用于评估燃气锅炉中可由传感器获取的瞬态压力差的方法和相关燃气锅炉

技术领域

本发明涉及一种用于评估燃气锅炉中可由传感器获取的瞬态压力差的方法和燃气锅炉，所述燃气锅炉设计成执行所述方法。

背景技术

在现有技术中已知燃气锅炉，其中通过设计为压差传感器的传感器测量在主流节流器的上游相对于参考压力的压差，并且基于压差调节燃料质量流量。

燃气锅炉除其他部件外，一般还包括用于混合从燃料入口流入的燃料和从空气入口流入的空气以形成燃料-空气混合物的混合装置、用于吸入燃料和空气通过混合装置的鼓风机、用于限制混合装置中的燃料的质量流量的主流量限制器、布置在主流量限制器的上游的用于调节混合装置中的燃料的质量流量的调节阀、以及布置在调节阀的上游的用于中断燃料的质量流量的安全阀。然后可以将气体-空气混合物送入燃烧器，在燃烧器中燃烧混合物。

为了调节流入燃料的压力，现有技术中的调节阀常作为机械-气动的气阀工作，通过调节膜获得压力差，并布置在两个不同压力的区域之间。

然而，替代地，压力传感器也用于所谓的“电子控制”范围内，其中压力由单独的传感器获取，并以电子方式评估压力值以确定压力差。根据评估，可控制或调节电控调节阀或气阀。

例如，在用于调节燃气锅炉的燃气-空气混合物的装置中，通过压差传感器相对于参考压力测量主流量限制器的上游的压力，该压差传感器测量压力差或两个压降之间的压差。

在这种情况下，电子气阀通常由数字调节器控制，该调节器例如以微控制器或其他控制装置实现，并且通过该数字调节器将确定的补偿压力或压差调节到期望或指定的目标值。

由于压力或压差的目标值通常为0Pa，因此经常使用术语“电子零压调节”。

无论是电子调节还是机械气动调节，其功能都仅限于根据压差调节燃气锅炉，而不能提供附加功能。

然而，希望能够监测燃气锅炉相关的其他特征值，以便能够根据特征值检测燃气锅炉中的故障并据此能够控制或调节锅炉并采取其他措施，特别是延长锅炉的使用寿命。

为了可以在已知的燃气锅炉中获取额外的特征值或检测故障，就需要额外的传感器和评估装置，这既复杂又昂贵。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述缺点并提供一种方法，通过该方法可以以简单且成本有效的方式获取和评估燃气锅炉中的故障。

该目的通过根据权利要求1的特征的组合来实现。

因此，根据本发明提出一种用于评估可以由传感器获取的燃气锅炉中的瞬态压力差的方法。在此，传感器是差压传感器或质量流量传感器。差压传感器特别地可以确定两个压力之间的压力差或两个单独区域中两种流体的压力之间的压力差，其中差压传感器也可以为此包括两个单独的传感器或压力接收器。燃气锅炉具有混合装置、鼓风机、主流量限制器、调节阀和安全阀，所述混合装置用于混合从燃料入口流入的燃料和从空气入口流入的空气以形成燃料-空气混合物，所述鼓风机用于吸入通过所述混合装置的燃料和空气，所述主流量限制器用于限制所述混合装置中的所述燃料的质量流量，所述调节阀布置在所述主流量限制器的上游并用于调节进入所述混合装置的所述燃料的质量流量，所述安全阀布置在所述调节阀的上游并用于中断所述燃料的质量流量。调节阀也可以称为气体调节阀，并且优选地由补偿调节器控制，该偏移调节器通过控制调节阀来调节期望的补偿压力或期望的目标值。此外，燃气锅炉可以具有燃烧器和燃烧室，燃料-空气混合物可以被引导至燃烧器以进行燃烧。根据本发明，所述传感器获取所述主流量限制器的上游和所述调节阀下游的测量点处的压力与参考测量点处的参考压力(例如，例如环境压力或流入空气的压力)之间的压差，参考测量点可以布置在环境中或布置在引入混合装置的导气线路中。传感器还至少将压差以及任选的测量点处的压力和参考压力传输到评估电子装置，该评估电子装置优选地与用于调节所述调节阀的调节电子装置一体地设计，并且可以使用例如微控制器来实现。根据所述方法，燃气锅炉的加热功率根据预定的加热功率曲线变化和/或设置为预定值。传感器在加热功率变化期间和/或在加热功率设置为预定值时获取差压曲线并将其传输到评估电子装置。所述评估电子装置在所述差压曲线的时间范围和/或频率范围内评估所述差压曲线，并且确定表征所述差压曲线的至少一个特征值并将其与预定比较值进行比较，其中如果所述特征值与所述比较值的偏差大于预定容差值，则检测到所述燃气锅炉中的故障。

根据本发明的构思可以总结如下：具有电子零压调节的燃气锅炉通过进一步评估差压曲线来提供额外的功能，这在例如具有通过相应的调节膜调节补偿压力的机械-气动调节阀的燃气锅炉中是不可能的。

相应地，在具有通常用于电子零压调节的差压传感器和通过评估差压曲线特别是其中包含的瞬态压力信号的评估电子装置的这种燃气锅炉中，可以确定进一步的过程参数、获得和/或合理性检查(plausibilisiert)燃气锅炉的状态并由此检测燃气锅炉的故障或燃气锅炉上的故障。

如果锅炉的可振荡部件(谐振器)或由燃气锅炉形成的系统中的可振荡部件以共振极限稳定性的方式振动，则燃气锅炉中可能发生热声学特征。该系统包括例如燃烧器、燃烧室、用于燃烧气体-空气混合物的燃烧室中的火焰、混合装置和气体调节阀。

在预混合火焰中空气和燃料的稀薄混合物通常导致燃烧器处的低频压力波动，然后可能激发谐振器振荡。谐振器包括例如燃烧室中的气柱，以及气体调节阀中的弹簧质量系统。

如果例如通过阵风使得加热锅炉中的火焰在短时间内变得不可接受地稀薄，则也会发生热声学特征。由于振荡通常是低频(10到100Hz)，因此热声学特征通常通过大的嗡嗡声而变得明显。

根据本发明的方法的一个有利改进方案规定，燃气锅炉还具有燃烧器，其设计成用于燃烧燃料-空气混合物，使得燃烧可以导致燃料-空气混合物中的热声学特征，所述热声学特征在燃烧期间可以被传感器获取为压力波动。评估电子装置获取所述压力波动，并通过分析差压曲线，将出现的热声学特征识别为(可能是第一个)特征值。

在此还优选地规定，评估电子装置特征将识别或确定为特征值的热声学与作为比较值的热声学特征的预定极限值进行比较，如果超过所述极限值，这可以等同于燃气锅炉中的故障，所述燃烧器和/或所述鼓风机和/或所述调节阀和/或安全阀降低热声学特征，特别是控制降低到低于所述极限值。

当热声学特征实际发生时，由此触发的、可能具有数百Pa的高振幅的压力波动可以被检测出并通过为此目的设计的算法被识别为热声学。

如果识别到热声学特征，可以执行各种操作：

1)富集燃料-空气混合物：通过调节阀的燃料的流量以预定速度增加，直到不再检测到热声学振荡或热声学特征。可以根据调节阀的GV特性线和鼓风机的转速来设置速度。然后调节阀再次由为此设置的控制装置或所谓的补偿压力调节器控制。

2)加热功率或鼓风机转速的调制：当补偿压力调节器激活时，转速增加以接近不同/更稳定的驱动点。

3)冲洗(Spülen)和进一步点火尝试：如果排气路径被阻塞并且发生热声学特征，则在重新启动燃气锅炉时可以识别出这种阻塞状态。

4)联锁(Verriegelung)：如果在预定时间内过于频繁地执行1)和2)中所述的方法，则可以锁定锅炉，例如可以关闭安全阀。发生的任何热声学特征也可能表明气体类型和主流量限制器的组合不合适，其可以通过这种方式识别。

此外，根据该方法的一个变体可以规定，鼓风机具有叶轮，并且叶轮通过其旋转在燃料-空气混合物中产生或可以产生压力波动，该压力波动可以由传感器获得。根据所述方法，由评估电子装置通过差压曲线的频率获取压力波动。然后根据差压曲线的频率将叶轮的实际转速确定为特征值或者确定为另外的特征值或第二特征值。

在此，根据有利的改进方案规定，鼓风机具有以电机转速驱动叶轮的电机，并且电机转速对应于叶轮的目标转速。根据所述方法，评估电子装置将确定为特征值的叶轮的实际转速与作为比较值的叶轮的目标转速进行比较。如果叶轮的实际转速与目标转速的偏差超过预定容差值，则评估电子装置识别出叶轮未以预定方式连接到电机。具体地，叶轮和电机之间的连接可能已经松动

如果识别出叶轮未(或不再)以预定方式连接到电机，则这对应于故障，因此例如可以输出故障消息和/或可以相应地控制燃气锅炉.例如，安全阀和/或调节阀可以转而进入阻止流动的位置。

特别是通过鼓风机和设计为文丘里混合器的混合装置的适当组合的情况下，可以通过传感器处的叶轮的1级或叶片级(die 1.Ordnung oder Schaufelordnung desLaufrades)测量与转速相关的压力波动。例如，在燃气锅炉的冲洗阶段，可以进行合理性检查以确定叶轮是否仍然牢固地连接到电机或电机轮毂上。

在此，冲洗阶段应理解为燃气锅炉运行中的阶段，在该阶段中只有空气流过混合装置，特别是流入燃烧器中，使得可能仍然存在的燃料被冲洗出燃烧器。为了在冲洗燃气加热器时没有燃料可以流入，安全阀优选地关闭或处于阻塞流动的位置。

替代地或附加地，所述方法的同样有利的进一步方案规定，当安全阀关闭时，特别是在冲洗燃气锅炉时，获取差压曲线，使从空气入口流入的空气在混合装置中流体分离，从而导致可由压力传感器获取的压力波动。为此目的，可以将安全阀置于和/或控制阻止流动的位置，由此，同时在燃气锅炉中不能燃烧。因此，这样的过程顺序可以优选地在开始之前或在燃烧已经结束之后进行。根据所述方法规定，评估电子装置获取差压曲线并且根据差压曲线的频率将通过混合装置的空气的实际体积流量确定为特征值。

此外，可以规定，评估电子装置根据由传感器确定的压差确定目标体积流量。根据可由传感器获取的、体积流量产生的负压，例如通过相应的计算，可以将流过混合装置的空气的体积流量确定为目标体积流量。

如果从差压曲线中确定或计算出目标体积流量，还可以规定，评估电子装置将实际体积流量和目标体积流量相互比较，如果存在超过预定容差值的偏差，则检测到故障。

压力波动的频率由混合装置的文丘里喷嘴处的流动分离产生，该混合装置优选设计为文丘里混合器，所述压力波动的频率直接取决于空气体积流量，因此可以从压力波动或其频率推导出空气体积流量。可以相应地测量分离频率，特别是在燃气锅炉的冲洗阶段期间，并且因此可以合理性检查所测量的压力的平均值，其优选地是由文丘里喷嘴产生的文丘里吸入压力或负压。

因为通过压力波动间接地确定实际体积流量，混合装置也可以识别出与由另一个传感器或其他方法获取的体积流量的偏差并且由此也可以识别出故障或传感器故障。

附加地或可选地，根据所述方法的一个同样有利的实施例可以规定，评估电子装置根据质量通过调节阀的流量或体积流量获取和评估由传感器获取的压力波动的频率。在频率线性变化同时质量流量或可选的体积流量更线性变化的情况下，评估电子装置将燃料供应压力的波动识别为故障。

例如，燃料供应压力可能由于布置在燃料入口上游的燃气表而振荡。可以相应地识别燃料供应压力的这种(取决于负载的)振荡并且可以调整过滤器设置或调节阀的调节参数。

此外，评估电子装置可以通过差压曲线的频率获取压力波动，并将其与燃气锅炉的加热功率曲线进行比较，并且在压力波动与燃气锅炉的加热功率无关的情况下，识别由阵风引起的空气体积流量的波动，这可能是故障。在这种情况下特别地规定，将压力波动随时间的曲线与加热功率随时间的曲线进行比较。如果压力的振荡独立于加热功率曲线，则很有可能由不规则的气流和例如阵风引起压力波动。因此，可以将这种独立于加热功率或加热功率曲线的压力波动识别为故障，从而例如可以输出或存储故障消息。

