Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE SOOT CHARGE IN A COMBUSTION CHAMBER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/016010
Kind Code:
A1
Abstract:
To determine the soot charge in a combustion chamber (23) while said chamber is operational at least one parameter which is characteristic of combustion and permits conclusions as to the soot charge is measured by monitoring a flame (10) in the combustion chamber (23). The soot charge is then determined on the basis of the at least one measurement value.

Inventors:
FASTNACHT FELIX (DE)
MERKLEIN THOMAS (DE)
Application Number:
PCT/DE1999/002839
Publication Date:
March 23, 2000
Filing Date:
September 08, 1999
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
FASTNACHT FELIX (DE)
MERKLEIN THOMAS (DE)
International Classes:
F23G5/44; F23G5/50; F23M11/04; F23J1/00; F23N5/00; F23N5/08; F23N5/26; (IPC1-7): F23N5/00; F23N5/08; F23M11/04
Foreign References:
US5797736A1998-08-25
US4620491A1986-11-04
DE2950690A11981-06-25
US5794549A1998-08-18
DE19605287A11997-08-14
DE19532539A11997-03-20
Other References:
SHIMODA ET AL.: "Prediction method of unburnt carbon for coal fired utility boiler using image processing technique of combustion flame", IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION., vol. 5, no. 4, December 1990 (1990-12-01), IEEE INC. NEW YORK., US, pages 640 - 645, XP000172403, ISSN: 0885-8969
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 157 (M - 696) 13 May 1988 (1988-05-13)
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung der Rußbeladung eines Verbren nungsraums (23) im laufenden Betrieb, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein fur die Verbrennung charakteristischer Parameter, der ei nen Rückschluß auf die Rußbeladung erlaubt, durch Überwachung einer Flamme (10) des Verbrennungsraumes (23) gemessen wird und die Rußbeladung basierend auf der Messung ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine räum liche Verteilung des mindestens einen für die Verbrennung charakteristischen Parameters gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die Meßwerte des mindestens einen für de Verbrennung charakteri stischen Parameters ein zulässiger Bereich mit einer Unter grenze und/oder einer Obergrenze vorgegeben wird und außer halb des vorgegebenen Bereichs liegende Meßwerte bei der Er mittlung der Rußbeladung unberücksichtigt bleiben.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß aus der ge messenen raumlichen Verteilung des mindestens einen für die Verbrennung charakteristischen Parameters die örtliche Ruß bildungsrate ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die örtli che Rußbildungsrate nach physikalischen und/oder chemischen Zusammenhangen errechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die örtli che Rußbildungsrate durch einen Vergleich mit vorgegebenen Umrechnungskurven ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ermit telte Rußbildungsrate über den Meßbereich aufsummiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ermit telte Rußbildungsrate über einen vorgebbaren Zeitraum aufsum miert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der vorgeb bare Zeitraum veränderlich ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ermit telte Rußbildungsrate nach dem Aufsummieren gemittelt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die ermit telte Rußbildungsrate vor oder nach dem Aufsummieren mit ei nem Eichfaktor zur Ermittlung der Rußbeladung verknüpft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Eich faktor veranderbar ist, insbesondere in Abhangigkeit von dem Meßwert, der der Flamme (10) zugeführten Verbrennungsluft und/oder weiteren Parametern.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Tempe ratur als für die Verbrennung charakteristischer Parameter gemessen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Gehalt an Kohlenmonoxid als fur die Verbrennung charakteristischer Parameter gemessen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Tempe ratur und der Kohlenmonoxidgehalt gemessen und miteinander verknüpft werden.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens einen Sensor (22) zur Messung des mindestens einen für die Verbren nung charakteristischen Parameters und eine Datenverarbei tungsanlage (19) zur Ermittlung der Rußbildungsrate.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein Sensor (22) als CCDKamera ausgebildet ist.
Description:
Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Rußbeladung ei- nes Verbrennungsraums Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung der Rußbeladung eines Verbren- nungsraums in laufendem Betrieb.

Bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs in einem Ver- brennungsraum steht die ständige Verbesserung des Verbren- nungsprozesses im Vordergrund der Bemühungen. Dies gilt nicht nur für gasförmige Schadstoffe, wie Kohlenmonoxid und Stickoxide, sondern auch für die Beladung des Abgases mit Feststoffen, wie Ruß. Zum Erreichen eines möglichst guten Verbrennungsprozesses muß die Feuerung mittels einer geeigne- ten Feuerungsregelung optimiert werden. Bei der Verwendung von fossilem Brennstoff oder Müll treten nämlich auf Grund der unterschiedlichen Herkunft des Brennstoffs oder der hete- rogenen Zusammensetzung des Mülls Schwankungen des Heizwertes des Brennstoffs oder der Müllmischung auf. Bei Brennstoff- mischungen kann darüber hinaus das Verhältnis der einzelnen Brennstoffe zueinander schwanken.

Eine Möglichkeit der Optimierung stellt die Ermittlung der Rußbeladung im laufenden Betrieb dar, wobei die ermittelte Rußbeladung anschließend für die Regelung der Flamme verwen- det wird. Ein bekanntes Vorgehen besteht in einer punktuellen Absaugung von Abgasen mit Rußanteilen mit Hilfe einer Ab- saugsonde. Die Absaugung kann entweder im Verbrennungsraum oder in einem nachgeschalteten Abgassystem erfolgen. An- schließend wird die abgesaugte Luftmenge uberprüft und hier- durch die Rußbeladung ermittelt. Eine vollständige Erfassung der Rußbeladung ist mit diesem Vorgehen nicht möglich, da le- diglich ein punktuelles Absaugen erfolgt. Lokale Schwankungen der Rußbeladung in dem Verbrennungsraum oder im Abgassystem führen daher zu einer Verzerrung. Dauber hinaus wird die bei

der Verbrennung entstehende Rußbeladung erst mit einer gewis- sen Verzögerungszeit erfaßt. Die vorgesehene Feuerungsrege- lung arbeitet somit stets mit einer vergleichsweise großen Totzeit, die bei größeren Kraftwerksanlagen bis zu einigen Minuten betragen kann.

Ein anderer Ansatz sieht die Ermittlung der Rußbeladung von Flammen mit Hilfe von Laserabsorptionsmessungen über die Mie- Theorie vor. Dieses Meßverfahren ist allerdings nur zu For- schungszwecken im Labor geeignet, da die Messung der Rußbela- dung einer Flamme sehr aufwendig ist. Ein Einsatz im tägli- chen Dauerbetrieb ist derzeit nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah- ren sowie eine Vorrichtung zur raschen und einfachen Ermitt- lung der Rußbeladung eines Verbrennungsraums im laufenden Be- trieb bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens ein für die Verbrennung charakteristischer Parameter, der einen Rück- schluß auf die Rußbeladung erlaubt, durch Uberwachung einer Flamme des Verbrennungsraumes gemessen wird und die Rußbela- dung basierend auf der Messung ermittelt wird.

Die Erfindung schlägt vor, die bisher bekannten direkten Ver- rahren zur Ermittlung der Rußbeladung durch ein indirektes Verfahren zu ersetzen. Ein Absaugen von rußbeladenen Abgasen oder eine aufwendige direkte Bestimmung der Rußbeladung in der Flamme können vermieden werden. Es wird vielmehr durch einfache Messung ein für die Verbrennung charakteristischer Parameter erfaßt und anschließend die Rußbeladung basierend auf dieser Messung ermittelt. Aufwendige Absaug-und Analyse- einrichtungen sind nicht erforderlich. Weiter erfolgt die Er- mittlung der Rußbeladung erfindungsgemäß ohne Zeitverzoge- rung, so daß eine optimale Feuerungsregelung erreicht werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

In vorteilhafter Ausgestaltung wird eine räumliche Verteilung des mindestens einen für die Verbrennung charakteristischen Parameters gemessen. Hierdurch wird die Genauigkeit des er- findungsgemäßen Verfahrens erhöht, da der mindestens eine Pa- rameter im Bereich der Flamme im Regelfall nicht konstant ist. Durch die Erfassung der räumlichen Verteilung ist daher eine wesentlich genauere Ermittlung der Rußbeladung möglich als bei einer eindimensionalen Messung des mindestens einen für die Verbrennung charakteristischen Parameters.

