WO2006067108A1 - Verfahren und vorrichtung zur beeinflussung von verbrennungsvorgängen - Google Patents

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WO2006067108A1 PCT/EP2005/056902 EP2005056902W WO2006067108A1 WO 2006067108 A1 WO2006067108 A1 WO 2006067108A1 EP 2005056902 W EP2005056902 W EP 2005056902W WO 2006067108 A1 WO2006067108 A1 WO 2006067108A1
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electrodes
flame
burner
control
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Thomas Hammer
Günter LINS
Jobst Verleger
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/001—Applying electric means or magnetism to combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N3/00—Regulating air supply or draught
    • F23N3/002—Regulating air supply or draught using electronic means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/32—Direct CO2 mitigation

Definitions

  • the invention relates to a method for influencing combustion processes according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an associated apparatus for performing the method.
  • a significant advantage of influencing flames by electric fields and discharges is that the process for inertia-free control and regulation of Use combustion processes. This assumes that there are sensors that detect the variables to be influenced.
  • Sensors for receiving signals of different types from flames are known in numerous embodiments.
  • those sensors are relevant, which consist of electrodes which are brought into the flame or in the vicinity of the flame to measure electrical properties of the flame.
  • EP 196 32 983 C2 which relates to a control device for a gas burner.
  • the signal generated by the probe is used in conjunction with suitable amplifiers and filters to control the combustion process, for example, by influencing the air or Gaszu ⁇ drove by means of a control valve in an advantageous manner.
  • the probe itself serves exclusively for the detection of flame characteristics and is not used to influence the combustion process itself.
  • EP 0 775 870 B1 discloses a device for damping thermoacoustic oscillations, in particular a combustion chamber for a gas turbine with an electrically influenceable combustion chamber, in which a pressure sensor installed in the combustion chamber detects pressure oscillations and generates a signal for an electrode in the combustion chamber for the purpose of electronic control of the combustion chamber Flame generated.
  • a disadvantage of the conventional technique is that the effect on the combustion process systems via mechanical SYS as valves are subject to wear and have a reaction time, in particular for research-controlling ⁇ may be too long from combustor oscillations.
  • the object of the invention is therefore to supplement the prior art method so far that an improved embedding ⁇ hneung of the combustion process is possible.
  • an associated device is to be created.
  • Electrodes that are installed to influence the combustion by electric fields and discharges, such as in the sense of DE 101 37 683 C2, in a combustion chamber, to use for the detection of flame characteristics
  • Electrodes which serve the detection of flame characteristics, as electrodes for generating an electric field or an electric gas discharge, which influence the combustion in the above sense.
  • the electrodes so ⁇ probably also serve as probes for the detection of flame properties and, as active field electrodes for influencing the flame characteristics and inertia react the probe signals generated by these electrodes without involving mechanical elements to the applied to the electrodes for combustion control. Separate probes for signal acquisition are not necessary.
  • the invention is applicable in different fields.
  • an application is possible in particular in gas turbines, but also in process-related burners.
  • a single implementation proves to be particularly advantageous.
  • the application of the invention in the building services sector for heating and hot water seraufkung which is about cost reduction, advantageous. While pollutant reduction is of particular importance for industrial use, fuel efficiency and odor control will be the focus in the HVAC sector.
  • the invention exploits the fact that an electric field in a flame causes a charge carrier transport that causes an electric current between the field-generating electrodes.
  • Strength, timing and frequency of the electric current depend both for the probe measurement and for the electrical control on the one hand by the impressed voltage, on the other hand the properties of the flame, in particular their conductivity and their cavities ⁇ actual distribution decreases.
  • the relationship between the voltage applied to the electrodes and the intensity of the current caused thereby can be illustrated by a current-voltage characteristic curve, which is also referred to below as a probe characteristic, which will be described in detail below.
  • the invention comprises applying a time-chen ver Sli- voltage for controlling the combustion, wherein the resulting induced time-varying current Gnosticism directly to the slide ⁇ the combustion process is used. They be ⁇ further tains impressing a periodic sensor voltage ( "probe voltage”) to the control voltage ( “control voltage”), the fundamental frequency of the probe voltage is high with respect to typical signal frequencies of the control voltage, and the separation of the probe current of the control current based ei ⁇ ner crossover.
  • the invention includes the use of amplitude-modulated, high-frequency voltages for control and analysis, the diode-like characteristic, i. H . the asymmetry of behavior with respect to positive and negative polarity is exploited by electrode systems in flames.
  • the invention further includes the use of multi-electrode systems, which are supplied by a common or else by one or more electrodes associated, regulated voltage sources.
