DE102008037906B4

DE102008037906B4 - Verfahren und Brenner zum Steuern eines Brennstoffluftgemisches einer mittleren bzw. großen Feuerungsanlage

Info

Publication number: DE102008037906B4
Application number: DE102008037906A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dreizler; Daniel Dreizler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2028-08-16
Also published as: DE102008037906A1

Abstract

Verfahren zum Regeln eines Brennstoffluftgemisches von – mit flüssigen und/oder flüssigen sowie gasförmigen Brennstoffen mit einer Hohlflamme betriebenen mittleren und großen Feuerungsanlagen (> 3000 kW), – mit Förderung des flüssigen Brennstoffes bei der selben mittels einer elektrisch angetriebenen Brennstoffpumpe, – mit Einspritzen des flüssigen Brennstoffes über mehr als zwei dabei die Hohlflamme bildenden Brennstoffdüsen, – mit Zuführung von Verbrennungsluft von einem Gebläse her, – mit Führung des flüssigen Brennstoffes von der Brennstoffpumpe zu den Brennstoffdüsen über eine Brennstoffleitung und – mit Ansteuerung der elektrischen Geräte der Feuerungsanlage über einen Feuerungsautomaten, dadurch gekennzeichnet, – dass Brennstoffdüsen mit Sprühöffnungen von an sich konstantem Querschnitt verwendet werden, – dass die dem Leistungsbedarf der Feuerungsanlage entsprechende Menge an flüssigem Brennstoff über die Drehzahl der Brennstoffpumpe bestimmt wird oder änderbar ist, – dass die für eine optimale Verbrennung der Hohlflamme erforderliche Luftmenge durch Steuern der...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. einem Gebläsebrenner nach der Gattung des Anspruchs 12 oder 13, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist ein gattungsgemäßes Verfahren ( WO 2007/134580 A1 /Dreizier) bekannt zum Verbrennen von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, bei dem um eine Kernflamme herum eine die eigentliche Feuerungsleistung bringende Hüllflamme angeordnet ist und wobei mindestens die Kernflamme in ihrer Größe und Form so modellierbar ist, dass sie, insbesondere aufgrund einer variablen Gestaltung, eine im Innern der Hüllflamme gelegene innere, interne Rezirkulation bewirkt. Von Bedeutung ist hierbei die dadurch gewonnene NOx-Reduzierung.
Bekannt sind besonders bei den hier behandelten Öl- oder Kombinationsbrennern für Öl und Gas größerer Leistung, bei denen das Öl über Brennstoffdüsen zerstäubt wird, dass sie zweistufig oder stufenlos modellierend arbeiten. Die Leistungsregelung erfolgt dabei in erster Linie aus energieeinsparungs- und wirkungsgradoptimierenden Gründen. Dies erfolgt meist über stufige Ventile im Brennstoffvorlauf der Brennstoffpumpe, oder über einen in einem Rücklauf der Druckleitung der Brennstoffpumpe angeordneten Druckregler bzw. stellmotorbetriebenen Regeldrehschieber, wobei natürlich der Druck an einer Brennstoffdüse für Öl bzw. die Zuschaltung beispielweise verschieden großer Brennstoffdüsen für die Leistungssteuerung von maßgebendem Einfluss ist. Die Möglichkeiten einer Regelung einer dem Bedarf entsprechenden Leistung über den Zerstäubungsdruck an den Düsen bzw. über eine geregelte Drehzahl der Brennstoffpumpe war deshalb nicht gegeben, weil die Regelsysteme der bekannten Verbrennungsanlagen hierfür ein Übermaß an zu fördernder Ölmenge erfordern würden, nämlich bis zum Zweieinhalbfachen der zu verbrennenden zerstäubten Ölmenge. Dies muss von einer Zahnradpumpe unter hohem Druck geleistet werden, die bekanntlich mit einer federgesteuerten Überlauf- oder Überströmregelung arbeitet. Dabei liefert die Brennstoffpumpe bei allen Laststellungen stets entweder den gleichen Druck oder die gleiche Menge, unabhängig von der düsenseitig zerstäubten und für den Wärmebedarf erforderlichen Brennstoffmenge. Die Überschussmenge muss aber bei vollem Verlust abgeführt werden, da es sonst zu Kavitationserscheinungen in der Pumpe mit Dampfblasenbildung und Flammenabriss des Feuers usw. kommen kann.
