EP4050258B1

EP4050258B1 - Verfahren zur regelung einer brennereinrichtung mit leistungsermittlung über einen brennstoffparameter

Info

Publication number: EP4050258B1
Application number: EP21194083.8A
Authority: EP
Inventors: Harald Hauter; Rainer Lochschmied; Bernd Schmiederer
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2024-06-05
Anticipated expiration: 2041-08-31
Also published as: US20220282866A1; EP4050258A1; US12565994B2; CN114963230B; EP4050258C0; PL4050258T3; CN114963230A; ES2986992T3

Description

Hintergrund

Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit einer Leistungsermittlung über einen Brennstoffparameter an einer Brennereinrichtung. Insbesondere geht es um eine direkte Bestimmung einer Leistung als Funktion einer Luftzufuhr für eine gegebene Luftzahl λ.
Im Betrieb einer Brennereinrichtung ist das Verhältnis von Brennstoff zu Luft einzustellen. Dabei sind folgende Varianten der Einstellung bekannt.
Gemäss einer ersten Variante werden die Luftaktor-Kennlinie und Brennstoffaktor-Kennlinie über die Leistung während des Einstellvorganges ermittelt. Beispielsweise kann die Ermittlung von einer kleinen Leistung zu einer maximalen Leistung oder auch umgekehrt erfolgen. Dabei wird die Luftzahl λ für jeden Leistungspunkt eingestellt. Es können unterstützend auch Luftzufuhrsensoren verwendet werden. Gängige Luftzufuhrsensoren basieren auf Drehzahl, Massenstrom, Differenzdruck, Luft-Volumenstrom, etc. Die absolute Leistung wird dann über eine Messung der Brennstoffzufuhr an zumindest einem Punkt oder an mehreren Punkten bestimmt. Mit Hilfe des Heizwertes H_u des aktuell eingespeisten Brennstoffes wird die Brennerleistung den jeweiligen Kennlinienpunkten zugeordnet. Die Leistungswerte der anderen Kennlinienpunkte werden durch Interpolation, vorzugsweise durch lineare Interpolation bestimmt.
Gemäss einer zweiten Variante sind die Luftaktor-Kennlinie und die Brennstoffaktor-Kennlinie vorgegeben. Zumeist wurden die Kennlinien empirisch im Labor ermittelt. Die Brennerleistung ist durch eine feste Funktion aus einer der beiden Kennlinien fest vorgegeben. Für unterschiedliche Brennstoffe werden unterschiedliche Kennlinien und/oder Kennliniensätze, welche ebenfalls fest vorgegeben sind, verwendet. Grundsätzlich kann eine neue Kennlinie für einen Brennstoff mit dem Heizwert H_u gegenüber einer Referenz-Kennlinie für einen Brennstoff mit dem Heizwert H_u0 durch Multiplikation mit dem Faktor $\frac{H_{u 0}}{H_{u}}$
errechnet werden, so dass sich ${\dot{V}}_{B} = \frac{H_{u 0}}{H_{u}} \cdot {\dot{V}}_{B 0}$
ergibt. Die Luftak-tor-Kennlinie muss allerdings gegebenenfalls korrigiert werden, damit λ unverändert bleibt. Der Heizwert ist dabei der Energieinhalt pro Brennstoffmenge.
Gemäss einer dritten Variante wird die Änderung einer Brennstoffzusammensetzung mittels eines λ-Sensors aufgedeckt. Dies kann beispielsweise eine O₂-Sonde im Abgas sein, aus der λ direkt berechnet wird. Es kann beispielsweise auch eine Ionisationselektrode, deren Signal entsprechend ausgewertet wird, eingesetzt werden. Um die Luftzahl λ konstant zu halten, kann entweder die Luftzufuhr verändert werden oder aber die Brennstoffzufuhr korrigiert werden, bis der λ-Sensor wieder den ursprünglichen Wert einer Luftzahl λ misst. Wird das mindestens eine Luftzufuhrsignal nachgestellt, um die Luftzahl λ konstant zu halten, so ändert sich mit der Brennstoffzusammensetzung fast immer auch die Leistung an diesem Kennlinienpunkt. Wird das Brennstoffzufuhrsignal nachgestellt, um die Luftzahl λ konstant zu halten, so ändert sich die Leistung brennstoffabhängig. Um die Leistung anzupassen, muss für den Fall einer Leistungskorrektur eine neue Kennlinie des Luftaktors manuell oder automatisch ausgewählt oder berechnet werden.
Gängige Gasarten in Brennereinrichtungen sind solche aus der E-Gas Gruppe (gemäss EN 437:2009-09) sowie Gase aus der B/P-Gas Gruppe (gemäss EN 437:2009-09). Gase aus der E-Gas Gruppe enthalten wie fast alle Gase aus der zweiten Gasfamilie (gemäss EN 437:2009-09) Methan als Hauptbestandteil. Gase aus der B/P-Gas Gruppe haben wie alle Gase aus der dritten Gasfamilie (gemäss EN 437:2009-09) Propangas als Grundlage. Die Mischungen auf Grundlage von Methangas oder Propangas repräsentieren letztlich Mischungen aus unterschiedlichen Gasquellen, mit denen die Brennereinrichtung versorgt werden kann.
Für verschiedene Gasarten werden in der Regel Kennlinien bereitgestellt, die vor Ort bei der Inbetriebsetzung entsprechend der vorhandenen Gasgruppe ausgewählt werden. Die Einstellung erfolgt beispielsweise durch Wahl einer oder mehrerer im Speicher einer Regeleinheit hinterlegten Kurven. Jene Kennlinien geben den Verlauf der dem Brenner zugeführten Brennstoffmenge in Bezug auf die zugeführte Menge an Luft wieder. Es kann anstelle der Menge an zugeführter Luft die Drehzahl eines Gebläses in der Luftzufuhr des Brenners aufgetragen sein. Ferner kommen als Mass für die Luftzufuhr die Stellung und/oder das Stellsignal einer Luftklappe infrage.
Die Kennlinien können beispielsweise tabellarisch mit linearer Interpolation oder aber auch mit Hilfe von Polynomen als mathematische Funktion hinterlegt sein. Diese Form der Kennlinien-Zuordnung ist im europäischen Patent EP3299718B1, welches am 30. Oktober 2019 erteilt wurde, offenbart. Eine Anmeldung EP3299718A1 zum europäischen Patent EP3299718B1 wurde am 21. September 2016 eingereicht. Das europäische Patent EP3299718B1 nimmt keine Priorität in Anspruch.
Eine Luftmenge eignet sich als Leistungswert, wenn sich Lufttemperatur, Luftdruck oder Luftfeuchte nur unwesentlich verändern oder messtechnisch erfasst werden. Bei Messung der Luftmenge mit einem Luftmassenstromsensor werden die Einflüsse von Lufttemperatur und Luftdruck berücksichtigt. Der Einfluss der Luftfeuchte spielt vor allem bei tieferen Temperaturen eine untergeordnete Rolle.
Eine Patentanmeldung EP2682679A2 wurde eingereicht am 1. Juli 2013 durch VAILLANT GMBH, DE . Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 8. Januar 2014. EP2682679A2 behandelt ein Verfahren zur Regelung und/oder Überwachung eines brenngasbetriebenen Brenners. EP2682679A2 nimmt eine Priorität vom 4. Juli 2012 in Anspruch.
EP2682679A2 behandelt das Anfahren von Arbeitspunkten unterhalb und oberhalb einer Soll-Luftzahl. Anschliessend wird ein Signal eines Massenstromsensors, welcher in einem Kanal zwischen einer Luftleitung und einer Brenngasleitung angeordnet ist, aufgezeichnet. Aus dem Signal wird auf eine korrekte oder nicht korrekte Justage des Systems geschlossen.
Eine Patentanmeldung DE102013106987A1 wurde eingereicht am 3. Juli 2013 durch Karl Dungs GmbH & Co. KG , 73660, Urbach. Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 8. Januar 2015. DE102013106987A1 behandelt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Brennwertgrösse sowie eine gasbetriebene Einrichtung mit einer derartigen Vorrichtung.
Eine Patentanmeldung DE102006051883A1 wurde eingereicht am 31. Oktober 2006 durch Gaswärme-Institut e.V. Essen, 45356 Essen. Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 8. Mai 2008. DE102006051883A1 behandelt eine Einrichtung und ein Verfahren zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses zum Betreiben eines Brenners.
Eine Patentanmeldung EP1467149A1 wurde eingereicht am 1. April 2004 durch die E ON RUHRGAS AG . Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 13. Oktober 2004. EP1467149A1 behandelt ein Verfahren zu dem Überwachen der Verbrennung in einer Verbrennungseinrichtung.
Eine europäische Patentanmeldung EP0326494A1 wurde eingereicht am 27. Januar 1989 durch GAZ DE FRANCE, FR . Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 2.
August 1989. Am 27. September 1993 wurde ein europäisches Patent EP0326494B1 erteilt. Eine entsprechende Übersetzung wurde als DE68909260T2 veröffentlicht. DE68909260T2 behandelt eine Vorrichtung für die Messung der Wärmekapazität einer Brennstoffströmung. DE68909260T2 nimmt eine Priorität vom 29. Januar 1988 in Anspruch.
Eine Patentanmeldung DE102013106987A1 wurde eingereicht am 3. Juli 2013 durch Karl Dungs GmbH & Co. KG . Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 8. Januar 2015. DE102013106987A1 behandelt ein Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Brennwertgrösse sowie gasbetriebene Einrichtung mit einer derartigen Vorrichtung.
Eine weitere Patentanmeldung DE102006051883A1 wurde eingereicht am 31. Oktober 2006 durch ein Gaswärme-Institut e.V. aus Essen. Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 8. Mai 2008. DE102006051883A1 behandelt eine Einrichtung und ein Verfahren zum Einstellen, Steuern oder Regeln des Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnisses zum Betreiben eines Brenners.
Eine europäische Patentanmeldung EP1467149A1 wurde eingereicht am 1. April 2004 durch die E ON RUHRGAS AG . Die Anmeldung wurde veröffentlicht am 13. Oktober 2004. EP1467149A1 behandelt ein Verfahren zu dem Überwachen der Verbrennung in einer Verbrennungseinrichtung. EP1467149A1 nimmt eine Priorität vom 11. April 2003 in Anspruch.
Ziel der vorliegenden Offenbarung ist eine möglichst direkte Leistungseinstellung über einer Luftzufuhr.