  • multi-electrode systems which are supplied by a common or else by one or more electrodes associated, regulated voltage sources.
  • the invention further relates to combinations of systems in which at least one electrode acts both as FeId- and measuring electrode in the sense of the above Erfindungs ⁇ thought and at least one further electrode is used exclusively as a measuring electrode or field electrode.
  • the invention extends specifically to such a combination mentioned in the preceding paragraph, in which one or more electrodes temporarily act exclusively as a measuring electrode or as a field electrode.
  • FIG. 1 shows the already mentioned characteristic
  • FIG. 2 shows a schematic representation of two alternatives of a turbine-type burner with associated means for diagnosing and influencing the combustion process
  • Figure 4 is a current-voltage characteristic and Figure 5 shows the time course of the voltage for control purposes.
  • FIG. 1 shows an example of a probe characteristic curve 1.
  • the current strength increases continuously with the voltage.
  • region I this results in a linear From ⁇ section of the characteristic curve 1, in which the drift of the Reakti ⁇ combustion formed ions and electrons onszone induces a current flow in the high voltage electrode.
  • ⁇ Schreitendem rise in the voltage space charge layers are formed by charge separation, which limit the current intensity above a certain voltage to the saturation current, which depends on the ionization rate in the reaction zone of combustion.
  • the region characterized thereby is called the saturation region III.
  • He then ⁇ follows in the area IV, in turn, an increase in the probe characteristic. 1
  • Negative polarity voltages produce much smaller probe currents than positive polarity, and because of the high electron mobility, the signal saturates much faster so that the linear region and saturation region are not clearly separated.
  • the region II therefore comprises the linear part and the saturation region of the probe characteristic 1 for negative polarity.
  • the saturation region III has already been defined. As the voltage increases further, the electric field strengths become so high that electron propagation through ionizing shocks begins.
  • the characteristic curve sections adjoining in the already mentioned region IV are characterized by independent gas discharge effects. Logically, the same principle applies to the negative Po ⁇ larity in the area V.
  • the probe characteristic curve 1 may deviate significantly from the example shown here and may give different characteristics. In particular, z. B.
  • the saturation region II is omitted, because by inhomogeneous electric fields gas discharge effects already occur at voltages below the saturation voltage.
  • a burner 12 arranged in a combustion chamber 11 and designed as an electrically conductive burner is shown, in which a flame 13 burns.
  • a ring electrode 14 is arranged, which surrounds the Flam ⁇ me 13 and is connected via a passage 15 through the combustion chamber wall with a power supply unit 16 such that between the electrode 14 and the burner 12 provided by the device 16 time-varying voltage U (t) is applied, which is selected in this example as stakege leopard ⁇ voltage.
  • a transducer 17 detects the current generated by the voltage between the burner 12 and electrode 14 in the flame, the current I and the
  • Frequency spectrum f (V) are registered.
  • a control computer can occur, the detected quantities I and f (V) are converted into an electrical signal E, with the aid of the regulator 19 for regulating the voltage with respect to amplitude, pulse shape and frequency in the power supply unit 16 is used. If the measured current strength is removed from the nominal range dependent on the operating conditions of the burner 12, or if current fluctuations occur in an undesired frequency range, the amplitude, pulse shape and frequency of the voltage are removed
  • the example described with reference to FIG 2 includes the on ⁇ application of the probe signals produced by the field electrodes to control mechanical elements, in particular valves, a.
  • each has a further measuring transducer 17 ', a further measuring transducer 18', a further regulator 19 'and a regulating valve 20 with which, for example, the air supply of the burner 12 can be changed.
  • the control ⁇ signal for the valve 20 can also be derived from the first transducer 18, as is indicated in Figure 3 by a dashed line ⁇ ge.
  • Passage 18 is a control in place of the measuring transducer ⁇ computer, this will to be used in combination with the electrode system, to determine a portion of the current-voltage characteristic curve 1 of the flame under the currently prevailing conditions, having a memory of a computer is not described in detail here comparing stored reference characteristic curve and, if necessary, to change the conditions so that the actual characteristic curve Annae the target characteristic ⁇ Hert, and is largely identical with the latter.
  • Is is the total voltage U (t) in the linear region of the characteristic curve, whereby this case Darge in Figure 4 by the signal Si ⁇ represents a current is caused according to the signal S 'i, said current the voltage signal Si is proportional.
  • the amplitude of Si is line a measure of the steepness of the characteristic ⁇ . If the total voltage lies in the non-linear region of the characteristic (signal S2), the current signal S '2 is in comparison is distorted to the voltage signal S 2 , wherein the - quantifiable distortion, for example by Fourier analysis - is a measure of the curvature of the characteristic.
