen Leistung verwendet wird.