Zusammenfassung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, mit dem durch Ermittlung und/oder Bereitstellung eines Brennstoffparameters h der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung über der Luftzufuhr V̇_L direkt bestimmt werden kann. In die Bestimmung geht eine Luftzahl λ ein. Der für den Brennstoff spezifische Parameter kann beispielsweise aus Literaturwerten errechnet werden. Der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung kann in Kilowatt angegeben sein. Der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung kann auch relativ zu einem Referenzwert angegeben werden, so dass der relative Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung in Prozent vom Referenzwert angegeben wird. Ein typischer Referenzwert ist dabei die maximale Leistung P_max der Brennereinrichtung.
Der Vorteil besteht darin, dass nur eine Luftzufuhrkennlinie vorhanden sein muss. Der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung kann der Luftzufuhr V̇_L zugeordnet werden. Bei einer Änderung des Brennstoffes und/oder der Brennstoffzusammensetzung wird die Brennstoffzufuhr-Kennlinie korrigiert. An einer Anlage ohne λ-Erfassung erfolgt dies manuell. Andernfalls kann die Korrektur mit Hilfe einer λ-Regelung erfolgen. Der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung wird aus der bekannten Luftzufuhr V̇_L am Kennlinienpunkt mit Hilfe des bekannten, gemessenen Wertes der Luftzahl λ und dem einzelnen, skalaren Brennstoffparameter $h = \frac{H_{U}}{L_{\min}}$
zu $P = \frac{h}{λ} \cdot {\dot{V}}_{L}$
berechnet. Der Mindestluftbedarf L_min ist eine Eigenschaft des Brenngases. Der Mindestluftbedarf L_min beschreibt die Luftmenge, die für eine Menge des Brennstoffes in Stöchiometrie, das heisst bei A = 1, benötigt wird. Der Brennstoffparameter h ist einem Brennstoff zugeordnet. Der Brennstoffparameter h kann auch einer Brennstoffgruppe zugeordnet werden, die aus Brennstoffen zusammengefasst ist, deren Brennstoffparameter h nahe beieinander liegen.
Umgekehrt kann so auch die Luftzufuhr V̇_L für einen bestimmten Soll-Wert P_soll der Leistung der Brennereinrichtung bestimmt werden. Damit wird ebenfalls der Kennlinienpunkt beispielsweise als Zielvorgabe für die Luftzufuhr V̇_L vorgegeben. Für den brennstoffspezifischen Wert h müssen die beiden Parameter L_min und H_U auf den gleichen Mengenwert bezogen sein. Das heisst, dass entweder H_U in Megajoule/Kilomol und L_min in Kilomol/Kilomol oder H_U in Megajoule/Kubikmeter und L_min in Kubikmeter/Kubikmeter angegeben sind. Jene Angaben setzen gleiche Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Druck voraus. Mithin kann der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung über einen Leistungsregler direkt eingestellt werden. Dazu wird die Soll-Luftzufuhr V̇_Lsoll aus dem Soll-Leistungswert P_soll mit Hilfe von λ und h zu ${\dot{V}}_{Lsoll} = \frac{λ}{h}$
. P_soll errechnet. Die Ist-Luftzufuhr V̇_List wird anschliessend über eine Messgrösse auf den Sollwert V̇_Lsoll eingeregelt. Die Brennstoffzufuhr V̇_B fährt aufgrund des jeweils eingestellten λ-Wertes der Luftzufuhr V̇_L nach.
Es ist ein weiteres verwandtes Ziel der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Bestimmung des Ist-Wertes P_ist der Leistung der Brennereinrichtung mit Hilfe der Luftzufuhr V̇_L ermöglicht.
Es ist ein weiteres verwandtes Ziel der vorliegenden Offenbarung mit der ermittelten korrekten Brennstoffzufuhr V̇_B als Ist-Wert und dem Sollwert, der aus einer über eine O₂-Regelung ermittelten Sollwert-Kennlinie stammt, die Luftzahl λ anhand des O₂-Regelkreises auszuregeln. Dabei erfolgen schnelle Leistungsänderungen anhand der hinterlegten Kennlinien. Es wird insbesondere auch bei sich ändernden Brennstoffen mit Hilfe des durch Messung des O₂-Wertes bestimmten λ-Wertes und/oder des Sollwertes von λ stets die aktuelle Leistung bestimmt.
Es ist ein weiteres verwandtes Ziel der vorliegenden Offenbarung, dass mit Hilfe der aktuell ermittelten Leistung über einen Leistungsregelkreis ein vorgegebener Leistungswert ausgeregelt wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung, dass mit Hilfe einer vorgegebenen Leistungsobergrenze bei sich ändernden Brennstoffen die maximale Brennstoffzufuhr V̇_B angepasst wird, so dass die Leistungsobergrenze für jeden Brennstoff erreicht wird. Vorzugsweise wird die Leistungsobergrenze für jeden Brennstoff nicht überschritten.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung, dass mit Hilfe einer vorgegebenen Leistungsuntergrenze bei sich ändernden Brennstoffen die minimale Brennstoffzufuhr V̇_B angepasst wird, so dass die Leistungsuntergrenze für jeden Brennstoff erreicht wird. Vorzugsweise wird die Leistungsuntergrenze für jeden Brennstoff nicht unterschritten.
Es ferner ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, dass mit Hilfe der Verstellung des Brennstoffaktors durch die λ-Regelung der einzelne, skalare Brennstoffparameter h abgeschätzt und/oder ermittelt werden kann.
Es ist ausserdem ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, dass mit Hilfe des berechneten Leistungswertes der Energieumsatz und/oder die Leistung auch bei wechselnden Brennstoffen ermittelt werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung, dass auch bei wechselnden Brennstoffen mit Hilfe des berechneten Leistungswertes und/oder mit Hilfe des berechneten Energiewertes Kosten für den Brennstoff ermittelt werden.
Es ist darüber hinaus ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine Brennereinrichtung mit einer Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung bereitzustellen mit Instruktionen im Speicher zur Ausführung eines hier offenbarten Verfahrens.
Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Brennerleistung bereitzustellen, welches in einer Brennereinrichtung wie beispielsweise einer industriellen Feuerungsanlage und/oder einer Heizanlage zum Einsatz kommt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Verschiedene Details werden dem Fachmann anhand der folgenden detaillierten Beschreibung zugänglich. Die einzelnen Ausführungsformen sind dabei nicht einschränkend. Die Zeichnungen, welche der Beschreibung beigefügt sind, lassen sich wie folgt beschreiben:

FIG 1 zeigt schematisch eine Brennereinrichtung ohne λ-Erfassung.
FIG 2 zeigt eine Brennereinrichtung mit O₂-Sensor zur λ-Erfassung im Abgas.
FIG 3 zeigt eine Brennereinrichtung mit Ionisationselektrode zur λ-Erfassung.
FIG 4 veranschaulicht eine Kennlinie von Luftzufuhr über Luftklappen-Position.
FIG 5 veranschaulicht eine Kennlinie von Luftzufuhr über gemessenem Luftmassenstrom, wobei die Messung des Luftmassenstromes im Bypass angeordnet sein kann.
FIG 6 veranschaulicht eine Kennlinie von Brennstoffzufuhr über Brennstoffklappenposition.
FIG 7 zeigt Werte h = H_U /L_min für verschiedene Gase in Gruppen zusammengefasst.
FIG 8 zeigt Werte h = H_U /L_min für Gasgruppen ohne Spezialgase in Abhängigleit von L_min mit Detektionsgrenzen.