  • the equivalent circuit of the combination of flame and electrode system not shown here in detail contains a resistive as well as a capacitive component.
  • ⁇ occurs, between the signals Si and S 'i or. between the signals S 2 and S ' 2, a phase shift ⁇ , which is also detected and evaluated in terms of flame control ⁇ .
  • Figure 5 illustrates another example of the temporal course of a voltage for control, and "exploratory" of a combustion process, is subjected to a high voltage electric ⁇ de with respect to the electrical ground.
  • a burner with air ratios or mass flows outside its optimum can be used for the permanent Reduzie ⁇ tion of polluting emissions and to stabilizing the combustion, a DC voltage 21 is applied. for the
  • control voltage 22 consists of an AC voltage with an offset.
  • the control voltage is impressed by a periodic probe voltage U s (t) whose frequency is high and whose amplitude is small in relation to the control voltage.
  • U s (t) whose frequency is high and whose amplitude is small in relation to the control voltage.
  • capacitive coupling of transducers enables simple potential separation.
  • voltages which cover the entire voltage range relevant to the characteristic curve of a flame shown in FIG.
  • the application of high frequency alternating voltages, the diode-like characteristic is used in Figure 1 1, it is possible to obtain a unipolar current in pe-periodic ⁇ agent.
  • embodiments include cylindrical ring electrodes, needle electrodes, spherical electrodes and rod electrodes and combinations of said forms, wherein the electrodes of all embodiments can be coated with a nonconductive, dielectrically acting or with a resistive current limiting, in particular ion conductive ceramic material.
  • control voltage in an electrically insulating sheath of the electrodes, the control voltage must be impressed as AC voltage or pulse voltage.

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Abstract

Es ist bereits eine spezifische Elektrodenanordnung für einen Brenner bekannt, mit dem über elektrische Felder die Flamme des Brenners so beeinflusst wird, dass elektrische Felder nur solche Bereiche der Flamme durchsetzt, in denen es eine stabilisierende und schadstoffmindernde Wirkung entfaltet. Bei der Erfindung dienen die dabei verwendeten Elektroden gleichzeitig sowohl als Sonden zur Detektion von Flammeneigenschaften als auch als aktive Feldelektroden zur Beeinflussung der Flammeigenschaften. Dabei können die Sondensignale ohne Beteiligung mechanischer Elemente trägheitslos auf die an den Elektroden anliegende Spannung zurückwirken. Bei der zugehörigen Vorrichtung mit einem Brenner und zugehörigen Elektroden und einem Spannungsversorgungsgerät (16) liefert das Spannungsversorgungsgerät (16) eine zeitlich veränderliche Spannung (U (t)) und ist wenigstens ein Messwertaufnehmer (17, 17') vorhanden, der den durch die Spannung zwischen den beiden Elektroden (12, 14) in der Flamme (13) erzeugten Strom erfasst und nach Verstärkung auf das Spannungsversorgungsgerät (16) rückkoppelt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Vorrichtungen und Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen durch elektrische Mittel sind aus zahlreichen Druckschriften bekannt . Der Einsatz elektrischer Mittel, insbesondere elektrischer Felder und Entladungen, zielt auf die Verbesserung der Stabilität des Verbrennungsprozesses , die
Verminderung der Schadstoffemission und die Unterdrückung von Brennkammerschwingungen . Beispiele hierfür sind die WO 96/01394 Al und die DE 101 37 683 C2.
In der WO 96/01394 Al werden Elektrodenanordnungen angegeben, die in einer Brennkammer im Bereich der dort brennenden Flamme angeordnet sind, mit Spannungen unterschiedlichen zeitli¬ chen Verlaufs beaufschlagt werden und einen Einfluss im Sinne einer verminderten Emission schädlicher Substanzen wie Ruß , Kohlendioxid, unverbrannter organischer Substanzen und StickstoffVerbindungen bewirken sollen .
Die DE 101 37 683 C2 verfolgt neben dem Zweck der Schadstoff¬ minderung das Ziel, die Stabilität der Verbrennung zu verbes- sern und insbesondere thermoakustische Emissionen zu unter¬ drücken . Die dazu eingesetzten Mittel unterscheiden sich von den in der WO 96/01394 Al beschriebenen dadurch, dass die Elektroden auf der der Flamme abgewandten Seite der Brennkammer angebracht sind .
Ein wesentlicher Vorteil der Beeinflussung von Flammen durch elektrische Felder und Entladungen besteht darin, dass sich das Verfahren zur trägheitslosen Steuerung und Regelung von Verbrennungsprozessen nutzen lässt . Dies setzt voraus , dass Sensoren vorhanden sind, die die zu beeinflussenden Größen erfassen .
