DE102008056674A1

DE102008056674A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung eines Kraftwerks auf der Grundlage einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes

Info

Publication number: DE102008056674A1
Application number: DE102008056674A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Meerbeck; Rainer Dr. Speh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-05-12
Also published as: CN102272523B; CN102272523A; EP2347179B1; US20110287372A1; WO2010055025A1; EP2347179A1

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung eines Kraftwerks wird eine reale Konzentrationsverteilung eines Stoffes und/oder eine reale Temperaturverteilung im Verbrennungsraum gemessen und auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilung bzw. Temperaturverteilung rückgeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks unter Messung einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes bzw. einer realen Temperaturverteilung in dem Verbrennungsraum. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks mit einer Einrichtung zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes bzw. einer realen Temperaturverteilung in dem Verbrennungsraum.
Bei Kraftwerken ist es das grundlegende Ziel, die in einem Verbrennungsraum des Kraftwerks, beispielsweise einem Kessel mit einer quadratischen Grundfläche von 10 Meter mal 10 Meter, stattfindende Verbrennung möglichst großflächig zu überwachen, um daraus die notwendigen Größen für die Optimierung des Verbrennungsprozesses ableiten zu können.
So ist als Verfahren die Absorptionsspektroskopie bekannt. Als alternative Messtechnik ist die Schall-Pyrometrie bekannt. Mit Absorptionsspektroskopie oder Schall-Pyrometrie können nur Mittelwerte einer Linie im Kesselraum bzw. Verbrennungsraum gemessen werden.
Zum Berechnen der Temperatur- und Konzentrationsverteilung in einer Ebene eines Verbrennungsraums aus gemessenen Mittelwerten an verschiedenen Stellen des Verbrennungsraumes eines Kraftwerks ist die CAT-Messtechnik, die Computer Aided Tomographie, bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine weitergehende Überwachung der Verbrennung in einem Kraftwerk zu ermöglichen, um damit die Grundlage für die Optimierung des Verbrennungsprozesses zu liefern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Verfahren gemäß Anspruch 4, einer Vorrichtung gemäß Anspruch 8 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks umfasst in einer ersten Ausführungsform die Schritte: Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum und Rückschließen auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilung. In einer zweiten vorteilhaften, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks die Schritte: Messen einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum und Rückschließen auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilung.
Entsprechend umfasst eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks eine Einrichtung zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum und eine Einrichtung zum Rückschließen auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilung. In einer zweiten vorteilhaften, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks eine Einrichtung zum Messen einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum und eine Einrichtung zum Rückschließen auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilung.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt mit anderen Worten darin, dass für bekannte Arten von Brennmaterial, insbesondere bekannte Kohlesorten, charakteristische Verteilungen, insbesondere zweidimensionale Verteilungen, für die Konzentration mindestens eines Stoffes im Abgas und/oder für die Temperatur im Verbrennungsraum ermittelt werden können. Anhand solcher charakteristischer Verteilungen ist ein Erkennen der Art des Brennmaterials und insbesondere der Kohlesorte möglich. Nachfolgend kann die erkannte Art bzw. Sorte dann bei der Regelung der Verbrennung und insbesondere bei der automatischen Umschaltung von Regelparametern, wie z. B. dem Luftüberschuss, in vorteilhafter Weise zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes und zur Reduzierung des Brennmaterialverbrauchs berücksichtigt werden.
Bei der obigen Definition der Erfindung wird unter ”Stoff” allgemein jede Art von Verbrennungsprodukt verstanden, insbesondere in Form von Gas als Bestandteil des Abgases. Ferner wird unter dem Begriff Brennmaterial jede Art von Material verstanden, welches bei Kraftwerken zur Verbrennung gelangt. Für die vorliegend besonders relevanten Kohlekraftwerke sind dies unterschiedliche Arten von Kohle bzw. unterschiedliche Kohlesorten.
Bei einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt beim Rückschließen auf die Art von Brennmaterial ein Vergleich zwischen einer mit einem Musterbrennmaterial ermittelten Konzentrationsverteilung des Stoffes bzw. einer ermittelten Temperaturverteilung und der gemessenen realen Konzentrationsverteilung bzw. Temperaturverteilung.
Bei einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt beim Rückschließen auf die Art von Brennmaterial ein Vergleich mit mindestens einem gespeicherten charakteristischen Konzentrationsmuster des Stoffes bzw. einem gespeicherten charakteristischen Temperaturmuster.
Bei einer dritten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt das Rückschließen auf die Art des Brennmaterials zeitgleich mit dem Messen. Es ist also nicht zwingend ein sequentielles Vorgehen beim Messen von Konzentrationen und der Temperatur und weiteren Rückschließen auf die Art des Brennmaterials erforderlich, sondern es können diese Schritte auch simultan erfolgen, so dass die erfindungsgemäßen Rückschlüsse besonders schnell und besonders aussagekräftig erzeugt werden können. Insgesamt kann so auf einfache Weise eine zwar nur genäherte, dafür aber sehr zeitnahe Erkennung der Art des Brennmaterials auf kostengünstige, einfache und zugleich prozesssichere Art erzielt werden.
Die genannten vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bevorzugt in Gestalt entsprechend angepasster Einrichtungen auch in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen realisiert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist ein Verbrennungsraum 10 eines weiter nicht veranschaulichten Kohlekraftwerks dargestellt, in dem beim Betrieb des Kohlekraftwerkes ein Kohlefeuer brennt. In dem Verbrennungsraum 10 befinden sich dabei das Brennmaterial Kohle mit zugehörigen Brenngasen, mehrere Flammen 11 sowie Abgase.
Im Verbrennungsraum 10 sind horizontal und parallel zu einander zwei Messebenen 12 und 14 vorgesehen, an deren Umfangs rand sich beabstandet voneinander jeweils mehrere Messinstrumente 16 befinden. Jeweils zwei der Messinstrumente 16 ermöglichen eine linienförmige Messung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14, wobei mit Hilfe der Messinstrumente 16 und einer zugehörigen Auswerteeinrichtung 18 die Konzentration der Stoffe O₂ (Sauerstoff) und CO (Kohlenmonoxid) gemessen werden können.
Ferner kann mit den Messinstrumenten 16 und der Auswerteeinrichtung 18 die Temperaturverteilung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14 ermittelt werden. Die Messung beruht dabei auf einer Kombination von Messtechnik und CAT-Berechnung.
Die Auswerteeinrichtung 18 ist über einen Datenbus 20 mit einer Optimierungseinrichtung 22, einer Bedieneinrichtung 24 und einer Leiteinrichtung bzw. Leittechnik 26 betrieblich derart gekoppelt. Über die Bedieneinrichtung 24 können die von der Auswerteeinrichtung 18 gemessenen realen Konzentrationsverteilungen sowie Temperaturverteilungen in den Ebenen 12 und 14 dazu genutzt werden, dass die Optimierungseinrichtung 22 daraus auf die Art des im Verbrennungsraum 10 aktuell verbrannten Brennmaterials, vorliegend auf die dortige Kohlesorte, schließt.
Die Art des Brennmaterials wird ermittelt, um die in dem Verbrennungsraum 10 brennenden Flammen 11 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Ausstoß von NO_x (Stickoxid) zu optimieren.
Zur Ermittlung der Art des Brennmaterials verwendet die Optimierungseinrichtung 22 gespeicherte, charakteristische Muster der Konzentrationen der genannten Stoffe im Abgas und der Temperatur, welche mit Referenz-Brennmaterialien ermittelt und in der Optimierungseinrichtung 22 gespeichert worden sind. Die real gemessenen Verteilungen der Konzentration und der Temperatur werden mit diesen Mustern verglichen und mit dem derartigen Vergleich Übereinstimmungen erkannt.
Das zugehörige Verfahren ist in 2 veranschaulicht. Es umfasst den Schritt 28 des Messens der Konzentrationsverteilung z. B. der Stoffe O₂ und CO und der Temperaturverteilung in der Ebene 12. Im Schritt 30 wird zeitgleich die Konzentrationsverteilung z. B. der Stoffe O₂ und CO in der Ebene 14 sowie die dortige Temperaturverteilung gemessen. Im Schritt 32 wird, wie oben erläutert, die Konzentrationsverteilung sowie die Temperaturverteilung in den Ebenen 12 und 14 derart ausgewertet, dass auf die Art des Brennmaterials im Verbrennungsraum 10 rückgeschlossen werden kann.
Auf der Grundlage dieses Rückschlusses erfolgt dann in einem Schritt 34 eine Optimierung der Verbrennung, beispielsweise durch eine Änderung der Luftschichtung und/oder ein abschnittsweises Ändern des Luftüberschusses.

