DE10044033A1

DE10044033A1 - Verfahren zur Optimierung der Luftzufuhr oder zur Ermittlung der Brennstoffverteilung bei Feuerungsanlagen mit mehreren Brennern

Info

Publication number: DE10044033A1
Application number: DE10044033A
Authority: DE
Inventors: Hartmuth Dambier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: DE10044033C2

Abstract

Bei der Bestimmung des CO-Einsatzpunktes zur Optimierung der Luftzufuhr treten bei Anlagen mit mehreren Brennern Probleme auf: Die CO-Konzentration ist in einem weiten Bereich nicht nur unempfindlich gegen Veränderungen der Luftzufuhr, sie verändert sich auch nicht, wenn dem Rauchgas von außen, z. B. von einem benachbarten Brenner, CO zugeführt wird. Bei eng zusammenstehenden Brennern kann dies zu Verfälschungen der Messungen führen. DOLLAR A Diese Verfälschungen können vermieden werden, wenn die Luft vor der Messung an allen Brennern gleichzeitig reduziert wird oder wenn die Luft unter Konstanthaltung ihrer Summe zwischen den Brennern solange umgesteuert wird, bis die CO-Konzentration ein Minimum durchläuft. DOLLAR A Mit den Messergebnissen kann auch die Brennstoffverteilung zwischen den einzelnen Brennern bestimmt werden. DOLLAR A Die Erfindung ist anwendbar bei Feuerungsanlagen mit mehreren Brennern, insbesondere wenn diese eng zusammenstehen.

Description

Aus den Druckschriften DE 30 39 994 C2, DE 34 23 946 A1 und DE 197 49 506 C1 sind Verfahren zur Optimierung der Luftzufuhr bei Feuerungsanlagen bekannt geworden, bei denen die Verbrennungsluft an den einzelnen Brennern so lange vermindert wird, bis CO im Rauchgas erscheint und die Luftzufuhr dann um einen Abstand oberhalb dieses Punktes eingestellt wird.

Diesen Verfahren liegt ein bemerkenswertes Verhalten der CO-Konzentration im Rauchgas zugrunde (siehe Abb. 1):
Bei einer Verminderung der Luftzufuhr bleibt die CO-Konzentration zunächst konstant und steigt erst bei einem reproduzierbaren Brennstoff/Luft Verhältnis sehr steil an. Dieser Anstieg ist so stark, daß er auch im Rauchgasgemisch von mehreren Brennern leicht nachweisbar ist. Auf diese Weise gewinnt man für jeden einzelnen Brenner einen Bezugspunkt für die Einstellung der Luftzufuhr und damit die Möglichkeit, sie zu optimieren.

In der Praxis muss bei diesen Verfahren die Totzeit der CO-Messung berücksichtigt werden. Die Verringerung der Verbrennungsluft erfolgt deshalb in einzelnen Schritten, wobei nach jedem Schritt die Totzeit der Messung abgewartet wird. Erst wenn danach keine Veränderung beobachtet wurde, erfolgt der nächste Schritt.

Aus der Patentschrift DE 37 37 354 C1 ist weiterhin bekannt geworden, daß der Messvorgang beschleunigt werden kann, wenn zunächst die Luft an allen Brennern gleichzeitig reduziert wird, bis CO im Rauchgas erscheint, dann die Luft so weit wieder erhöht wird, bis das CO wieder verschwindet und dann erst mit den Versuchen an den einzelnen Brennern begonnen wird. Die Reduzierung an allen Brennern erfolgt auch hier in einzelnen Schritten nach denen jeweils die Totzeit der CO-Messung abgewartet wird.

Es hat sich gezeigt, dass die genannten Verfahren nicht überall direkt anwendbar sind. Bei Anlagen mit mehreren eng neben- und übereinanderliegenden Brennern kann es zu Wechselwirkungen zwischen diesen kommen, die die Messergebnisse verfälschen.