Sensoren zur Aufnahme von Signalen unterschiedlicher Art aus Flammen sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt . Im vorliegenden Zusammenhang sind solche Sensoren relevant , die aus Elektroden bestehen, die in die Flamme oder in die Nähe der Flamme gebracht werden, um elektrische Eigenschaften der Flamme zu messen .
Ein Beispiel hierfür findet sich in der US 5 049 063 A, in der eine in die Flammenspitze hinein reichende Elektrode be¬ schrieben wird, die zur Messung eines Ionenstroms herangezo- gen wird . Eine Ionisationselektrode ist auch bei der
DE 196 32 983 C2 vorhanden, die eine Regeleinrichtung für einen Gasbrenner betrifft . Bei beiden Dokumenten wird in Verbindung mit geeigneten Verstärkern und Filtern das durch die Sonde erzeugte Signal benutzt , um den Verbrennungsprozess , beispielsweise durch Einflussnahme auf die Luft- oder Gaszu¬ fuhr mittels eines Regelventils , in vorteilhafter Weise zu steuern . Die Sonde selbst dient dabei ausschließlich zur De- tektion von Flammeneigenschaften und wird selbst nicht zur Beeinflussung des Verbrennungsprozesses benutzt . Weiterhin ist aus der EP 0 775 870 Bl eine Vorrichtung zur Dämpfung thermoakustischer Schwingungen insbesondere einer Brennkammer für eine Gasturbine mit elektrisch beeinflussbarer Brennkammer bekannt , bei der ein in der Brennkammer installierter Drucksensor Druckschwingungen erfasst und ein Signal für eine Elektrode in der Brennkammer zwecks elektronischer Steuerung der Flamme generiert .
Ein Nachteil der herkömmlichen Technik liegt darin, dass die Einwirkung auf den Verbrennungsvorgang über mechanische Sys- teme wie Ventile erfolgt , die dem Verschleiß unterliegen und eine Reaktionszeit aufweisen, die insbesondere zur Beherr¬ schung von Brennkammerschwingungen zu lang sein kann . Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren des Standes der Technik soweit zu ergänzen, dass eine verbesserte Beein¬ flussung des Verbrennungsvorganges möglich ist . Daneben soll eine zugehörige Vorrichtung geschaffen werden .
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa¬ tentanspruches 1 gelöst . Eine zugehörige Vorrichtung ist im Anspruch 7 angegeben . Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Der Erfindungsgedanke besteht darin,
- Elektroden, die zur Beeinflussung der Verbrennung durch elektrische Felder und Entladungen, wie beispielsweise im Sinne der DE 101 37 683 C2 , in einer Brennkammer in- stalliert werden, auch zur Detektion von Flammeneigenschaften einzusetzen
- bzw . eine oder mehrere in einer Brennkammer bereits vorhandene Elektroden, die der Detektion von Flammeneigenschaften dienen, als Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes oder einer elektrischen Gasentladung zu benutzen, die die Verbrennung im oben genannten Sinne beeinflussen .
Dabei ist entscheidend, dass die Elektroden gleichzeitig so¬ wohl als Sonden zur Detektion von Flammeneigenschaften als auch als aktive Feldelektroden zur Beeinflussung der Flammeneigenschaften dienen und die mittels dieser Elektroden erzeugten Sondensignale ohne Beteiligung mechanischer Elemente trägheitslos auf die an den Elektroden anliegende Spannung zur Verbrennungssteuerung zurückwirken . Separate Sonden zur Signalerfassung sind nicht notwendig .
Die Erfindung ist in unterschiedlichen Gebieten anwendbar . Dabei ist im industriellen Bereich eine Anwendung insbesondere bei Gasturbinen, aber auch bei prozesstechnisch eingesetz- ten Brennern möglich . Bei den dort auftretenden hohen thermischen Belastungen erweist sich eine einzige Durchführung als besonders vorteilhaft . Darüber hinaus ist auch die Anwendung der Erfindung im Haustechnikbereich für Heizung und Warmwas- seraufbereitung, bei dem es um Kostenreduzierung geht , vorteilhaft . Während bei der industriellen Nutzung die Schad- stoffminderung von besonderer Bedeutung ist , wird im Haustechnikbereich die Brennstoffausnutzung und Geruchsminderung im Vordergrund stehen .
Bei der Erfindung gibt es keinerlei Einschränkungen hinsicht¬ lich Art des Brennstoffes (Erdgas , Synthesegas , Öl) , Brenn¬ stoff-Luft-Gemische (brennstoffarm, stöchiometrisch, oder brennstoffreich) und/oder Anzahl sowie Art der gesteuerten Flammen (Diffusionsflammen, teilvorgemischte Flammen, Vor- mischflammen) im Brenner .
