8 7 6 5 4 3 % 02 2 1 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 % Last Systemübersicht CO/O 2 -Regelung Lambda Transmitter LT3-F Sensoren und Systeme für die Feuerungstechnik www.lamtec.de
LATEC CO/O 2 -Regelung I Lambda Transmitter LT3-F CO/O 2 -Regelung die bessere Alternative zur O 2 -Regelung bei Gasfeuerungen. Als Alternative zur bisherigen Technologie der O 2 -Regelung wurde, basierend auf einer modifizierten Zirkondioxid-Sonde, eine neuartige binäre Brennerregelung über die Nebenprodukte der Verbrennung (CO/H 2 ) entwickelt. Das Ziel war eine dynamische, selbstoptimierende Regeltechnik zur weiteren Verringerung der Abgasverluste bei Industriefeuerungsanlagen. 1 2 3 4 Zur Energieeinsparung und Vermeidung von Umwelt-, Sach- und Personenschäden, ist die Überwachung bzw. Regelung von Verbrennungsprozessen unbedingt notwendig. Die essung des Sauerstoffgehalts in Abgasen allein kann keinen Hinweis auf eine vollständige Verbrennung liefern. Deshalb ist es besonders wichtig, die Anteile der im Abgas enthaltenen unverbrannten Bestandteile zu erfassen und zu reduzieren. Zu diesen unverbrannten Bestandteilen gehören Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H 2 ). Kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung, so treten im Abgas Wasserstoff- und Kohlenmonoxidemission immer gemeinsam auf. Verbrennungsprodukte CO 2, NO, Ruß, CO, C n H m Unvollständige Verbrennung Emissionskante NO Ruß Wirkungsgrad und Verbrennungsprodukte. CO 2 O 2 Abgaswärmeverlust it der Kombi-Sonde KS1D ist es nun erstmals möglich, unverbrannte Bestandteile in Abgasen von gasförmigen Brennstoffen in situ schnell und wartungsfrei zu detektieren und die Feuerung danach zu regeln und zu optimieren. Gleichzeitig liefert der Doppelsensor den O 2 - Gehalt zur sicheren Grenzwertabschaltung. Das essprinzip Sensorprinzip O 2 -Elektrode: Die LATEC Kombi-Sonde KS1D basiert auf einer beheizten elektrochemischen esszelle aus Zirkoniumdioxid- η C n H m CO Wirkungsgrad η, Rest-Sauerstoffgehalt O 2 8 7 6 5 Prinzipieller Aufbau der LATEC Kombi-Sonde KS1D. 1 Referenzelektrode 2 Kappe mit Gaseinlass 3 O 2 - Elektrode 4 Gehäuse 5 Heizer 6 Funktionskeramik 7 CO e -Elektrode 8 Schutzschicht. Keramik (ZrO 2 ). Sie verfügt über 3 Elektroden: O 2 -Elektrode (Platin) CO e -Elektrode (Platin/Edelmetall) Referenzelektrode (Platin) Die als einseitig geschlossenes Rohr ausgeführte Zirkoniumdioxidkeramik ragt in den Abgaskanal der Feuerungsanlage und trennt dabei den Referenzgasraum (Umgebung) gasdicht vom essgasraum (Abgaskanal). Die Referenzelektrode befindet sich auf der Innenseite der Zirkoniumdioxidkeramik im Referenzgasraum. Die beiden esselektroden für O 2 und CO/H 2 befinden sich auf der Außenseite der Keramik im essgas. Ein integrierter Heizer heizt die Sonde auf Temperaturen von ca. 650 C und regelt diese. Bei dieser Temperatur ist die Zirkoniumdioxidkeramik sauerstoffionenleitend und die beiden Sensorsignalspannungen U O2 (zwischen Referenz- und O 2 -Elektrode) sowie U COe (zwischen Referenzund CO e -Elektrode) gemäß bilden sich und können gemessen werden. Die Sensorspannung U O2 [mv] entspricht der bekannten Nernst-Spannung, die von der Sensortemperatur T [K] und vom Logarithmus des O 2 -Partialdruckverhältnisses zwischen Referenz- und esskammer abhängt, mit der Konstanten k = 0,21543 [mv/k] und der sensorspezifischen Offsetspannung U 0 [mv]. gemäß der Formel: U O2 = U 0 +ktln(p O2,ref /p O2,mess ). U 0 wird durch einen Abgleich der Sonde an Umgebungsluft bestimmt: it p O2,ref = p O2,mess = 0,21 wird der letzte Teil 2