风的波动可能导致文丘里压力的振荡或从混合装置产生的用于吸入燃料的负压的振荡，因此可以用传感器测量。通过压力波动的频谱分析，可以相应地检测到过强的风或过强和/或过于频繁的阵风。基于此，也可以进行对应措施。例如，其可以是限制补偿压力调节器的过滤器设置和调节参数的调制和/或调整。

根据所述方法的另一变体可以规定，燃气锅炉还具有燃烧器，所述燃烧器设计成用于燃烧燃料-空气混合物，从而当燃料-空气混合物被点燃时，燃料-空气混合物中会出现压力冲击，在点燃后传感器可以将其作为压力波动获取。根据所述方法，评估电子装置获取压力波动，并通过分析由压力波动确定的差压曲线获取作为特征值出现的压力冲击。

如果将需要燃烧器的进一步方案进行组合，优选的是单个燃烧器而不是多个燃烧器。

就故障、特征值和容差值的描述而言，它们可以各自涉及不同的故障和值，因此可以使用所述方法确定多个特征值，可以将各自的容差值与各个目标值进行比较，并从中确定各个故障。

本发明的另一方面涉及一种燃气锅炉，其被设计成用于实施根据本发明的方法。

以上公开的特征可以根据需要组合，只要这在技术上是可行的并且它们不相互矛盾。

附图说明

本发明的其他有利进一步方案在从属权利要求中表征，或者在下面与参照附图对本发明的优选实施例的描述一起更详细地呈现。在附图中示出：

图1为燃气锅炉的示例性示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出燃气锅炉的一部分或部段，其中文丘里混合器被显示为混合装置4，其中鼓风机5通过空气入口L从具有空气压力p0的环境中吸入空气。流入的空气和通过燃料源G流入的燃料(气体)在混合装置4中混合以形成燃料-空气混合物。

从燃料源G流入的燃料，特别是气体，流经安全阀1、调节阀2和主流量限制器3。安全阀1优选地具有打开和阻塞位置，在该位置，燃料通过安全阀1的流动被阻塞。调节阀2设计成用于控制燃料的体积流量，从而可以调节通过调节阀2到混合装置4的燃料的体积流量。因此可以通过调整或调节通过调节阀2的燃料的体积流量来调节燃料-空气混合物的混合比。

此外设置至少一个差压传感器，其设计成用于确定主流量限制器3的上游和调节阀2下游的燃料的压力p2与参考压力之间的压力差，其中参考压力优选地是环境压力p0或输送到混合装置4的空气输送供应管线中的空气的压力p1。为此，差压传感器例如可以具有相应的压力传感器或压力接收器，其用于获取相应的压力p0、p1、p2。此外，可以提供用于获取另外的压力pg、p3和p4的另外的压力传感器，其可以用作用于获取参考压力或用于合理性检查压力p0、p1、p2的参考压力传感器。

燃料-空气混合物由鼓风机5输送到燃气锅炉的燃烧器(未示出)，燃料-空气混合物在该燃烧器中燃烧。

例如，根据本发明的方法可用于独立于彼此或相互组合地实现以下功能：

1.获取热声学特征

2.获取或合理性检查鼓风机的叶轮的转速

3.获取通过混合装置的空气的体积流量，没有燃料流入混合装置(用空气冲洗燃气锅炉)

4.识别振荡的燃料供应压力

5.检测风的波动

在这种情况下，如前所述，可以获取特征值并将其与目标值或极限值进行比较，其中可以分别考虑容差值。根据比较或者如果作为实际值的特征值与目标值偏差太大或超过或低于极限值，则可以识别出故障或推断出故障。

本发明的实施不限于上面指定的优选示例性实施例。更确切地说，即使在根本不同的设计的情况下，也可以设想利用所示方案的多种变体。