Kleinere übliche Ölbrenner, bei denen die Antriebswelle des elektrischen Antriebsmotors mit der Brennstoffpumpe und mit der Welle eines Gebläses direkt gekoppelt sind und bei denen der Motor nach Erreichen der gewünschten Leistung abgestellt wird, sind aus verschiedenen Gründen anderer Gattung, denn sie sind vor allem nicht drehzahlgeregelt. Solche Brenner sind in der EP 0 623 785 B1 (Landis & Gyr), Spalte 1, Zeilen 5–15 beschrieben. Nur größere Feuerungsanlagen mit Brennern höherer Leistung weisen vereinzelt separat angetriebene Brennstoffpumpen auf, die aber deshalb nachteiligerweise in Betrieb stets mit voller Drehzahl arbeiten. Ein zusätzlicher Nachteil ist hierbei, dass Pumpe und Antriebsmotor überdimensioniert werden müssen und eine komplizierte Hydraulik erfordern. So muss beispielsweise bei rücklaufgeregelten Brennstoffdüsen bekanntlich nicht nur der Pumpenüberlauf direkt einem Entgasungsbehälter zugeführt werden, sondern der Düsenrücklauf zum Entgasungsbehälter muss sogar hydraulisch aufwändig gesteuert oder geregelt werden über Druckregler, Magnetabsperrventile oder Drehschieber mit Stellantrieb.
Bekannt sind auch Überwachungs- und Sicherheitssysteme nach EN 298 Gas-Feuerungs-Automaten, die heutzutage über den elektronischen Verbund von Verbrennungsluft und Brennstoff sowie die Drehzahl des Gebläsemotors synchron und wiederholt genau regeln, was bekanntlich zu Stromeinsparungen im Teillastbetrieb solcher Brenner führt ( DE 199 21 045 A1 /Dreizier). Dabei ist für die Luft- und Brennstoffregelung ein analoger Ausgang auf einen Stellantrieb der Regelklappe erforderlich, bei dem elektronische Frequenzumrichter ein stetiges Ausgangssignal liefern. Diese Signale können auch elektronisch gekoppelt und redundant über Stellungsrückmeldung überprüft werden. Es sind offensichtlich keine Feuerungsautomaten bekannt, die in Bezug auf flüssigen Brennstoff ein zusätzliches stetiges Signal für den Betrieb der Brennstoffpumpe liefern.
Es ist eine Ölbrenneranlage bekannt ( DE 698 08 646 T2 /Leinweber u. Zimmermann), bei der es sich um einen Ölbrenner mit drehzahlgeregelter Ölpumpe handelt und bei dem eine vorbestimmte Pumpgeschwindigkeit durch ein Geschwindigkeitssensorsignal überprüft und bei Nichterreichen ein Abschalten des Brennersystems bewirkt wird. Dieser Stand der Technik weist allerdings ein wesentliches Merkmal der Gattung der Erfindung nicht auf, dass nämlich mindestens zwei Brennstoffdüsen mit Sprühöffnung eines an sich konstanten Querschnitts vorhanden sind, sondern es geht dort um „eine Vielzahl von Drehzerstäubern” (S. 3, Zeile 2 der Übersetzung der europäischen Patentschrift), welche 6 bis 7 bar Druck erzeugen, während bei der gattungsgemäßen Brennstoffpumpe für mittlere und hohe Leistungen von Hochdruckzahnradpumpen ausgegangen wird, die 40 bis 50 bar leisten. Der Fachmann weiß zudem, dass eine Drehzerstäubung eine völlig andere Technik ist als eine Düsenzerstäubung. Ein wichtiges Merkmal des gattungsgemäßen Brenners ist aber der Einsatz von mindestens zwei Brennstoffdüsen an Brennern mittlerer und großer Leistung, um durch Steuerung dieser Brennstoffdüsen den Feuerungsablauf zu bestimmen. In jedem Fall war für den Fachmann problematisch die auf mindestens zwei Brennstoffdüsen von einer Brennstoffpumpe ausgehend aufgeteilte Brennstoffmenge bei mittleren und großen Brennern ausreichend zu zerstäuben. Dieses Problem ergibt sich zwar nicht bei Drehzerstäubern mit der gewünschten Leistung aber mit den Nachteilen der bekannten Art. Es ist zwar bekannt durch Änderung der Drehzahl des Antriebsmotors sowohl von der Brennstoffpumpe als auch durch Änderung bzw. Anpassung der Verbrennungsluftmenge über entsprechende Steuergeräte eine Leistungsanpassung zu erzielen, allerdings nur im niederen Leistungsbereich bis zu 5 MW und bei großen Brennern, nur bei Rotationszerstäubern, die zudem einen kaum noch vertretbaren Grad an Schadstoffausstoß, beispielsweise Stickstoffoxidemission, aufweisen. Problematisch für den Fachmann ist jedenfalls die Leistungsregelung von Brennern größerer Leistung.
Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie einen entsprechenden Gebläsebrenner zu entwickeln mit denen bei mittleren und größeren Feuerungsanlagen in einem Leistungsbereich ab 3000 kW und unter Verwendung von mindestens zwei Brennstoffdüsen und Änderbarkeit der Brennstoffmenge über die Pumpendrehzahl als auch entsprechendem Anpassen der Verbrennungsluftmenge eine Verminderung der Schadstoffemission zu erreichen bei möglichst einem Überwinden des Vorurteils der Fachwelt für Großbrenner.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. der erfindungsgemäße Gebläsebrenner zur Durchführung des Verfahrens, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 oder 13 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Brennstoffpumpe und damit auch deren elektrisch betriebener Antriebsmotor optimal, und zwar auf den jeweils nur maximal erforderlichen Druck, ausgelegt werden und nicht mehr überdimensioniert sein müssen und bei Kleinlast mit kleineren Drehzahlen arbeiten können. Verfahren und Brennstoffpumpe arbeiten dadurch vorteilhafterweise verschleißärmer, leiser und stromsparender. Durch die geringe Belastung während des Kleinlastbetriebs dieser mittleren und großen Brenner werden zudem die Lager weniger belastet, was oft zu wenig berücksichtigt wird und die Lebensdauer der Pumpe erhöht. Zudem kann die ölhydraulische Sicherheitsstrecke nach „EN 267 Öl-Gebläse-Brenner” wesentlich einfacher und preiswerter ausgeführt werden und die Brennstoffdüsen können durch handelsübliche Öldüsen ersetzt werden. Alle vorgenannten Punkte führen außerdem zu deutlich niedrigeren Betriebskosten.
Es ist zwar an sich bekannt zur Änderung der Menge des geförderten Brennstoffes die Pumpendrehzahl zu ändern, wobei es allerdings stets um nur eine Düse geht mit entsprechender Abhängigkeit der Flamme von der Drehzahl der Pumpe, also der Förderleistung der Pumpe, was mit dem Kern der Erfindung nichts zu tun hat.
Ein wesentliches an sich bekanntes Merkmal ( WO 2007/134580 A1 /Dreizler) dieser Erfindung besteht darin, dass durch mehr als zwei Düsen, also mindestens drei Düsen, eine Hohlflamme gebildet wird, wobei die Bildung einer Hohlflamme maßgebend dafür ist, dass das Regelverhältnis zwischen kleineren und größeren Leistungen der Flamme bzw. des Brenners erheblich änderbar ist. Auch einer solchen kreisförmigen Anordnung, besonders bei Düsen, bei denen drei, vier, sechs oder acht kleinere Düsen gleichzeitig betrieben werden und beispielsweise in einem Kreis anordnet sind, steht eine Voreingenommenheit der Fachwelt gegenüber. Die Gründe dafür sind vielfältig, finden vor allem aber ihre Bestätigung darin, dass solche Hohlflammen bisher in der Praxis nicht eingesetzt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der in den Ansprüchen 1 und 12 beanspruchten Erfindung wird erreicht, dass in der Startphase der Feuerungsanlage, in der einerseits der erforderliche Einspritzdruck für die Brennstoffdüsen noch nicht erreicht ist, andererseits eine Förderung gegen geschlossene Steuerelemente in der Brennstoffleitung vermieden werden soll, auch mit Hilfe eines hydraulischen Druckreglers, der Brennstoff gezielt gesteuert und bis zur Erzielung eines für eine Zündung erforderlichen Förderdrucks zurückgeführt wird. Sobald dann entweder der Zünddruck des Brennstoffes ausreichend ist oder der Zündzeitpunkt bzw. Feuerungsbeginn erfolgen soll, wird über den bei solchen Feuerungsanlagen stets erforderlichen Feuerungsautomaten und mit elektrisch/elektronischen Mitteln die Freigabe der zu den Brennstoffdüsen führenden Brennstoffleitung gesteuert. Natürlich ist eine solche Rückführung mindestens eines Teils der von der Pumpe geförderten Brennstoffmenge auch an üblichen und nicht drehzahlgesteuerten Brennstoffpumpen möglich. Hierdurch können aber auch dort vor allem Anlaufprobleme der Feuerungsanlage vermieden werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auch mittels eines hydraulischen Druckreglers die über die Entlastungsleitung abgeführte Menge auf den Zünddruck der Feuerungsanlage einstellbar und dadurch regelbar. Die Regelung erfolgt entsprechend über den Feuerungsautomat und mit elektrischen Mitteln, beispielsweise einem Magnetventil in der Entlastungsleitung. Die Entlastungsleitung kann erfindungsgemäß als Bypass ausgebildet sein, welcher Druck- und Saugseite der Brennstoffpumpe verbindet und dessen Durchgang mittels eines Steuerelementes, wie beispielsweise ein Magnetventil, steuerbar ist. In jedem Fall wird durch die Druckregelung in dieser Bypassleitung bzw. Entlastungsleitung erreicht, dass der Ausgangsdruck der Brennstoffpumpe für den Start der Feuerungsanlage auf ein entsprechendes ausreichendes Niveau stabilisiert wird.