U Heizer U O2 U CO Sensorspannung U O2 [mv] U O2 [mv] O 2 -Anteil [Vol. %] Einfaches Ersatzschaltbild KS1D. der Gleichung zu Null und man misst die Offsetspannung U 0 = U O2 bei 21 Vol.% O 2. Eine typische Nernstsche O 2 -Kennlinie (U O2 ) bei einer typischen Sensortemperatur T = 923 [K] mit einer typischen Offsetspannung von U 0 = -5 [mv] ist in Nernstsche Sensorkennlinie Us = f (O 2 ) zu sehen. Sensorprinzip CO e -Elektrode: Die CO e -Elektrode ist identisch zur O 2 -Elektrode, jedoch mit einem Signalmaterial mit anderer elektrochemischer und katalytischer Eigenschaft ausgeführt, was die Detektion brennbarer Bestandteile wie CO, H 2, etc. erst ermöglicht. Bei einer sauberen Verbrennung bildet sich an der CO e - Elektrode ebenfalls die Nernst- Spannung U O2 aus, und die Kennlinien beider Elektroden verlaufen identisch zueinander. Bei schlechter Verbrennung und Anwesenheit brennbarer Bestandteile bildet sich an der CO-Elektrode jedoch eine zusätzliche nicht-nernstsche Spannung U COe aus, und die Kennlinien beider Elektroden spreizen sich voneinander (siehe Typischer Signalverlauf der beiden KS1D-Sensorspannungen ). Das Gesamtsensorsignal U CO/H2 an der CO e -Elektrode ergibt sich aus der Summe dieser beiden Spannungen zu Nernstsche Sensorkennlinie U s = f (O 2 ). U CO/H2 = U O2 + U COe. Zieht man von diesem Gesamtsensorsignal den bekannten Sauerstoffanteil gemessen von der O 2 -Elektrode ab, so erhält man U COe = U CO/H2 - U O2 aus der sich schließlich die Konzentration brennbarer Bestandteile CO e in ppm errechnet. In der Grafik Typischer Signalverlauf der beiden KS1D-Sensorspannungen ist ein typischer Verlauf der CO e -Konzentrationen (gestrichelt) bei allmählich reduziertem O 2 -Gehalt zu sehen. Bei Eintritt ins Luftmangelgebiet kommt es an der sogenannten Emissionskante zu einem signifikanten Anstieg der CO e -Konzentration aufgrund schlechter/unvollständiger Verbrennung durch Verbrennungsluftmangel. Die beiden daraus resultierenden Signalverläufe U O2 (durchgezogen) und U CO/H2 (strich-punktiert) der KS1D sind ebenfalls dargestellt. Im Luftüberschussbereich bei sauberer CO e -freier Verbrennung liegen beide Sensorsignale U O2 und U CO/H2 identisch aufeinander und zeigen gemäß Nernst den aktuellen Sauerstoffanteil im Abgaskanal an. In der Nähe der Emissionskante steigt dann jedoch das Sensorsignal der CO e -Elektrode U CO/H2 durch das addierte nicht-nernstsche CO e -Signal überproportional an. Typischer Signalverlauf der beiden KS1D-Sensorspannungen U O2 und U CO/H2 in Abhängigkeit vom O 2 -Anteil im Abgaskanal. Zusätzlich ist der typische Verlauf brennbarer Bestandteile CO e gegeben. Luftmangel Luftüberschuss Luftmangel Luftüberschuss Sensorspannung U O2 und U CO/H2 [mv] U O2 [mv] U CO /H 2 = U O2 + U COe [mv] U CO [ppm] Emissionskante Sensorspannung U CO/H2 [mv] Signaldynamik > ± 100 mv U CO /H 2 [mv] U CO /H 2 [mv] U CO /H 2 min [mv] Emissionskante O 2 -Anteil O 2 -Anteil [Vol. %] Typischer Signalverlauf der beiden KS1D-Sensorspannungen. Dynamik des CO e -Elektrodensignals U CO /H 2 im Luftmangelgebiet. www.lamtec.de 3