Claims

Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks mit den Schritten: – Messen (28, 30) einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum (10) und – Rückschließen (32) auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Rückschließen (32) auf die Art von Brennmaterial ein Vergleich zwischen einer mit einem Musterbrennmaterial ermittelten Konzentrationsverteilung des Stoffes und der gemessenen realen Konzentrationsverteilung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem beim Rückschließen (32) auf die Art von Brennmaterial ein Vergleich mit mindestens einem gespeicherten charakteristischen Konzentrationsmuster des Stoffes erfolgt.
Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den Schritten: – Messen (28, 30) einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum (10) und – Rückschließen (32) auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilung.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem beim Rückschließen (32) auf die Art von Brennmaterial ein Vergleich zwischen einer mit einem Musterbrennmaterial ermittelten Temperaturverteilung und der gemessenen realen Temperaturverteilung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem beim Rückschließen (32) auf die Art von Brennmaterial ein Vergleich mit mindestens einer gespeicherten charakteristischen Temperaturverteilung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Rückschließen (32) auf die Art des Brennmaterials zeitgleich mit dem Messen (28, 30) erfolgt.
Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks mit – einer Einrichtung (16, 18) zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum (10) und – einer Einrichtung (22) zum Rückschließen auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilung.
Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere nach Anspruch 8, mit – einer Einrichtung (16, 18) zum Messen (28, 30) einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum (10) und – einer Einrichtung (22) zum Rückschließen auf die Art von Brennmaterial auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilung.