AT503169A1

AT503169A1 - Verfahren zur regelung eines prozesses

Info

Publication number: AT503169A1
Application number: AT1832006A
Authority: AT
Inventors: Martin Dr Kozek; Andreas Dipl Ing Voigt
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-15
Also published as: WO2007090220A1; AT503169B1; EP1982239A1

Description

Verfahren zur Regelung eines Prozesses
Verfahren zur Regelung eines Prozesses als Regelstrecke mit mindestens zwei Regelkreisen, wobei zwei Regelgrössen jeweils über einen eigenen Regelkreis geregelt werden und welche Regelkreise über jeweils ein Entkoppelungsglied laufend entkoppelt werden, wobei zur Entkoppelung zur Stellgrösse eines Regelkreises eine zusätzliche Stellgrösse ermittelt und aus diesen beiden Stellgrössen eine modifizierte Stellgrösse gebildet wird, welche zusätzliche Stellgrösse aus der Stellgrösse mindestens eines anderen Regelkreises errechnet wird.
Bei der Regelung von Prozessen, bei denen mehrere zu regelnde Prozessgrössen durch mehrere Stellgrössen beeinflusst werden, ist ein Vermeiden von Wechselwirkungen durch Entkoppelung der den Regelgrössen zugeordneten Regelkreise wünschenswert.

Bekannte Entkoppelungen basieren auf der Annahme von linearen Koppelgliedern und es wird mit Enkoppelungsgliedern entkoppelt, die selber lineare Übertragungsfunktionen aufweisen und stets nur die Stellgrösse des jeweils anderen Regelkreises als Eingang haben. Da praktisch alle Prozesse eine nichtlineare Dynamik aufweisen, ist hierdurch nur ein eingeschränkter Gültigkeitsbereich um einen Arbeitspunkt des Prozesses gegeben.

Dies bedeutet, dass eine ideale Entkoppelung nur in einem Arbeitspunkt des Prozesses möglich ist.
Bei der Verbrennung von Müll oder anderen sehr inhomogenen Brennstoffen, die in Heizwert und Eintragsmenge durch starke Schwankungen gekennzeichnet sein können, ist eine effektive und leistungsfähige Regelung von grosser Bedeutung, um sowohl den langfristigen, ablagerungsarmen Betrieb des Ofens als auch eine emissionsarme thermische Behandlung von Abfällen zu gewährleisten.

Das Wirbelschichtverfahren wird besonders häufig bei gleichzeitiger Entsorgung von Klärschlamm, oder ähnlichen, pastösen Brennstoffen, verwendet.
Bei momentanen starken Verbrennungen im Ofen durch momentan hohen Brennstoffeintrag und/oder hohen Heizwert (z.B. hoher Kunststoff anteil) kommt es zu einer erhöhten Energiefreisetzung und einem erhöhten Sauerstoffbedarf für einen guten Ausbrand des Brennstoffes. Ausserdem kommt es in diesem Fall zu einem Anstieg der Ofentemperatur. Die hohe Abgastemperatur führt zu verstärkter Ascheanlagerung an den Innenwänden von Ofen, Rauchgaskanälen und Abhitzekessel, welche den ökonomischen Betrieb durch verminderten Wärmeübergang oder Reinigungsabstellungen verschlechtern.

Eine für die Schadstoffemissionen und den ablagerungsarmen Betrieb des Ofens günstiger Reglereingriff ist besonders in diesem Fall von grosser Wichtigkeit, da sonst gesetzlich streng limitierte Kohlenmonoxid (CO)-Emissionen auftreten. Mit einer momentan erhöhten Energiefreisetzung kommt es zusätzlich zu einem Rückgang der Sauerstoffkonzentration im Ofen. Wird die Ofentemperatur in diesem Fall konventionell mittels Rezirkulationsgasmenge geregelt und der Sauerstoffüberschuss konventionell mittels Sekundärluft eingestellt, so kommt es zu einer Erhöhung der Gasmengen durch die Regler, wodurch die Gasgeschwindigkeiten im Rauchgaskanal ebenfalls ansteigen. Die heissen Gase werden dabei mit erhöhter Gasgeschwindigkeit in den Rauchgaskanal und den Abhitzekessel befördert.

Treffen die heissen Aschepartikel nun mit hoher Geschwindigkeit auf die Rauchgaskanalwände und die Wärmetauscher im Kessel, so kommt es zu starken Ablagerungen der Asche.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die zuvor beschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein Regelungsverfahren zu schaffen, mit dem eine dynamische Entkoppelung sichergestellt werden kann. Zudem soll die Entkoppelung nicht nur auf einen Arbeitspunkt eines Prozesses beschränkt sein, sondern es soll auch bei grösseren Abweichungen von einem Arbeitspunkt eines Prozesses einer gleichbleibende Regelgüte bzw. Entkoppelungswirkung gegeben sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Errechnung der zusätzlichen Stellgrösse mindestens eine Messgrösse der Regelstrecke herangezogen wird.