Nach einer generellen zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung sind in den Abzweigungen in der Brennstoffleitung, aber vor den Brennstoffdüsen, Rückschlagventile oder vom Feuerungsautomat angesteuerte Magnetventile angeordnet. Diese auch bei geringem Druck des zugeführten Brennstoffes öffnenden Ventile verhindern ein Auslaufen der Brennstoffleitungen während des Stillstands der Feuerungsanlage. Dies ist deshalb von erheblicher Bedeutung, weil ein Auslaufen der Leitungen zu einer Verzögerung der Brennstoffeinspritzung und damit zu möglichen Verpuffungen, insbesondere bei Kombinationsbrennern, führen könnte.
Zusätzliche aber wichtige geltend gemachte Merkmale des Verfahrens bzw. Gebläsebrenners betreffen das Gebläse bzw. das Anpassen der Verbrennungsluftmenge an den Verbrennungsluftbedarf mit Hilfe des Feuerungsautomaten gemäß dem Anspruch 5 bzw. den entsprechenden Gebläsebrenneranspruch 12 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5. Aber vor allem eine Aufteilung der Brennstoffdüsen nach unabhängigen Düsensätzen, die zudem unabhängig zu- und absteuerbar sind gemäß Anspruch 6 bzw. 15 und 16. Auch hier gilt wiederum, dass die Merkmale des Anspruchs 5 oder 6 bzw. 14, 15 und 16 mit den Merkmalen der vorangehenden Ansprüche kombinierbar sind.
Erfindungsgemäß kann, unabhängig von diesen mehrstufigen oder linearen Steuerungen des Feuerungsbetriebs der Feuerungsautomat auch für einstufigen Betrieb ausgebildet sein, wobei stets eine Hohlflamme über die Düsenanordnung ausgebildet ist.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die sich auf die Steuerung des Gebläses bezieht, werden das Gebläse mit Antriebsmotor und Frequenzumrichter getrennt zur Baueinheit des Brenners der Feuerungsanlage angeordnet. Dies kann aus räumlichen Gründen aber auch aus regelungstechnischen Gründen von Vorteil sein.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung arbeiten die Frequenzumrichter mit verschiedenen einstellbaren Rampenwinkeln, so dass beim Hochfahren von kleiner auf große Leistung der Gebläse-Frequenzumrichter dem Brennstoffpumpen-Frequenzumrichter in der Drehzahl vorauseilt. Hierdurch wird gewährleistet, dass der bei Stufenumschaltung gegebene Luftüberschuss beim Herunterfahren einen sinngemäßen Effekt bewirkt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbare Sätze von Brennstoffdüsen vorhanden und es werden über diese Düsensätze stufenlos Teilbereiche von Leistungskurven der Feuerung gefahren. Hierdurch ergibt sich ein stufenloser Übergang zu einer zusätzlichen Leistungskurve, wobei beispielsweise zuerst mit einem Düsensatz gefahren wird, danach alternativ mit dem Zweiten oder aber ein zweiter Düsensatz die Leistung des ersten Düsensatzes in Addition ergänzt. Hierdurch ist problemlos ein Regelverhältnis von 1:5 erzielbar.
Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Wechsel zwischen den die Leistungskurven bewirkenden Teilbereichen fliegend und vor allem ohne Brennerabschaltung. Bei dieser Art von ”fliegendem” Brennstoffdüsenwechsel ohne den Verbrennungsprozess abzuschalten sind höchste Wirkungsgrade bei Teillast erzielbar mit stickoxidarmem Betrieb.
Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erreicht man mancherlei technischen Vorsprung. Einerseits lässt sich die Ölpumpe sehr energieeffizient per Drehzahl regeln, andererseits wird ein höheres Regelverhältnis zur Wärmenutzungssteigerung durch höhere Wirkungsgrade erreicht, bei Nutzung der Möglichkeiten zur Stickstoffoxidminderung und der Unweltentlastung. Zudem lassen sich so mit der Hochdruckzerstäubung größere Brenner als 10 MW ausrüsten und erweitern das Anwendungsfeld bis auf 30 MW Einzelbrennerleistung, der bisherigen Domäne der sehr aufwendigen und schlecht regelbaren Rotationszerstäuber.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen jeweils stark vereinfacht:
1 einen Gebläsebrenner im Längsschnitt mit mehrstufiger Verbrennung;
2 einen Gebläsebrenner im Längsschnitt mit stufenloser Verbrennung;
3 ein Diagramm mit drei Kennlinien für eine Brennstoffpumpe und
4 ein Hydraulikplan des Brenners nach 2 mit zwei Düsensätzen und für zwei verschiedene Regelfelder.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Gebläsebrenner 1 stark vereinfacht im Längsschnitt dargestellt. Beim Brennerstart wird über ein anfangs stromlos offenes Bypassventil 9 und einen Regler 15 der Pumpendruck auf Startniveau stabilisiert. Dieses Zündsignal schließt den Bypass und öffnet über Magnetventile 8 die Brennstoffleitung 2 zu Öldüsen 16 im Brennerkopf. Voraussetzung ist ein positives Signal des Minimumluftdruckwächters 12, Minimumöldruckwächters 6 und Maximumöldruckwächters 7. Die ganze Brennstufe kann dann vollständig über einen Stellmotor 10 mit verstärkter Klappenöffnung und höherer Drehzahl des Gebläsemotors 23 einerseits angefahren werden, andererseits gibt eine zusätzliche vorteilhafte Nocke im Stellmotor 11 die Steigerung der Brennstoffmenge frei und lässt die Ölpumpe mit steigender Drehzahl bis zur vollen Leistung nachsteuern.
Gleichzeitig kann durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der zweistufigen Ölteile eines solchen Brenners die Ölseite sowohl an den Gebläsebetrieb frequenz- und drehzahlgeregelt teilhaben in zweistufiger beliebig einstellbarer Wahl der kleinen Stufe über den Stellmotor 10 und seine potentiometergeführte Frequenz- und Drehzahlregelung, überwacht durch einen zusätzlichen Minimumluftdruckwächter 12 als auch an einer vorteilhaften zusätzlichen frequenz- und drehzahlgeregelten Ölpumpe 14, die ebenso die Brennstoffmenge zur stöchiometrischen Verbrennung bei Kleinlast, wie für einen zusätzlichen Minimumöldruckwächter 6, als auch einen Maximumöldruckwächter 7 vorsieht. Der besondere Vorteil liegt in der schonenden Betriebsweise bei Kleinlast der Ölpumpe 14 mit kleinen Drehzahlen, bei der sie verschleißarm, leise und stromsparend arbeitet. Dadurch wird die Lebensdauer erheblich verlängert.
In 2 ist ein Gebläsebrenner ebenfalls stark vereinfacht dargestellt, wobei dabei die dem Brenner aus 1 entsprechenden Teile mit den selben Bezugszahlen versehen sind. Beim Brennerstart wird auch hier anfangs über ein stromlos offenes Bypassventil 9 und einen Regler 15 der Pumpendruck auf Startniveau stabilisiert. Das gleiche Zündsignal schließt dann den Bypass und öffnet über die Magnetventile 8 die Brennstoffleitung 2 zu den Öldüsen 16 im Brennerkopf. Voraussetzung ist ein positives Signal der Minimumluftdruckwächter 12, Minimumöldruckwächter 6 und Maximumöldruckwächter 7. Zum stufenlosen Betrieb des Brenners 1 übernimmt nun der Feuerungsautomat 4 die synchrone und redundante Regelung der Komponenten Stellmotor 10 mit Rückmeldung über Potentiometer 20, Gebläsedrehzahl über Frequenzumrichter 3 und Rückmeldung über Drehzahlsensor 18 sowie Ölpumpendrehzahl über Frequenzumrichter 5 mit Rückmeldung über Drehzahlsensor 19. Zu jedem Regelschritt werden fest programmierte Wertetrippel dieser Komponenten abgespeichert und im Feuerungsautomaten ausgegeben. Damit kann nun vorteilhaft auch die Brennstoffmenge sparsam elektronisch geregelt werden.
Da mit Überströmventilen ausgerüstete Druckzerstäubungspumpen nicht drehzahlgeregelt werden können, wird eine Druckzerstäuberpumpe 14 ohne Überströmeinrichtung zurückgebaut und der Elektromotor 17 nunmehr über eine Drehzahlregelung durch einen Frequenzumrichter 5 geregelt. Als Zerstäubungsdüsen 16 werden handelsübliche Öldüsen verwendet mit einem erweiterten Druckbereich zwischen 6 und 40 bar. Dabei werden vorteilhaft Rückschlagventile 21 oder anstatt eines der Magnetventile 8 Brennstoffventile 21 in die Abzweigung vor jede Düse 16 eingebaut, um ein Auslaufen und Nachtropfen zu verhindern.