Detaillierte Beschreibung

FIG 1 zeigt eine Brennereinrichtung 1 wie beispielsweise ein wandhängender Gasbrenner und/oder ein Ölbrenner. Im Feuerraum 2 der Brennereinrichtung 1 brennt im Betrieb eine Flamme eines Wärmeerzeugers. Der Wärmeerzeuger tauscht die Wärmeenergie der heissen Brennstoffe und/oder Brenngase in ein anderes Fluid wie beispielsweise Wasser. Mit dem warmen Wasser wird beispielsweise eine Warmwasserheizungsanlage betrieben und/oder Trinkwasser erwärmt. Gemäss einer anderen Ausführungsform kann mit der Wärmeenergie der heissen Brenngase ein Gut beispielsweise in einem industriellen Prozess erhitzt werden. Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmeerzeuger Teil einer Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung, beispielsweise ein Motor einer solchen Anlage. Gemäss einer anderen Ausführungsform ist der Wärmeerzeuger eine Gasturbine. Ferner kann der Wärmeerzeuger der Erhitzung von Wasser in einer Anlage zur Gewinnung von Lithium und/oder Lithiumkarbonat dienen. Die Abgase werden aus dem Feuerraum 2 beispielsweise über einen Schornstein abgeführt.
Die Zuluft 4 für den Verbrennungsprozess wird über ein (motorisch) angetriebenes Gebläse 3 der Brennereinrichtung 1 zugeführt. Über die Signalleitung 15 gibt die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13 dem Gebläse 3 die Luftzufuhr V̇_L vor, die es fördern soll. Damit wird die Gebläsedrehzahl ein Mass für die geförderte Luftmenge.
Gemäss einer Ausführungsform wird die Gebläsedrehzahl der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13 vom Gebläse 3 zurückgemeldet. Wird die Luftmenge über eine Luftklappe 4 und/oder ein Ventil eingestellt, kann als Mass für die Luftmenge die Klappen- und/oder Ventilstellung und/oder der aus dem Signal eines Massenstromsensors 12 und/oder Volumenstromsensors abgeleitete Messwert verwendet werden. Der Sensor ist vorteilhaft im Kanal 5 für die Luftzufuhr V̇_L angeordnet. Vorteilhaft stellt der Sensor ein Signal bereit, welches anhand einer geeigneten Signalverarbeitungseinheit in einen Strömungsmesswert gewandelt wird. Eine Signalverarbeitungseinrichtung umfasst idealerweise mindestens einen Analog-Digital-Wandler. Gemäss einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinrichtung, insbesondere der oder die Analog-Digital-Wandler, integriert in die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13.
Als Mass für die Luftzufuhr V̇_L kann auch der Messwert eines Drucksensors und/oder eines Massenstromsensors 12 in einem Seitenkanal verwendet werden. Eine Verbrennungseinrichtung mit Zufuhrkanal und Seitenkanal ist beispielsweise im europäischen Patent EP3301364B1 offenbart. Das europäische Patent EP3301364B1 wurde am 7. Juni 2017 angemeldet und am 7. August 2019 erteilt. Es wird eine Verbrennungseinrichtung mit Zufuhrkanal und Seitenkanal beansprucht, wobei in den Zufuhrkanal ein Massenstromsensor hineinragt.
Der Sensor 12 ermittelt ein Signal, welches der von der Luftzufuhr V̇_L abhängigen Druckwert und/oder dem Luftstrom (Teilchen- und/oder Massenstrom) im Seitenkanal entspricht. Vorteilhaft stellt der Sensor 12 ein Signal bereit, welches anhand einer geeigneten Signalverarbeitungseinrichtung in einen Messwert gewandelt wird. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Signale mehrerer Sensoren in einen gemeinsamen Messwert gewandelt. Eine geeignete Signalverarbeitungseinrichtung umfasst idealerweise mindestens einen Analog-Digital-Wandler. Gemäss einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinrichtung, insbesondere der oder die Analog-Digital-Wandler, integriert in die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13.
Gemäss einer Ausführungsform ist die Luftzufuhr V̇_L der Wert der aktuellen Luftdurchflussrate. Die Luftdurchflussrate kann in Kubikmeter Luft pro Stunde gemessen und/oder angegeben sein. Die Luftzufuhr V̇_L kann in Kubikmeter Luft pro Stunde gemessen und/oder angegeben sein.
Massenstromsensoren 12 erlauben die Messung bei grossen Flussgeschwindigkeiten speziell in Verbindung mit Brennereinrichtungen im Betrieb. Typische Werte solcher Flussgeschwindigkeiten liegen den Bereichen zwischen 0.1 Meter pro Sekunde und 5 Meter pro Sekunde, 10 Meter pro Sekunde, 15 Meter pro Sekunde, 20 Meter pro Sekunde, oder sogar 100 Meter pro Sekunde. Massenstromsensoren, welche sich für die vorliegende Offenbarung eignen, sind beispielsweise OMRON^® D6F-W oder Typ SENSOR TECHNICS^® WBA Sensoren. Der nutzbare Bereich dieser Sensoren beginnt typisch bei Geschwindigkeiten zwischen 0.01 Meter pro Sekunde und 0.1 Meter pro Sekunde und endet bei einer Geschwindigkeit wie beispielsweise 5 Meter pro Sekunde, 10 Meter pro Sekunde, 15 Meter pro Sekunde, 20 Meter pro Sekunde, oder sogar 100 Meter pro Sekunde. Mit anderen Worten, es können untere Grenzen wie 0.1 Meter pro Sekunde kombiniert werden mit oberen Grenzen wie 5 Meter pro Sekunde, 10 Meter pro Sekunde, 15 Meter pro Sekunde, 20 Meter pro Sekunde, oder sogar 100 Meter pro Sekunde.
Die Brennstoffzufuhr V̇_B wird durch die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13 mit Hilfe eines Brennstoffaktors und/oder eines (motorisch) einstellbaren Ventils eingestellt und/oder ausgeregelt. In der Ausführung in FIG 1 ist der Brennstoff ein Brenngas. Eine Brennereinrichtung 1 kann dann an verschiedene Brenngasquellen angeschlossen werden, beispielsweise an Quellen mit hohem Methan-Anteil und/oder an Quellen mit hohem Propan-Anteil. In FIG 1 wird die Menge an Brenngas durch ein (motorisch) einstellbares Brennstoffventil 9 von der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13 eingestellt. Der Ansteuerwert 19, beispielsweise bei einem pulsweitenmodulierten Signal, des Gasventiles ist dabei ein Mass für die Menge an Brenngas. Er ist auch ein Wert 19 für die Brennstoffzufuhr V̇_B. Gemäss einer speziellen Ausführungsform wird das Brennstoffventil 9 anhand eines Schrittmotors eingestellt. In jenem Fall ist die Schrittstellung des Schrittmotors ein Mass für die Menge an Brenngas. Das Brennstoffventil 9 kann auch in einer Einheit mit zumindest einem oder beiden der Sicherheitsabsperrventile 7 oder 8 integriert sein. Weiterhin kann das Brennstoffventil 9 ein intern über einen Durchflusssensor geregeltes Ventil sein, das einen Sollwert 19 erhält und den Istwert des Durchflusssensors auf den Sollwert 19 ausregelt. Der Durchflusssensor kann dabei als Volumenstromsensor beispielsweise als Turbinenradradzähler, Balgenzähler und/oder als Differenzdrucksensor realisiert sein. Der Durchflusssensor kann auch als Massenstromsensor, beispielsweise als thermischer Massenstromsensor, ausgeführt sein.
Wird als Aktor 9 eine Gasklappe verwendet, so kann als Mass für die Menge an Brenngas die Position einer Klappe verwendet werden. Alternativ kann als Mass für die Menge an Brenngas der aus dem Signal eines Massenstromsensors und/oder eines Volumenstromsensors abgeleitete Messwert verwendet werden. Jener Sensor ist vorteilhaft im Zufuhrkanal für Brennstoff angeordnet. Jener Sensor erzeugt ein Signal, welches anhand einer geeigneten Signalverarbeitungseinrichtung in einen Strömungsmesswert (Messwert des Teilchen- und/oder Massenstromes und/oder Volumenstromes) gewandelt wird. Eine geeignete Signalverarbeitungseinrichtung umfasst idealerweise mindestens einen Analog-Digital-Wandler. Gemäss einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinrichtung, insbesondere der oder die Analog-Digital-Wandler, integriert in die Regel-, Steuer- und Überwachungseinrichtung 13.