Weiter ändert sich bei turbulenter Verbrennung, wie sie im Verbrennungsraum von Kraftwerken immer vorliegt, die Position der Flamme während der Verbrennung. Eine stationäre Messung an einzelnen ausgewählten Punkten birgt somit die Gefahr, daß die Flamme bei Veränderung ihrer Position nicht durch die Meßeinrichtung erfaßt wird. Bei der Erfassung der räumlichen Verteilung kann dies durch die Vorgabe eines räumlichen Meß- bereichs verhindert werden.

Weiter kann vorteilhaft für die Meßwerte ein zulässiger Be- reich mit einer Untergrenze und/oder Obergrenze vorgegeben werden. Liegt ein Meßwert außerhalb des vorgegebenen Be- reichs, so kann dieser bei der Ermittlung der Rußbeladung un- berücksichtigt bleiben.

In vorteilhafter Weiterbildung wird aus der gemessenen raum- lichen Verteilung des mindestens einen für die Verbrennung charakteristischen Parameters die örtliche Rußbildungsrate ermittelt. Hierdurch wird die Meßgenauigkeit nochmals verbes- sert.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die ört- liche Rußbildungsrate nach physikalischen und/oder chemischen

Zusammenhangen errechnet. Hierdurch kann durch Vorgabe des Brennstoffs oder der Brennstoffmischung ohne vorherige Tests und Erfahrungswerte die örtliche Rußbildungsrate bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die örtliche Rußbil- dungsrate durch einen Vergleich mit vorgegebenen Umrechnungs- kurven ermittelt werden. Dieses Vorgehen bietet sich an, wenn bereits Umrechnungskurven vorliegen und/oder zu dem verwende- ten Brennstoff oder der Brennstoffmischung keine physikali- schen und/oder chemischen Zusammenhänge bekannt sind. Falls beide Ermittlungsverfahren angewendet werden, ist durch die doppelte Ermittlung eine Kontrolle gegeben. Gleichzeitig wird die Meßgenauigkeit erhöht.

Derartige Umrechnungskurven sind für verschiedene Brennstoffe beispielsweise in dem"VDI-Wärmeatlas"und in"Technische Verbrennung", Warnatz, Springer Verlag, abgedruckt. Alterna- tiv oder zusätzliche können diese Umrechnungskurven durch Versuche für verschiedene Brennstoffe oder Brennstoffzusam- mensetzungen ermittelt und in Form eines Kennfelds abgelegt werden.

Vorteilhaft wird die ermittelte Rußbildungsrate über den Meß- bereich aufsummiert. Hierdurch wird die zu bearbeitende Da- tenmenge verringert. Gleichzeitig ergibt sich ein Gesamtwert der Rußbildungsrate, der bereits für Kontroll-und Regelungs- zwecke verwendet werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die ermittelte Rußbildungsrate über einen vorgebbaren Zeitraum aufsummiert.

Schwankungen der Flamme, insbesondere auf Grund turbulenter Verbrennung, können zuverlässig erfaßt werden. Gleichzeitig werden Spitzenwerte oder Minimalwerte geglattet. Durch das Aufsummieren kann darüber hinaus eine Kontrolle der Flamme erfolgen. Erlischt die Flamme, so fallut die Rußbildungsrate über einen längeren Zeitraum drastisch ab. Kurzzeitiges Flak- kern wird durch das Aufsummieren tuber den vorgebbaren Zeit- raum geglåttet, während ein Erlöschen der Flamme zu einem

dauerhaften Abfall der Rußbildungsrate führt, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erkennbar ist. Es ist somit neben der Ermittlung der Rußbeladung auch eine Überwachung der Flamme möglich.

In vorteilhafter Weiterbildung ist der vorgebbare Zeitraum veränderlich. Insbesondere kann dieser Zeitraum in Abhängig- keit von vorangegangenen Messungen verändert werden. Weiter kann beim Anfahren oder bei Lastschwankungen der vorgebbare Zeitraum anders als im gleichbleibenden Dauerbetrieb gewählt werden.

