WO2008014626A1 - Verfahren zur regelung eines brenners - Google Patents

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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/08—Regulating fuel supply conjointly with another medium, e.g. boiler water
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2227/00—Ignition or checking
    • F23N2227/10—Sequential burner running

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a burner according to the preamble of claim 1.
  • Such burners are advantageously used in boilers of residential buildings, with the combination burner / boiler heat for the heating of rooms and usually also for the preparation of domestic hot water is generated.
  • Such boilers are advantageously designed as condensing boiler, through the design of which the exhaust gas is condensed, so that the heat of vaporization is used profitably.
  • the difference between the boiler water temperature and the boiler water temperature setpoint value is used, the boiler water temperature setpoint for the heating operation is derived from the current outside temperature, as known for example from DE-C3-25 49 561 is. If the difference between actual and setpoint is large, the burner is operated at high power. If the difference between actual and setpoint is small, the burner is operated at low power. At the moment of turning on the burner, the difference has its maximum value. The burner is running great performance. If the burner generates heat, the boiler water is heated. As a result, the boiler water temperature actual value increases continuously. Thus, the difference between the actual and setpoint continuously decreases, with the result that the performance of the burner is further reduced.
  • EP-A1-0 781 965 discloses a gas-heated process water heating system and a method for controlling the process water temperature in such a system. This is about reacting to a fluctuating hot water tapping quantity so that the outlet temperature remains as constant as possible. Therefore, there is a means for measuring the flow of the extracted hot water. It is not apparent that a power limitation is provided for the burner, which could be prevented by the short burner run times.
  • the invention has for its object to prevent these short burner life.
  • the determination variable is additionally varied by limiting the current burner output by means of an additional parameter.
  • the difference between the boiler water temperature actual value and the boiler water temperature set point characterizes the actual heat requirement only insufficiently, because it depends also on which part of the respectively produced heat is taken off immediately from the heating circuit. If the heating circuit takes away a lot of heat, the boiler water temperature rises slowly when the burner is running. Does that take Heating circuit on the other hand, little heat from, then the boiler water temperature increases when the burner is running very fast. This then leads to a quick shutdown of the burner, so a short burner runtime.
  • the effectively effective burner output is thus determined not only by the difference between the boiler water temperature actual value and the boiler water temperature setpoint alone, but additionally by the boiler water temperature setpoint.
  • the sole figure shows a graph for the burner output in function of the boiler water temperature setpoint.
  • the boiler water temperature setpoint T KSO II is plotted.
  • the smallest possible value of room temperature corresponds to T RSO H of 20 degrees.
  • the largest possible value is the boiler water temperature maximum setpoint T ⁇ so iiMax- This is determined by the design of the boiler and by the type of heating system and is for example 70 degrees.
  • the boiler water temperature setpoint TK SO II is in a known manner a function of the outside temperature.
  • the burner power Q is plotted.
  • a modulating burner has a maximum operating power, referred to as rated power QN.
  • a burner can now not be operated with a power close to zero, but it has a certain design minimum performance Q min . Modulating the burner thus takes place within the limits Q min and QN.
  • the ratio QN TO Q min is usually referred to as the degree of modulation.
  • a degree of modulation of the value 3 thus means that the minimum power Q min is one third of the rated power QN.
  • This relative modulation degree M re i is 0% when the burner is running at a power equal to the minimum power Q mm , and it is 100% when the burner is running at its nominal power Q N.
  • Boiler water temperature setpoint T ⁇ s oii 45 degrees, namely
  • the straight line AB ⁇ can also be described as a function with the aid of which the degree of modulation M re i can be calculated in percent:
  • the burner output derived from the difference between the boiler water temperature value T ⁇ i St and the boiler water temperature setpoint T KSOII .
  • this difference is 20 degrees.
  • this value is used for the determination of the instantaneous power of the burner.
  • the boiler water temperature actual value Tjci st 20 degrees and the boiler water temperature setpoint TK SO H - 40 degrees, so that again usually used to control the burner power difference between the boiler water temperature T ⁇ i St and the boiler water temperature setpoint T ⁇ S0 n 20 degrees.
  • the difference of 20 degrees is now not used to control the burner power, but there is a power limitation according to the diagram of the figure.
  • the burner output is limited to 40%. It follows, therefore, that due to the power limitation of the invention, the duration of the burner is extended.
  • the temperature difference of 20 degrees was taken as an example to illustrate the effect of the invention. In practice, of course, it depends on the switching difference, which is effective in the controller. These can be values of the order of 8 or 10 degrees, for example. But much higher differences occur regularly, for example, the transition from a working in the heating night reduction to normal operation, often carried out in a so-called rapid heating, thus ensuring that the occurred overnight cooling of rooms and walls is compensated as quickly as possible. Especially with such a rapid heating prevents the inventive limitation of the burner power frequent switching on and off of the burner with all its adverse effects.
  • the connecting line between points A and B in the diagram does not necessarily have to be a straight line. Also possible is a hyperbolic line, which is shown in dotted lines in the diagram. This leads to a stronger one
  • the effective modulation factor M at , s in percent corresponding to the true burner power can be calculated from the relative modulation degree M re i by means of the relationship QN to Q min as follows:
  • the power control for the burner is carried out in the known manner by a ratio controller for the fuel / air mixture.
  • a ratio controller for the fuel / air mixture is carried out in the known manner.
  • the amount of fuel per unit time is regulated and the amount of air tracked.
  • Boiler water temperature maximum setpoint T ⁇ so ii Max is effective, it does not need to switch between heating and hot water storage to control the burner power.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines modulierenden Brenners, dessen Leistung zwischen einer Minimalleistung Q<SUB>min</SUB> und einer Nennleistung Q<SUB>N</SUB> variierbar ist, wobei die Leistung proportional zur Differenz zwischen einem Kesselwassertemperatur- Istwert T<SUB>Kist</SUB> und einem Kesselwassertemperatur-Sollwert T<SUB>Ksoll</SUB> regelbar ist. Erfindungsgemäß erfolgt eine Leistungsbegrenzung, die aus dem Kesselwassertemperatur-Sollwert T<SUB>Ksoll</SUB> abgeleitet ist. Dadurch wird erreicht, dass der Brenner bei kleinem Wärmebedarf länger in Betrieb bleibt, so dass die Zahl der Brennerstart kleiner wird.

Description

Verfahren zur Regelung eines Brenners
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung eines Brenners gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Brenner werden vorteilhaft in Heizkesseln von Wohngebäuden verwendet, wobei mit der Kombination Brenner/Heizkessel Wärme für die Heizung von Räumen und meist auch für die Bereitung von warmem Brauchwasser erzeugt wird. Solche Heizkessel sind vorteilhaft als kondensierende Kessel gestaltet, durch deren Bauart das Abgas kondensiert wird, so dass die Verdampfungswärme nutzbringend mitverwendet wird.
Weil bei jedem Start eines Brenners anfangs erhöhte Schadstoffemissionen auftreten und auch Energie aufgewendet werden muss, um den Brennraum vorzulüften, besteht schon seit langer Zeit das Bedürfnis, die Zahl der Einschaltvorgänge zu reduzieren und eine möglichst lange Brennerlaufzeit zu gewährleisten.
Stand der Technik
Um möglichst lange Brennerlaufzeiten zu erreichen, ist deshalb gemäß DE-C3-25 49 561 vorgesehen worden, die Schaltdifferenz des Thermostaten in Funktion der herrschenden Außentemperatur zu verändern. Gemäß DE-C2-39 32 327 ist darüber hinaus vorgesehen, die Schaltdifferenz auch noch von der Einstellung der Heizkennlinie für den Heizkreis abhängig zu machen.
Aus DE-Cl- 34 26 937 eine Lösung bekannt, bei der ein Hystereseschalter vorgesehen ist, dem ein Integrator vorgschaltet ist. Im Integrator wird die Differenz zwischen einer Bezugstemperatur und einer Messtemperatur integriert.
Zur Regelung der Leistung eines modulierenden Brenners wird üblicherweise die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert benutzt, wobei der Kesselwassertemperatur-Sollwert für den Heizbetrieb aus der aktuellen Außentemperatur abgeleitet ist, wie dies beispielsweise aus DE-C3-25 49 561 bekannt ist. Ist die Differenz zwischen Ist- und Sollwert groß, so wird der Brenner mit hoher Leistung betrieben. Ist die Differenz zwischen Ist- und Sollwert klein, so wird der Brenner mit geringer Leistung betrieben. Im Moment des Einschaltens des Brenners hat die Differenz ihren Maximalwert. Der Brenner läuft mit großer Leistung. Erzeugt der Brenner Wärme, so wird das Kesselwasser erwärmt. In der Folge steigt der Kesselwassertemperatur-Istwert fortlaufend an. Damit wird die Differenz zwischen Ist- und Sollwert fortlaufend kleiner, was zur Folge hat, dass die Leistung des Brenners immer weiter reduziert wird.
Aus EP-Al-O 781 965 sind eine gasbeheizte Brauchwasserheizanlage und ein Verfahren zur Regelung der Brauchwassertemperatur in einer solchen Anlage bekannt. Hier geht es darum, auf eine schwankende Warmwasser-Zapfmenge regeltechnisch so zu reagieren, dass die Auslauftemperatur möglichst konstant bleibt. Deshalb ist eine Einrichtung zur Messung des Durchflusses des entnommenen Warmwassers vorhanden. Es ist nicht erkennbar, dass dabei eine Leistungsbegrenzung für den Brenner vorgesehen ist, durch die kurze Brennerlaufzeiten verhindert werden könnten.
Es hat sich gezeigt, dass diese Betriebsweise nicht optimal ist, weil durchaus immer wieder sehr kurze Brennerlaufzeiten auftreten.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese kurzen Brennerlaufzeiten zu verhindern.
Beschreibung der Erfindung
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Verwendung der Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert als Bestimmungsgröße für die jeweilige aktuelle Brennerleistung reicht offenbar nicht aus. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Bestimmungsgröße zusätzlich dadurch zu variieren, dass mittels eines zusätzlichen Parameters die aktuelle Brennerleistung begrenzt wird.
Die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert charakterisiert den tatsächlichen Wärmebedarf nur unzureichend, denn es kommt auch noch darauf an, welcher Teil der jeweils produzierten Wärme sogleich vom Heizkreis abgenommen wird. Nimmt der Heizkreis viel Wärme ab, dann steigt die Kesselwassertemperatur bei laufendem Brenner nur langsam. Nimmt der Heizkreis dagegen wenig Wärme ab, dann steigt die Kesselwassertemperatur bei laufendem Brenner sehr schnell. Das führt dann zu einem schnellen Abschalten des Brenners, also zu einer kurzen Brennerlaufzeit.
Nach der Erfindung erfolgt eine Begrenzung der für den Regelbetrieb des Brenners erlaubten maximalen Brennerleistung durch den Sollwert der Kesselwassertemperatur als weitere Führungsgröße für den Wärmebedarf. Die effektiv wirksame Brennerleistung wird also nicht nur durch die Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert allein bestimmt, sondern zusätzlich noch durch den Kesselwassertemperatur-Sollwert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein Diagramm für die Brennerleistung in Funktion des Kesselwassertemperatur-Sollwerts. Auf der Abszissenachse ist der Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOII aufgetragen. Für den Heizbetrieb entspricht der kleinste mögliche Wert der Raumtemperatur TRSOH von 20 Grad. Der größte mögliche Wert ist der Kesselwassertemperatur-Maximal-Sollwert TκsoiiMax- Dieser ist durch die Bauart des Heizkessels und durch die Art der Heizungsanlage vorgegeben und beträgt beispielsweise 70 Grad. Der Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOII ist dabei in bekannter Weise eine Funktion der Außentemperatur.
Auf der Ordinatenachse ist die Brennerleistung Q aufgetragen. Ein modulierender Brenner hat eine maximale Betriebsleistung, bezeichnet als Nennleistung QN. Ein Brenner kann nun nicht mit einer Leistung nahe Null betrieben werden, sondern er hat bauartbedingt eine bestimmte Minimalleistung Qmin. Das Modulieren des Brenners erfolgt also in den Grenzen Qmin und QN- Das Verhältnis QN ZU Qmin wird üblicherweise als Modulationsgrad bezeichnet. Ein Modulationsgrad vom Wert 3 bedeutet also, dass die Minimalleistung Qmin ein Drittel der Nennleistung QN beträgt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird hier ein relativer Modulationsgrad Mrei eingeführt. Dieser relative Modulationsgrad Mrei ist 0 %, wenn der Brenner mit einer Leistung läuft, die der Minimalleistung Qmm entspricht, und er ist 100 %, wenn der Brenner mit seiner Nennleistung QN läuft. Erfmdungsgemäß ist nun dem Kesselwassertemperatur-Sollwert TκS0n = 20 Grad die Minimalleistung Qmjn zugeordnet und dem Kesselwassertemperatur-Maximal- Sollwert TκSoiiMax die Nennleistung QN- Diese beiden Punkte, im Diagramm mit A bzw. B bezeichnet, sind durch eine Gerade verbunden. Somit besteht zwischen diesen beiden Grenzen eine lineare Beziehung. Diese Gerade ist der erfindungsgemäß maximal zulässige Modulationsgrad Mrei.
Aus dem Diagramm lässt sich ablesen, dass bei einem Kesselwassertemperatur- Sollwert TKSOII = 45 Grad der maximal zulässig relative Modulationsgrad Mrei 50 % beträgt. Damit beträgt die im Regelbetrieb maximal zulässige Brennerleistung für einen
Figure imgf000006_0001
Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκsoii = 45 Grad, nämlich
Üblicherweise ist ein Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOII = 20 Grad einen Raumtemperatur-Sollwert TRSOH = 20 Grad zugeordnet. Somit lässt sich die Gerade AB ■ auch beschreiben als Funktion, mit deren Hilfe der Modulationsgrad Mrei in Prozent berechenbar ist:
Dass dies dazu führt, kurze Brennerlaufzeiten zu verhindern, wird anhand von Beispielen
T — T
M = ■ Ks0" - Rsoll -x lOO
T 1 KSoIl max - T Rsoll erläutert.
Üblicherweise wird die Brennerleistung, wie eingangs erwähnt, aus der Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert TκiSt und dem Kesselwassertemperatur- Sollwert TKSOII abgeleitet. Angenommen sei, dass bei einem Brennerstart diese Differenz 20 Grad betrage. Bei Brennerregelungen nach dem Stand der Technik wird allein dieser Wert für die Festlegung der momentanen Leistung des Brenners benutzt. Nun seien aber zwei mögliche Fälle unterschieden:
Im ersten Fall sei der Kesselwassertemperatur-Istwert TκiSt = 50 Grad und der Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOII = 70 Grad. Es ist leicht erkennbar, dass dieser Fall auftritt, wenn sehr kalte Witterung herrscht. Aus dem Diagramm lässt sich nun ablesen, dass bei einem Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOH = 70 Grad der zulässige Modulationsgrad Mrei — 100 % beträgt. Der Brenner wird also mit voller Leistung starten. Wenn dann Wärme erzeugt wird, wird in der Folge die der Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert TκiSt und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOH abnehmen, was dann zur einer Reduktion der Brennerleistung führt.
Im zweiten Fall sei der Kesselwassertemperatur-Istwert Tjcist = 20 Grad und der Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOH - 40 Grad, so dass auch hier die zur Regelung der Brennerleistung üblicherweise herangezogene Differenz zwischen dem Kesselwassertemperatur-Istwert TκiSt und dem Kesselwassertemperatur-Sollwert TκS0n 20 Grad beträgt. Es ist aber klar, dass dieser Fall auftritt, wenn keine sehr kalte Witterung herrscht. Erfindungsgemäß wird nun aber nicht die Differenz von 20 Grad zur Regelung der Brennerleistung benützt, sondern es erfolgt eine Leistungsbegrenzung gemäß dem Diagramm der Figur. Bei einem Kesselwassertemperatur-Sollwert Tκson = 40 Grad wird die Brennerleistung auf 40 % begrenzt. Daraus folgt nun, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Leistungsbegrenzung die Laufzeit des Brenners verlängert wird.