Der Fachmann erkennt, dass die oben genannten Werte auch aus einer Kombination von durch Sensoren ermittelten Grössen berechnet werden können. Jene Werte sind dann Masse für die Zufuhr (Teilchen- und/oder Massenstrom und/oder Volumenstrom) an Brenngas. Der Fachmann erkennt weiterhin, dass auf ähnliche Art und Weise die Zufuhr an Brennstoff eines flüssigen Brennstoffes ermittelt werden kann.
FIG 2 zeigt eine Brennereinrichtung 1 mit einem Luftzahlsensor 20 zur Erfassung der Luftzahl λ. Der Luftzahlsensor 20 zur Erfassung der Luftzahl λ umfasst beispielsweise einen O₂-Sensor. In einer Ausführungsform ist der Luftzahlsensor 20 zur Erfassung der Luftzahl λ ein Oa-Sensor. Der Luftzahlsensor 20 zur Erfassung der Luftzahl λ kann beispielsweise im Feuerraum 2 und/oder im Abgasweg angeordnet sein.
Der Luftzahlsensor 20 zur Erfassung der Luftzahl λ erzeugt ein Signal 21. Das Signal 21 wird von der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13 eingelesen und geeignet ausgewertet. Mit Hilfe des Signales 21 kann für jede Luftzufuhr V̇_L eine vorgegebene Luftzahl λ ausgeregelt werden. Dabei wird die gemessene Luftzufuhr V̇_L über den Aktor 9 in der Brennstoffzufuhr V̇_B und/oder über den Aktor 3, 4 in der Luftzufuhr VLauf einen vorgegebenen Sollwert ausgeregelt.
FIG 3 zeigt eine Brennereinrichtung 1 mit einem Luftzahlsensor 20 zur Erfassung der Luftzahl λ umfassend eine Ionisationselektrode. Als Material einer Ionisationselektrode kommt vielfach KANTHAL^®, z.B. APM^® oder A-1^®, zum Einsatz. Auch Elektroden aus Nikrothal^® werden vom Fachmann in Betracht gezogen. Die Ionisationselektrode kann beispielsweise im Feuerraum 2 angeordnet sein.
Die Messgrösse für die Luftzufuhr V̇_L kann als eine direkte Kennlinie aus Luftzufuhr V̇_L über Gebläsedrehzahl oder aus Luftzufuhr V̇_L über Luftklappenstellung gegeben sein. Die Luftklappenstellung kann beispielsweise als Stellwinkel angegeben sein. Es ist auch eine Kombination aus Drehzahl und Stellwinkel möglich. FIG 4 zeigt eine solche direkte Kennlinie.
Idealerweise kann die Luftzufuhr V̇_L mit einem Luftmassenstromsensor ermittelt werden. Eine entsprechende Kennlinie zeigt FIG 5. Der Luftmassenstromsensor kann beispielsweise direkt im Luftzufuhrkanal 11 angeordnet sein.
Der Luftmassenstromsensor kann auch in einem Bypass am Luftzufuhrkanal 11 über einer Blende angeordnet sein. Eine Anordnung mit Bypass ist beispielsweise bekannt aus dem europäischen Patent EP3301362B1 . Der Luftmassenstromsensor kann weiterhin in einem Bypass über einer Luftklappe, die als Blende wirkt, angeordnet sein.
Die Luftzufuhr V̇_L wird dann beispielsweise aus einer Kombination des Luftmassenstromsignales und der Luftklappenposition oder aber aus dem Luftmassenstromsignal und der Gebläsedrehzahl oder aus allen dreien ermittelt. Prinzipiell ist auch die Ermittlung der Luftzufuhr V̇_L mit Hilfe eines Differenzdrucksensors über einer Blende oder einer Luftklappe, auch in beliebiger Kombination mit Luftmassenstromsensor, Gebläsedrehzahl und/oder Luftklappenstellung möglich.
Die genannten Luftzufuhrsensoren bilden dabei ein unterschiedliches Mass für die Luftzufuhr V̇_L . So ist das Messergebnis aus Drehzahl und Klappenstellung abhängig von weiteren Umgebungsbedingungen, wie Luftdruck, Lufttemperatur und Abgasweg. Um die Messgenauigkeit von V̇_L . zu erhöhen, können in die Ermittlung auch Messwerte der Umgebungsbedingungen wie Zulufttemperatur, Luftfeuchte oder absoluter Luftdruck einfliessen. Wird ein Luftmassenstromsensor oder ein Differenzdrucksensor verwendet, so kann die Luftzufuhr V̇_L auch ohne Einflüsse der Umgebungsbedingung bestimmt werden. Je nach Messgrösse bilden sich die nicht berücksichtigten Einflüsse der Umgebung wie auch die Genauigkeit des Messergebnisses in der Genauigkeit des Ist-Wertes P_ist der Leistung der Brennerreinrichtung 1 ab. Die Luftzufuhr V̇_L und/oder der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 können dabei absolut oder relativ zum Maximalwert der Kennlinie und/oder einem anderen Wert berechnet werden.
Entsprechende Überlegungen wie für die Messung der Luftzufuhr V̇_L gelten für die Messung der Brennstoffzufuhr V̇_B. Die Messgrösse für die Brennstoffzufuhr V̇_B kann eine direkte Kennlinie aus Brennstoffzufuhr V̇_B über Brennstoffventilstellung gegeben sein. Die Brennstoffventilstellung kann beispielsweise als Stellwinkel angegeben sein. FIG 6 zeigt eine solche direkte Kennlinie.
Idealerweise kann die Luftzufuhrkennlinie an einer Brennereinrichtung 1 im Werk mit beispielsweise einem Luftmassenstromsensor oder einem Drehzahlgeber voreingestellt sein. Alternativ kann sie auch an einer einzelnen Brennereinrichtung 1 über einen Brennstoffzähler und/oder Brenngaszähler zur Ermittlung von V̇_B mit bekanntem Brennstoff und einem Luftzahlsensor 20 zur Erfassung der Luftzahl λ berechnet werden. Zur Berechnung dient die Beziehung über V̇_L = λ · L_min · V̇_B zwischen Luftzufuhr V̇_L, Luftzahl λ, bekanntem Mindestluftbedarf L_min und bekannter Brennstoffzufuhr V̇_B.
Wurde die Luftzufuhr V̇_L, wie oben dargestellt, im Werk oder an der Brennereinrichtung 1 vor Ort eingestellt, so kann nach Einstellung der Luftzahl λ die Leistung P_ist für jeden Brennstoff bestimmt werden. Dazu werden die bekannten Parameter herangezogen. Mit nur einer Luftzufuhrkennlinie kann der Brenner für jeden Brennstoff mit bekanntem Parameter $h = \frac{H_{U}}{L_{\min}}$
innerhalb eines Bereichs zwischen einer maximalen Leistung P_soll-mαx und einer minimalen Leistung P_soll-min beschränkt werden. Dabei wird die Soll-Vorgabe der Luftzufuhr V̇_L entsprechend ${\dot{V}}_{Lsoll - \max} = \frac{λ}{h} \cdot P_{soll - \max}$
und/oder ${\dot{V}}_{Lsoll - \min} = \frac{λ}{h} \cdot P_{soll - \min}$
begrenzt. Bei Änderungen des Brennstoffes oder der Luftzahl λ kann der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 an jedem Punkt direkt neu berechnet und/oder eingestellt und/oder begrenzt werden.
Für eine manuelle Anpassung der Leistung an einen Brennstoff müssen Mindestluftbedarf L_min , Brennstoffparameter $h = \frac{H_{U}}{L_{\min}}$
und der Sollwert für die Luftzahl λ bekannt sein. Zunächst wird die Brennstoffzufuhr über ${\dot{V}}_{B} = \frac{{\dot{V}}_{L}}{λ \cdot L_{\min}}$
berechnet und eingestellt. Häufig kann die Brennstoffzufuhr V̇_B nicht direkt eingegeben werden. Die Brennstoffzufuhr V̇_B ist dann nur über eine Referenz-Kennlinie V̇ _B0 in Abhängigkeit des Stellwinkels einer Brennstoffklappe oder eines Brennstoffventils gemäss FIG 6 für ein Referenzgas mit dem Mindestluftbedarf L_min0 bekannt. Dann errechnet sich für einen anderen Brennstoff mit dem Mindestluftbedarf L_min für eine gleiche Luftzahl λ und die gleiche Luftzufuhr V̇_L wie bei der Referenzeinstellung die neue Brennstoffzufuhr zu ${\dot{V}}_{B} = \frac{L_{m i n 0}}{L_{\min}} \cdot {\dot{V}}_{B 0}$
. Soll sich zusätzlich die Luftzahl λ gegenüber der Einstellung λ₀ mit dem Referenzgas ändern, so errechnet sich ${\dot{V}}_{B} = \frac{λ_{0} \cdot L_{\min 0}}{λ \cdot L_{\min}} \cdot {\dot{V}}_{B 0}$
. Bei der Änderung auf den neuen Brennstoff wird der Brennstoffaktor 9 so verstellt, dass die jedem Luftzufuhrpunkt zugeordnete Brennstoffzufuhr 6 um den Faktor $\frac{λ_{0} \cdot L_{\min 0}}{λ \cdot L_{\min}}$
und/oder bei gleichem Wert von λ um den Faktor $\frac{L_{\min 0}}{L_{\min}}$
verändert wird. Anhand der bekannten Kennlinie aus FIG 6 können nach Multiplikation von Brennstoffzufuhr 6 mit dem ermittelten Faktor die neuen Ansteuerwerte und/oder Stellwinkel 19 für die geänderte Brennstoffzusammensetzung direkt berechnet werden. Die Kennlinie kann dabei beispielsweise in Form einer Tabelle, deren Zwischenwerte linear interpoliert werden, gegeben sein. Die Kennlinie kann weiterhin als mathematische Formel und/oder als mathematische Beziehung gegeben sein.
Die Leistung kann bei der gleichen Luftzufuhr V̇_L gemäss den Berechnungen oben für eine unveränderte Luftzahl λ zu $P_{1} = \frac{h_{1}}{h_{0}} \cdot P_{0}$
und/oder bei sich ändernder Luftzahl λ zu $P_{1} = \frac{λ_{0} \cdot h_{1}}{λ_{1} \cdot h_{0}} \cdot P_{0}$
berechnet werden. Bei unveränderter Luftzahl λ ist die Leistung P ₁ ≈ P ₀, wenn h ₁ ≈ h ₀ ist. Mit Hilfe dieser einfachen Massnahme kann mit beispielsweise aus der Literatur bekannten Parametern L_min und H_U und damit bekanntem Brennstoffparameter $h = \frac{H_{U}}{L_{\min}}$
ein Gerät direkt und leicht auf einen neuen Brennstoff eingestellt werden. Es müssen nicht empirisch neue Kennlinien ermittelt werden. Dabei wird auch die jeweilige Leistung P_ist an den neuen Brennstoff angepasst. Vorteilhaft kann für einen Sollwert P_soll der Leistung der Brennereinrichtung 1 die korrekte Luftzufuhr V̇_L und/oder die korrekte Brennstoffzufuhr V̇_B ermittelt werden.
Wird die Luftzahl λ mit Hilfe eines O₂-Sensors oder mit Hilfe einer Ionisationselektrode ermittelt, kann die Luftzahl λ bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung über einen Regelkreis konstant gehalten werden. Beim O₂-Sensor wird die Luftzahl λ direkt aus dem Ergebniswert des Sensors gemäss dem Stand der Technik berechnet. Beispielsweise lässt sich die Luftzahl λ aus dem Sauerstoffgehalt O₂ anhand der Beziehung $λ \approx \frac{20,9}{20,9 - O_{2}}$
berechnen. Mit Hilfe eines Regelkreises wird dann die Brennstoffzufuhr V̇_B so ausgeregelt, dass der Sollwert von λ erreicht wird. Der Sollwert von λ kann abhängig von der Luftzufuhr V̇_L sein. Bei Verwendung eines Ionisationssignales und/oder eines Ionisationsstromsignales zur λ-Erfassung wird der gemessene Ionisationsstrom auf einen von der Luftzufuhr V̇_L abhängigen Sollwert ausgeregelt, indem die Brennstoffzufuhr V̇_B verändert wird.
Gegenüber einer Referenz- Brennstoffzufuhr V̇ _B0 , die an einer Brennereinrichtung 1 eingestellt wurde, berechnet sich die neue Brennstoffzufuhr zu V̇_B = k · V̇ _B0 , über der gesamten Modulationskennlinie des Brennstoffes über der Leistung. Dabei wird eine gleiche Luftzahl λ angenommen. Der Stellaktor wird dabei entsprechend so eingestellt, dass über dem gesamten Modulationsbereich V̇ _B1 gegenüber V̇ _B0 um den Faktor k verschoben ist. Mithin braucht der geänderte Brennstoff nur an einem Leistungspunkt ausgeregelt zu sein, damit der Faktor k bekannt ist. Mit Hilfe dieses Faktors k sind die geänderten Brennstoffaktorstellungen über dem gesamten Leistungsbereich bekannt und damit die geänderte Modulationskennlinie festgelegt. Der ausgeregelte Faktor k ist gemäss den Berechnungen oben für unverändertes λ als $k = \frac{L_{\min 0}}{L_{\min}}$
zu erkennen.
Gibt man für einen anderen Brennstoff beispielsweise im Rahmen einer Brennstoffumschaltung andere Luftzahlsollwerte vor, so wird der Faktor k zu k = $\frac{λ_{0} \cdot L_{\min 0}}{λ \cdot L_{\min}}$
ausgeregelt.
Hat man für ein Referenzgas mit bekanntem Mindestluftbedarf L_min0 die Brennstoffmodulationskennlinie eingestellt, so kann nach dem Ausregeln von λ mit dem ermittelten Faktor k der für den aktuell vorliegenden Brennstoff notwendigen Mindestluftbedarf zu $L_{\min} = \frac{L_{\min 0}}{k}$
für gleiches λ bestimmt werden. Für geändertes λ ≠ λ ₀ wird der Mindestluftbedarf zu $L_{\min} = \frac{λ_{0} \cdot L_{\min 0}}{λ \cdot k}$
bestimmt.
Ist die Brennstoff-Zusammensetzung bekannt, so kann der neue Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 auch bei sich ändernder Brennstoffzusammensetzung wie oben beschrieben zu $P_{ist} = \frac{h}{λ} \cdot {\dot{V}}_{L}$
für jeden Luftzufuhrpunkt berechnet werden. Für jeden Sollwert P_soll der Leistung der Brennereinrichtung 1 kann der Sollwert für die Luftzufuhr ${\dot{V}}_{Lsoll} = \frac{λ}{h} \cdot P_{soll}$
ermittelt werden.
FIG 7 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Mindestluftbedarf 22, L_min , und dem einzelnen, skalaren Brennstoffparameter 23, $h = \frac{H_{U}}{L_{\min}}$
, für verschiedene Brenngase. Wie man dort sieht, kann man die Brenngase in Gruppen zusammenfassen. Die Gruppen bestimmen sich dadurch, dass für die aktuelle Luftzufuhr V̇_L bei einer Änderung des Gases und einer durchgeführten Ausregelung der Gaszufuhr bei unveränderter Luftzahl λ auch der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt. Für jede diese Gruppen liegt dann der einzelne, skalare Brennstoffparameter h innerhalb der vorgegebenen Grenzen. Die Grenzen bestimmen sich aus dem zulässigen Fehler für den Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1.
So sind in FIG 7 die mit 24 markierten Gase allesamt Gase der zweiten Gasfamilie (nach EN437:2009-09) einschliesslich der Sondergase ohne das Sardinien-Gas (=Propan-Luft-Gemisch). Diese Gase haben Methan als Basis und sind mit inerten Gasen oder geringeren Mengen von anderen Brenngasen vermischt. Wenn Gase innerhalb dieser Gruppe gewechselt werden und die Luftzahl λ durch Ausregeln der Brennstoffzufuhr V̇_B konstant bleibt, ist für diese mit 24 markierten Gase der einzelne, skalare Brennstoffparameter h = $3,55 \frac{MJ}{m^{3}}, - 0 %, + 2 %$
. Damit schwankt für diese Gase nach Ausregeln der Luftzahl λ im Brennersystem der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 in einem Bereich von kleiner 2 Prozent.
Die in FIG 7 mit 26 markierten Gase sind Gase der dritten Gasfamilie (nach EN437:2009-09) diese haben einen Brennstoffparameter von h = $3,73 \frac{MJ}{m^{3}}, - 0 %, + 4,5 %$
. Der Fehler gegenüber den mit 24 bezeichneten Gasen ist kleiner 8 Prozent. Trägt man diesen Fehler, braucht zwischen der
Gasgruppe 24 und der Gasgruppe 26 keine Leistungskorrektur vorgenommen zu werden. Da aber normalerweise bekannt ist, ob Flüssiggas (= Gase der dritten Familie) anliegt, kann die Korrektur manuell vorgenommen werden, indem der einzelne, skalare Brennstoffparameter $h = 3,73 \frac{MJ}{m^{3}}$
eingegeben wird.
Die in FIG 7 mit 25, 27, 28 und 29 bezeichneten Gase bilden weitere Sondergasgruppen (Sardinien-Gas, Prozess-Gase). Es ist jeweils bekannt, wenn diese Gase anliegen und die jeweiligen Werte des Brennstoffparameters h können direkt eingegeben werden, damit die Leistungskorrektur vorgenommen werden kann. Die Fehler liegen dann beispielsweise bei weniger als 5,1 Prozent.
Bei dem in FIG 7 mit 30 bezeichneten Gas handelt es sich um reinen Wasserstoff mit $h = 4,22 \frac{MJ}{m^{3}}$
.
Wie schon oben erwähnt, muss bei Wechsel innerhalb einer Gasgruppe im Rahmen der angegebenen Genauigkeit keine Leistungskorrektur vorgenommen werden. Bei Wechsel von Gasgruppe zu Gasgruppe ist bekannt, welche Gasgruppe anliegt. Die Korrektur kann über Änderung von h manuell erfolgen.
Bisweilen kommen die verschiedenen Gase oder Gase aus Gasgruppen aus verschiedenen Brennstoffzufuhrleitungen und die Absperrventile der jeweiligen Brennstoffzufuhrleitungen werden ab und zugeschaltet. Dann kann mit dem Umschalten der Brennstoffzufuhr V̇_B auch der Gasparameter gewechselt werden. Mithin kann die Leistung oder die Brennermodulation angepasst werden.
Als Brennstoffe sind beispielsweise bekannt:

Erdgas aus dem Versorgungsnetz,
Flüssiggas,
Gas auf Sardinien,
Prozessgase mit bekannter Zusammensetzung (erste Gasfamilie),
Flüssige Brennstoffe, wie Heizöl EL etc.,
Mischungen umfassend Wasserstoff und
reiner Wasserstoff.

Weil die Zusammensetzungen jeweils bekannt sind, ist auch jeweils der einzelne, skalare Brennstoffparameter h bekannt.
Wenn man die Sondergasgruppen 15, 27, 28, 29 ausnimmt, bei denen bekannt ist, wann sie anliegen, kann man die Leistungskorrektur auch weiter automatisieren. Dazu berechnet man mit dem durch die Regelung ermittelten Faktor k den neuen Mindestluftbedarf $L_{\min} = \frac{L_{\min 0}}{k}$
gegenüber einem Referenzgas. Für die Ermittlung des Faktors k muss die Gaszufuhr V́ _G0 für ein Referenzgas (mit L_min0 ) in Abhängigkeit der Stellung des mindestens einen Brennstoffaktors 9 oder ein lineares Äquivalent zu V́ _G0 bekannt sein. Solches ist in FIG 6 dargestellt. Der Faktor k kann dabei durch eine Regelung mit einer O₂-Sonde, mit einer Ionisationssonde oder einem anderen, äquivalent wirkenden Sensor ermittelt werden. Zur Veranschaulichung dieser Vorgehensweise dient FIG 8.
Ist der Wert 22 von L_min grösser als die Schwelle 31, so handelt es sich um Flüssiggas mit dem Wert $h = 3,73 \frac{MJ}{m^{3}}$
. Zwischen der Schwelle 31 und der Schwelle 32 kann das Gas als Methangas mit Beimischungen interpretiert werden. Solches gilt im Wesentlichen für die Gase der zweiten Gasfamilie aus dem Versorgungsnetz. Es wird hier der Wert $h = 3,55 \frac{MJ}{m^{3}}$
verwendet. Unterhalb der Schwelle 32 wird das Gas als Wasserstoff-Methangas-Gemisch interpretiert. Das Mischungsverhältnis in FIG 8 ändert sich dort gemäss einer Kennlinie entlang der mit 30 gezeichneten Punkte mit der Zusammensetzung und damit mit L_min. Mit dem Mischungsverhältnis der Gase und/oder Brennstoffe kann so die Funktion des Brennstoffparameters h über L_min angegeben werden. Da bei Wasserstoff mit einem Gasparameter von $h = 4,22 \frac{MJ}{m^{3}}$
die Abweichung gegenüber Methan mit $h = 3,55 \frac{MJ}{m^{3}}$
relativ gross ist, gibt es ein besonderes Interesse an der Detektion des H2-Gehalts im Methan über einen λ-geregelten Brenner. Mit der angegebenen Methode können bei vorgegebener Luftzahl λ für Wasserstoff und beispielsweise Methan sowohl die Luftzahl als auch die Leistung einer Brennereinheit automatisch bestimmt und für die Regeleinheiten zur Verfügung gestellt werden.
Für die bekannten Prozessgase und auch andere, beispielsweise flüssige, Brennstoffe wird angenommen, dass diese nicht im allgemeinen Versorgungsnetz auftreten können. Für sie wird der einzelne, skalare Brennstoffparameter h direkt und/oder manuell in die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung 13 eingegeben, wenn die jeweiligen Brennstoffe eingespeist werden.
Mit dem aktuell bestimmten Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 kann ein Leistungsregler direkt in einem geschlossenen Regelkreis betrieben werden. Der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 kann auf einen vorgegebenen Sollwert P_soll der Leistung der Brennereinrichtung 1 ausgeregelt werden.
Der Leistungssollwert kann von einer übergeordneten Temperaturregeleinheit erzeugt werden. Er kann auch direkt als Sollwert von einer Bedieneinheit und/oder einer Einheit zur Erwärmung eines Gutes und/oder bei Verbrennung eines anliegenden Restbrennstoffs aus einem chemischen Prozess dem Leistungsregler vorgegeben werden.
Wegen $P_{ist} = \frac{h}{λ} \cdot {\dot{V}}_{L} = \frac{H_{u}}{L_{\min}} \cdot \frac{{\dot{V}}_{L}}{λ} = H_{u} \cdot {\dot{V}}_{B}$
werden für die maximale Leistung P_max der Brennereinrichtung 1 die maximale Brennstoffzufuhr V̇_Bmax und für die minimale Leistung P_min der Brennereinrichtung 1 die minimale Brennstoffzufuhr V̇_Bmin implizit angepasst. Äquivalent können V̇_Bmax und/oder V̇_Bmin berechnet und für den jeweiligen Brennstoff nach oben und/oder unten auf diese errechneten Werte (direkt) begrenzt werden. Auf jeden Fall ist damit sichergestellt, dass die Brennereinrichtung nicht ausserhalb des vorgesehenen Leistungsbereichs betrieben wird.
Aus dem ermittelten Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 kann leicht der Energieumsatz berechnet werden, indem der Ist-Wert P_ist der Leistung der Brennereinrichtung 1 über die Zeit integriert wird. So kann auch bei wechselnden Brennstoffen der Energieumsatz berechnet werden.
Wenn bekannt ist, wann der Brennstoff umgeschaltet wird, kann der Energieumsatz für die einzelnen Brennstoffe berechnet werden. Bei automatischer Erkennung des Brennstoffparameters h kann über den Wechsel von h die Umschaltung detektiert werden.
Ist der Energieumsatz bekannt, so können die Energiekosten direkt ermittelt werden, sofern die Kosten pro Energieeinheit bekannt sind. Sind die Kosten für einzelne Brennstoffe unterschiedlich, so kann dies wie oben beschrieben detektiert werden. Mithin können die Kosten für den Verbrauch der einzelnen Brennstoffe berechnet werden.
Teile einer Regeleinheit und/oder eines Verfahrens gemäss der vorliegenden Offenbarung können als Hardware und/oder als Softwaremodul, welches von einer Recheneinheit gegebenenfalls unter Hinzunahme von Containervirtualisierung ausgeführt wird, und/oder anhand eines Cloud-Rechners und/oder anhand einer Kombination der vorgenannten Möglichkeiten realisiert werden. Die Software mag eine Firmware und/oder einen Hardware-Treiber, der innerhalb eines Betriebssystems ausgeführt wird und/oder eine Container-Virtualisierung und/oder ein Anwendungsprogramm umfassen. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich also auch auf ein Rechnerprogrammprodukt, welches die Merkmale dieser Offenbarung enthält und/oder die erforderlichen Schritte ausführt. Bei Realisierung als Software können die beschriebenen Funktionen gespeichert werden als eine oder mehrere Befehle auf einem Rechner-lesbaren Medium. Einige Beispiele Rechner-lesbarer Medien schliessen Arbeitsspeicher (RAM) und/oder magnetischen Arbeitsspeicher (MRAM) und/oder ausschliesslich lesbaren Speicher (ROM) und/oder Flash-Speicher und/oder elektronisch programmierbares ROM (EPROM) und/oder elektronisch programmierbares und löschbares ROM (EEPROM) und/oder Register einer Recheneinheit und/oder eine Festplatte und/oder eine auswechselbare Speichereinheit und/oder einen optischen Speicher und/oder jegliches geeignete Medium ein, auf welches durch einen Rechner oder durch andere IT-Vorrichtungen und Anwendungen zugegriffen werden kann.
Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung lehrt ein Verfahren zur Regelung einer Brennereinrichtung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Die vorliegende Erfindung lehrt zudem ein entsprechendes Computerprogrammprodukt nach Anspruch 6 und ein entsprechendes nicht-flüchtiges computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 7.
Das Genannte bezieht sich auf einzelne Ausführungsformen der Offenbarung. Verschiedene Änderungen an den Ausführungsformen können vorgenommen werden, ohne von der zu Grunde liegenden Idee abzuweichen und ohne den Rahmen dieser Offenbarung zu verlassen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist definiert über deren Ansprüche. Es können verschiedenste Änderungen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der folgenden Ansprüche zu verlassen.