Vorteilhaft wird die ermittelte Rußbildungsrate nach dem Auf- summieren gemittelt. Diese Mittelung erlaubt eine Darstellung der Rußbildungsrate bezogen auf die Größe des Meßbereichs, so daß mehrere Flammen oder Verbrennungsräume unterschiedlicher Größe miteinander verglichen werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die ermittelte Rußbeladungsrate vor oder nach dem Aufsummieren mit einem Eichfaktor zur Ermittlung der Rußbeladung verknüpft. Dieser Eichfaktor ermöglicht den Schluß von der Rußbildungsrate auf die Rußbeladung und wird anlagenspezifisch ermittelt.

Vorteilhaft ist der Eichfaktor veränderbar, insbesondere in Abhängigkeit von dem Meßwert, der der Flamme zugeführten Ver- brennungsluft und/oder weiteren Parametern. Hierdurch wird eine Anpassung an unterschiedliche Randbedingungen erreicht.

In vorteilhafter Ausgestaltung wird die Temperatur als für die Verbrennung charakteristischer Parameter gemessen. Die Temperatur läßt sich auch in räumlicher Verteilung gut durch einen oder mehrere geeignete Sensoren erfassen. Die Messung ist genau, beruhrungsfrei, erfordert keine beweglichen Bau- teile und erfolgt ohne Verzögerung. Ausgehend von der gemes- senen räumlichen Temperaturverteilung wird ar. schließend die örtliche Rußbildungsrate gemma8 dem oben beschriebenen Vorge-

hen ermittelt. In anderer vorteilhafter Ausgestaltung wird der Gehalt an Kohlenmonoxid als für die Verbrennung charakte- ristischer Parameter gemessen. Die Messung des Gehalts an Kohlenmonoxid erfolgt über eine Erfassung der Strahlung in dem für Kohlenmonoxid charakteristischen Strahlungsbereich.

Dieser Strahlungsbereich wird beispielsweise durch einen Strahlteiler aus dem Gesamtspektrum der Flamme isoliert und anschließend erfaßt. Durch eine geeignete Auswerteeinheit, wie beispielsweise eine CCD-Kamera, kann die räumliche Ver- teilung des Kohlenmonoxids in der Flamme gemessen werden.

Bei der Messung der Temperatur kann eine Untergrenze von z. B.

800 °C festgelegt werden. Bereiche, in denen die Temperatur unter dieser Grenze liegt, können dann als außerhalb der Flamme liegend angesehen werden und bei der Ermittlung der Rußbeladung unberücksichtigt bleiben.

Vorteilhaft werden sowohl die Temperatur als auch der Kohlen- monoxidgehalt gemessen und miteinander verknüpft. Dieses Vor- gehen ermöglicht eine Ermittlung der Rußbeladung auf Grund zweier unterschiedlicher Meßwerte und somit eine Kontrolle.

Gleichzeitig wird die Genauigkeit erhöht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist erfin- dungsgemäß mindestens einen Sensor zur Messung des mindestens einen fur die Verbrennung charakteristischen Parameters und eine Datenverarbeitungsanlage zur Ermittlung der Rußbildungs- rate auf. Die Datenverarbeitungsanlage umfaßt insbesondere geeignete Baugruppen oder Module zum Aufsummieren und Mitteln der Rußbildungsrate sowie zur Verknupfung mit dem Eichfaktor.

Vorteilhaft ist mindestens ein Sensor al-s CCD-Kamera ausge- bildet. Derartige"charged-coupled-device"-Kameras erlauben eine Ortsauflosung des Meßbereichs und damit die Erfassung des mindestens einen fur die Verbrennung charakteristischen Parameters in räumlicher Verteilung.

Die ermittelte Rußbildungsrate kann anschließend über eine geeignete Regelung weiterverarbeitet und an den Brenner der Flamme geführt werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie- len näher beschrieben, die in schematischer Weise in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei zeigen : Figuren 1 und 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens ; und Figur 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Flamme 10 in einem Ver- brennungsraum 23 wird über eine Erfassungseinrichtung I über- wacht. Die Erfassungseinrichtung I mißt die räumliche Vertei- lung mindestens eines für die Verbrennung charakteristischen Parameters, der einen Ruckschluß auf die Rußbeladung erlaubt.