Die Erfindung nutzt die Tatsache aus , dass ein elektrisches Feld in einer Flamme einen Ladungsträgertransport hervorruft , der einen elektrischen Strom zwischen den felderzeugenden Elektroden bewirkt . Stärke, zeitlicher Verlauf und Frequenz des elektrischen Stroms hängen sowohl für die Sondenmessung als auch für die elektrische Steuerung einerseits von der aufgeprägten Spannung, andererseits von den Eigenschaften der Flamme, insbesondere von deren Leitfähigkeit und ihrer räum¬ lichen Verteilung, ab . Der Zusammenhang zwischen der an den Elektroden anliegenden Spannung und der Stärke des dadurch hervorgerufenen Stroms lässt sich durch eine Strom-Spannungs- kennline, die nachfolgend auch als Sondenkennlinie bezeichnet wird, verdeutlichen, die weiter unten im Einzelnen beschrieben wird .
Die Erfindung umfasst das Anlegen einer zeitlich veränderli- chen Spannung zur Steuerung der Verbrennung, wobei der dadurch hervorgerufene zeitveränderliche Strom direkt zur Dia¬ gnostik des Verbrennungsprozesses herangezogen wird . Sie be¬ inhaltet ferner das Aufprägen einer periodischen Sondenspannung („probe voltage") auf die Steuerspannung („control vol- tage") , wobei die Grundfrequenz der Sondenspannung hoch gegenüber typischen Signalfrequenzen der Steuerspannung ist , und die Trennung des Sondenstromes vom Steuerstrom anhand ei¬ ner Frequenzweiche . In einer besonders vorteilhaften Ausfüh- rungsform beinhaltet die Erfindung die Anwendung amplitudenmodulierter, hochfrequenter Spannungen für Steuerung und Analyse, wobei die diodenartige Kennlinie, d . h . die Asymmetrie des Verhaltens hinsichtlich positiver und negativer Polari- tat , von Elektrodensystemen in Flammen ausgenutzt wird .
Die Erfindung umfasst weiter die Anwendung von Mehrelektrodensystemen, die von einer gemeinsamen oder aber von jeweils einer oder mehreren Elektroden zugeordneten, geregelten Span- nungsquellen versorgt werden . Die Vorteile eines Mehrelektro¬ densystems liegen insbesondere darin, dass räumlich aufgelös¬ te Messungen möglich sind und die Verbrennung über einen ausgedehnten Lastbereich mit stark variierender räumlicher Struktur gesteuert werden kann .
Die Erfindung bezieht sich ferner auf Kombinationen von Systemen, bei denen mindestens eine Elektrode sowohl als FeId- und Messelektrode im Sinne des oben ausgeführten Erfindungs¬ gedankens wirkt und mindestens eine weitere Elektrode aus- schließlich als Messelektrode oder Feldelektrode eingesetzt ist .
Schließlich erstreckt sich die Erfindung speziell auf eine solche, im vorangehenden Absatz genannte Kombination, bei der eine oder mehrere Elektroden zeitweilig ausschließlich als Messelektrode oder als Feldelektrode wirken .
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen . Es zeigen
Figur 1 die bereits erwähnte Kennlinie,
Figur 2 und Figur 3 in schematischer Darstellung zwei Alter- nativen eines turbinenartigen Brenners mit zugehörigen Mitteln zur Diagnose und Beeinflussung des Verbrennungsvorganges ,
Figur 4 eine Strom-Spannungs-Kennlinie und Figur 5 den zeitlichen Verlauf der Spannung für Steuerungszwecke .
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer Sondenkennlinie 1. Bei AnIe- gen kleiner Spannungen positiver Polarität ergibt sich eine stetig mit der Spannung ansteigende, dieser proportionale Stromstärke . Im Bereich I resultiert daraus ein linearer Ab¬ schnitt der Kennlinie 1 , in dem die Drift der in der Reakti¬ onszone der Verbrennung gebildeten Ionen und Elektronen einen Stromfluss in der Hochspannungselektrode induziert . Bei fort¬ schreitendem Anstieg der Spannung werden durch Ladungstrennung Raumladungsschichten gebildet , welche die Stromstärke oberhalb einer gewissen Spannung auf den Sättigungsstrom begrenzen, der von der Ionisationsrate in der Reaktionszone der Verbrennung abhängt . Der dadurch charakterisierte Bereich wird als Sättigungsbereich III bezeichnet . Anschließend er¬ folgt im Bereich IV wiederum ein Anstieg der Sondenkennlinie 1.
Bei Spannungen negativer Polarität ergeben sich deutlich kleinere Sondenströme als bei positiver Polarität , und wegen der hohen Elektronenbeweglichkeit geht das Signal sehr viel schneller in eine Sättigung, so dass linearer Bereich und Sättigungsbereich nicht deutlich von einander getrennt er- scheinen . Der Bereich II umfasst deshalb den linearen Teil und den Sättigungsbereich der Sondenkennlinie 1 für negative Polarität .
Für positive Polarität wurde bereits der Sättigungsbereich III definiert . Bei weiterer betragsmäßiger Erhöhung der Spannung werden die elektrischen Feldstärken so hoch, dass Elektronenvermehrung durch ionisierende Stöße einsetzt . Die sich im bereits erwähnten Bereich IV anschließenden Kennlinienabschnitte sind durch selbständige Gasentladungseffekte ge- prägt . Sinngemäß Gleiches gilt sinngemäß für die negative Po¬ larität im Bereich V. Je nach Druck, Temperatur, GasZusammensetzung und Platzierung der Elektroden kann die Sondenkennlinie 1 von dem hier gezeigten Beispiel deutlich abweichen und können sich andere Kennlinien ergeben . Insbesondere kann z . B . der Sättigungsbe- reich II wegfallen, weil durch inhomogene elektrische Felder Gasentladungseffekte bereits bei Spannungen unterhalb der Sättigungsspannung auftreten .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist ein in einer Brennkam- mer 11 angeordneter, als elektrisch leitend gedachter Brenner 12 dargestellt , in dem eine Flamme 13 brennt . Im Bereich der Flamme ist eine Ringelektrode 14 angeordnet , welche die Flam¬ me 13 umschließt und über eine Durchführung 15 durch die Brennkammerwand mit einem Spannungsversorgungsgerät 16 derart verbunden ist , dass zwischen der Elektrode 14 und dem Brenner 12 die vom Gerät 16 bereitgestellte zeitlich veränderliche Spannung U (t ) anliegt , die in diesem Beispiel als Sägezahn¬ spannung gewählt ist . Ein Messwertaufnehmer 17 erfasst den durch die Spannung zwischen Brenner 12 und Elektrode 14 in der Flamme erzeugten Strom, wobei die Stromstärke I und das
Frequenzspektrum f (V) registriert werden . In einem Messumformer 18 , an dessen Stelle auch ein Steuerungsrechner treten kann, werden die erfassten Größen I und f (V) in ein elektrisches Signal E umgesetzt , das mit Hilfe des Reglers 19 zur Regelung der Spannung bezüglich Amplitude, Pulsform und Frequenz im Spannungsversorgungsgerät 16 benutzt wird . Entfernt sich die gemessene Stromstärke aus dem von den Betriebsbedingungen des Brenners 12 abhängigen Sollbereich oder treten Stromschwankungen in einem nicht erwünschten Frequenzbereich auf, werden Amplitude, Pulsform und Frequenz der Spannung
U (t ) sowie ihre Phase bezüglich des Messsignals so geregelt , dass die an den Elektroden gemessenen Eigenschaften wieder im Sollbereich liegen .
Das anhand der Figur 2 beschriebene Beispiel schließt die An¬ wendung der mittels der Feldelektroden erzeugten Sondensignale zur Steuerung mechanischer Elemente, insbesondere von Ventilen, ein . Dies wird im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ver- deutlicht , das zusätzlich zu den Elementen der Figur 2 jeweils einen weiteren Messwertaufnehmer 17 ' , einen weiteren Messwertumformer 18 ' , einen weiteren Regler 19' sowie ein Regelventil 20 aufweist , mit welchem beispielsweise die Luftzu- fuhr des Brenners 12 verändert werden kann . Das Steuerungs¬ signal für das Ventil 20 kann auch vom ersten Messwertumformer 18 abgeleitet werden, wie es in Figur 3 durch eine ge¬ strichelte Linie angedeutet ist .
Tritt an die Stelle des Messwertumformers 18 ein Steuerungs¬ rechner, wird dieser in Kombination mit dem Elektrodensystem dazu benutzt , einen Abschnitt der Strom-Spannungskennlinie 1 der Flamme unter den aktuell herrschenden Bedingungen zu bestimmen, mit einer im Speicher eines hier nicht im Einzelnen beschriebenen Rechners hinterlegten Soll-Kennlinie zu vergleichen und nötigenfalls die Bedingungen so zu verändern, dass die tatsächliche Kennlinie sich der Sollkennlinie annä¬ hert und mit dieser weitgehend identisch wird .
Das der Kennlinienmessung zugrunde liegende Prinzip wird an Hand der Figur 4 verdeutlicht , in der in vereinfachter Darstellung lediglich jeweils ein linearer Bereich L und ein nichtlinearer Bereich NL der Strom-Spannungskennlinie 1 einer Flamme gezeigt wird . Zwischen den Elektroden wird eine Steu- erspannung U0 angelegt , der eine weitere, periodisch verän¬ derliche, hier beispielhaft als sinusförmig (Ui = Uio • sinωt ) dargestellte Sondenspannung überlagert ist , so dass Gleichung ( 1 ) gilt :
U (t ) = U0 + Uio - sin (ωt ) ( 1 )
Liegt die Gesamtspannung U (t ) im linearen Bereich der Kennlinie, wobei dieser Fall in Figur 4 durch das Signal Si darge¬ stellt ist , wird ein Strom gemäß dem Signal S ' i bewirkt , wo- bei der Strom dem Spannungssignal Si proportional ist . Dabei ist die Amplitude von Si ein Maß für die Steilheit der Kenn¬ linie . Liegt die Gesamtspannung im nichtlinearen Bereich der Kennlinie ( Signal S2) , ist das Stromsignal S ' 2 im Vergleich zum Spannungssignal S2 verzerrt , wobei die - beispielsweise durch Fourier-Analyse - quantifizierbare Verzerrung ein Maß für die Krümmung der Kennlinie ist .
Das hier nicht im Einzelnen dargestellte Ersatzschaltbild der Kombination aus Flamme und Elektrodensystem enthält neben einer resistiven auch eine kapazitive Komponente . Dadurch be¬ dingt , tritt zwischen den Signalen Si und S ' i bzw . zwischen den Signalen S2 und S ' 2 eine Phasenverschiebung Δφ auf, die ebenfalls detektiert und im Sinne einer Flammensteuerung aus¬ gewertet wird .
Figur 5 stellt ein weiteres Beispiel für den zeitlichen Verlauf einer Spannung für Steuerung und „Sondierung" eines Verbrennungsprozesses dar, mit der eine Hochspannungselektro¬ de gegenüber der elektrischen Masse beaufschlagt wird . Wenn ein Brenner mit Luftzahlen oder Massenströmen außerhalb seines Optimums betrieben wird, kann für die dauerhafte Reduzie¬ rung von Schadstoffemissionen und zur Stabilisierung der Verbrennung eine Gleichspannung 21 angelegt werden . Für die
Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen können der Gleichspannung 21 Wechselspannungen mit Frequenzen im Bereich 1 Hz bis 10 kHz überlagert werden, so dass die Steuerspannung 22 aus einer Wechselspannung mit einem Offset besteht . Um Zu- Standsänderungen schnell diagnostizieren zu können, wird der Steuerspannung eine periodische Sondenspannung Us (t ) aufgeprägt , deren Frequenz groß und deren Amplitude klein gegenüber der der Steuerspannung ist . Dadurch ergibt sich eine Elektrodenspannung 24 , die für Steuerungszwecke eine Gleich- Spannungskomponente und eine Wechselspannungskomponente und zur Verbrennungsdiagnostik eine Wechselspannungskomponente in einem Frequenzbereich enthält , der nicht für Steuerungszwecke benötigt wird . Deshalb können Messsignale mit Hilfe einfacher elektronischer Mittel, wie insbesondere Bandpassfilter oder anderer Anordnungen aus Drosseln, Widerständen und Kondensatoren, von Steuersignalen getrennt werden . Außerdem ist durch kapazitive Ankoppelung von Messaufnehmern eine einfache Potentialtrennung möglich . Über vorstehend beschriebene Beispiele hinaus ist in weiteren Beispielen eine Anwendung von Spannungen, die den gesamten in Figur 1 gezeigten, für die Kennlinie einer Flamme relevanten Spannungsbereich abdecken, möglich . Auch die Anwendung von hochfrequenten Wechselspannungen, wobei die diodenartige Kennlinie 1 aus Figur 1 genutzt wird, ist möglich, um im pe¬ riodischen Mittel einen unipolaren Strom zu erhalten .
Der aus den einzelnen Beispielen entnehmbare allgemeine Erfindungsgedanke beschränkt sich aber nicht auf die in den Fi¬ guren 2 und 3 lediglich beispielhaft beschriebenen, innerhalb einer Brennkammer angeordneten toroidalen, bezüglich des Brenners koaxialen, Ringelektroden . Weitere Ausführungsformen umfassen vielmehr zylindrische Ringelektroden, Nadelelektroden, Kugelelektroden und Stabelektroden sowie Kombinationen der genannten Formen, wobei die Elektroden sämtlicher Ausführungsformen mit einem nicht leitenden, dielektrisch wirkenden oder mit einem resistiv-strombegrenzenden, insbesondere io- nenleitenden keramischen Material beschichtet sein können .