Bezugszeichen

1: Brennereinrichtung
2: Feuerraum
3: Gebläse mit (optional) veränderlicher Drehzahl
4: Luftklappe mit Stell-Antrieb
5: Verbrennungsluft
6: Brennstoff für Verbrennung bzw. Brennstoffzufuhrkanal
7: Sicherheitsabsperrventil
8: Sicherheitsabsperrventil
9: Brennstoffaktor mit Stellantrieb zur Veränderung der Brennstoffzufuhr
10: Abgas
11: Luftzufuhrkanal
12: Sensor zur Erfassung der Luftzufuhr (Luftmassenstrom / Drehzahl etc.)
13: Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung
14: Steuersignal für Luftklappe (Stellwinkel)
15: Ansteuersignal für Gebläsedrehzahl (optional)
16: Messsignal vom Luftzufuhrsensor
17: Auf-/Zu-Signal für Sicherheitsabsperrventil
18: Auf-/Zu-Signal für Sicherheitsabsperrventil
19: Steuersignal für Brennstoffaktor (beispielsweise Stellwinkel / SchrittStellung)
20: Sensor zur Erfassung der Luftzahl λ (O₂-Sensor / Ionisationselektrode etc.)
21: Messignal vom Luftzahlsensor zur Erfassung der Luftzahl
22: Mindestluft-Bedarf für jeweiligen Brennstoff
23: einzelner, skalarer Brennstoffparameter h = H_u /L_min
24: verschiedene Gase der zweiten Gasfamilie einschliesslich von Sondergasen (Gasmischungen mit Methan als Basis-Gas)
25: spezielles Sondergas der zweiten Gasfamilie (hier Propan-Luft-Gemisch)
26: verschiedene Gase der dritten Gasfamilie (Propan-Mischungen)
27: spezielles Sondergas der ersten Gasfamilie
28: spezielles Sondergas der ersten Gasfamilie
29: spezielles Sondergas der ersten Gasfamilie
30: Wasserstoff und Methan-Wasserstoff-Mischungen
31: Grenzwert des Mindestluftbedarfes L_min der Gase zwischen zweiter und dritter Gasfamilie
32: Grenzwert des Mindestluftbedarfes L_min der Gase zwischen zweiter Gasfamilie und Methan-Wasserstoff-Mischungen

Claims

Verfahren zur Regelung einer Brennereinrichtung (1), die Brennereinrichtung (1) umfassend einen Feuerraum (2), einen zum Feuerraum (2) führenden Luftzufuhrkanal (11) umfassend mindestens einen Luftaktor (3, 4), der ausgebildet ist zur Einstellung eines Wertes einer Luftzufuhr V̇_L durch den Luftzufuhrkanal (11), und einen zum Feuerraum (2) führenden Brennstoffzufuhrkanal (6) umfassend mindestens einen Brennstoffaktor (9), der ausgebildet ist zur Einstellung eines Wertes einer Brennstoffzufuhr V̇_B durch den Brennstoffzufuhrkanal (6), die Brennereinrichtung (1) umfassend mindestens einen Luftzahlsensor (20) und eine Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) umfassend einen Speicher, in welchem mindestens ein Kennwert (31, 32) umfassend einen Mindestluftbedarf hinterlegt ist, das Verfahren umfassend die Schritte:
Erfassen mindestens eines Luftzahlsignales (21) durch den mindestens einen Luftzahlsensor (20) und Verarbeiten des mindestens einen Luftzahlsignales (21) zu einem Wert einer Luftzahl λ;

Erfassen mindestens eines Luftzufuhrsignales (14 - 16), welches ein Mass für einen anhand des mindestens einen Luftaktors (3, 4) eingestellten Wert der Luftzufuhr V̇_L durch den Luftzufuhrkanal (11) zum Feuerraum (2) ist, und Verarbeiten des mindestens einen Luftzufuhrsignales (14 - 16) zu einem Wert einer Luftzufuhr V̇_L ;

Erfassen mindestens eines Brennstoffzufuhrsignales (17 - 19), welches ein Mass für einen anhand des mindestens einen Brennstoffaktors (9) eingestellten Wert einer Brennstoffzufuhr V̇_B durch den Brennstoffzufuhrkanal (6) zum Feuerraum (2) ist, und Verarbeiten des mindestens einen Brennstoffzufuhrsignales (17 - 19) zu einem Wert einer Brennstoffzufuhr V̇_B ;

Berechnen eines Mindestluftbedarfes (22) als Funktion des Wertes der Luftzufuhr V̇_L und als Funktion des Wertes der Brennstoffzufuhr V̇_B und als Funktion des Wertes der Luftzahl λ;

Vergleichen des berechneten Mindestluftbedarfes (22) mit dem Mindestluftbedarf des im Speicher der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegten mindestens einen Kennwertes (31, 32);

Zuordnen einer Brennstoffgruppe aus dem Vergleich des berechneten Mindestluftbedarfes (22) mit dem Mindestluftbedarf des im Speicher der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegten mindestens einen Kennwertes (31, 32);

Bereitstellen eines einzelnen, skalaren Brennstoffparameters h als Funktion der zugeordneten Brennstoffgruppe;

Messen und/oder Vorgeben eines Wertes einer Luftzufuhr V̇_L durch den Luftzufuhrkanal (11);

Messen und/oder Vorgeben eines Wertes einer Luftzahl X;

Berechnen eines Ist-Wertes P_ist einer Leistung der Brennereinrichtung (1) aus dem gemessenen und/oder vorgegebenen Wert der Luftzufuhr V̇_L, dem gemessenen und/oder vorgegebenen Wert der Luftzahl λ und dem einzelnen, skalaren Brennstoffparameter h gemäss $P_{ist} = \frac{h}{λ} \cdot {\dot{V}}_{L}$
; und

