燃烧器组件、操作燃烧器组件的方法和对风功能与流程

1.本发明涉及燃烧器组件和用于操作燃烧器组件的方法。特别是，本发明实现了能够防止由于风引起的压力波动而导致熄火的对风功能。


背景技术：

2.燃烧器组件通常包括通过排气系统连接到大气的燃烧器。强阵风，例如暴风雨期间发生的阵风，可能会导致排气系统中的气流快速变化或压力过大。这可能会导致燃烧器中的压力激增。这种压力激增可能导致燃烧器熄火，这可能导致有毒物质排放。此外，熄火后，重新启动燃烧器时必须进行校准。在发生熄火的情况下，必须进行校准以确定燃烧器控制是否正常工作，因为熄火的原因并不总是很清楚。校准需要强制燃烧器在高负载水平下运行。为此，必须确保加热系统中的适当散热，可能需要进一步的控制措施。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术中已知的问题并且提供一种用于加热锅炉的燃烧器组件，其对现有技术进行了改进，并提供一种用于操作燃烧器组件的方法。尤其可防止由于压力激增而导致的熄火，以避免有毒物质排放和强制校准。以下也将避免熄火的措施称为“对风功能”。
4.该目的通过根据权利要求1的用于操作燃烧器组件的方法来实现。该目的还通过根据权利要求8的燃烧器组件来实现。
5.一种用于操作包括燃烧空气-燃料混合物的燃烧器的燃烧器组件的方法包括下述方法步骤。步骤的顺序可以根据实际应用而变化。一些步骤也可以同时执行。具体地，流体，即燃气或液体、汽油可以用作燃料，例如天然气或燃料油。
6.在第一运行状态中，燃烧器以第一预定功率水平运行。具体地，燃烧器在第一运行状态下以部分负载运行。第一功率水平的优选部分负载范围可以例如在最大负载的3％和10％之间，更优选在4％和8％之间并且特别优选在5％和7％之间。
7.在该方法的一个步骤中，指定电离电流的目标值。可以使用布置成浸入火焰中的电离电极来测量电离电流。
8.然后将测得的电离电流与指定的目标值进行比较，并确定测得的电离电流与指定的目标值之间的偏差。为此例如可以使用燃烧器组件的电子控制装置，该电子控制装置尤其包括处理器和存储器。
9.当偏差较小时，燃烧器将继续以第一运行模式运行。特别地，当偏差小于预定极限值时，存在小偏差。当偏差超过指定极限值时，燃烧器可以在第二功率水平下切换到第二运行状态。
10.第二功率水平处于比第一功率水平更高的部分负载范围内。第二功率水平因此也被称为“升高的部分负载”。第二功率水平的优选部分负载范围可以例如在最大负载的20％和40％之间，更优选在25％和35％之间并且特别优选在28％和33％之间。
11.具体地，第二功率水平可以被确定为偏差的函数。这可以例如以这样的方式来执行，即当偏差大于较小时的偏差时，第二功率水平升高到更高的部分负载。相应地，可以将根据其确定为偏差的函数的第二功率水平的值或算法存储在控制装置中。
12.通过将功率水平提高到第二功率水平，即通过在较高负载范围内操作燃烧器，即使在压力波动影响火焰时也能实现稳定燃烧。这可以防止熄火。由于功率水平是根据测量的偏差确定的，因此包括电离电极的传统燃烧器组件可以对压力波动做出反应，以避免熄火，而无需额外的传感器。因此，根据本发明的方法也可以在较旧的设备中实施。
13.在预定时间段过去之后，燃烧器组件可以转换回第一运行状态。例如，该时间段可以确定为测量的偏差的函数，或者它可以是固定值。这样，可以避免在较长时间段内以不必要的高功率水平运行。由于阵风往往持续时间很短，因此例如几秒或几分钟的时间段可能就足够了。特别地，燃烧器的控制装置将尝试在一定条件下将燃烧器转换到可能的最低负载水平，所述条件可通过测量的电离电流与目标值的偏差来确定。
14.从第一运行状态到第二运行状态或从第二运行状态到第一运行状态的转变可以通过一个功率水平或第一功率水平和第二功率水平之间的多个功率水平逐步执行。通过逐步增加功率水平，燃烧器组件可以对压力波动做出反应，而无需立即调节到高功率水平。在每一步增加之后，可以再次测量电离电流并与目标值进行比较。当偏差小于极限值时，无需进一步提高功率水平，甚至可以将其调制回较低的功率水平。