Es werden entweder die Temperatur oder der Gehalt an Kohlen- monoxid oder Temperatur und Kohlenmonoxidgehalt gemeinsam er- faßt. Anschließend erfolgt durch eine Berechnung oder einen Abgleich II eine Ermittlung der örtlichen Rußbildungsrate, die ein Rußbildungsfeld III liefert. Das Rußbildungsfeld III wird durch eine Integration IV aufsummiert und gegebenenfalls gemittelt. Anschließend erfolgt eine Verknüpfung V mit einem Eichfaktor. Hierdurch wird die Rußbeladung des Verbrennungs- raums ermittelt, die über eine geeignete Ausgabe VI ange- zeigt, ausgedruckt oder abgespeichert wird. Zusätzlich kann die Rußbeladung auf eine Regelung VII gegeben werden, die auf die Flamme 10 und damit auf die Verbrennung einwirkt. Hier- durch wird eine Feuerungsregelung erreicht.

In Figur 2 sind die Verfahrensschritte I bis VI genauer dar- gestellt. Zunächst wird ein Temperaturfeld 11 der Flamme 10 erfaßt. Zur Ermittlung der örtlichen Rußbeladung basierend

auf dem Temperaturfeld 11 dient eine Umrechnungskurve 12, die entweder durch Versuche ermittelt oder nach physikalischen und/oder chemischen Zusammenhängen errechnet worden ist. Der- artige Umrechnungskurven 12 sind auch in dem VDI-Wcrmeatlas und in"Technische Verbrennung", Warnatz, Springer-Verlag ab- gedruckt. Das Temperaturfeld 11 und die Umrechnungskurve 12 werden in einem Vergleichsmodul 13 verknüpft und liefern ein Feld 14 der Rußbildungsrate. Dieses Feld 14 der Rußbildungs- rate wird an einen Integrator 15 übermittelt, der eine räum- liche und/oder zeitliche Aufsummierung vornimmt. Gegebenen- falls kann nach der Integration auch eine Mittelung erfolgen.

Durch die Integration wird die gesamte Rußbildungsrate er- rechnet, die anschließend mit einem Eichfaktor 16 aus einem Speicherelement C in einem Verknüpfungsmodul 17 verknüpft wird. Hierdurch wird die Rußbeladung errechnet, die anschlie- ßend an ein Ausgabemodul 18 weitergegeben wird.

Alternativ kann aus einem anderen Speicherelement C'ein an- derer Eichfaktor 16t verwendet werden, der nach der Ermitt- lung des Felds 14 der Rußbildungsrate mit diesem Feld 14 ver- knüpft wird. Dies ist gestrichelt gezeigt.

Figur 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemåßen Verfahrens. Die Flamme 10 in dem Ver- brennungsraum 23 wird von einem Brenner 21 gespeist. Zur Überwachung dienen ein oder mehrere Sensoren 22, die minde- stens einen für die Verbrennung charakteristischen Parameter messen. Hierbei kann es sich um eine CCD-Kamera handeln. Vor- teilhaft erfolgt eine Messung der raumlichen Verteilung von Temperatur und/oder Kohlenmonoxidgehalt. Der Meßwert wird an das Vergleichsmodul 13 weitergegeben, in dem das Feld 14 der Rußbildungsrate ermittelt wird. Das Vergleichsmodul 13 über- mittelt das Feld 14 der Rußbildungsrate an den Integrator 15, in dem die Aufsummierung und gegebenenfalls Mittelung er- folgt. In dem Verknüpfungsmodul 17 wird anschließend über den Eichfaktor 16 die Rußbeladung ermittelt. Diese Rußbeladung wird an das Ausgabemodul 18 abgegeben. Das Ausgabemodul 18

übermittelt die Rußbeladung an einen Drucker oder Speicher 20. Vorteilhaft erfolgt gleichzeitig eine Rückkopplung zu dem Brenner 21 der Flamme 10. Hierdurch wird eine Feuerungsrege- lung mit direkter, unmittelbarer Uberwachung der Flamme 10 und daher sehr geringen Totzeiten erreicht. Das Vergleichsmo- dul 13, der Integrator 15, das Verknüpfungsmodul 17 sowie das Ausgabemodul 18 sind in einer Datenverarbeitungsanlage 19 zu- sammengefaßt.

Insgesamt ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung eine rasche, einfache und hochgenaue Ermittlung der Rußbeladung.