Die CO-Konzentration im Rauchgas eines einzelnen Brenners ist über einen weiten Bereich nicht nur unempfindlich gegen Veränderung der Luftzufuhr, sie verändert sich auch nicht, wenn dem Rauchgas von Außen, z. B. von einem benachbarten Brenner, CO zugeführt wird. Sie verhält sich ähnlich wie der pH-Wert einer Pufferlösung, der ebenfalls in einem weiten Bereich unempfindlich gegen Zuführung von Säure oder Lauge ist. Erst wenn das Puffervermögen des Rauchgases erschöpft ist, erfolgt ein CO-Anstieg.

So kann es vorkommen, dass ein unterer Brenner CO erzeugt, das dann im Pufferbereich des darüberliegenden verschwindet. Umgekehrt kann ungesättigtes Rauchgas vom unteren Brenner das CO des oberen verzehren. In beiden Fällen ist im Rauchgasgemisches kein CO-Anstieg zu beobachten, obwohl einer der Brenner bereits CO erzeugt. Dadurch entstehen natürlich erhebliche Verfälschungen der Messergebnisse, so dass die eingangs geschilderten Methoden nicht anwendbar sind.

Anlagen bei denen dies zutrifft zeigen häufig noch ein anderes drängendes Problem, das anhand von Abb. 3 erläutert sei. Es handelt sich dabei um einen mit Kohle befeuerten Kessel.

Ein Zuteiler (1) beschickt eine Mühle (2). Die staubförmige Kohle wird mit einem Teil des im Gebläse (3) erzeugten Luftstroms ausgetragen und den Brennern B1. . .B3 zugeführt. Die Verteilung des Brennstoffes auf die einzelnen Brenner erfolgt dabei allein aufgrund der Strömungswiderstände. Der genaue Brennstoffdurchfluss an einem einzelnen Brenner kann im laufenden Betrieb normalerweise weder gemessen noch beeinflusst werden.

Zur Messung des Brennstoffdurchflusses stehen nur sehr aufwendige und ungenaue Verfahren zur Verfügung, die regelmäßig nur bei der Erstinbetriebnahme einer Anlage zur Anwendung kommen. Im Zuge dieser Messungen wird versucht, durch Schieber in den Zuleitungen die Strömungswiderstände so zu verändern, daß sich eine ungefähr gleichmäßige Verteilung der Brennstoffzufuhr einstellt. Die Ergebnisse sind jedoch nicht sehr befriedigend. In Einzelfällen können Abweichungen bis zu 20% zwischen den Brennern auftreten.

Im Allgemeinen ist in solchen Anlägen für jeden Brenner ein Luftregler (4) installiert. Diesen wird - in Ermangelung eines genauen Brennstoffsignals - die Drehzahl des Zuteilers (1) als Führungsgrösse aufgeschaltet. Im Automatikbetrieb ist damit die Luftzufuhr an allen Brennern gleich, während die Brennstoffdurchflüsse erhebliche Unterschiede aufweisen können. Bei jedem Brenner stellt sich dadurch ein anderes Brennstoff/Luft-Verhältnis ein, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage vermindert. Eine genauere Erfassung der Brennstoffdurchflüsse ist deshalb sehr erwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren anzugeben, die auch bei eng zusammenstehenden Brennern je nach Bedarf eine Ermittlung der Brennstoffverteilung zwischen den einzelnen Brennern, oder falls diese anderweitig bekannt ist, eine Optimierung der Luftzufuhr nach dem CO-Kriterium ermöglichen.

Die Lösung erfolgt zweckmäßigerweise mit Hilfe einer frei (d. h. in einer höheren Sprache wie C, Pascal oder Basic) programmierbaren Steuerung (5). In DE 197 49 506 C1 wurde dazu vorgeschlagen, die einzelnen Luftregler mit einem in der Steuerung (5) erzeugten Korrektursignal zu beaufschlagen, das der Führungsgröße entgegenwirkt. Damit kann der Luftdurchfluss an den einzelnen Brennern gezielt um definierte Beträge verändert werden. Die Steuerung (5) erhält als Eingangssignal die gemessene CO-Konzentration im Rauchgas und gegebenenfalls die Brennstoffdurchflüsse. Diese Anordnung hat sich als außerordentlich flexibel und anpassungsfähig erwiesen und wird auch hier beibehalten.

Im weiteren Text wird folgende abkürzende Formulierungen gebraucht:
Grundwert: Die CO-Konzentration innerhalb des Pufferbereiches
Einsatzpunkt: Derjenige Luftdurchfluss, bei dem der Anstieg der CO-Konzentration beginnt.
CO entsteht oder verschwindet: Die CO-Konzentration steigt über den Grundwert an oder kehrt zu ihm zurück.
Ein Brenner wird verändert: Die Luftzufuhr am Brenner wird sprungweise verändert und anschließend wird die Totzeit der CO-Messung abgewartet.

Die oben genannte Aufgabe ist offensichtlich gelöst, wenn es trotz der Wechselwirkungen gelingt, den Einsatzpunkt bei jedem einzelnen Brenner zu bestimmen. Da die CO-Entwicklung immer bei dem gleichen Brennstoff/Luft-Verhältnis einsetzt, verhalten sich die Brennstoffdurchflüsse wie die Luftdurchflüsse an den Einsatzpunkten. Aus der Brennstoffsumme (gegeben durch die Drehzahl des Zuteilers) können daraus die Brennstoffdurchfüsse zu den einzelnen Brennern bestimmt werden, und zwar auch im laufenden Betrieb. Aus diesen Durchfüssen ergibt sich dann durch geeignete Wahl des Sicherheitsabstandes die optimale Luftzufuhr an jedem Brenner.

Die Lösung der Aufgabe beruht auf zwei grundlegenden Beobachtungen:

A) Nach Überschreiten des Einsatzpunktes nimmt die CO-Konzentration mit dem Luftmangel stärker als linear zu. (Abb. 1)
B) Das Puffervermögen eines Brenners, also seine Fähigkeit fremdes CO ohne Änderung der Konzentration zu absorbieren, nimmt mit seinem Luftüberschuss ab und verschwindet am Einsatzpunkt. (Abb. 2)

Daraus ergeben sich drei verschiede Wege das Problem zu lösen:

1. Entkopplung durch Absenkung reihum.

Beim ersten Lösungsweg werden die Brenner in einer vorher festgelegten Reihenfolge reihum in einzelnen Schritten abgesenkt. Dabei wird zunächst der erste Brenner um einen Schritt reduziert (und anschließend die Totzeit der CO-Messung abgewartet), dann folgt der zweite Brenner, dann der dritte usw. Wenn alle Brenner um einen Schritt abgesenkt sind, wird wieder mit dem ersten Brenner begonnen und so fort. Jeder Schritt nach unten verringert dabei die Gefahr einer Wechselwirkung.

Irgendwann wird dabei CO im Rauchgas erscheinen. Die Daten des zuletzt geänderten Brenners, also das Korrektursignal aus der Steuerung und der momentane Luftdurchfluss werden gespeichert und anschließend seine Luftzufuhr wieder um einen, eventuell auch um zwei Schritte erhöht, um ihn sicher außerhalb der CO-Produktion zu bringen. Dieser Brenner bleibt dann stehen, während mit den anderen der Zyklus fortgesetzt wird. Auf diese Weise scheidet ein Brenner nach dem anderen aus, bis alle Brenner den Einsatzpunkt erreicht haben.

Bei dieser Vorgehensweise sollte die Sprungweite nicht zu eng gewählt werden, weil sonst die Brenner zu nahe an ihren Einsatzpunkt herangeführt werden und Zufälligkeiten, z. B. eine geringe Schwankung der Luftzufuhr bei einem Brenner der gerade nicht Gegenstand der Betrachtung ist, die CO-Produktion auslösen können. Sie ist deshalb besonders geeignet, um sich bei der Erstinbetriebnahme einer Anlage einen Überblick über die Lage der Einsatzpunkte zu verschaffen.

Ein Beispiel für einen typischen Ablauf dieses Verfahrens ist für drei Brenner in Abb. 4 dargestellt. Die Luftdurchflüsse erscheinen dabei als Säulen, wobei wie in Abb. 6 angedeutet nur deren oberster Teil dargestellt ist. Die Pfeile rechts von der Säule zeigen die Bewegungsrichtung an, die Säule selbst stellt den jeweiligen Endpunkt der Bewegung dar.