Das vorgeschlagene Verfahren dient generell zur Regelung von Prozessen, bei denen eine massgebliche Beeinflussung von mehreren zu regelnden Prozessgrössen durch unterschiedliche Stellgrössen auftritt. Eine Beherrschung und Unterdrückung dieser Wechselwirkungen wird stets angestrebt. Mögliche Anwendungen sind typischerweise:
1. Fluid Catalytic Cracking (FCC-Prozess): (Die genannten Stellgrössen beeinflussen nicht jeweils nur eine Regelgrösse, sondern mindestens zwei. Deshalb ist hier eine Entkopplung einzusetzen.) Stellgrössen beim FCC-Prozess können sein:
Katalysatorumlaufrate
Systemdruck
Luftzufuhr
Mögliche Regelgrössen können sein:
Produktkonzentration
Umsatzrate
Abbrenntemperatur
2. Destillationskolonnen: Beim Trennprozess durch Destillation beeinflussen sich ebenfalls Wirkungen von Stellgr ssen auf störende Art und Weise gegenseitig.

Mögliche Zielgrössen, und damit Regelgrössen von Destillationskolonnen können sein: Produktkonzentration
Sumpfkonzentration
Flüssigkeitsinhalt der Kolonne
Zur Einstellung dieser Regelgrössen geeignete Stellgrössen können sein:
Rückflussrate
Sumpfheizungsleistung
Feed-Zulaufrate
Feed- Vorheiztemperatur
3. Oxichlorierung von Ethylen in einem Wirbelschichtreaktor: Dieser Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgrössen 3 Eduktumsätze simultan geregelt werden sollen. Weiters ist die Reaktortemperatur auf einen Sollwert zu regeln.

Die einzelnen Regelgrössen können hier sein:
Ethylenumsatz
Sauer stoff Umsatz
Chlorwasserstoffumsatz (HCl-Umsatz)
Reaktortemperatur
Geeignete Stellgrössen zum Erreichen dieses Ziels können hier sein:
Ethylen/HCl-Massenstrom
Sauerstoff/HCl-Massenstrom
Kühlwasserdruck
Produktstromgegendruck
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Verfahren zur Regelung einer Verbrennungsanlage für verschiedene, in Zusammensetzung und Heizwert schwankende Brennstoffe zu schaffen, welches alle relevanten inneren dynamischen Zusammenhänge zwischen den Stell- und Regelgrössen berücksichtigt. Insbesondere ist ein gleichmässiger und ablagerungsarmer Betrieb eines Müllverbrennungsofens mit Wirbelschichtverbrennung möglich.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren können Schwankungen der Ofentemperatur und der abgegebenen thermischen Leistung sowie Schwankungen der Gasgeschwindigkeiten im Rauchgasströmungskanal auch bei sehr stark variierenden Brennstoffeigenschaften (wie z. B. Heizwert) wirkungsvoll unterdrückt bzw. minimiert werden. Erfindungsgemäss werden zur Regelung einer Brennstoffverbrennung in einer Verbrennungsanlage mindestens zwei Regelgrössen aus Ofentemperatur, 02-Konzentration, Leistung der Verbrennungsanlage, wie z.B. erzeugte Frischdampfmenge oder Rauchgasmenge, und Brennraumtemperatur ausgewählt. Durch die eifindungsgemässe Berechnung von aktuell hohem Energieeintrag können Temperaturspitzen wirkungsvoll gedämpft werden. Damit entfallen heftige Reglereingriffe (z.B.

Anhebung der Rezirkulationsgasmenge oder Wassereinspritzung) zur Ofentemperaturregelung zur Vermeidung des Ofentemperaturanstieges. Der Energieeintrag wird aus den Standardmessgrössen (z. B. Ofentemperatur, Sauerstoffüberschuss, Gasvolumenströme) berechnet; es werden also keine zusätzlichen Messeinrichtungen für eine Energieeintragsmessung (bzw. Berechnung) benötigt.
Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung ist nachstehend anhand mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeichnung schematisiert dargestellt sind. Hierin zeigt Fig.l eine Wirbelschichtmüllverbrennungsanlage in schematischer Darstellung. Fig.2 gibt ein Regelschema für eine klassische Entkopplung gemäss dem Stand der Technik wieder. Die Fig.3, 4 und 5 veranschaulichen erfindungsgemässe Regelungsverfahren in unterschiedlichen Varianten.

Die Fig. 6 bis 9 zeigen die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Entkoppelung nach einem Simulationsmodell.
In Fig. 1 ist ein Anlagenschema für einen Wirbelschicht-Ofen (1) dargestellt. Primärluft wird über einen Luft- Vorwärmer (2) von unten in die Wirbelschicht (3) eingebracht. Zusätzlich wird ein Teil des rückgeführten Rauchgases über eine Leitung (4) gemeinsam mit der Primärluft in die Wirbelschicht (3) eingebracht. In der Wirbelschicht (3) wird die Betttemperatur Tg gemessen. Über eine Beschickungsvorrichtung (5) wird der Brennstoff in die Wirbelschicht (3) eingebracht. Oberhalb der Wirbelschicht (3) wird rückgeführtes Rauchgas und Sekundärluft über Leitungen (6 und 7) eingebracht. Am Ofenkopf (8) werden die Ofentemperatur To sowie die Sauerstoff-Konzentration co2gemessen.

