DE19908885A1 - Verfahren zum Betrieb eines mit Brenngasen wechselnder Zusammensetzungen versorgten Energieumsetzers - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines mit Brenngasen wechselnder Zusammensetzungen versorgten Energieumsetzers, bei dem das Brenngas im Zufuhrbereich durch eine absperrbare Meßkammer geleitet wird, in der ein jeweils abgeschlossenes Gasvolumen erwärmt, die Abhängigkeit zwischen zugeführter Wärmemenge und dem Anstieg von Druck und/oder Temperatur erfaßt wird und der erfaßte Wert als Maß für die Brenngaszusammensetzung mit dem für die Energieumsetzung am Energieumsetzer eingestellten Wert einer vorgebbaren Brenngaszusammensetzung verglichen wird, so daß bei Abweichungen des erfaßten Wertes vom eingestellten Wert ein Stellsignal zur Änderung der Einstellung erzeugt wird.

Description

Für den Betrieb von Energieumsetzern, wie beispielsweise Gas­ brenner oder Gasmotoren, steht als Brenngas Erdgas zur Verfü­ gung. Das von den Gasversorgungsunternehmen in das Verteiler­ netz eingespeiste Erdgas steht in einer vorgegebenen Qualität zur Verfügung, die mit Hilfe des Wobbeindex quantifiziert wird. Durch die Einhaltung eines Bereiches des Wobbeindex ist sichergestellt, daß bei Brenngasen unterschiedlicher Zusam­ mensetzung, beispielsweise von einem Brenner einer Heizein­ richtung, gleichbleibende Energie geliefert wird. Aufgrund der vorgegebenen Normen ist jedoch der zulässige Wobbeindex- Bereich sehr weit, so daß auch die Einspeisung von Gasen mit einem extrem weiten Bereich unterschiedlicher Zusammensetzun­ gen zulässig ist. Dies macht jedoch einen störungsfreien Be­ trieb von Energieumsetzern, wie Heizgeräte mit schadstoffar­ men Brennern oder Gasmotoren schwierig. Bei Brennern für Heiz­ einrichtungen muß ein erheblicher gerätetechnischer Aufwand betrieben werden, um ein sicheres Starten und einen störungs­ freien Betrieb im gesamten zulässigen Wobbeindex-Bereich zu ermöglichen. Bei Brennern, die auf eine extrem schadstoffarme Verbrennung ausgelegt sind, ist dies oft gar nicht möglich. Gasmotoren neigen insbesondere bei hohen Anteilen von Flüs­ siggas und Luft in dem dem Verteilernetz entnommenen Brenngas zum Klopfen.

Da die Bandbreite der in den Gasversorgungsnetzen bereitge­ stellten Gasarten, wie beispielsweise Erdgas H, Erdgas L oder Flüssigkeits-Luftbeimischungen, zunimmt, nehmen auch die vor­ stehend geschilderten Probleme zu. Das hat zur Folge, daß Brenner, die hohen Anforderungen an Wirkungsgrad und geringen Emissionen entsprechen sollen, mit Gasen in einer derartigen Bandbreite nur mit Einschränkung betrieben werden können.

Auch bei Gasmotoren führt dies zur erhöhten Emissionen und Einbußen beim Wirkungsgrad, da für einen störungsfreien Be­ trieb der Motor auf einen Betriebspunkt eingestellt werden muß, der außerhalb seines optimalen Betriebspunktes liegt.