Ausgehend von einem Anfangszustand (Gruppe 1) werden die Brenner nacheinander um jeweils eine Stufe abgesenkt (Gruppen 2, 3 und 4). Dazwischen wird wie immer jeweils die Totzeit der CO-Messung abgewartet. Anschließend wird wieder mit dem ersten und zweiten Brenner fortgefahren (Gruppe 5 und 6). Am zweiten Brenner wird CO gefunden. Der Luftdurchfluss und die Größe des Korrektursignals werden gespeichert (angedeutet durch die Markierung) und der Luftdurchfluss wird wieder um eine Stufe erhöht (Gruppe 7). Der zweite Brenner ist damit vorläufig vermessen und bleibt für den Rest des Verfahrens so stehen. Turnusmäßig wird dann mit dem dritten und dann wieder mit dem ersten Brenner fortgefahren. (Gruppen 8 und 9) Auch bei dem ersten Brenner wird jetzt CO gefunden, auch er wird aufgefahren und bleibt dann stehen (Gruppe 10). Jetzt ist nur noch der dritte Brenner im Spiel. Er wird so lange zurückgefahren, bis auch bei ihm CO erscheint (Gruppen 11 und 12). Auch er wird um eine Stufe aufgefahren (Gruppe 13). Zum Schluss werden alle Brenner auf den vorher festgelegten Abstand zu den gefundenen Einsatzpunkten gebracht (Gruppe 14).

2. Entkopplung durch Absenkung an allen Brennern

Wenn die Lage der Einsatzpunkte aus dem Verfahren nach 1 oder durch die Erfahrung in der Anlage ungefähr bekannt ist, können die Wechselwirkungen beseitigt werden, indem alle Brenner gleichzeitig so weit abgesenkt werden, dass gerade noch kein CO entsteht. Anschließend werden die Brenner nacheinander bis zum Einsatzpunkt abgesenkt, die dortigen Werte werden gespeichert und die Brenner dann wieder auf ihren Ausgangswert zurückgefahren.

Der Vorgang hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Verfahren nach DE 37 37 354 C1, ist jedoch nach Zielrichtung und Ablauf anders geartet. Die beiden Verfahren werden im Folgenden einander gegenübergestellt:

DE 37 37 354 C1
diese Anmeldung
Ziel: Die Messungen sollen beschleunigt werden.	Die Messungen werden überhaupt erst ermöglicht, indem die Wechselwirkungen zwischen den Brennern beseitigt werden

Ablauf: Die Brenner werden in einzelnen Schritten so lange zurückgefahren, bis CO im Rauchgas erscheint. Dann werden sie wieder so weit aufgefahren, bis das CO wieder verschwindet.

Die Brenner werden in einem einzigen Schritt so weit zurückgefahren, dass erfahrungsgemäß gerade nach kein CO entsteht.

Wenn dabei wider Erwarten dennoch CO entsteht, wird in jedem Fall ein Alarm abgesetzt, denn dann hat in der Anlage eine Veränderung stattgefunden, der man auf den Grund gehen sollte. Anschließend wird nach Wahl des Betreibers entweder die Versuchsreihe abgebrochen oder die Luftzufuhr wieder so weit erhöht, bis das CO wieder verschwindet und dann mit den Einzelversuchen fortgefahren.

Das Verfahren wird anhand der Abb. 5 erläutert:
Ausgegangen wird hier vom Ergebnis des Verfahrens nach Abschnitt 1. Die dort gefundenen Einsatzpunkte sind zur Erinnerung als offene Punkte markiert (Gruppe 1). In Gruppe 2 werden dann alle Brenner gleichzeitig um den gleichen Betrag abgesenkt, aber nur so weit, dass noch kein CO im Rauchgas erscheint. Anschließend wird der erste Brenner in Einzelschritten so weit abgesenkt, bis der Einsatzpunkt erreicht ist (Gruppen 3 und 4). Da die einzelnen Schritte hier sehr viel feiner gewählt werden können, ist die Messung auch wesentlich genauer, so dass gewisse Abweichungen gegenüber den Messungen nach dem ersten Verfahren zu erwarten sind..