LATEC CO/O 2 -Regelung I Lambda Transmitter LT3-F Für die Auffindung der Emissionskante können neben den absoluten Sensorsignalen U CO/H2 und U O2 auch die relativen Sensorsignaländerung nach der Zeit du O2 /dt und du CO/H2 /dt und insbesondere die Signaldynamik der CO e -Elektrode herangezogen werden (siehe Dynamik des CO e -Elektrodensignals U CO/H2 im Luftmangelgebiet ). LT3-F Fehlersicherer Transmitter mit 2 icroprozessoren KS1D Direkte essung von Sauerstoff (O 2 ) und oxidierenden Abgasbestandteilen (CO/H 2 ) im Rohabgas mit einem Sensor 2 Regelphilosophie Suchen des optimalen Arbeitspunkts der Feuerung nahe der Emissionskante, diesen einstellen, einhalten, falls erforderlich weiter optimieren und überwachen. Dieses Verfahren wird zyklisch wiederholt, sodass die optimalen Arbeitspunkte auch bei ungünstigen witterungs- und anlagenbedingten Verhältnissen immer eingehalten werden. Detektiert die Kombi Sonde KS1D z.b. durch veränderte, anlagenspezifische Verhältnisse Unverbranntes (CO/H 2 ), wird der Arbeitspunkt sofort in Richtung höheres Lambda (mehr Luft, weniger Brennstoff) verschoben. LATEC SYSTE BUS FS ETAATIC ETAATIC OE Burner Tronic BT300 CO/H 2 und O 2 Wirkungsgrad Regeln Gas +/- Luft +/- CO/O 2 -Regelung Sonde CO/H 2 ja/nein essen Emissionen Anlagentechnik: Die CO/O 2 -Regelung wurde als Softwaretool in die bewährten elektronischen Brennstoff-/Luftverbundregelung BT300/ETAATIC/VS/FS integriert. Der simultan gemessene O 2 - Wert wird für die CO/O 2 - Regelung selbst nicht benötigt. Er dient lediglich zur Über wachung und Visualisierung. Sollte es verbrennungstechnisch nicht möglich sein über den gesamten Lastbereich auf die CO-Kante zu fahren, besteht die öglichkeit lastabhängig, gleitend von CO- auf O 2 -Regelung umzuschalten. Bei ehrstoffbrenner kann brennstoffspezifisch ausgewählt werden, ob die CO- oder die O 2 -Regelung aktiv ist. Die CO/O 2 -Regelung ist fehlersicher ausgeführt und wurde vom TÜV-Bayern geprüft und für SIL2 nach DIN EN 61508 bescheinigt für Anwendungen mit Erdgas und Heizöl EL. LATEC-Brennersteuerungen mit integrierter CO/O 2 -Regelung Gegenüber der O 2 -Regelung kann der O 2 -Gehalt im Abgas nochmals signifikant reduziert werden. Das bedeutet eine Erhöhung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades um etwa 0,5 bis 2 % und eine entsprechende Brennstoffeinsparung. Vorteile: bis zu 2 % Energieeinsparung durch permanente Selbstoptimierung in jedem Lastpunkt besseres Regelverhalten durch deutlich kürzere Einstellzeit Falschluft unabhängig hohe Betriebssicherheit robust wartungsfrei fehlersicher SIL 2 nach DIN EN 61508 approbiert nach DIN EN 16340 für Anwendungen mit Erdgas oder Heizöl EL 4