Neu ist nun, dass einerseits die Brennstoffdüsen so angeordnet sind, dass die Flamme als Hohlflamme brennt und dass andererseits diese Regeleinrichtung streng den physikalischen Gesetzen von Düsen und ihrem Verhalten folgt (Bernoulli-Gleichung): D₁ = αF√ΔP₁
Bei der gleichen Düse unter verschiedenen Drücken ergibt sich eine ganz einfache Beziehung, nach der hier das Regelverhältnis des Brenners für flüssige Brennstoffe ermittelt werden kann:
Die Pumpe 19 wird mit der Drehzahl zwischen 400 und 1450 Umdrehungen/min gefahren und zeigt einen streng stabilen Charakter nach der zu erwartenden Gleichung mit allen möglichen Größen von Zerstäubungsdüsen 16 sowie auch mit einer Anordnung von einer bis zu mindestens drei Düsen in einer Düsengruppe.
Das Diagramm in 3 zeigt dieses Verhalten in einer Kurve 31 mit Düsendruck in bar auf der Ordinate über dem Durchsatz-(Zerstäubung-)Volumen auf der Abszisse. Die Kennlinientechnik und ihre absolute Gesetzmäßigkeit, die hier mit einfachen Mitteln erreicht wird, ermöglicht eine Anpassung an die Kennlinien der Luftregelklappe und des Gebläses mit seinem drehzahlgeregelten Antrieb mit einem handelsüblichen Feuerungsautomaten 4 nach EN 298, der nunmehr mit einem zusätzlichen vorteilhaften stetigen Ausgang ausgerüstet sein muss. Das erreichbare Regelverhältnis liegt pumpenseitig bei maximal 1:2,5, d. h. minimal 40% und maximal 100%.
Das Diagramm zeigt in den zwei zusätzlichen Kurven 32 und 33, wie zwei Teilbereiche, die an einem Gebläsebrenner gesteuert angefahren werden, einen stufenlosen Übergang zu einer zusätzlichen kombinierten Kurve 32 und zwar ausgehend von einem ersten Düsensatz A und Kurve 32 dann übergangslos durch Zuschaltung eines zweiten Düsensatzes B zu einer Düsensatzgruppe A + B mit dem ergänzten Leistungsverlauf 33, nämlich bis zur vollen Leistung. Diese Kurven 32 bis 33 können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit nur zwei Düsensätzen und mit einem Feuerungsautomaten 4 nach EN 298 und mit einer elektronischen Verbundregelung nach EN 12067-2 sicher geregelt werden, wodurch ein Regelverhältnis von bis zu 1:5 verwirklichbar ist. Es handelt sich dabei um die Technik eines des Brennstoffdüsenwechsels in ”fliegender” Weise, wodurch man von einer Kurve – ohne den Verbrennungsprozess abzuschalten – auf eine andere Regelkurve übergeht. Dadurch sind nunmehr höchste Wirkungsgrade bei Teillast möglich mit stickstoffoxidarmem Betrieb.