Nachdem in Gruppe 4 der Einsatzpunkt des ersten Brenners gefunden wurde, wird dieser in Gruppe 5 wieder um den Betrag aufgefahren um den er bei den Einzelversuchen vorher abgesenkt wurde. Dann erfolgt die Messung am zweiten Brenner (Gruppen 6, 7 und 8). Auch dieser Brenner wird nach Auffinden des Einsatzpunktes wieder aufgefahren (Gruppe 9), was sich beim dritten Brenner wiederholt (Gruppen 10 und 11). Nach Beendigung der Messungen werden alle Brenner wieder gleichzeitig auf den Betriebszustand gebracht (Gruppe 12)

Es hat sich bewährt, die beiden Verfahren nach 1 und 2 zu kombinieren und zwar derart, dass zunächst mit groben Sprüngen durch Absenkung reihum eine erste Näherung für die Lage der Einsatzpunkte ermittelt wird, um sie dann nach einer allgemeinen Luftabsenkung feinstufig zu vermessen.

3. Ermittlung der Einsatzpunkte durch Luftaustausch

In Fällen bei denen die Methode der allgemeinen Absenkung der Luftzufuhr keine ausreichende Entkopplung bewirkt oder wenn Zweifel an der Verlässlichkeit der Messungen besteht, können die eventuell wechselwirkenden Brenner gemeinsam optimiert werden.

Dazu werden die Brenner, die im Verdacht stehen miteinander in Wechselwirkung zu stehen, durch gleichzeitige Drosselung der Luftzufuhr an allen Brennern in eine Position gebracht bei der deutlich CO entsteht. Dann wird die Verbrennungsluft unter Konstanthaltung ihrer Summe zwischen den Brennern so lange umgesteuert, bis das CO ein Minimum erreicht. Da die CO-Konzentration stärker als linear mit dem Luftmangel anwächst, kann ein Minimum nur erreicht werden, wenn alle Brenner den gleichen Abstand von ihren Einsatzpunkten haben.

Bei zwei beteiligten Brennern wird dazu bei einem Brenner die Luft um einen Schritt reduziert und gleichzeitig beim zweiten die Luft um genau den gleichen Betrag erhöht. Wenn dabei eine Erhöhung der CO-Konzentration beobachtet wird, erfolgt der gleiche Eingriff in umgekehrter Richtung andernfalls wird fortgefahren bis ein Minimum der CO-Konzentration durchlaufen wurde.

Bei drei oder mehr beteiligten Brennern wird reihum bei jedem Brenner die Luftzufuhr um einen Schritt erhöht oder erniedrigt und gleichzeitig diese Veränderung anteilig bei den anderen kompensiert.

Das Verfahren wird anhand der Abb. 7 für zwei Brenner erläutert:
Ausgehend vom Betriebszustand werden zum Zeitpunkt t1 beide Brenner so weit abgesenkt, dass deutlich CO entsteht. Der CO-Anstieg ist erst nach der Totzeit der Messung erkennbar, die in Abb. 7 mit einer Skalenbreite auf der Zeitachse angenommen wurde.

Erfahrungsgemäß schwankt der CO-Wert oberhalb des Grundwertes erheblich und zwar um so mehr, je höher der Messwert selbst ist. Für eine zuverlässige Messung ist es deshalb erforderlich, die Anlage einige Zeit gerade aus laufen zu lassen und den Mittelwert der CO-Konzentration zu bilden. Der Mittelwert ist in Abb. 7 ebenfalls dargestellt.

Nach der Wartezeit zur Mittelwertbildung wird zum Zeitpunkt t2 der erste Brenner erhöht und gleichzeitig der zweite Brenner um den gleichen Betrag erniedrigt. Nach der Totzeit wird dabei eine deutliche Erhöhung der CO-Konzentration beobachtet. Deshalb wird diese Änderung zum Zeitpunkt t3 wieder zurückgenommen, so dass sich der frühere CO-Wert wieder einstellt. Wegen des stark unruhigen Signals ist es unbedingt empfehlenswert vor einer Änderung in Gegenrichtung den Ausgangszustand noch einmal anzufahren, um die Reproduzierbarkeit der Messungen zu verifizieren.