Aus DE-196 44 240 A ist zur Lösung dieses Problems ein Ver­ fahren bekannt, bei dem in einer Kammer in das zuzuführende Brenngas ein Energiestrahl, vorzugsweise ein Laserstrahl ein­ geleitet wird und in einem vorgegebenen Abstand von der Strahleinrichtung der Grad der sich bei wechselnden Gaszusam­ mensetzungen ändernden Energieabsorption erfaßt wird und bei dem in Abhängigkeit von dem jeweils erfaßt Lichtabsorptions­ wert die Reaktionsbedingungen der Energieumsetzers geregelt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das mit herkömmlicher Meßtechnik die Erfassung wechselnder Gaszusammensetzungen ermöglicht und so einen stö­ rungsfreien Betrieb derartiger Energieumsetzer, die aus einem Leitungsnetz mit Brenngasen wechselnder Zusammensetzungen versorgt werden, gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Ver­ fahren zum Betrieb eines mit Brenngasen wechselnder Zusammen­ setzungen versorgten Energieumsetzers, bei dem das Brenngas im Zufuhrbereich durch eine absperrbare Kammer geleitet wird, in der ein jeweils abgeschlossenes Gasvolumen erwärmt, die Abhängigkeit zwischen zugeführter Wärmemenge und dem Anstieg von Druck und/oder Temperatur erfaßt und der erfaßte Wert als Maß für die Brenngaszusammensetzung mit dem für die Ener­ gieumsetzung am Energieumsetzer eingestellten Wert einer vor­ gegebenen Brenngaszusammensetzung verglichen wird, so daß bei Abweichungen des erfaßten Wertes vom eingestellten Wert ein Stellsignal zur Änderung des eingestellten Wertes erzeugt werden kann. Bei diesem Verfahren wird mit Vorteil ausge­ nutzt, daß Brenngase mit unterschiedlicher Zusammensetzung oder auch unterschiedliche Brenngasarten unterschieden werden können durch ihre unterschiedlichen Stoffdaten. Während bei dem bekannten Verfahren das Absorptionsverhalten von Licht benutzt wird, geht das erfindungsgemäße Verfahren davon aus, daß Brenngase unterschiedlicher Zusammensetzung bzw. unter­ schiedlicher Art auch eine unterschiedliche Wärmeleitfähig­ keit bzw. eine unterschiedliche Wärmekapazität aufweisen. Die Erfassung der Wärmeleitfähigkeit ist sehr aufwendig und auch nicht genügend zuverlässig. Mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß bei den zur Verfügung stehenden Gasqualitäten ein Zusammenhang besteht zwischen der Wärmekapazität eines Gases einerseits und seinem Brennverhal­ ten andererseits. Die spezifische Wärmekapazität wird hier nach dem erfindungsgemäßen Verfahrend dadurch erfaßt, daß das abgeschlossene Gasvolumen mit einer bekannten Wärmemenge er­ wärmt wird und daß die Änderung von Temperatur und/oder Druck dieses Volumens erfaßt wird. Die Wärmeeinleitung kann hierbei über eine elektrische Heizeinrichtung oder auch durch eine Infrarotbeaufschlagung der Kammer erfolgen. Die erfaßte Tem­ peraturerhöhung bzw. der erfaßte Druckanstieg in dem abge­ schlossenen Gasvolumen ist für die jeweilige Gaszusammenset­ zung charakteristisch, so daß über eine entsprechende Steuer­ einrichtung die jeweilige Einstellung des Energieumsetzers, beispielsweise eines Gasbrenners oder eines Gasmotors so ver­ ändert werden kann, daß für die jeweilige Gaszusammensetzung eine optimale, zumindest aber eine annähernd optimale Ein­ stellung erreicht werden kann. Der besondere Vorteil des er­ findungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß über nur einen Sensor für Druck oder Temperatur eine etwaige Änderung der Brenngaszusammensetzung ermittelt werden kann und zur Rege­ lung verwendet werden kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine vorgebbare Wärmemenge dem abgeschlossenen Gasvolumen zugeführt und der Druck- und/oder Temperaturanstieg des in der abgesperrten Meßkammer enthaltenen Gasvolumens erfaßt wird. Hierdurch ist mit einer einfachen Druck- und/oder Tem­ peraturmessung des zuströmenden Brenngases die Regelung nach der Brenngaszusammensetzung möglich.

In gleicher Weise ist es zweckmäßig, daß die zur Erhöhung von Druck und/oder Temperatur des in der abgeschlossenen Meßkam­ mer enthaltenen Gasvolumens um einen vorgebbaren Wert benö­ tigte Wärmemenge und/oder Zeit erfaßt wird.

Bei Energieumsetzern, wie beispielsweise Gasbrennern, die in­ termittierend betrieben werden, ist in der Gaszufuhrleitung eine Sicherheitsabsperrgarnitur vorgesehen, die aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten steuerbaren Sperrventilen be­ steht, so daß im Sperrzustand zwischen beiden Ventilen ein abgeschlossenes Gasvolumen vorhanden ist. Das Rohrstück zwi­ schen den beiden Sperrventilen wird nun als Meßkammer benutzt und ist dementsprechend mit einer Heizeinrichtung und einem oder zwei Meßfühlern zur Erfassung von Druck und/oder Tempe­ ratur versehen. Die Wandungen der Kammer einschließlich der Verbindungsbereiche mit den Sperrventilen werden zweckmäßi­ gerweise mit einer Wärmeisolierung versehen, um bei wechseln­ den Umgebungstemperaturen Fehlmessungen infolge von Wärmever­ lusten unkontrollierter Wärmezufuhr zu vermeiden. Zweckmäßig kann es hierbei sein, wenn die Sicherheitsabsperrgarnitur insgesamt mit einer Wärmeisolierung versehen ist.

Der Meßvorgang nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann im­ mer dann durchgeführt werden, wenn bei Brennerstillstand die beiden Sicherheitsventile abgesperrt sind und so ein abge­ schlossenes Gasvolumen zur Verfügung steht.

Bei einem kontinuierlich betriebenen Energieumsetzer, bei­ spielsweise einem Gasmotor, ist es zweckmäßig, wenn die Meß­ werterfassung in einer absperrbaren Kammer erfolgt, die in einer Bypaßleitung zur Zufuhrleitung zum Energieumsetzer an­ geordnet ist. Damit besteht die Möglichkeit, ohne Unterbre­ chung des Betriebes innerhalb vorgegebener Zeiträume die Gas­ zusammensetzung zu kontrollieren. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß im Betrieb auch die Bypaßleitung von einem Teilstrom des Brenngases laufend durchströmt wird und nur während der Meßzeit die Kammer abgesperrt wird. Die Anordnung kann hierbei auch so getroffen werden, daß die Bypaßleitung einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist als die norma­ le Zufuhrleitung, so daß das Absperren der Bypaßleitung sich nicht auf den Betrieb des Gasmotors auswirken kann. Gleich­ wohl ist sichergestellt, daß zwischen den Meßzeiten über die Bypaßleitung immer das Brenngas in der jeweiligen Zusammen­ setzung strömt.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für einen inter­ mittierend betriebenen Energieumsetzer in Form eines Brenners,

Fig. 2 schematisch die Änderung der Temperatur des Gases bei Wärmezufuhr,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für einen kontinuier­ lich betriebenen Energieumsetzer in Form eines Gasmotors.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist als Beispiel für einen Ener­ gieumsetzer 1 ein Gasbrenner mit einer Zufuhrleitung 2 vorge­ sehen. Die Zufuhrleitung 2 weist eine Sicherheitsabsperrgar­ nitur 3 auf, die im wesentlichen aus zwei mit Abstand zuein­ ander angeordneten Sperrventilen 4, 5 besteht, die mit ihren Stellantrieben 6, 7 auf eine Steuereinrichtung 8 aufgeschal­ tet sind, über die der Betrieb des Gasbrenners 1 entsprechend den vorgegebenen Anforderungen gesteuert wird.

Der zwischen den beiden Sperrventilen 4 und 5 befindliche Zwischenraum umschließt bei geschlossenen Ventilen ein vorge­ gebenes Gasvolumen. Dieser Zwischenraum ist nun entsprechend als Meßkammer 9 ausgebildet und zwar in der Weise, daß eine Heizeinrichtung 10 in Form einer elektrischen Heizung oder auch einer Infrarotheizung im Innenraum der Meßkammer 9 vor­ handen ist, die über die Steuereinrichtung 8 ebenfalls an­ steuerbar ist. Ferner ist der Innenraum der Meßkammer 9 mit einem oder mehreren Sensoren 11 zur Erfassung von Druck und/oder Temperatur versehen, die mit dem Meßwerterfassungs­ teil der Steuerung 8 verbunden sind. Da ein Gasbrenner nur intermittierend betrieben wird, d. h. also während der Still­ standszeiten die beiden Sperrventile 4 und 5 geschlossen sind, kann während dieser Stillstandszeit der gewünschte Meß­ vorgang vorgenommen werden. Hierzu wird, gesteuert durch die Steuereinrichtung 8, dem in der Meßkammer 9 enthaltenen Brenngas durch die Heizeinrichtung 10 eine vorgegebene Wärme­ menge zugeführt. Die Wärmezufuhr hat zur Folge, daß die Tem­ peratur, aber auch der Druck in der Meßkammer 9 ansteigt, wo­ bei sowohl der Temperaturanstieg als auch der Druckanstieg abhängig ist von der Zusammensetzung des in der Meßkammer 9 enthaltenen Brenngases. Dieser Zusammenhang ist schematisch für den Temperaturverlauf in Fig. 2 in einem Meßdiagramm dar­ gestellt. Die Erfassung des Druckanstiegs ergäbe ein ähnli­ ches Diagramm.