Die heissen Rauchgase werden in einen Abhitzekessel (9) geführt, in welchem sowohl über Strahlung als auch über Konvektion die Verbrennungswärme an den Dampf über Wärmetauscher (10) weiter gegeben wird. Das Rauchgas wird zum Teil abgeführt, zum Teil über eine Rückführung wieder in den Ofen (1) zurück geleitet.
Die Grundstruktur des vorgeschlagenen Regelungskonzeptes lässt sich als Entkopplungsregelung eines Mehrgrössen-Regelsystems beschreiben. Ein entkoppeltes Mehrgrössen-Regelsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die parallel liegenden Streckenteile durch dynamische Koppelglieder miteinander in Verbindung stehen, und deshalb eine bestimmte Ausgangsgrösse durch jede beliebige Stellgrösse beeinflusst wird.

Andererseits werden durch wechselseitige Aufschaltung von Entkopplungsgliedern die Stellgrössen so modifiziert, dass die zuerst genannte Kopplung im Idealfall aufgehoben wird. Man erhält damit virtuelle, parallel liegende entkoppelte Einzelregelkreise, die nicht mehr auf Änderungen der jeweils anderen Stellgrössen reagieren.
Diese ideale Entkopplung ist für bestimmte Randbedingungen bei linearen Systemen Stand der Technik. Dabei werden die Entkopplungsglieder als Übertragungsglieder von der Stellgrösse des einen Regelkreises zur Stellgrösse des anderen Regelkreises entworfen.

Die erfindungsgemässe Entkopplung/Regelung unterscheidet sich jedoch hiervon grundlegend, da die Entkopplung nicht nur mit linearer Überlagerung der Stellgrössen anderer Regelkreise gebildet wird, sondern durch physikalische Überlegungen unter Einbeziehung sowohl von Stellgrössen als auch von Messgrössen anderer Regelkreise. Darüber hinaus sind diese Beziehungen auch oft nichtlinear.
Im Folgenden sind kurz die Analogien und Unterschiede zur klassischen Entkopplung eines Mehrgrössen-Regelsystems erläutert.
In Fig. 2 ist beispielhaft ein Mehrgrössen-Regelsysteni mit einer Regelstrecke gemäss Stand der Technik abgebildet, bestehend aus zwei Eingängen umod1und umodsowie zwei Ausgängen y1und y2. Die Führungsgrössen [omega]1bzw. [omega]2geben die Sollwerte der einzelnen Ausgänge vor.

Die Regelstrecke besteht aus vier Übertragungsfunktionen, wobei G\\und G22die Dynamik der Einzelregelkreise ohne Kopplung beschreiben, und12bzw. G21die beiden Koppelglieder darstellen. Aufgrund dieser Koppelglieder reagiert jede der beiden Ausgangsgrössen in unerwünschter Weise auch auf die jeweils andere Stellgrösse.
Die Regelung besteht einerseits aus einer gewöhnlichen Ausgangsrückführung, mit der ein Regelfehler gebildet wird, welcher wiederum als Eingang in die Regler- Übertragungsfunktion dient. Die Ausgänge aus diesem Regler u1bzw. u2sind aber noch nicht die aktuellen Stellgrössen umod 1bzw. umod 2, sondern es wird zusätzlich ein Ausgang uz \bzw. uz 2aus dem Entkopplungsglied addiert, welches den Ausgang des anderen Reglers zum Eingang hat.

Erst die Summe aus Regler- und Entkopplungsglied- Ausgang ist die modifizierte Stellgrösse umod 1bzw. umod 2 ,welche der Strecke zugeführt wird.
Diese Entkopplung basiert auf der Annahme von linearen Koppelgliedern und wird mit Entkopplungsgliedern E12bzw. E21durchgeführt, welche selber lineare Übertragungsfunktionen haben und nur die Stellgrösse des jeweils anderen Regelkreises als Eingang haben. Der Entwurf dieser Entkopplungsglieder erfolgt analytisch unter Heranziehung der Übertragungsfunktionen G11G12,21und G22. Da tatsächlich ausgeführte Anlagen immer eine mehr oder weniger ausgeprägte nichtlineare Dynamik haben, haben solche linearen Beschreibungen immer nur einen eingeschränkten Gültigkeitsbereich um einen Arbeitspunkt. Bei grösseren Abweichungen verändert sich die Streckendynamik und damit auch die Güte der Regelung bzw. der Entkopplung.

Eine ideale Entkopplung ist daher prinzipiell nur im Arbeitspunkt möglich.
Bei der erfindungsgemässen Entkopplung kann eine ähnliche Struktur angenommen werden, (siehe Fig 3 und Fig 4) Jede der Regelgrössen y1bzw. y2wird mit einem gewöhnlichen Regelkreis geregelt (wobei auch Kaskadierungen von Regelschleifen vorkommen können.), zusätzlich zu diesen Stellgrössen u1bzw. u2werden die zusätzlichen Stellgrössen uz 1bzw. uz 2aufgeschaltet, wodurch sich die wirksame Stellgrösse Umod i bzw. umo[alpha]2 ergibt.
Im Gegensatz zur klassischen Entkopplung ist aber die Berechnung des Entkopplungsanteiles E1bzw. E2
nichtlinear,
erfolgt unter Einbeziehung zusätzlicher Messgrössen
und beruht auf physikalischen Beziehungen.
Damit lässt sich das Blockschaltbild nicht mehr in der einfachen Form von Fig. 2 angeben, da nun zusätzliche Eingänge in die Entkopplungsglieder eingehen.