Systemübersicht. VISIOCONTROL PROFIBUS Leitstelle LATEC SYSTE BUS Feldbus odule PB100 PROFIBUS EB100 ODBUS TCP O 2-essung und CO-Detektion LT3-F in Kombination mit der Sonde KS1D Leistungsreglermodul LC100 User Interface UI300 Kesseldruck/-temperatur Flammenfühler Frequenzumrichter 25.3Hz Brennermanagementsysteme BT300 Öl Gas Variables Drehzahlmodul VS100 Zweistoffmodul DF300 Funktionsübersicht BT340/341. VISIOCONTROL GKI300 LATEC SYSTE BUS KS1D (CO + O2) LT3-F LSB-odule Feldbusmodul (PROFIBUS, Ethernet, et, ODBUS, INTERBUS) ETAATIC Kesseldruck/-temperatur Flammenfühler Frequenzumrichter er 25.3Hz stetiges Signal Öl Gas Drehzahlaufnehmer agnetventilansteuerung Gas agnetventilansteuerung Öl Funktionsübersicht ETAATIC/ETAATIC S. www.lamtec.de 5
LATEC CO/O 2 -Regelung I Lambda Transmitter LT3-F Approbiertes esssystem LT3-F (Elektronik) und KS1D (Sensor) als Systemkomponente der CO e /O 2 -Regelung. Sondenanschluss Spannungsversorgung steckbar LSB LATEC SYSTE BUS Lambda Transmitter LT3-F. Der LATEC Lambda Transmitter LT3-F ist ausschließlich mit User Interface lieferbar. Das User Interface (UI) ist an der Fronttür angebracht und verfügt über folgende Funktionen: Anzeige der O 2 - und CO-esswerte, Abgleich der essung, Informationen zum Betriebszustand der Sonde/ essung, zur Softwareversion, CRC und Seriennummer, Passworteingabe, Einstellungen, Filterzeit, Analog ausgang, Sondentausch, Display, Wartungsmodus.. Anschlüsse LT3-F an Unterseite. An der Unterseite des Gerätes befinden sich folgende Anschlüsse: Netzanschluss, Sondenanschluss KS1D (Sondensignal/Sondenheizung), Externer LSB-Anschluss für PC (Nutzung der LATEC-Remote-Software), Kabeldurchführung für Anschluss LATEC SYSTE BUS zu den LSB-odulen, Kabeldurchführung für analoge und digitale Aus-/ Eingänge. ögliche Sondentypen. Kabeldurchführung PC- Schnittstelle Kombi-Sonde KS1D KS1D im Gehäuse mit EV und SEA KS1D in HT-Ausführung (Hochtemperatur) Lambda Transmitter LT3-F * * Pro LT3-F ist nur eine Sonde möglich. Funktionsübersicht LT3-F mit KS1D. LSB-odule PROFIBUS odul PB100 6
LATEC Kombi-Sonde KS1D Die LATEC Kombi-Sonde KS1D ist in verschiedenen Ausführungen lieferbar und kann entsprechend der Anwendung beliebig mit dem Lambda Transmitter LT3-F kombiniert werden. Kombi-Sonde KS1D in HT-Ausführung (Hochtemperatur) Kombi-Sonde KS1D Eigenschaften: essung direkt im feuchten Rauchgas bis 1.200 C. Halbautomatischer Abgleich während des Betriebs mittels Testgas möglich. Schutzart IP65. Eigenschaften: essung direkt im feuchten Rauchgas bis 300 C. Schutzart IP42, bei ontage im Freien muss die Sonde vor Wasser, Schnee, usw. geschützt werden. Einsatzgebiete: Erdgas, Heizöl EL. Einsatzgebiete: Erdgas, Heizöl EL, Kohle, Biomasse, staubhaltige Brennstoff abgase (optional mit Pressluftabreinigung lieferbar). it Abreinigung: aschehaltige Abgase wie Biomasse, Schweröl, Braunkohle, etc. Kombi-Sonde KS1D im Gehäuse mit EV und SEA Eigenschaften: essung direkt im feuchten Rauchgas bis 300 C. Schutzart IP42, bei ontage im Freien muss die Sonde vor Wasser, Schnee, usw. geschützt werden. Einsatzgebiete: Erdgas, Heizöl EL, Abgase mit niedrigem Ascheanteil. www.lamtec.de 7