Der Meßvorgang kann nun über den einen Temperatursensor 11, oder auch über einen entsprechenden Drucksensor, in der Weise vorgenommen werden, daß zunächst die aktuelle Gastemperatur nach dem Schließen der beiden Sperrventile 4 und 55 erfaßt wird. Dann wird die Heizeinrichtung 10 über eine vorgebbare Zeit eingeschaltet und so eine definierte Wärmemenge zuge­ führt. Die sich am Ende der Heizzeit einstellende Maximaltem­ peratur wird wieder erfaßt und ergibt über die hieraus ermit­ telte Temperaturdifferenz den von der Steuereinrichtung zu verarbeitenden Signalwert.

Da dieser Vorgang auch zeitabhängig ist, kann auch als Signalwert die Zeit erfaßt werden, in der infolge der Erwär­ mung durch eine definierte Heizleistung eine vorgegebene Tem­ peraturdifferenz durchlaufen wird. Analog kann die Wärmemenge erfaßt werden, die benötigt wird, um das Gasvolumen um eine vorgegebene Temperaturdifferenz oder Druckdifferenz zu erzeu­ gen. Auch hieraus ergeben sich dann die gewünschten Rück­ schlüsse auf die jeweilige Gasqualität bzw. Gaszusammenset­ zung.

Über eine dem Gasbrenner 1 vorgeschaltete Steuer- und/oder Regeleinrichtung 12 können nun die Betriebsbedingungen für den Brenner verändert werden. Die jeweilige Einstellung ist über eine entsprechende, hier nicht näher dargestellte Senso­ rik erfaßt, wobei in der Steuereinrichtung die erforderliche Zuordnung zwischen den Stellgrößen zu bestimmten Gaszusammen­ setzungen als "Sollwerttabelle" vorgegeben ist.

Weicht nun der durch den Meßvorgang ermittelte Wert für die aktuelle Brenngaszusammensetzung von dem in der Regeleinrich­ tung 12 eingestellten Wert ab, dann wird über die Steuerein­ richtung 8 die Regeleinrichtung 12 in ihrer Einstellung ent­ sprechend auf die neue Gaszusammensetzung eingestellt, so daß ein weitgehend optimaler Betrieb gewährleistet ist.

In Fig. 3 ist eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungs­ form dargestellt. Hier ist als Beispiel für einen Energieum­ setzer ein Gasmotor 13 vorgesehen, der im Dauerbetrieb be­ trieben werden soll. Die übrigen Elemente entsprechen der An­ ordnung gem. Fig. 1, so daß hier auf die vorstehende Be­ schreibung verwiesen werden kann. Für gleiche Bauteile sind gleiche Bezugszeichen vorgesehen.

Die Abwandlung der Anordnung gem. Fig. 3 gegenüber der Anord­ nung gem. Fig. 1 besteht lediglich darin, daß der Zufuhrlei­ tung 2 eine Bypaßleitung 14 parallel geschaltet ist und daß die Meßkammer 9 in der Bypaßleitung angeordnet ist. Die Meß­ kammer 9 ist wiederum über Sperrventile 4.1 und 5.1 absperr­ bar. Die Meßkammer 9 ist wiederum, wie anhand von Fig. 1 dar­ gestellt und beschrieben, mit einer Heizeinrichtung 10 verse­ hen, über die mittels der Steuerung 8 eine definierte Wärme­ menge dem in der Meßkammer 9 eingeschlossenen Gasvolumen zu­ geführt werden kann. Ebenso sind ein oder mehrere Sensoren 11 zur Erfassung der Änderung von Druck und/oder Temperatur in der Meßkammer 9 vorgesehen, wie dies anhand von Fig. 1 be­ schrieben ist.

Im Betrieb sind die beiden Sperrventile 4.1 und 5.1 geöffnet, so daß in einem Nebenstrom auch durch die Meßkammer 9 das dem Gasmotor zugeführte Brenngas strömt. Soll in vorgesehenen Meßintervallen die Gaszusammensetzung kontrolliert werden, dann kann über die Sperrventile 4.1 und 5.1 die Meßkammer 9 abgeschlossen werden, der Meßvorgang durchgeführt werden und ggf. auch die notwendige Verstellung der Stellgröße am Gasmo­ tor 13 vorgenommen werden, sofern dies aufgrund der Messung erforderlich ist. Die Gaszufuhr zum Gasmotor wird hierbei nicht unterbrochen.

Grundsätzlich reicht es aus, nur einen Sensor 11 für die Tem­ peratur odere den Druck im abgeschlossenen Gasvolumen vorzu­ sehen, da es ausreicht, jeweils unmittelbar vor Beginn und zum Ende der Aufheizung die entsprechenden Meßwerte zu erfas­ sen. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann in der Zufuhrleitung 2 vor der durch die Sperrventile 4 und 5 abgesperrten Meßkammer 9 über entsprechende Sensoren 15 und 16 Druck und Temperatur des zuströmenden Brenngases erfaßt werden und bei der Ermitt­ lung des Anstiegs von Druck und/oder Temperatur während des Meßvorganges berücksichtigt werden, sofern es im Einzelfall nicht ausreicht, nur die Differenz des aktuellen Meßwertes zu ermitteln.

Die Meßkammer 9, zweckmäßiger aber die gesamte Sicherheits­ sperrgarnitur wird mit einem Isoliermantel versehen, um Wär­ meverluste oder eine Wärmezufuhr von außen während des Meß­ vorganges zu verhindern. Zweckmäßig kann es auch sein, wenn statt eines Isoliermantels die Meßkammer 9 einschließlich der zugeordneten Sperrventile 4 und 5 mit einer Kammer umgeben sind, die eine Beheizung der Meßkammer 9 einschließlich der Ventile ermöglicht, so daß die Meßkammer 9 einschließlich der Ventile unter konstanter Temperatur gehalten werden kann. Je nach den Meßintervallen kann es ausreichen, daß mit entspre­ chendem Zeitvorlauf zunächst die Meßkammer 9 temperiert wird und dann der Meßvorgang durchgeführt wird. Da in der Regel die Aufheizzeiten kurz sind, reicht es aus, die Aufheizcha­ rakteristik der Meßkammer 9 festzulegen und bei der Auswer­ tung des Meßergebnisses in der Regeleinrichtung zu berück­ sichtigen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines mit Brenngasen wechselnder Zu­ sammensetzungen versorgten Energieumsetzers, bei dem das Brenngas im Zufuhrbereich durch eine absperrbare Meßkammer geleitet wird, in der ein jeweils abgeschlossenes Gasvolumen erwärmt, die Abhängigkeit zwischen zugeführter Wärmemenge und dem Anstieg von Druck und/oder Temperatur erfaßt wird und der erfaßte Wert als Maß für die Brenngaszusammensetzung mit dem für die Energieumsetzung am Energieumsetzer eingestellten Wert einer vorgebbaren Brenngaszusammensetzung verglichen wird, so daß bei Abweichungen des erfaßten Wertes vom einge­ stellten Wert ein Stellsignal zur Änderung der Einstellung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne vorgebbare Wärmemenge, dem abgeschlossenen Gasvolumen zu­ geführt und der Druck- und/oder Temperaturanstieg des in der abgesperrten Meßkammer enthaltenen Gasvolumens erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erhöhung von Druck und/oder Temperatur des in der abge­ schlossenen Meßkammer enthaltenen Gasvolumens um einen vor­ gebbaren Wert benötigte Wärmemenge und/oder Zeit erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßwerterfassung erfolgt in einer Meß­ kammer, die in einer Bypaßleitung zur Zufuhrleitung zum Ener­ gieumsetzer angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einen Gasbrenner.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anwendung auf einen Gasmotor.