Die Grundstruktur lässt sich jedoch analog angeben, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Dort sind die Entkoppelungsglieder E\bzw. I?2mit mehreren Eingängen versehen, die als Messgrössen aus der Regelstrecke herausgeführt wurden.
Welche Messgrössen zusätzlich benötigt werden, und wie die Entkopplung berechnet wird, ergibt sich aus physikalischen Überlegungen. Da die grundlegenden Gleichungen der Verbrennungs- und Transportmechanismen im Ofen und den nachfolgenden Anlagenteilen bekannt sind (Bilanzgleichungen, stöchiometrische Beziehungen), können diese in explizite Gleichungen für den jeweiligen Entkopplungsanteil umgeformt werden. Da diese Beziehungen auch instationär gültig sind, handelt es sich um eine dynamische Entkopplung. Darüber hinaus haben die Entkopplungsglieder einen sehr weiten Gültigkeitsbereich, der nicht nur auf einen Arbeitspunkt beschränkt ist.

Im Gegensatz zur klassischen Entkopplung kann daher auch bei grösseren Abweichungen von einem Arbeitspunkt eine gleichbleibende Regelgüte bzw. Entkopplungswirkung erwartet werden. In Fig. 4 ist die verallgemeinerte Darstellung dieses Problems dargestellt.
Fig. 5 zeigt die Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens am Beispiel des Wirbelschicht-Ofens (1). Es sind vier wesentliche Regelkreise zur Regelung des Verbrennungsprozesses dargestellt: 1. Sauerstoffregelkreis mit dem Regler C02-Regler und dem Sollwert für die Salierstoffkonzentration C02soll
2. Ofentemperaturregelkreis mit dem To-Regler und dem Sollwert für die Ofentemperatur To,so[iota][iota]
3. Wirbelbetttemperaturregelkreis mit dem TB-Regler und dem Sollwert für die Wirbelbetttemperatur TB,so[iota][iota]
4.

Leistungsregelkreis mit dem Leistungsregler und dem Sollwert für die produzierte Dampfmenge [tau]nD,soll
Der aktuelle Zustand des Verbrennungsteils (Ofen) wird durch die Messgrössen
Sauerstoffkonzentration im oberen Bereich des Ofens co2o
Ofentemperatur To
Wirbelbetttemperatur TB
erfasst.
Um die Verbrennung zu regeln werden folgende Stellgrössen verwendet:
Sekundärluftvolumenstrom Vsek
Rezirkulationsgasvolumenstrom in den Ofen oberhalb der Wirbelschicht [Upsilon]Rezl
Primärluftvolumenstrom Vprim
Rezirkulationsgasvolumenstrom in die Wirbelschicht Vrez[iota]
Brennstoffmassenstrom mb
Der dargestellte Abhitzekessel (9) hat die Eingänge Sauerstoffkonzentration des Abgases co2,Kessel und die Abgastemperatur am Ofenaustritt To- Am Abhitzekessel selbst stehen folgende Messgrössen zur Verfügung:

Sauer Stoffkonzentration am Kesselaustritt c2 Kessel
Rezirkulationsgastemperatur Trezi produzierte Dampfmenge mdamp pf
Die Entkopplung I dient der Berechnung der benötigten Sauerstoffmenge um die gewünschte Sauerstoffkonzentration am Ofenaustritt zu erreichen. Die Einflüsse der Brennstoffbeschickung durch [sum] kimb, iund die Sauerstoffeinträge der anderen Gasvolumenströme werden dabei berücksichtigt.
Die Entkopplung II dient der Berechnung der benötigten Rezirkulationsgasmenge um die gewünschte Ofentemperatur zu erreichen. Die Einflüsse der Primär- und Sekundärluftvolumenströme, sowie die Temperatur des Rezirkulationsgases werden dabei berücksichtigt.
Die Entkopplung III dient der Berechnung des benötigten Sauerstoffeintrages über Primär- und Rezirkulationsgas um die gewünschte Sollbetttemperatur zu erreichen.

Dabei wird der Brennstoffeintrag [sum]imbiberücksichtigt.
Zur Regelung der Ofenleistung mit dem Leistungsregler wird zur Entkopplung die der aktuelle Sauerstoffbedarf berechnet. Da dieser proportional zur freigesetzten Energie ist, wir über den Kaskadenregler 02-Verbrauch-Regler die zugeführte Brennstoffmenge so eingestellt, dass der aktuelle Sauerstoffbedarf mittels Brennstoffzufuhr eingestellt wird. Dabei wird der in Entkopplung IV die Sauerstoffbilanz um den Ofen (1) berechnet.
Fallunterscheidung bei unterschiedlicher Ausführung der Wirbelschichtfluidisierung:
Das Fluidisierungsgas bei Wirbelschichtverbrennungsöfen kann entweder reine Luft oder jedenfalls ein sauerstoffhältiges Gas (z. B. Mischung aus Luft und Rezirkulationsgas) sein.

