用于电子调节例如馈送至燃烧器的气体的可燃混合物的改进方法

摘要

一种用于调节馈送至燃烧器的可燃混合物的方法，该可燃混合物比如空气/气体、空气/甲烷气体等，所述方法包括对与由馈送构件馈送的所述混合物的成分相关的火焰信号进行测量，所述馈送构件由燃烧控制装置控制，所述燃烧控制装置布置成基于火焰信号调节燃烧。在燃烧器操作期间，在短时间间隔内对混合物馈送状态进行修改以便获得火焰信号变化；将在所述间隔结束处的火焰信号变化值与在所述间隔起始处的火焰信号变化值之间的比值与预定参考值进行比较；并且，基于该比值与所述参考值的偏差，调节火焰设定点，因此，如果必要，混合物的空气或气体保持原样。

说明书

根据对独立权利要求的介绍，本发明涉及一种用于调节馈送至燃烧 器的可燃混合物的改进方法。

已知用于空气/气体混合物的普通燃烧设备通常包括：风扇，该风扇 是速度可控的(或可由用于调整燃烧空气流速的其他等同系统控制)以 提供必要的燃烧空气；气体操作器或调节器，该气体操作器或调节器能 够控制排出气体流速；该设备包括燃烧器和混合物点火设备，其中，合 成的空气/气体混合物被输送至该燃烧器。普通电极能使燃烧设备受电 信号控制，该电信号源自如由所述电极感测的火焰形成，并该电信号发 送至用于燃烧设备的控制单元。

所述电信号为火焰信号，其限定了可以由没入到通过点燃混合物而 产生的火焰中的功率电极所测量的任何电量。该信号可以是电流信号 (I)或者阻抗(R)，该电流信号(I)和阻抗(R)的值成反相关。例 如，通常，可测量的电流的增大对应于火焰阻抗的减小。当谈及信号减 小时，可测量的电流值的减小对应于火焰阻抗的增大。

在如前所述的系统中，源自火焰的电信号与混合物有关系，特别地 与混合物的空气过量(lambda)有关系。已知如下多种设备，所述多种 设备通过基于这种关系进行操作来电子调节可燃混合物以使燃烧器实 现恰当的功能(从而使设备实现恰当的功能，该燃烧器形成了所述设备 的一部分)，这是可靠的并且根据精确调节以无污染的方式进行操作。

火焰信号通常设置有其本身的设定点值以便实现所述恰当的燃烧 器操作，经连续测量的火焰信号如果与设定点值不同，则由调节系统通 过对馈送至燃烧器的空气量或气体量的作用来进行调节(对于给定工作 功率而言，空气量保持固定而改变气体量)。

然而，由于与以下方面相关联的多种问题：例如氧化、机械蠕变、 电极操作环境的污染程度、不规则的安装或紧固状态等，火焰信号经历 变化。因此，前述的混合物调节设备必须能够感测到何时所读取的火焰 信号不再与给定λ值(限定馈送至燃烧器的空气/气体的比值的系数) 所预定的信号相对应。这是为了防止下述情况：进行混合物调节使得燃 烧器在可允许的界限外操作，这对环境和人都具有潜在危险。

例如在US 5.924.859或DE 195 39 568或DE 196 18 573中已知一种 调节设备，其规定周期性执行某种自检或自动校准，该自检或自动校准 包括，当处于特定先前限定的功率且燃烧器处于稳定操作状态时，(通 过减小空气过量)使混合物逐步富集直到超过化学计量工作点，然后对 信号的最大值进行测量，这被认为与化学计量燃烧点精确对应。经测量， 设定点信号被定义为所述测量的最大值的一部分。

这些和其他类似已知的设备呈现了多种缺点。

例如，操作者基于下述假设进行操作：上述关系在所有情况下且在 整个功率范围内都是有效、恒定且可重复的，使得仅需要在一个点(即， 在给定的功率值)上执行校准以实现设定点自校正。实际上，上述关系 在某种程度上仅在预定的额定功率范围内工作时才是有效的，在预定的 额定功率范围之外，上述关系是无效的。

温度调节还必须停止一段时间，所停止的时间取决于下述因素：

a)起始功率(系统需要特定的时间来达到校准的指定功率)；

b)测量起始点的热稳定性所需要的最短时间；

c)执行实际校准所需要的时间(混合物富集、超过化学计量点以及 测量)；以及

d)返回起始功率所需要的时间。

此时间的长度不可忽视，并且在该时间期间，调节设备停止了燃烧 器温度控制(调节)，从而削弱了使用者的舒适性。为此，如果系统需 要低功率并且已经处于所允许的水温极限，则增加了执行校准的不可行 性(或难度)。

另一重要的不足之处在于，在校准期间，存在由超过化学计量燃烧 点而产生的高一氧化碳(CO)排放(尽管这可以不被考虑)。

最后，重要的是指出，该方法在下述方面是不精确的，如稍后更好 解释的那样，信号的最大值取决于如下若干因素：不仅取决于最终λ值， 而且取决于校准程序的持续时间，取决于系统公差等；因此，最大值会 偏差多达30％至35％，从而在评估用于参考火焰的新设定点时会有错 误。

WO 2011/117896描述了控制锅炉的方法，该锅炉具有密封的燃烧室 并且设置有包括用于馈送至燃烧器的气体的控制阀的大气燃烧器、用于 感测燃烧器中出现的火焰的装置以及用于锅炉功能性构件的控制装置， 所述功能性构件例如气体阀、设置有其专用电马达的风扇、循环器或泵 以及温度探头。这些控制装置与存储器结合，在存储器中，各个锅炉的 工作状态基于关于下述方面的特性而制表：火焰、锅炉的热操作功率以 及燃烧质量指数或λ。

当在操作状态下时，锅炉工作点根据这些曲线中的一个曲线确定， 并且将燃烧空气与气体的比值从目前的工作值开始修改以便沿着所述 曲线移动该工作点；如果该比值变化变成预定值，则认为燃烧在所述工 作点处被修正，并且储存先前的空气/气体的比值，然而在相反的情况 下，修改气体流速以到达能够实现无污染燃烧的工作点。

在该现有专利中，目的是提供用于控制上述类型的锅炉的方法和设 备，使得锅炉在无污染的燃烧水平内操作。特别的目的是消除使用机械 构件来控制锅炉气流并且即使在上文列出的不规律的工作状态下仍然 确保干净的燃烧。

然而，该现有专利未描述用于确定火焰信号的精确的工作设定点的 方法，而是陈述了应当修改火焰信号值来修改锅炉工作点并且将该工作 点沿着特定的曲线变换直到到达预定值，从而评估在开始工作点处的恰 当的锅炉燃烧。基于该评估，在此工作点处储存燃烧器操作，或修改该 工作点以获得非污染性的工作点。

因此，该现有专利对于给定的应用(例如根据所使用的气体类型) 未描述用于在所需值处调节燃烧的用于火焰信号的恰当设定点或值，相 反，执行火焰信号值与预定值之间的比较，该火焰信号值限定了锅炉操 作的特定的工作点，从而核实锅炉操作状态是否具有或不具有非污染性 燃烧。

本发明的目的是提供一种用于调节至燃烧器的可燃混合物的改进 方法，该方法能够保持恰当的燃烧，同时克服了现有技术方案的上述问 题。

本发明的特别的目的是提供一种所述类型的方法，该类型的方法是 可靠的并且根据关于馈送至燃烧器的混合物的精确信息来操作，使得燃 烧器能够在目前规则范围内进行优化操作。

另一目的是提供能够在燃烧器使用期间非常频繁地实施的所述类 型的方法。

另一目的是提供所述类型的方法，该类型的方法能够用于监控燃烧 从而根据规则进行恰当地控制而不超出CO排放极限(以满足安全法 规)，并且能够用于计算和/或动态地校正火焰设定点值——即用于反馈 或更确切地说用于控制燃烧的确定因素——以及馈送至燃烧器的混合 物的成分，因此保持将氧气调节至所需值。

对于本领域的普通技术人员显而易见的这些目的和其他目的通过 根据所附权利要求所述的方法得以实现。

在通过非限制示例提供的附图中，本发明将更明显，在附图中：

图1示出了关于实施本发明的第一模式的曲线图；以及

图2示出了关于实施本发明的第二模式的曲线图。

具体实施方式

参照图1，这示出了示出关于燃烧空气流速随时间的变化(曲线图 的上部)以及与火焰信号FL相对应的阻抗随时间的变化的两个曲线的 曲线图。该信号和空气流由相应的装置测量和产生，该相应的装置是已 知的并且未形成本文献的一部分。

本发明基于针对其实施方案的多种理论假设。

第一种假设涉及下述事实：火焰信号取决于火焰前峰与产生火焰的 燃烧器的距离，该距离对于给定的功率模式而言是在燃烧速度与混合物 排出速度之间所获得的平衡点。

本发明所基于的第二点(区别于前述现有专利的第一特征)在于， 最大信号值不与化学计量点相对应，即不与等于一的空气/气体比值相 对应，而是能够例如根据可燃气体的类型变化。