15.当从第二运行状态转换到第一运行状态时，可以在第一和第二功率水平之间的每个功率水平中执行以下方法步骤：
16.首先，燃烧器在当前功率水平下运行并测量电离电流。测量的电离电流再次与指定的目标值进行比较，并测定偏差。当偏差超过指定极限值时，燃烧器可以切换到下一个更高的功率水平。当偏差不超过极限值时，燃烧器可以继续以当前功率水平运行，也可以在指定时间段后转换到下一个较低的功率水平。
17.电离电流的目标值可以指定为当前功率水平的函数。由于在电离电极中产生的电离电流取决于火焰的特性，特别是温度，电离电流的目标值通常取决于作为控制设定点的功率水平。
18.当燃烧器转换到更高的功率水平时，燃烧器的调制速率可以通过一个系数来加速。由于要避免熄火，因此尽可能快地以较高功率水平运行燃烧器是有利的，特别是在例如阵风的外部干扰的情况下。这可以通过增加控制速率来实现，其可以例如通过用于增加调制速率的系数(或通过因子)来实现，这将在下面更详细地描述。
19.燃烧器的调制速率是指燃烧器功率随时间的变化。它也可以理解为燃烧器对不断变化的热能需求做出反应的能力。对于具有高调制速率的燃烧器的情况，燃烧器功率因此可以有利地特别快速地适应变化的热能需求。换言之，使用具有高调制速率的燃烧器，可以控制燃烧器功率以在短时间内达到更高(或更低)的值。
20.为了改变燃烧器功率，供给的空气量和供给的相应燃料量(或燃气量)必须同步改变，即基本上同时改变，并且以彼此成比例的程度改变，以使得产生的空气比例几乎没有变化(或尽可能少)。例如，可以通过控制用于将空气供应到燃烧室中的风扇的速度来改变供应的空气量。
21.当供应的空气量的变化和供应的燃料量的变化不同步时，可能导致燃烧中带有大
量有害的一氧化碳排放。此外，火焰可能会脱离最佳的可燃范围(即将熄火)，例如，它可能被一阵风扑灭。有利地，可以通过调整控制速率来抵消这种影响。
22.一股阵风可能会在燃烧器排气系统中产生快速的背压。在这种情况下，可用于燃烧的空气量可能会突然发生意想不到的变化，尤其是减少。对风扇加速可能主要导致可用于燃烧的空气量增加并补偿上述减少。在这种情况下，以正常速率调制燃烧器(为不受干扰的正常操作配置的正常低调制速率)可能太慢而无法对突然变化的条件做出适当的反应。例如，这可能导致熄火或带有高排放的低效燃烧。为了避免这些负面影响，燃烧器的调制速率可以通过一个系数(因子)来增加。在这种情况下，没有系数的运行可能意味着在调制期间必须在保留火焰和改变空气比例之间做出有限的折衷。
23.根据本发明，燃烧器的调制速率可以增加一个系数(因数)，优选地在3到8的范围内。例如，对于调制程度为1:20的燃烧器，在较低负载范围(燃烧器功率的部分负载范围最高达到最大功率的大约10％)中的示例性调制速率约为每秒1％。在上负荷范围内(燃烧器功率的部分负载范围从最大功率的大约30％到100％)，可以以每秒15％的调制速率执行调制。为系数(因子)选择哪个值可能特别取决于特定的燃烧器行为和较低负载范围内的调制速率，在某些燃烧器中，该值也可能低于每秒1％，例如每秒0.7％到每秒0.8％。
24.此外，可以确定测量的电离电流和目标值之间的偏差的持续时间，特别是为了确定作为偏差持续时间的函数的第二功率水平。更长的偏差持续时间表明阵风更强，例如在暴风雨期间。由于预计在暴风雨期间会更频繁地出现强阵风，因此燃烧器优选地转换到更高的第二功率水平以避免熄火。
25.因此，当即将熄火时，上述对风功能可以将燃烧器的功率水平控制在稳定水平。更高的功率水平需要更高的燃烧室压力，这使得火焰更稳定，不会熄火。因此，根据本发明的方法可以有效地防止熄火。
附图说明
26.下面参考附图中所示的示例性实施例更详细地描述进一步的有利发展，然而本发明不限于该实施例。
27.在图中：
28.图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的燃烧器组件。
29.图2示出了根据本发明的一个方法的一个示例性实施例。