Deshalb muss hier eine Fallunterscheidung eingeführt werden, da die Primär luftzusammensetzung einen wesentlichen Einfluss auf die Wirbelschichttemperaturregelung hat und hier berücksichtigt werden soll.
1. Fall A: Fluidisierungsgas besteht zu 100% aus Luft (c2Flui d0.21%)
2. Fall B: Fluidisierungsgas besteht nicht zu 100% aus Luft {co2Flu[iota]d= 0.21%))
Der Sauerstoffanteil der Fluidisierungsgasmenge hat einen starken Einfluss auf die Wirbelschichttemperatur und ist bei der Gestaltung der Betttemperaturregelung deshalb zu berücksichtigen. Die Fallunterscheidung im Sinne des hier behandelten Regelverfahrens ist an den relevanten Stellen beschrieben.
Regelgrössen einer Wirbelschichtfeuerung:
Bei einer Wirbelschicht-Müllverbrennungsanlage treten meist folgende Regelgrössen auf:

<EMI ID=9.1>
1. Primärluftmenge rnwi
<EMI ID=10.1>

2.

Primärluftvorwärmung (wird im folgenden als LUVO=Luftvorwärmung bezeichnet)<'>
3. Sekundärluftmenge
4. Aufteilung der Sekundärluft auf die vorhandenen Einblas-Ebenen
5. Brcnnstoffeintragsmenge
6. Rezirkulationsgasmenge
7. Aufteilung des Rezirkulationsgases auf die vorhandenen Einblas-Ebenen
8. Zumischung von Rauchgas zur Primärluft
zusätzliche modifizierte Stellgrössen:
1. Verhältnis Gesamt-Sauerstoff zu Brennstoffmenge
2. Rezirkulationsgas zur unteren Ebene
3. Verhältnis Primär Sauerstoff zu Brennstoffmenge
Im folgenden sind die vier zentralen Regelkreise genau beschrieben. Mögliche Einflussgrössen auf die einzelnen Regelgrössen werden aufgelistet.
Sauerstoffregelkreis:
Die Regelgrösse Sauerstoffüberschuss nach Verbrennung (z.

B. gemessen am Ofenkopf oder nach dem Abhitzekessel) kann durch Änderung des Verhältnisses von Sauerstoffeintrag zu Brennstoffeintrag als Stellgrösse beeinflusst werden.
Wird der Sauerstoffüberschuss konventionell mittels Sekundär luftmenge eingestellt, so ergeben sich einige regelungstechnische Probleme, die durch die erfindungsgemässen Massnahmen beseitigt werden können:
1. Keine Berücksichtigung der Brennstoffluftbedarfs für vollständige Verbrennung
2. nichtlineare Abhängigkeit der Streckenverstärkung von der thermischen Last
<EMI ID=10.1>

3. nichtlineare Abhängigkeit der Streckenverstärkung von der Rezirkulationsgasmenge
4. Störung des Sauerstoffhaushaltes im Ofen durch Primärluftänderungen durch die Betttemperaturregelung
5.

Störung des Sauerstoffhaushaltes im Ofen durch die Rezirkulationsgasmenge
Die lastabhängige Streckenverstärkung hat den unangenehmen Effekt, dass bei nicht entkoppelter Regelung des Sauerstoffüberschusses mit der Stellgrösse Sekundärluft die Reglerparameter nur für einen Arbeitspunkt optimal sein können. Da jedoch häufig Änderungen der angeforderten thermischen Leistung auftreten können muss die Regelung für einen grossen Arbeitsbereich mit konstanter Regelgüte arbeiten können.
<EMI ID=11.1>

Eine lastunabhängige Regelgüte der Sauerstoffüberschussregelung wird durch die Einführung einer modifizierten Stellgrösse erreicht. Diese modifizierte Stellgrösse wird im folgenden mit U\bezeichnet.
muss für jeden Brennstoff ein möglichst genauer mittlerer Koeffizient eingesetzt werden.

Dieser ist entweder bekannt oder möglicherweise (bei seltenen Brennstoffen) durch Versuche zu ermitteln.
Ein Versuch zur Ermittlung des Sauerstoffbedarfs und der Koeffizienten kb ikann so aussehen, dass eine Bronnstoffbeschickung des Ofens mit den einzelnen Brennstoff nacheinander erfolgt und jeweils der dabei entstehende Sauerstoffbedarf nach Gl. 1 ermittelt wird.
Aus der Definition der modifizierten Stellgrösse U\können folgende Auswirkungen abgelesen werden:

Eine Veränderung der zugeführten Sauerstoffmenge durch Primärluftmengenänderung bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von U1.
Eine Veränderung der zugeführten Sauerstoffmenge durch Sekundärluftmengenänderung bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von U1.
Eine Veränderung der zugeführten Sauerstoffmenge durch Rezirkulationsgasmengenänderung bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von U1.
Eine Veränderung der Sauerstoffkonzentration des Rezirkulationsgases bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von U1.
Eine Veränderung des berechneten Sauerstoffbedarfs führt zu einer physikalischen Vorsteuerung der Sekundärluftmenge.
Mit Hilfe der Sekundärluftmenge kann also U\entsprechend dem Reglerausgang des Sauerstoffreglers ausgeglichen werden.

Die Sekundärluftmenge wird durch Umformung der Gleichung 4 berechnet. Dadurch wird eine stabile und vor allem lineare, sowie entkoppelte Regelung des Sauerstoffhaushalts des Ofens erreicht.
Beschreibung der modifizierten Stellgrösse U\: Das Verhältnis zwischen der gesamten, aktuell in den Ofen eingebrachten Sauerstoffmenge zum Sauerstoffbedarf des aktuell in den Ofen eingebrachten Brennstoffes. Der aktuelle Sauerstoffbedarf ist je nach eingesetzten Brennstoffen (möglicherweise auch gleichzeitig eingebrachten Brennstoffen) zu berechnen.