还应考虑的是，在可燃混合物校准期间所测量的火焰信号不是可获 得的最大火焰信号，其中，该火焰信号与燃烧速度(如前述)严格相关， 而燃烧速度本身与混合物温度严格相关。在该方面，与取决于空气过量 相比，该信号更取决于混合物温度。事实上已知的是，在校准期间(其 发生在前述现有解决方案中)，随着混合物富集，混合物温度上升，燃 烧速度增大并且混合物预热温度增大，因此增大了火焰信号；因此，系 统惯量(即特征时间常数)在可能在所需应用不可接受的非常漫长的时 间内达到平衡的过程中能够根据执行所述校准的方式影响最大火焰值， 并且因此影响校准结果的精确性和稳定性。基于前述假设，本发明涉及 用于控制火焰信号的方法，并且因此涉及用于控制馈送至燃烧器的可燃 混合物的方法，该控制方法独立于混合物温度并且独立于在程序起始时 对混合物的预热。

根据本发明，在燃烧器操作期间，对燃烧状态进行快速时间地修改， 并且通过下述系统来测量参照值(设定点)：该系统用于快速读取火焰 信号且用于计算新设定点，该新设定点不必与该信号的最大值相对应， 更精确的说，不必与燃烧器操作期间的化学计量值相对应。该新值为精 确值，该精确值随后用于锅炉操作状态的另一时间控制。

因此，本发明不通过与火焰信号设定点的先前固定值比较而判定燃 烧器是否在最优化状态(即，无污染)下操作，而是在燃烧器操作期间 随着时间动态连续地确定设定点值，将连续的相应的火焰信号值与所述 设定点值相比较。所有这些都独立于预定的化学计量值而实现，且通过 下述方式实现：该方式基于根据馈送至燃烧器的混合物的燃烧状态考虑 目前燃烧器操作情况。

本方法利用混合物燃烧速度的变化，即火焰前峰的运动，该火焰前 峰的运动主要取决于火焰成分，并且为了其快速实施，火焰前峰的运动 不依赖于在该方法实施期间关于混合物变化或改进的前述消极影响。

根据图1中所示的本发明的优选但非约束性的实施方式，例如，(通 过瞬时减小将该混合物馈送至燃烧器的风扇的每分钟转数(r.p.m))降 低混合物速度。

根据本发明，风扇速度降低了例如预定的每分钟转数或降低了在实 施本发明的测试阶段起始时由风扇经历的每分钟转数的某百分比。这种 降低发生的最大时间为30秒，有利地小于5秒(并且优选地在1至2 秒内)，该时间基于系统热惯量来限定。当风扇的旋转速度(或空气流 速)已经稳定时，火焰信号的最终测量从测试起始经历了2秒至5秒以 内。

优选地同样控制整个设备——燃烧器形成该整个设备的一部分— —的操作的控制单元测量火焰信号的初始值和最终值以便计算取决于 这两个值的新设定点。该计算特别地取决于下述关系：此关系涉及在测 试开始时存在的可燃混合物(工作混合物)的成分的情况下的测试的初 始火焰值与最终火焰值(图1中的FL1和FL2)的比值，然而，由于对 火焰前峰运动的动态测量的特征，该计算不仅仅精确地取决于测量的最 大值(或取决于单个值)。

因此，计算的新设定点取决于在测试起始时存在的值和下述系数： 该系数取决于火焰信号(FL2/FL1)相对于在燃烧器设计阶段定义的且 针对在测试期间应用的混合物速度变化(即风扇速度)特定的预期的信 号百分比变化值的测量的百分比变化。通过简化(常规地根据阻抗而不 根据电流考虑火焰信号)，然后通常如下：

-在恰当的混合物的情况下，百分比信号变化将与参考百分比变化 几乎相同，因此将保持计算确认的初始设定点。

-在具有高空气过量的起始混合物的情况下，火焰信号将具有比期 望更大的百分比变化，并且因此新计算的设定点将比先前的更低(因此 增大了通往燃烧器的气体量)。

-在具有低空气过量的起始混合物的情况下，火焰信号将具有比期 望更低的百分比变化，并且因此新计算的设定点将比先前的更高(因此 减少气体量)。

因此，初始火焰信号与最终火焰信号的比值取决于初始混合物(即， 风扇)速度与最终混合物速度的比值，初始火焰信号与最终火焰信号的 比值可以出于技术上的方便而选择以获得更高的测量精度。

通过以该方式作用，将获得下列优势：

I.在调节混合物时，消除了最终火焰温度或混合物其本身的影响。 这是因为实施的迅速(混合物速度/馈送变化)——其必须明显小于电 极-火焰-燃烧器-混合物系统的时间常数——不会导致系统温度的变化， 即便发生变化，也是可忽略的(相对于传统校准的20％至30％，本发 明以实验的方式测量的结果在5％以内)。同时，消除了由于校准结束时 的高温所产生的任何可能的不精确；