In 4 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung in einem Hydraulikschema dargestellt. Der Gebläsebrenner arbeitet auf der Basis der zu 1 beschriebenen Weise mit einer drehzahlgesteuerten Förderpumpe und der damit verbundenen Öl- und Zerstäubungshydraulik. Zusätzlich weist er einen Brennstoffdüsen-Satz 28 auf, mit dem der erste Regelbereich des Brenners, z. B. von 20 bis 45 Prozent Leistung, gefahren werden kann, wie im Diagramm in 3 durch die Kurve 32 dargestellt. Wird nun mehr Leistung benötigt, so wird im fliegenden Wechsel ein zusätzlicher Düsensatz 29 zugeschaltet, der den zweiten Bereich der Regelkurve 33 des Brenners ermöglicht. Es ist auch jederzeit möglich, den Brennerleistungsbereich in drei Teilbereiche mit drei Düsensätzen noch feiner abzustufen und noch höhere Regelverhältnisse zu fahren.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Brenner für flüssige oder flüssige/gasförmige Brennstoffe
2: Brennstoffleitung
3: Frequenzumrichter Gebläse
4: Feuerungsautomat
5: Frequenzumrichter Brennstoffpumpe
6: Druckwächter minimum flüssiger Brennstoff
7: Druckwächter maximum flüssiger Brennstoff
8: Magnetventile
9: Bypassventil
10: Stellmotor Verbrennungsluft für Luftklappe
11: Endschalternocken am Stellmotor Luft
12: Luftdruckwächter minimum für Betrieb mit flüssigem Brennstoff
13: Luftdruckwächter minimum für Betrieb mit gasförmigem Brennstoff
14: Brennstoffpumpe
15: Druckregelung Bypassleitung
16: Brennstoffdüsen
17: Antriebsmotor der Brennstoffpumpe
18: Drehzahlsensor Antriebsmotor Gebläse
19: Drehzahlsensor Antriebsmotor Brennstoffpumpe
20: Potentiometer Stellmotor
21: Rückschlagventile
22: Magnetventil
23: Antriebsmotor des Gebläses
24: Gebläse des Brenners
25: Rückschlagklappe Bypassleitung
26: Magnetventil Brennstoffdüsen A
27: Magnetventil Brennstoffdüsen B
28: Brennstoffdüsen A
29: Brennstoffdüsen B
31: Regelkurven Brennstoffdüsen 2
32: Regelkurven Brennstoffdüsen A
33: Regelkurven Brennstoffdüsen A + B

Claims

Verfahren zum Regeln eines Brennstoffluftgemisches von – mit flüssigen und/oder flüssigen sowie gasförmigen Brennstoffen mit einer Hohlflamme betriebenen mittleren und großen Feuerungsanlagen (> 3000 kW), – mit Förderung des flüssigen Brennstoffes bei der selben mittels einer elektrisch angetriebenen Brennstoffpumpe, – mit Einspritzen des flüssigen Brennstoffes über mehr als zwei dabei die Hohlflamme bildenden Brennstoffdüsen, – mit Zuführung von Verbrennungsluft von einem Gebläse her, – mit Führung des flüssigen Brennstoffes von der Brennstoffpumpe zu den Brennstoffdüsen über eine Brennstoffleitung und – mit Ansteuerung der elektrischen Geräte der Feuerungsanlage über einen Feuerungsautomaten, dadurch gekennzeichnet, – dass Brennstoffdüsen mit Sprühöffnungen von an sich konstantem Querschnitt verwendet werden, – dass die dem Leistungsbedarf der Feuerungsanlage entsprechende Menge an flüssigem Brennstoff über die Drehzahl der Brennstoffpumpe bestimmt wird oder änderbar ist, – dass die für eine optimale Verbrennung der Hohlflamme erforderliche Luftmenge durch Steuern der Gebläsedrehzahl an den Verbrennungsbedarf angepasst wird, – dass eine die Ansteuerung der elektrischen Geräte der Feuerungsanlage über einen den Motor der Brennstoffpumpe und des Gebläses anpassenden Feuerungsautomaten erfolgt, – so dass bei gegebenem konstantem Düsenquerschnitt auf Grund der dem Leistungsbedarf angepassten Drehzahlen der Brennstoffpumpe und des Gebläses das Brennstoff-/Luft-Gemisch dem tatsächlichen Leistungsbedarf entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass über eine Entlastungsleitung der Brennstoffleitung der Brennstoffpumpe druckseitig zur Drucksteuerung ein Teil des geförderten Brennstoffes abgezweigt wird und – dass über diese Entlastungsleitung in der Startphase der Feuerung und insbesondere vor der Zündung, mittels elektrischen und/oder hydraulischen Steuerungsmitteln, mindestens eine Teilmenge des von der Brennstoffpumpe geförderten Brennstoffes gesteuert rückgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Entlastungsleitung rückgeleitete Menge über ein Rückschlagventil geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Entlastungsleitung rückgeleitete Menge auf den Zünddruck eingestellt und dadurch geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass der Feuerungsautomat die Verbrennung stufenlos regelt, indem er unabhängig von einer Steuerung des Antriebsmotors der Brennstoffpumpe das Gebläse für die Verbrennungsluftmenge über einen Gebläse-Frequenzumrichter steuert und ihn über einen Gebläsedrehzahlsensor kontrolliert, – dass der Feuerungsautomat mit einem von einem Potentiometer kontrollierten Stellmotor die Luftklappe steuert und – dass der Feuerungsautomat über einen Frequenzumrichter des Antriebsmotors der Brennstoffpumpe und über einen Drehzahlsensor den Antriebsmotor der Brennstoffpumpe kontrolliert und steuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass mindestens zwei unabhängig voneinander steuerbare Sätze von Brennstoffdüsen vorhanden sind und – dass über diese Düsensätze stufenlos Teilbereiche von Leistungskurven der Feuerung gefahren werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen den die Leistungskurven bewirkenden Teilbereichen fliegend und ohne Brennerabschaltung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffmenge vom Feuerungsautomat her über einen Motorfrequenzumrichter gesteuert wird und der Feuerungsautomat die Luftmenge mittels eines Stellmotors und vorzugsweise über Endschalternocken am Stellmotor gemäß einer stufigen Schaltung ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei großen Kombibrennern für flüssigen und gasförmigen Brennstoff und bei Betrieb mit flüssigem Brennstoff, durch einen zusätzlichen Druckwächter (12) für Luft die Absicherung der Luftmenge für eine kleine Stufe vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei großen Kombibrennern für flüssigen und gasförmigen Brennstoff und bei Betrieb mit flüssigem Brennstoff, durch einen zusätzlichen Öldruckwächter ”Minimum” für den Brennstoffdruck, eine Absicherung der minimal erforderlichen Brennstoffmenge für eine kleine Stufe vorhanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kombibrennern für flüssigen und gasförmigen Brennstoff und bei Betrieb mit flüssigem Brennstoff, durch einen zusätzlichen Öldruckwächter ”Maximum” eine Absicherung der maximal zulässigen Brennstoffmenge erzielt wird.