Werden beispielsweise Altöle, Klärschlamm, Heizöl-Leicht und Müll gleichzeitig eingebracht, so muss der Sauerstoffbedarf der einzelnen Brennstoffmassenströme für eine vollständige Verbrennung berechnet werden und die Summe für die Sauerstoffreglung herangezogen werden.
Dampfleistungsregelkreis: Die Regelung der abgegebenen thermischen Leistung erfolgt über die Brennstoffzufuhr. Allerdings können der/die Brennstoff(e) (z. B. Müll, Klärschlamm, Altöle, Heizöl) bei einer Müllverbrennungsanlage starken Schwankungen in Dichte und Heizwert unterliegen. Stellorgane, die einen definierten Brennstoffeintrag für Müll ermöglichen sind praktisch schwer realisierbar.
Y2= Leistung der Verbrennungsanlage (6)
Die Leistung der Verbrennungsanlage kann z. B. die erzeugte Frischdampfmenge sein.

Anhand dieser Ausführungsform wird das Regelkonzept gezeigt.
Die erfindungsgemässe Regelung der Leistung der Anlage soll deshalb indirekt, in Form einer Kaskadenregelung, erfolgen. Als Zwischenregelgrösse wird dabei der aktuelle Sauerstoffbedarf nach Gl. 1 verwendet.
In Fig. 5 ist eine mögliche Ausführungsform abgebildet.
Der Sauerstoffbedarf ist ein sehr gutes Mass für die aktuelle Heizleistung im Ofen und soll durch Regelung so konstant wie möglich gehalten werden um Leistungsänderungen am Abhitzekessel zu vermeiden.

Ausserdem kann eine Änderung der Ofenheizleistung am Sauerstoffbedarf wesentlich früher erkannt werden als an der produzierten Dampfmenge am Abhitzekessel.
Durch die Kaskadenregelung werden Heizwertschwankungen und Mülleintragsschwankungen (und damit die Heizleistungsschwankungen) vom Heizleistungsregler bereits korrigiert, bevor am Kessel eine Leistungsänderung bemerkbar wird.
Ofentemperaturregelkreis:
Die Regelung der Ofentemperatur erfolgt (hier als mögliches Ausführungsbeispiel) durch eine Temperaturmessung am Ofenkopf, also am Rauchgasaustritt des Ofens. (Jedenfalls mindestens an einer Stelle vor Eintritt der Rauchgase in den Abhitzekessel). Um eine möglichst vollständige Zerstörung von Schadstoffen zu erreichen ist eine Temperatur von mindestens 850[deg.] C und eine bestimmte Verweilzeit gesetzlich vorgeschrieben.

Bei hohen Abgastemperaturen von etwa 900[deg.]C bis 1000[deg.]C kommt es zu Ablagerungen von Asche in den Rauchgaskanälen. Durch die erfindungsgemässe Regelung werden Schwankungen der Ofentemperatur weitestgehend ausgeregelt. Eine wirkungsvolle Unterdrückung von Ofentemperaturschwankungen ist für den ökonomischen und ökologischen Betrieb der Müllverbrennungsanlage entscheidend. (7)
<EMI ID=14.1>

Die Stellgrösse zur Ofentemperaturregelung ist die aktuell zugeführten Energie Puxz- Soll also eine Erhöhung der Ofentemperatur erfolgen so kann mittels Rezirkulationsgasmenge die mit Ofentemperatur abgeführte Energiemenge beeinflusst werden.

Dabei werden instationäre Vorgänge im Ofen berücksichtigt.

Die Brennstoffheizleistung Pssr nnumfasst alle Brennstoffe, die in den Ofen eingetragen werden.
(8)
<EMI ID=14.3>

Aus Gl. 8 kann nun jene benötigte Rezirkulationsgasmenge berechnet werden, die zu der vom Ofentemperaturregler ausgegebenen Heizleistung führt. Die anderen Variablen von Gl. 8 sind andere Stellgrössen und Messgrössen die bekannt sind. Die einzige Unbekannte ist daher die Rezirkulationsgasmenge.
Wirbelschichttemperaturregelung:
Um die gewünschte Teil- Vergasung der Brennstoffe in der Wirbelschicht zu gewährleisten wird die Wirbelschichttemperatur Tssgeregelt. (9)
<EMI ID=14.4>

Die Wirbelschichttemperatur ist ein Mass für die Teilverbrennung der Brennstoffe. Ein geringes Sauerstoffangebot führt zu niedrigen Wirbelschichttemperaturen.

Ein grosses Sauerstoff angebot führt zu hohen Wirbelschichttemperaturen.
Die Wirbelschichttemperatur hängt von folgenden Einflussgrössen ab:
Verhältnis von Sauerstoff zufuhr in die Wirbelschicht zu Sauerstoffbedarf für vollständige Verbrennung (Luftzahl [lambda])
<EMI ID=14.1>

<EMI ID=14.4>
Rezirkulationsgasmenge, die direkt auf die Wirbelschicht geblasen wird.
LUVO-Leistung (Primärluftvorwärmung)
Diese drei Einflüsse auf die Wirbelschichttemperatur müssen in einer Regelung berücksichtigt werden. Als Stellgrösse wird die Luftzahl [lambda] verwendet.