30.图3示出了说明在风的影响下的典型燃烧器表现的图表。
具体实施方式
31.在本发明的优选实施例的以下描述中，相同的附图标记表示相同或相当的组件。
32.图1示出了根据本发明的燃烧器组件的一个示例性实施例，该燃烧器组件例如可以用于建筑物的加热系统的锅炉中。例如，锅炉可以是传统的燃气锅炉或冷凝锅炉。
33.燃烧器组件包括燃烧器1，通过用于空气的第一调节装置2和用于燃气(gas)的第二调节装置3向其供应燃气-空气混合物。第一调节装置2例如可以是风扇(例如调速风扇)。第二调节装置3可以配置为比例阀。燃烧器1例如是35kw的燃气燃烧器。燃烧器1燃烧燃气-空气混合物。燃烧器1的运行由具有自动点火单元的控制装置6调节或控制。
34.电离电极5布置在燃烧器1的附近并且被配置为测量电离电流9并通过合适的信号线将其输出到控制装置6或自动点火控制单元。当燃烧器1工作时，即在燃烧过程中，电离电极5伸入火焰中。电离电极5通常用于燃气燃烧器中的火焰监测，因为只有火焰的存在才会导致电离电流9流动。
35.此外，可以在燃烧器1的废气流中设置λ探测器4。λ探测器4用于测量废燃气中的残余氧含量。下面省略对λ探测器4及其功能的更详细描述。此外，燃烧器1可以包括其他部件，例如点火装置、排气路径和温度传感器，由于它们对于本发明的描述不是必需的，因此在此未示出。
36.自动点火单元6将用于空气和燃气的控制信号7和8输出到第一调节装置2和第二调节装置3，从而可以在运行阶段期间设置相应应用所需的空气比例λ，并且如果需要，则保持恒定。空气比例λ是表征燃烧过程中空气与燃料的质量比的无量纲数。燃烧空气比将实际可用于燃烧的空气质量m
l,
与完全燃烧所需的最小化学计量空气质量m
l,
相关联。
[0037][0038]
如果λ＝1，则燃烧空气比例为化学计量比(stoichiometric)。当所有燃料分子与空气中的氧气完全反应时，会发生这种情况，废气中没有氧气，也没有未燃烧的燃料。λ《1的情况意味着空气不足。这也称为富混合物。空气-燃气混合物中的燃料多于与空气中的氧气发生反应的燃料。λ》1的情况意味着空气过量，也称为贫混合物。
[0039]
图1中所示的λ探测器4对于现有发明是不需要的。根据本发明的方法不评估来自λ探测器4的信号。因此该方法也可以用于没有λ探测器的燃烧器。
[0040]
自动点火单元6记录来自λ探测器4和电离电极5的输出信号并进一步处理它们以控制燃烧。因此，自动点火单元6将用于第一调节装置2和第二调节装置3的控制信号7和8确定为信号9和10的函数。具体地，自动点火单元6可以使用控制信号来控制负载水平。
[0041]
电离信号9由电离电极5评估，以便检测危险的风力影响。阵风可能导致电离信号9的测量值与控制装置6指定的目标值有较大偏差。
[0042]
下面参考图2所示的流程图更详细地描述具有对风功能的燃烧器1的运行，其以简化的方式示出了根据本发明的方法。
[0043]
在第一运行状态bz1中，燃烧器1在例如最大负载的5.8％的部分负载下在第一功率水平运行。电离电极5测量电离电流i
ist
并向点火控制单元6输出相应的电离信号9，点火控制单元6同时用作控制燃烧和评估电离电流的控制装置。
[0044]
将电离信号9与指定的目标值i
soll
进行比较，并且确定测量的电离电流i
ist
和目标值i
soll
之间的偏差δ＝|i
ist-soll|。使用指定极限值δ
max
评估偏差度δ，以便从中确定燃烧器负载水平的所需的增加。风引起的压力波动对燃烧有负面影响，因此测得的电离电流可能会偏离目标值。
[0045]
当偏差小于极限值时(图2中的no)，燃烧器1在第一功率水平下继续在第一运行状态bz1下运行。然而，当偏差大于指定极限值时(图2中的yes)，则燃烧器1转换到第二运行状态bz2，在该第二运行状态bz2中，燃烧器1以更高的负载水平操作。该提升旨在防止即将发生的熄火。例如，可以将电离电流与目标值的15％的偏差指定为极限值。
[0046]