Gebläsebrenner mit einer Leistung > 3000 KW für flüssige Brennstoffe oder für die Verbrennung eines Gemisches aus flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, – mit einer elektrisch angetriebenen Brennstoffpumpe (14) für flüssige Brennstoffe, – mit von der Brennstoffpumpe zu Brennstoffdüsen (16) führenden Brennstoffleitungen (2) für die flüssigen Brennstoffe, – mit einem Gebläse (24) für die Verbrennungsluft, – mit einer zur Bestimmung der Verbrennungsluftmenge verstellbaren Luftklappe (10) und – mit einem Feuerungsautomaten (4) für die elektrischen Geräte der Feuerungsanlage (Pumpenantrieb, Gebläseantrieb, Luftklappenverstellung), zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, – dass mindestens drei Brennstoffdüsen mit Sprühöffnungen von an sich konstantem Querschnitt zur Bildung einer Hohlflamme zentralsymmetrisch angeordnet sind, – dass der elektrische Antrieb (17) der Brennstoffpumpe (14) einen von den anderen elektrischen Geräten (5 bis 9) der Feuerungsanlage unabhängig arbeitenden (gesteuerten) elektrischen Antriebsmotor (17) aufweist und – dass der Antriebsmotor (17) zu seiner Drehzahlsteuerung einen ersten Frequenzumrichter (5) aufweist.
Gebläsebrenner nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffpumpe (14) ausgangsseitig (druckseitig) eine Entlastungsleitung der Brennstoffleitung (2) aufweist, die als externer Bypass um die Brennstoffpumpe (14) herum führt, wobei die Entlastungsleitung ein Bypassventil (9) und einen hydraulischen Druckregler (15) oder ein Rückschlagventil aufweist und in die Brennstoffleitung mündet vor dem Eingang derselben in die Brennstoffpumpe (14).
Gebläsebrenner nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffleitung (2) in deren Abzweigungen jeweils vor den Brennstoffdüsen (16) Rückschlagventile (21) angeordnet sind.
Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffleitung (2) in deren Abzweigungen jeweils vor den Brennstoffdüsen (16) Magnetventile (22) angeordnet sind.
Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (24) einen Frequenzumrichter (3) und die Luftklappe einen Stellmotor (10) aufweisen und dass am Stellmotor (10) Endschalternocken (11) vorhanden sind, die durch den Feuerungsautomaten (4) stufig schaltbar sind, um stufig die Brennstoffmenge zu schalten.
Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuerungsautomat im Verbund gleichzeitig ansteuert sowie kontrolliert a) das Gebläse (24) mit Antriebsmotor (23) über einen Frequenzumrichter (3) und einen Drehzahlsensor (18), b) den Stellmotor (10) für die Luftklappe mit einem Potentiometer (20) für den Stellmotor und c) den Frequenzumrichter (5) für den Antriebsmotor (17) der Brennstoffpumpe (14) mit einem Drehzahlsensor (19) (2).
Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen als mehrere unabhängig zuschaltbare Düsensätze (28, 29) vorhanden sind, welche über Magnetventile (26, 27) getrennt und satzweise zuschaltbar sind.
Gebläsebrenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsensätze (28, 29) verschiedene Düsengrößen aufweisen.
Gebläsebrenner nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (24) mit Antriebsmotor (23) und Frequenzumrichter getrennt zur Baueinheit des Brenners (1) der Feuerungsanlage angeordnet ist.