Die Primärluftvorwärmung kommt bei Verbrennung von Klärschlamm zum Einsatz, da der hohe Wassergehalt von Klärschlamm dazu führt, dass die gewünschte Wirbelschichttemperatur von etwa 600[deg.] C bis 700[deg.] C ansonsten nicht erreicht wird.
Durch das Rezirkulationsgas, das direkt auf die Wirbelschicht geblasen wird, kann die Wirbelschichttemperatur gesenkt werden. Diese Stellgrösse wird bei hochkalorischem Müll eingesetzt. Die Fluidisierungsgasmenge bleibt stets konstant, da die Fluidisierung der Wirbelschicht gewährleistet werden muss.
Die Luftzahl der Wirbelschicht kann also durch eine Mischung von Rezirkulationsgas und Primärluft eingestellt werden.

Die Entkopplung von der Heizleistungsregelung erfolgt durch folgenden Zusammenhang: " {LO)
<EMI ID=15.1>
n ist die Anzahl der aktuell eingesetzten Brennstoffe.
Dabei ist jedoch noch die Nebenbedingung konstanter Fluidisierungsgasmenge einzuhalten:
(11)
<EMI ID=15.2>

b asen wird.
Damit sind aber sowohl die Primärluftmenge Vprimals auch die Rezirkulationsgasmengenzumischung ^Rezifestgelegt. Anstelle des gemessenen Wertes für die Sauerstoffkonzentration im Rezirkulationsgas kann auch ein konstanter mittlerer Wert verwendet werden.
Die Vorzüge des vorgeschlagenen Regelschemas werden anhand einer numerischen Simulation demonstriert. Das Simulationsmodell besteht aus einem physikalischen, instationären, kontinuierlichen Ofenmodell.

Das Modell enthält:
ein Verbrennungsmodell mit Vergasung des Brennstoffs aufgrund des Sauerstoff angebotes in der Wirbelschicht und
ein Verbrennungsmodell mit Verbrennung des vergasten Brennstoffs über der Wirbelschicht.
<EMI ID=15.1>

eine instationäre Energiebilanz der Wirbelschicht zur Simulation der Wirbelschichttemperatur.
eine instationäre Energiebilanz des Ofens zur Simulation der Ofentemperatur.
eine instationäre Stoffbilanz zur Simulation der Sauerstoffkonzentration im Ofen.
ein stochastisches Modell für den Heizwert (Mittelwert 9.5 MJ/ 'kg Brennstoff mit einer Varianz von 0.63 MJ /kg Brennstoff ) -
Das Simulationsmodell wurde mit Messdaten einer realen Anlage quantitativ validiert.
Simulationsergebnisse:

Die Simulation zeigt, wie eine Erhöhung der Mülleintragsmenge um 50% zum Zeitpunkt t=500s mit einer Dauer von 20sek. (bis t=520s) durch die erfindungsgemässe Regelung kompensiert wird. Die Simulation zeigt den Vergleich einer Regelung mit und ohne Entkopplung, bzw. Kaskadenregelung. Die Reglerparameter der einzelnen Regelkreise sind dabei für beide Fälle identisch.

Es zeigt sich, dass geringere Abweichungen der Regelgrössen von den Sollwerten mit der erfindungsgemässen Entkopplung und Kaskadenregelung auftreten.
Fig. 6 zeigt die Abweichung der thermischen Kesselleistung bei einer Störung der Brennstoffeintragsmenge von +50% für 20sek.
Fig. 7 zeigt die Abweichung der Ofentemperatur bei einer Störung der Brennstoffointragsmenge von +50% für 20sek.
Fig. 8 zeigt die Abweichung der Wirbelschichttemperatur bei einer Störung der Brennstoffeintragsmenge von +50% für 20sek.
Fig. 9 zeigt die Abweichung der Ofensauerstoffkonzentration bei einer Störung der Brennstoffeintragsmenge von +50% für 20sek.

Die Vorteile eines Betriebs einer Wirbelschichtverbrennungsanlage mit der erfindungsgemässen Regelung sind also:
1. gleichmässige Wirbelschichttemperatur => konstante Brennstoffvergasung und konstante thermische Wirbelbettbelastung
2. gleichmässige Ofentemperatur => konstante thermische Ofenbelastung und konstante thermische Behandlung der Abgase
3. gleichmässige Rauchgasmenge = konstante Heizflächenbelastung im Kessel
4.

gleichmässiger Sauerstoffüberschuss = sehr geringe CO-Emissionen durch schnelle Sauerstoffbedarfserkennung
Symbol Bezeichnung physikalische Einheit
Vi 02-Konzentration am Ofenaustritt [%vol]
Y Leistung der Verbrennungsanlage [kW] oder [ ]
Yz Ofentemperatur (en) [[deg.]C]
Y Wirbelschichttemperatur (en) [[deg.]C]
Y[theta]2Bedarf [Eta]ilfsregelgrösse Ofensauerstoffbedarf fcfl<'>s
* Abgas [Eta]ilfsregelgrösse Ofenabgasmenge s
U Stellgrösse O-2-Regelung mi<'>
U2<*>Stellgrösse Betttemperatur-Regelung
Stellgrösse Ofentemperatur-Regelung s
Vprim Normvolumenstrom Primärluft i<'>
VSek Normvolumenstrom Sekundärluft rsi<'>s
*rez[iota] Normvolumenstrom Rezigas m<3>
(TM)3<'>
C[theta]2,