II.信号变化更依赖于混合物，或更精确的说更与混合物相关，因 此信号变化更好地代表了混合物；

III.在此程序期间，与混合物成分变化(先述专利基于该原则)相 比，更大程度地采用了混合物速度变化(火焰前峰的运动)，使得与传 统系统相比，即使(通过非限制性示例的方式)在不改变或仅限制性地 改变空气/气体比值的情况下，也可以有效地实施本方法。这与高实施 速度共同显著地减少了一氧化碳(CO)排放量(这表示性地等于传统 系统中的此状态期间所排放的总量的1/10)，因此，在正常操作起始状 态下，该CO排放量低于法律允许值(然而，现有技术中执行的校准明 显地产生相当多的CO量：事实上该CO量必定超过化学计量点)。

这样给出的显著优点在于，能够在燃烧器操作期间非常频繁地实施 此调节方法(不是定期地，而是如在常规系统中，通常一天一次)，从 而更好地保证了燃烧的稳定性和更高的用户安全性。

此外，由于不存在对主要气体馈送或通过气体致动器的输送方面的 限制，不需要或很少需要改变混合物(事实上不需要将气体流速增大超 过额定值)能够甚至在高功率的情况下实施该方法。

本发明的另一优点是，该方法能够在所需要的功率下实施，其中， 仅对调节过程具有可忽略的影响。因此，本方法不仅具有更好的舒适性 而且还能够同样地应用于不可应用校准(例如，不能在非常低的功率下 应用)的系统，此系统不适用于在一点处的与最大值的简单关系，如与 已知解决方案中存在的那样，本方法能够在不同工作功率下实施，然后 插值出结果。该情况是如下这些应用所特有的，在这些应用中要求宽的 工作范围，例如1∶7……1∶15或更大的调制比(即，最小功率与最大功 率的比值)。

该方法可应用于减小或增加风扇速度，在该两种情况下，利用混合 物速度变化或其对燃烧速度上的影响。

相同的方法不仅能够用于精确的燃烧调节(针对给定的工作功率值 调节预选的氧气(O2)值)，而且能够用于仅验证燃烧清洁度 (hygienicity)(简单地看作燃烧测试)，即，确认燃烧在由产品规范确 定的CO排放水平内。在该情况下，将火焰信号的百分比变化与至少一 个预定值进行比较。如果该变化达到与预定值相等的最小值或达到预定 值附近的特定范围内的值，则测试阶段终止(因此减少了实施时间)。 在该实施方式中，该方法仅用于确认混合物在不超过关于CO排放的法 规限制的情况下燃烧。如果火焰信号值与预定值的比值不匹配，那么如 同前述方法中的那样，修正设定点来进行混合物调节。

本发明的方法允许被称作沃泊指数补偿(Wobbe Index  Compensation)(下文中称为WIC)的另一操作时机。

在气体适应性应用(其独立于主要气体量操作)中或在多气体应用 ——其中，单个机械零件(喷嘴、混合器等)被限定用于与不同气体族 类一起操作——中，由于气体致动器的充气动作根据用于相同的工作模 式的燃烧气体类型而不同(由气体流确定的压力降或压力差量P不同， 因而工作压力不同)，该气体致动器的充气动作基于由风扇速度变化确 定的给定的向上/向下的压力变化而不同地表现。参照图2，从如图1的 压力变化起始(或通过排他性地执行WIC程序)，风扇速度(通过非约 束性示例的方式)下降并且火焰信号通过混合物速度变化的效果而同时 下降(这与图1中发生的情况类似)。然后，与将风扇返回至初始速度 值不同，该速度保持在所获得的值。使系统根据新获得的混合物而稳定， 这针对处于低沃泊指数的气体而言将使气体更富集，而针对处于高沃布 指数的气体而言将使气体更稀薄。

火焰信号然后通过等待的效果以相同速度遵循混合物的模式，基于 该模式并且基于在起始火焰信号与程序结束时的火焰信号之间的比值 或差值，以具有良好可靠性的形式确定气体类型(族类)。

该方法变化能够使系统了解工作气体类型/族类并且因此基于所感 测的结果而起作用(在需要时进行自动气体类型/族类感测、工作算法 的自动适应等)。

虽然该实施时间比较长，但是整体上比校准(现有专利)的时间短。

如果充分了解工作气体所属的族类或由于主要气体的变化在需要 时更频繁地更精确地补偿沃泊指数，则能够以非常低的频率周期性地实 施根据本变型的方法。