Zum Zeitpunkt t4 erfolgt dann eine Veränderung in Gegenrichtung, was eine Verringerung der CO-Konzentration zu Folge hat. Also wird in diese Richtung fortgefahren. Nach der gleichartigen Änderung zur Zeit t5 wird eine weitere Verringerung des CO-Wertes beobachtet, der aber nach der ebenfalls gleichsinnigen Veränderung zur Zeit t6 wieder ansteigt. Infolgedessen wird zum Zeitpunkt t7 die letzte Änderung wieder zurückgenommen und der Zustand nach dem Zeitpunkt t5 wieder hergestellt, bei dem die CO-Konzentration offensichtlich ein Minimum durchlaufen hat.

Die beiden Brenner befinden sich nun gleichweit von ihren CO-Einsatzpunkten entfernt. Um diese nun konkret zu ermitteln wird die Luft an beiden Brennern gleichzeitig in einzelnen Schritten erhöht, bis das CO im Rauchgas gerade wieder verschwindet. Dies ist nach der Änderung zur Zeit t10 der Fall. Die Einstellungen zur Zeit t10 sind also die gesuchten Einsatzpunkte. Anschließend kann durch weitere Lufterhöhung der Betriebszustand wieder hergestellt werden (Zeitpunkt t11).

Claims

1. Verfahren zur Optimierung der Luftzufuhr oder zur Ermittlung der Brennstoffverteilung bei Feuerungsanlagen mit mehreren Brennern, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Luftzufuhr an den einzelnen Brennern in einer vorher festgelegten Reihenfolge reihum um jeweils einen Schritt abgesenkt und anschließend die Totzeit der CO-Messung abgewartet wird und dies so lange fortgesetzt wird, bis CO im Rauchgas erscheint,
b) die Luftzufuhr des zuletzt geänderten Brenners wieder um einen oder zwei Schritte erhöht wird, so dass das CO wieder verschwindet und dann dieser dann für das weitere Verfahren unverändert so stehen bleibt,
c) sodann die Reihe mit den verbleibenden Brennern so lange fortgesetzt wird, bis erneut CO im Rauchgas erscheint,
d) auch hier bei dem zuletzt veränderten Brenner die Luftzufuhr wieder erhöht wird und auch dieser dann unverändert stehen bleibt,
e) so fortgefahren wird, bis der Einsatzpunkt der CO-Erzeugung bei allen Brennern ermittelt ist.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Luftzufuhr an allen Brennern gleichzeitig um einen aus der Erfahrung gewonnenen Betrag so weit reduziert wird, dass gerade noch kein CO im Rauchgas erscheint (Ausgangspunkt) und
b) anschließend nacheinander bei jedem Brenner einzelnen die Luftzufuhr weiter bis zum Einsatzpunkt der CO-Erzeugung reduziert wird und dann wieder zum Ausgangspunkt zurückgekehrt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Alarm erzeugt wird, wenn bei der ersten gemeinsamen Absenkung wider Erwarten dennoch CO entsteht.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahren kombiniert werden, indem zunächst mit dem Verfahren nach 1. die CO-Einsatzpunkte grob vorbestimmt und anschließend mit dem Verfahren nach 2. fein vermessen werden.

5. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass

a) bei Brennern, die im Verdacht stehen miteinander in Wechselwirkung zu stehen, die Luftzufuhr an allen dieser Brenner so weit reduziert wird, bis deutlich CO im Rauchgas erscheint,
b) die gesamte Luftzufuhr dann unter Konstanthaltung ihrer Summe zwischen den einzelnen Brennern so lange umgesteuert wird, bis die CO-Konzentration im Rauchgas ein Minimum annimmt,
c) die Luftzufuhr anschließend bei allen Brennern gleichmäßig so weit erhöht wird, bis das CO im Rauchgas wieder verschwindet.