例如，从第一功率水平到增加的部分负载(第二功率水平)的功率范围可以分为五
个中间水平(图2中未示出)。在执行新的检查以确定测量的电离电流是否偏离目标值之前，燃烧器1可以在每个级别运行例如(至少)一分钟的时间段。
[0047]
增加的部分负载例如是最大负载的30％。根据本发明的对风功能还可以确定电离电流的偏差超过极限值的持续时间。在这种情况下，下时间阈值的范围，例如0.1秒，被线性细分到上时间阈值。上时间阈值可以基于由自动点火单元6指定的进程时钟来确定。例如，可以将自动点火单元6的二十转的持续时间指定为上时间阈值。
[0048]
因此，对风功能提高了燃烧器功率的下极限。其在定义的时间段内保持活动状态，之后燃烧器1可以再次调节到较低的负载水平。下部分负载的启用也可以分步进行。如果发生另一风力事件，则控制装置6可以再次将燃烧器1控制到更高的负载水平，直到达到具有稳定燃烧的水平(偏差小于极限值)。燃烧器1因此可以在风的影响下被自动控制到尽可能低的部分负载。
[0049]
当接近稳定的第二负载水平时，调制速率可以用一个系数来加速，该系数可以是例如3到8的因数。以这种方式，燃烧器1更快地转换到更高的负载水平，以便有效地防止熄火。换言之，燃烧器1的调制速率由控制装置6增加(特别是短时间)，以便即使在外部干扰(例如，由于一阵风)下也能以较佳的空气比例运行燃烧器1。
[0050]
在实践中，较高的负载水平可能导致较早达到加热系统的流动温度的目标值。
[0051]
图3示出了说明燃烧器1在风的影响下的运行状态的典型过程的图表。在图3中，描绘了在电离电极5中产生和测量的电离电流(虚线)、为电离电流指定的目标值(实线)和控制燃烧器的负载水平(虚线)随时间的变化。信息以百分比表示，此处指定在30％负载水平下的电离电流为100％。
[0052]
约10秒后，为燃烧器1指定30％的负载水平。开始燃烧，约30秒后，燃烧器1达到约100％的电离电流。指定的负载水平现在降低到8％的第一负载水平，这对应于第一运行状态bz1，并且在大约60秒内达到第一运行状态bz1。在大约75秒时，第一次风力事件a发生并且燃烧被中断，从而确定了测量的电离电流和指定的目标值之间的大偏差。结果，控制装置将燃烧器1转换到具有17.5％负载水平的第二运行状态bz2。
[0053]
第二运行状态bz2保持激活状态大约90秒。从图中可以看出，测量的电离电流与指定的目标值之间的偏差保持相对较小，因而控制装置以逐步的方式将负载水平降低回第一运行状态。
[0054]
在此示出的在第一运行状态bz1的第一负载水平和第二运行状态bz2的第二负载水平之间的两个负载水平分别激活大约110秒并且分别为13％和10.5％。在时间轴上大约400秒时，燃烧器转换回第一运行状态bz1，负载水平为8％。
[0055]
在时间轴上的大约430秒处，发生第二风力事件b并且再次执行将燃烧器1转变到第二运行状态bz2的所述过程。结果，可以防止燃烧器中的熄火。对来自电离电极的电离电流的评估足以用于所述控制。由于这种电离电极存在于大多数燃烧器中，因此根据本发明的方法可以用于大多数燃烧器，而无需更新特殊传感器。
[0056]
尽管已经针对用于加热系统的燃气锅炉描述了该示例性实施例，但是根据本发明的用于测试和校准λ探测器的方法也可以用于燃烧燃料的其他应用场合中。根据本发明的燃烧器组件也不仅限于气体燃料的燃烧。本发明也可以以类似的方式用于使用木材作为燃料的油燃烧器或加热锅炉。适当的修改还可以使本发明在内燃机中使用。
[0057]
在上述描述、权利要求和附图中公开的特征对于在其各种配置中单独地和以任何组合方式实施本发明可能是重要的。
[0058]
附图标记列表
[0059]
1 燃烧器
[0060]
2 第一空气调节装置
[0061]
3 第二燃气调节装置
[0062]
4 λ探测器
[0063]
5 电离电极
[0064]
6 自动点火单元(控制装置)
[0065]
7 空气控制信号
[0066]
8 燃气控制信号
[0067]
9 电离电流
[0068]
10 λ探测器电流信号