LATEC CO/O 2 -Regelung I Lambda Transmitter LT3-F Optionale Komponenten. LSB-odule Die LSB-odule sind universell einsetzbare Ein- und Ausgangsmodule, welche über LATEC SYSTE BUS angesteuert werden. Dabei wird das odul über eine einstellbare Adresse angesprochen. Die manuelle Aktivierung der Relaisausgänge erfolgt über Schalter. zwei analoge Ausgänge 0/4 bis 20 ma zur Ausgabe der Rauchgastemperatur und es Wirkungsgrades, Spannungsversorgung 24 VDC / 50 ma. Analoge Ausgänge: Für analoge Ausgänge gibt es zwei unterschiedliche odule: Strommodul mit 4 analoge Ausgängen 0/4 bis 20 ma Spannungsmodul mit 4 analoge Ausgängen 0/2 bis 10 VDC Digitale Ausgänge: Das digitale LSB-odul verfügt über 4 Ausgänge. PROFIBUS-Kommunikation: Die Feldbusmodule werden über den LSB angeschlossen. Die PROFIBUS-Kommunikation bietet hinsichtlich der Einbindung in ein übergeordnetes Prozess- und Gebäudeleitsystem viele Vorteile. Einbau entweder direkt im LT3-F oder extern wie z.b. im Schaltschrank, schnelle und genaue Übertragung von Prozesswerten, direktes Lesen von Ein- und Ausgängen, Ferndiagnose durch Auslesen der Störhistorie. Digitale Eingänge: Das digitale LSB-odul verfügt über 4 Eingänge. Via eines Brückensteckers ist eine schnelle Verdrahtung von zwei odulen möglich und erweitert die Anzahl der Eingänge auf 8. PROFIBUS PB100. LSB-Remote-Software Die PC-Schnittstelle LSB-USB-odul macht die Arbeit mit dem Lambda Transmitter LT3-F noch komfortabler: Über Notebook lässt sich das Gerät fernbedienen. Die eingestellte Konfiguration sowie die Parameterdaten können archiviert werden eine Datensicherung, die im Notfall neu eingespielt werden kann und so in wenigen inuten zur Betriebsbereitschaft zurückführt. it Einsatz der LSB-Remote-Software lässt sich der LATEC Lambda Transmitter auch von Ihrem Büro aus abfragen und überwachen, ohne vor Ort sein zu müssen. LSB-odul zur Berechnung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades: Das Wirkungsgrad-odul verfügt über folgende Eigenschaften: zwei PT100-Temperatureingänge zum Erfassen der Rauchgas- und Umgebungstemperatur, 8
Eingänge. Ausgänge. LSB-odul Analoge Ausgänge 1 0 2 -esswert 2 C0 e -esswert 3 nicht belegt 4 nicht belegt 1 Offset-Abgleich auflösen 2 Reset-Störung 3 Umschaltung auf CO e -Kurve Brennstoff 1 LSB-odul Digitale Eingänge 1 LSB-odul Digitale Ausgänge 1 Störung 2 Warnung 3 Grenzwert 1 4 Deaktivierung Grenzwert 1 bis 4 4 Grenzwert 1 5 Reset Grenzwert 1 bis 4 6 Umschaltung auf CO e -Kurve Brennstoff 3 LSB-odul Digitale Eingänge 2 7 Umschaltung auf CO e -Kurve Brennstoff 4 8 Deaktivierung Abgleich 1 Erfassung Rauchgastemperatur über PT100 2 Erfassung Umgebung s- temperatur über PT100 LSB-odul zur Berechnung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades 3 Rauchgas temperatur 4 Wirkungsgrad 1, 2 Störungs-/ Warnungsreset 3 ID des Digitalmoduls 1 bis 16 4 Bitkodierung um digitale Ausgänge zu setzen PROFIBUS-Kommunikation 1, 2 CO e -Istwert 3, 4 CO e -Istwert Status 5, 6 O 2 -Istwert 7, 8 CO-Sensorspannung Roh 9, 10 O 2 -Sensorspannung Roh 11, 12 Sondenspannung U CO e 13, 14 LT3-Status 15, 16 Warnungswert 1 17, 18 Warnungswert 2 19, 20 Störungswert 1 21, 22 Störungswert 2 Spannungsversorgung 230 V Lambda Transmitter LT3-F www.lamtec.de 9
LATEC CO/O 2 -Regelung I Lambda Transmitter LT3-F Notizen. 10
Notizen. www.lamtec.de 11
LATEC CO/O 2 -Regelung I Lambda Transmitter LT3-F LATEC eß- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH & Co. KG Wiesenstraße 6 D-69190 Walldorf Telefon: +49 (0) 6227 6052-0 Telefax: +49 (0) 6227 6052-57 info@lamtec.de www.lamtec.de Druckschrift-Nr. DLT5014-15-aDE-002 Printed in Germany I Copyright 2015 LATEC