Es ist ersichtlich, dass bei einer elektrisch isolierenden Ummantelung der Elektroden die Steuerspannung als Wechselspannung oder Impulsspannung eingeprägt sein muss . Hierzu wird insbesondere auf die eingangs zitierte DE 101 37 683 C2 verwiesen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beeinflussung von Verbrennungsvorgängen, bei dem elektrische Mittel zur Führung von wenigstens einer Flam- me und/oder Änderung von Flammeneigenschaften eingesetzt werden, mit folgenden Merkmalen :
- die wenigstens eine Flamme wird durch Anlegen einer Span¬ nung an Elektroden der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzt , - die Elektroden werden gleichzeitig sowohl als Sonden zur Detektion von Flammeneigenschaften als auch als aktive Feldelektroden zur Beeinflussung der Flammeigenschaften verwendet ,
- und die so erzeugten Sondensignale wirken ohne Beteiligung mechanischer Elemente trägheitslos auf die zur Verbren¬ nungssteuerung an den Elektroden anliegende Spannung zurück,
- wobei der durch den Ladungstransport in der Flamme bewirkte elektrische Strom zwischen den felderzeugenden Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Signals genutzt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass Amplitude, zeitlicher Verlauf und Frequenz des Sondensignals zur Steuerung der Spannungsversorgung der felderzeugenden Elektroden herangezogen werden .
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , dass zur Auswertung der Frequenz des Sondensignals eine Fourier- Analyse des Sondensignals durchgeführt wird .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , dass als an den Elektroden angelegte Spannung eine Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung verwendet wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet , dass der Steuerspannung eine periodische Son¬ denspannung, deren Frequenz groß und deren Amplitude klein gegenüber der Steuerspannung ist , aufgeprägt wird .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einer Gasturbine .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einem Industriebrenner .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch die Anwendung bei einem Haushaltsbrenner .
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8 , mit einem Brenner und dem Brenner zugeordneten Elektroden, wobei der Brenner aus metal- lischem Material die erste Elektrode darstellt und eine zwei¬ te Elektrode sowie ein Spannungsversorgungsgerät vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet , dass das Spannungsversorgungs¬ gerät ( 16 ) eine zeitlich veränderliche Spannung (U (t ) ) lie¬ fert und dass wenigstens ein Messwertaufnehmer ( 17 , 17 ' ) vor- handen ist , der den durch die Spannung zwischen den beiden Elektroden ( 12 , 14 ) in der Flamme ( 13 ) erzeugten Strom ( I = f (U) ) erfasst .
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass Mittel zur Erfassung und Auswertung des Frequenzspektrums
(f (v) ) vorhanden sind .
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10 , gekennzeichnet durch einen Messumformer ( 8 , 8 Λ ) zur Umsetzung der Messgrößen ( I , f (V) ) in ein elektrisches Signal (E) , das in das Spannungsversorgungsgerät ( 6 ) rückgekoppelt wird .
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet , dass ein Steuerungsrechner vorhanden ist .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12 , dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens ein Regler ( 19, 19' ) zur Re- gelung der Spannung bezüglich Amplitude, Pulsform und/oder Frequenz des Stromes ( I = f (U) ) vorhanden ist .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 , gekenn- zeichnet durch abgespeicherte Kennlinien als Führungsgrößen zur Steuerung des Spannungsversorgungsgerätes ( 16 ) , welche im Gerät oder im Speicher des Rechners hinterlegt ist .
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 , dadurch gekennzeichnet , dass für die Erzeugung der Steuer- und Son¬ denspannung an den Elektroden ( 12 , 14 ) Mittel zur Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung vorhanden sind .
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15 , dadurch gekennzeichnet , dass dem Messwertaufnehmer ( 17 , 17 ' ) Mittel zur Trennung von Steuerspannung und Sondensignal zugeordnet sind .
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16 , gekenn- zeichnet durch die Ansteuerung mechanischer Aktoren für den
Brenner ( 12 ) durch das Steuerungssignal .
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17 , dadurch gekennzeichnet , dass durch das Steuerungssignal ein Ventil (20 ) angesteuert wird .
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18 , dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens die zweite Elektrode ( 14 ) mit keramischem Material ummantelt ist
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet , dass der Brenner ( 12 ) durch eine Abschirmung aus ionenleitendem Material umgeben ist , wobei eine Durchführung ( 15 ) zur Spannungsversorgung der zweiten Elektrode ( 14 ) vorhanden ist .
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