Die Temperaturdifferenz von 20 Grad wurde zur Verdeutlichung der Wirkung der Erfindung als Beispiel angenommen. In der Praxis kommt es natürlich auf die Schaltdifferenz an, die im Regler wirksam ist. Das können beispielsweise Werte in der Größenordnung von 8 oder 10 Grad sein. Sehr viel höhere Differenzen treten aber regelmäßig auf, beispielsweise beim Übergang von einer im Heizkreis wirkenden Nachtabsenkung auf den Normalbetrieb, bei dem oftmals eine sogenannte Schnellaufheizung vorgenommen, damit erreicht wird, dass die über Nacht aufgetretene Abkühlung von Räumen und Wänden möglichst schnell ausgeglichen wird. Gerade bei einer solchen Schnellaufheizung verhindert die erfindungsgemäße Begrenzung der Brennerleistung ein häufiges Ein- und Ausschalten des Brenners mit all seinen nachteiligen Wirkungen.
Je geringer der effektive Wärmebedarf, desto stärker wirkt sich die Leistungsbegrenzung hinsichtlich Verlängerung der Brennerlaufzeit aus. Somit wird auch die Zahl der Brennerstarts vermindert. Insbesondere beim Verdampferbrennern wirkt sich das auch in der Weise aus, dass der zusätzliche Energiebedarf für den Brennerstart durch Vorlüften des Brennraums und durch elektrische Aufheizung der Verdampferkammer insgesamt deutlich kleiner wird.
Die Verbindungslinie zwischen den Punkten A und B im Diagramm muss nicht notwendigerweise eine Gerade sein. Möglich ist auch eine hyperbelartige Linie, die im Diagramm punktiert eingezeichnet ist. Hierdurch kommt es zu einer stärkeren
Leistungsbegrenzung, die insbesondere bei geringerem als dem maximalen Wärmebedarf stark wirkt.
Der der wahren Brennerleistung entsprechende effektive Modulationsgrad Mat,s in Prozent lässt sich aus dem relativen Modulationsgrad Mrei mit Hilfe der Beziehung QN ZU Qmin wie folgt berechnen:
Figure imgf000008_0001
Die Leistungsregelung für den Brenner erfolgt in der bekannten Weise durch einen Verhältnisregler für das Gemisch Brennstoff/Luft. Es wird also die Brennstoffmenge pro Zeiteinheit geregelt und die Luftmenge nachgeführt.
Da üblicherweise der Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOII nur im Heizbetrieb variiert wird, während bei der Ladung des Warmwasserspeichers grundsätzlich der
Kesselwassertemperatur-Maximal-Sollwert TκsoiiMax wirksam ist, bedarf es für die Steuerung der Brennerleistung keines Umschalters zwischen Heizbetrieb und Warmwasserspeicherladung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines modulierenden Brenners, dessen Leistung zwischen einer Minimalleistung Qm;n und einer Nennleistung QN variierbar ist, wobei die Leistung proportional zur Differenz zwischen einem Kesselwassertemperatur-Istwert TκiSt und einem Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOÜ regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsbegrenzung erfolgt, die aus dem Kesselwassertemperatur-Sollwert TκS0n abgeleitet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximal regelbare Leistung des Brenners durch einen maximal zulässigen relativen Modulationsgrad Mrei bestimmt wird, der aus dem Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOII abgeleitet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Modulationsgrad Mrei mit abnehmendem Kesselwassertemperatur-Sollwert TκSoii sinkt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kesselwassertemperatur-Sollwert TKSOII = 20 Grad eine Minimalleistung Qmin und dem Kesselwassertemperatur-Maximal-Sollwert TκsoiiMax eine Nennleistung QN zugeordnet sind und dass zwischen diesen beiden Grenzen eine lineare Beziehung besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Modulationsgrad Mrei berechnet wird nach der Formel
T 1 Ksoll —— 17 R"soll
M ι rnel, = - -xlOO,
- T1 KSoII max —T x Rsoll in der TRSOH der Sollwert der Raumtemperatur ist.
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