Ofen Sauerstoffkonzentration im Ofen m m<3"><><>^S ugzug Massenstrom Abgas gesamt m<3>s l^prvm Massenstrom Primärluft<'>l<'>s
TTtsek Massenstrom Sekundärluft ml<'>s
Vofen Ofenvolumen mit Kessel [m*]
POfen Ofendruck [Pa]
Tofen Ofentemperatur [[deg.]C]
J-prim Primär lufttemperatur [[deg.]C]
-'- sek Sekundärlufttemperatur [[deg.]C]
J- rez Rezirkulationsgastemperatur [[deg.]C]
Hu unterer Heizwert eines Brennstoffs kJ_ kg
PLuft Dichte der Luft kg m<3>
C[phi],Luft spezifische Wärmekapazität von Luft<">kJ kgK lx Brennstoffmassenstrom des Brennstoffs i s kss,x spezifischer Sauerstoffbedarf des Brennstoffs i
<EMI ID=18.1>
kg

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung eines Prozesses als Regelstrecke mit mindestens zwei Regelkreisen, wobei zwei Regelgrössen jeweils über einen eigenen Regelkreis geregelt werden und welche Regelkreise über jeweils ein Entkoppelungsglied laufend entkoppelt werden, wobei zur Entkoppelung zur Stellgrösse eines Regelkreises eine zusätzliche Stellgrösse ermittelt und aus diesen beiden Stellgrössen eine modifizierte Stellgrösse gebildet wird, welche zusätzliche Stellgrösse aus der Stellgrösse mindestens eines anderen Regelkreises errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Errechnung der zusätzlichen Stellgrösse mindestens eine Messgrösse der Regelstrecke herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Regelung einer Brennstoffverbrennung in einer Verbrennungsanlage, wobei mindestens zwei Regelgrössen aus Ofentemperatur, 02- Konzentration, Leistung der Verbrennungsanlage, wie z.B. erzeugte Frischdampfmenge oder Rauchgasmenge, und Brennraumtemperatur ausgewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgrösse eines Regelkreises durch Addition der Stellgrösse dieses Regelkreises mit der zusätzlichen Stellgrösse gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Stellgrösse mittels nichtlinearer Berechnung, d.h. aufgrund physikalischer und/oder durch Messungen ermittelter Beziehungen zwischen Stell- und Regelgrössen, ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass die Bildung der modifizierten Stellgrösse durch eine nichtlineare Berechnung, d.h. aufgrund physikalischer und/oder durch Messungen ermittelter Beziehungen zwischen Stell- und Regelgrössen, aus der Stellgrösse eines Regelkreises und der zusätzlichen Stellgrösse eines anderen Regelkreises erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Errechnung der zusätzlichen Stellgrösse die modifizierte Stellgrösse eines der anderen Regelkreise herangezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung eine Kombination von mindestens zwei der Regelgrössen Ofentemperatur, O2- Konzentration am Ofenaustritt, Leistung der Verbrennungsanlage, Pyrolysezonentemperatur und Brennraumtemperatur herangezogen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung zusätzlich mindestens eine der inneren Grössen, ausgewählt aus Verbrennungsenergie, aktueller Sauerstoffbedarf für vollständige Verbrennung, aktuelle Abgasproduktion und die Pyrolysezonenenthalpie, herangezogen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsenergie aus einer Energiebilanz des Ofens über die Enthalpieströme der zugeführten Gasmassenströme und der zugeführten Brennstoffmassenströme berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Sauerstoffbedarf für vollständige Verbrennung der eingesetzten Brennstoffmassenströme aus einer Sauerstoffbilanz des Ofens über die zu- und abströmenden Gasmassenströme berechnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Abgasproduktion aus einer Volumenstrombilanz des Ofens über die zu- und abströmenden Gasmassenströme berechnet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysezonenenthalpie aus einer Energiebilanz der Pyrolysezone über die zu- und abströmenden Gas- und Brennstoffmassenströme berechnet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgrösse mindestens eine der folgenden Grössen eingesetzt wird: Primärluftmenge, Sekundär luftmenge, Brennstoffeintragsmenge, Rezirkulationsgasmenge, Verhältnis Gesamtsauerstoff- zu Brennstoffmenge und Verhältnis Primärsauerstoff- zu Brennstoffmenge, Verhältnis Primärluft- zu Rezirkulationsgasmenge und Primärluftvorwärmung.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgrösse für den Sauerstoffregelkreis durch kontinuierlichen Ausgleich der Bilanz für den Sauerstoffbedarf und der ursprünglichen Stellgrösse berechnet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgrösse für den Ofentemperaturregelkreis durch kontinuierlichen Ausgleich der Bilanz für die Verbrennungsenergie und der ursprünglichen Stellgrösse berechnet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgrösse für die Pyrolysetemperatur durch kontinuierlichen Ausgleich der Energiebilanz für die Pyrolysezone und der ursprünglichen Stellgrösse berechnet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgrösse für den Leistungsregelkreis durch Kaskadenregelung des aktuellen Sauerstoffbedarfs oder der aktuellen Abgasmenge eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffverbrennung im Wirbelschichtverfahren durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Müll und/oder Klärschlamm eingesetzt wird. 1