Regeln der Brennereinrichtung (1) anhand des mindestens einen Brennstoffaktors (9) und bevorzugterweise des mindestens einen Luftaktors (3, 4) in Abhängigkeit des Ist-Wertes P_ist der Leistung der Brennereinrichtung (1) und in Abhängigkeit eines Sollwertes P_soll der Leistung der Brennereinrichtung (1), bis der Sollwert P_soll der Leistung der Brennereinrichtung (1) erreicht wird.
Das Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei der Luftzufuhrkanal (11) direkt zum Feuerraum (2) führt und der Brennstoffzufuhrkanal (6) direkt zum Feuerraum (2) führt.
Das Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei Luftzufuhrkanal (11) und Brennstoffzufuhrkanal (6) vor dem Feuerraum (2) in eine gemeinsame Gemischzufuhr münden, die zum Feuerraum (2) führt.
Das Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei der mindestens eine im Speicher der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegte Kennwert (31, 32) den Mindestluftbedarf in Form eines Grenzwertes (31, 32) umfasst;

wobei der Grenzwert (31, 32) Werte des Mindestluftbedarfes einer ersten und einer zweiten Brennstoffgruppe voneinander abgrenzt; und

wobei das Verfahren den Schritt umfasst:
Zuordnen des berechneten Mindestluftbedarfes (22) zu der ersten oder zu der zweiten Brennstoffgruppe anhand des Grenzwertes (31, 32) des mindestens einen in der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegten Kennwertes (31, 32).
Das Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei der Schritt des Berechnens des Mindestluftbedarfes als Funktion des Wertes der Luftzufuhr V̇_L und als Funktion des Wertes der Brennstoffzufuhr V̇_B und als Funktion des Wertes der Luftzahl λ den Schritt umfasst:
Berechnen des Mindestluftbedarfes als Quotienten aus dem Wert der Luftzufuhr V̇_L und einem Produkt aus dem Wert der Brennstoffzufuhr V̇_B und aus dem Wert der Luftzahl λ.
Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programmes durch eine Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) für eine Brennerreinrichtung (1), die Brennereinrichtung (1) umfassend einen Feuerraum (2), einen zum Feuerraum (2) führenden Luftzufuhrkanal (11) umfassend mindestens einen Luftaktor (3, 4), der ausgebildet ist zur Einstellung eines Wertes einer Luftzufuhr V̇_L durch den Luftzufuhrkanal (11), und einen zum Feuerraum (2) führenden Brennstoffzufuhrkanal (6) umfassend mindestens einen Brennstoffaktor (9), der ausgebildet ist zur Einstellung eines Wertes einer Brennstoffzufuhr V̇_B durch den Brennstoffzufuhrkanal (6), die Brennereinrichtung (1) umfassend mindestens einen Luftzahlsensor (20), die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) umfassend einen Speicher, in welchem mindestens ein Kennwert (31, 32) umfassend einen Mindestluftbedarf hinterlegt ist, die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) veranlassen:
mindestens ein Luftzahlsignal (21) durch den mindestens einen Luftzahlsensor (20) zu erfassen und das mindestens eine Luftzahlsignal (21) zu einem Wert einer Luftzahl λ zu verarbeiten;

mindestens ein Luftzufuhrsignal (14 - 16), welches ein Mass für einen anhand des mindestens einen Luftaktors (3, 4) eingestellten Wert der Luftzufuhr V̇_L durch den Luftzufuhrkanal (11) zum Feuerraum (2) ist, zu erfassen und das mindestens eine Luftzufuhrsignal (14 - 16) zu einem Wert einer Luftzufuhr V̇_L zu verarbeiten;

mindestens ein Brennstoffzufuhrsignal (17 - 19), welches ein Mass für einen anhand des mindestens einen Brennstoffaktors (9) eingestellten Wert einer Brennstoffzufuhr V̇_B durch den Brennstoffzufuhrkanal (6) zum Feuerraum (2) ist, zu erfassen und das mindestens eine Brennstoffzufuhrsignal (17 - 19) zu einem Wert einer Brennstoffzufuhr V̇_B zu verarbeiten;

einen Mindestluftbedarf (22) als Funktion des Wertes der Luftzufuhr V̇_L und als Funktion des Wertes der Brennstoffzufuhr V̇_B und als Funktion des Wertes der Luftzahl λ zu berechnen;

den berechneten Mindestluftbedarf (22) mit dem Mindestluftbedarf des im Speicher der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegten mindestens einen Kennwert (31, 32) zu vergleichen;

eine Brennstoffgruppe aus dem Vergleich des berechneten Mindestluftbedarfes (22) mit dem Mindestluftbedarf des im Speicher der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegten mindestens einen Kennwert (31, 32) zuzuordnen;

einen einzelnen, skalaren Brennstoffparameter h als Funktion der zugeordneten Brennstoffgruppe bereitzustellen;

einen Ist-Wert P_ist einer Leistung der Brennereinrichtung (1) aus einem gemessenen und/oder vorgegebenen Wert der Luftzufuhr V̇_L, einem gemessenen und/oder vorgegebenen Wert der Luftzahl λ und einem einzelnen, skalaren Brennstoffparameter h gemäss $P_{ist} = \frac{h}{λ} \cdot {\dot{V}}_{L}$
zu berechnen; und

die Brennereinrichtung (1) anhand des mindestens einen Brennstoffaktors (9) und bevorzugterweise des mindestens einen Luftaktors (3, 4) in Abhängigkeit des Ist-Wertes P_ist der Leistung der Brennereinrichtung (1) und in Abhängigkeit eines Sollwertes P_soll der Leistung der Brennereinrichtung (1) zu regeln, bis der Sollwert P_soll der Leistung der Brennereinrichtung (1) erreicht wird.
Nicht-flüchtiges computerlesbares Speichermedium, das einen Befehlssatz zur Ausführung durch mindestens eine Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) für eine Brennerreinrichtung (1) speichert , die Brennereinrichtung (1) umfassend einen Feuerraum (2), einen zum Feuerraum (2) führenden Luftzufuhrkanal (11) umfassend mindestens einen Luftaktor (3, 4), der ausgebildet ist zur Einstellung eines Wertes einer Luftzufuhr V̇_L durch den Luftzufuhrkanal (11), und einen zum Feuerraum (2) führenden Brennstoffzufuhrkanal (6) umfassend mindestens einen Brennstoffaktor (9), der ausgebildet ist zur Einstellung eines Wertes einer Brennstoffzufuhr V̇_B durch den Brennstoffzufuhrkanal (6), die Brennereinrichtung (1) umfassend mindestens einen Luftzahlsensor (20), die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) umfassend einen Speicher, in welchem mindestens ein Kennwert (31, 32) umfassend einen Mindestluftbedarf hinterlegt ist, wobei der Befehlssatz, wenn er durch die Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) ausgeführt wird:
mindestens ein Luftzahlsignal (21) durch den mindestens einen Luftzahlsensor (20) erfasst und das mindestens eine Luftzahlsignal (21) zu einem Wert einer Luftzahl λ verarbeitet;

mindestens ein Luftzufuhrsignal (14 - 16), welches ein Mass für einen anhand des mindestens einen Luftaktors (3, 4) eingestellten Wert der Luftzufuhr V̇_L durch den Luftzufuhrkanal (11) zum Feuerraum (2) ist, erfasst und das mindestens eine Luftzufuhrsignal (14 - 16) zu einem Wert einer Luftzufuhr V̇_L verarbeitet;

mindestens ein Brennstoffzufuhrsignal (17 - 19), welches ein Mass für einen anhand des mindestens einen Brennstoffaktors (9) eingestellten Wert einer Brennstoffzufuhr V̇_B durch den Brennstoffzufuhrkanal (6) zum Feuerraum (2) ist, erfasst und das mindestens eine Brennstoffzufuhrsignal (17 - 19) zu einem Wert einer Brennstoffzufuhr V̇_B verarbeitet;

einen Mindestluftbedarf (22) als Funktion des Wertes der Luftzufuhr V̇_L und als Funktion des Wertes der Brennstoffzufuhr V̇_B und als Funktion des Wertes der Luftzahl λ berechnet;

den berechneten Mindestluftbedarf (22) mit dem Mindestluftbedarf des im Speicher der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegten mindestens einen Kennwert (31, 32) vergleicht;

eine Brennstoffgruppe aus dem Vergleich des berechneten Mindestluftbedarfes (22) mit dem Mindestluftbedarf des im Speicher der Regel- und/oder Steuer- und/oder Überwachungseinrichtung (13) hinterlegten mindestens einen Kennwert (31, 32) zuordnet;

einen einzelnen, skalaren Brennstoffparameter h als Funktion der zugeordneten Brennstoffgruppe bereitstellt;

einen Ist-Wert P_ist einer Leistung der Brennereinrichtung (1) aus einem gemessenen und/oder vorgegebenen Wert der Luftzufuhr V̇_L, einem gemessenen und/oder vorgegebenen Wert der Luftzahl λ und einem einzelnen, skalaren Brennstoffparameter h gemäss $P_{ist} = \frac{h}{λ} \cdot {\dot{V}}_{L}$
berechnet; und

die Brennereinrichtung (1) anhand des mindestens einen Brennstoffaktors (9) und bevorzugterweise des mindestens einen Luftaktors (3, 4) in Abhängigkeit des Ist-Wertes P_ist der Leistung der Brennereinrichtung (1) und in Abhängigkeit eines Sollwertes P_soll der Leistung der Brennereinrichtung (1) regelt, bis der Sollwert P_soll der Leistung der Brennereinrichtung (1) erreicht wird.