DE102012218215A1

DE102012218215A1 - Bestimmung des Kohlemassenflusses in Staubleitungen in Kohlekraftwerken mittels optischer Transmissions- und/oder Reflexionsmessung

Info

Publication number: DE102012218215A1
Application number: DE201210218215
Authority: DE
Inventors: Martin Kördel; Detlef Rieger; Anton Schick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-03

Abstract

Zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer werden in jeder Staubleitung (1) in einem jeweiligen Messvolumen (4) mittels einer jeweils zugeordneten optischen Transmissions-(5) und/oder Reflexionsmesseinrichtung (7) die jeweiligen Transmissions- und/oder Reflexionskoeffizienten erfasst, daraus eine jeweilige mittlere Weglänge λ und daraus eine Partikeldichteverteilung (n(rpart)) ermittelt. Eine Rechnereinrichtung (11) berechnet in Kenntnis der verbleibenden Parameter den entsprechenden Kohlemassenfluss (1). Auf diese Weise kann der Brennvorgang in der Brennkammer optimiert werden, beispielsweise, dass ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Kohlestaub und Brennluft angesteuert wird. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Kohlemassenflüsse in Kohlekraftwerken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kohlemasseflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer, insbesondere eines Kohlekraftwerkes.
In einem Kohlekraftwerk wird Kohle mit Kohlemühlen gemahlen und über Kohlestaubleitungen in die Brennkammer geblasen. Dabei wird der Kohlestaub einer Kohlemühle auf mehrere Staubleitungen verteilt. Um den Verbrennungsprozess zu optimieren, die Energiemenge zu regulieren und an den geforderten Bedarf anzupassen, muss die für den Verbrennungsprozess zur Verfügung stehende Kohlemenge überwacht und gesteuert werden. Gleichzeitig muss die zugeführte Luftmenge kontrolliert werden, um eine optimale Verbrennung zu erzielen. Generell wird dabei ein vorgegebenes, stöchometrisches Brennstoff/Luftverhältnis angestrebt, um eine vollständige Verbrennung des Kohlenstaubs bei minimalen Emissionen sicherzustellen. Dafür ist eine genaue Kenntnis des Kohlemasseflusses in die Brennkammer eines Kohlestaubbrenners essentiell.
Als Messgröße ist der Kohlemassenfluss jedoch schwer zugänglich. Deshalb werden herkömmlicherweise ersatzweise globale Werte, wie die der Kohlemühle zugeführte Kohlemenge und die zugeführte Luftmenge verwendet. Auf der Grundlage dieser Werte ist jedoch keine zufriedenstellende und optimale Steuerung des Verbrennungsprozesses möglich, da vor allem die Aufteilung der einzelnen Massenflüsse in die Staubleitungen unbekannt bleibt.
Herkömmlicherweise erfolgt eine globale Messung der in die Kohlemühle zugeführten Kohle- und Luftmenge. Die individuelle Messung des Kohlemassenflusses in den Staubleitungen ist schwierig, da aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit, die beispielsweise ca. 25 m/s ist, und der hohen Kohlepartikeldichte, beispielsweise bei einem Kohlemassenfluss von ca. 3 kg/s, invasive Sensorik in den Staubleitungen durch Abrasion beziehungsweise Abschleifung geschädigt wird. Zusätzlich tendiert ein Kohlefluss zur Bildung von zeitlich veränderlichen Strängen, die als Roping bezeichnet werden, aufgrund elektrostatischer Anziehung, so dass punktuelle Messungen ungenau sind. Eine weitere mögliche Messmethode der Detektion der Ultraschallemission durch an den Rohrwänden auftretende Kohlepartikel, die als akustische Emission bezeichnet wird, ist ungeeignet, da die zentralen Messgrößen, wie es die Kohlemenge und die Partikelgeschwindigkeit sind, nicht getrennt bestimmt werden können. Weitere herkömmliche nicht invasive Messprinzipien, wie beispielsweise eine Ultraschall-Transmission beziehungsweise Reflexion sind nicht anwendbar.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer, insbesondere eines Kohlekraftwerkes, derart bereit zu stellen, dass der Kohlemassenfluss mit ausreichender Genauigkeit erfasst, gesteuert und/oder geregelt wird, damit ein stöchiometrisches Verhältnis zur zugeführten Luftmenge eingestellt und eine vollständige Verbrennung des Kohlestaubs bei minimalen Emissionen bewirkt werden kann. Es soll der Verbrennungsprozess in der Brennkammer optimiert, die erzeugte Wärmeenergiemenge gesteuert und/oder geregelt und an einen geforderten Bedarf angepasst werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kohlemasseflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners beansprucht, wobei in jeder Staubleitung in einem jeweiligen Messvolumen mittels einer jeweils zugeordneten optischen Transmissions- und/oder Reflexions-Messeinrichtung ein Erfassen eines jeweiligen Transmissions- und/oder Reflexions-Koeffizienten eines Partikelstroms mit einer Partikelgrößenverteilung erfolgt; mittels einer Rechnereinrichtung für jedes Messvolumen jeweils mittels der erfassten Transmissions- und/oder Reflexions-Koeffizienten und der Größe des Messvolumens ein Berechnen einer jeweiligen mittleren freien Weglänge und daraus mit einem von der Partikelgrößenverteilung abhängigen, für die beim Erfassen auftretende Streuung relevanten Wirkungsquerschnitt einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung erfolgt; Mittels der Rechnereinrichtung für jede Staubleitung ein Berechnen eines der dem Partikelstrom zugeordneten Kohlemassenflusses durch eine Querschnittsfläche der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte der Kohle, der Partikelgeschwindigkeit, des Partikelvolumens und der Partikeldichteverteilung erfolgt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: In jeder Staubleitung erfolgen in einem jeweiligen Messvolumen mittels einer jeweils zugeordneten optischen Transmissions- und/oder Reflexions-Messeinrichtung ein Erfassen eines jeweiligen Transmissions- und/oder Reflexions-Koeffizienten eines Partikelstroms mit einer Partikelgrößenverteilung; mittels einer Rechnereinrichtung erfolgt für jedes Messvolumen jeweils mittels der erfassten Transmissions- und/oder Reflexions-Koeffizienten und der Größe des Messvolumens ein Berechnen einer jeweiligen mittleren freien Weglänge und daraus mit einem von der Partikelgrößenverteilung abhängigen, für die beim Erfassen auftretende Streuung relevanten Wirkungsquerschnitt einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung; mittels der Rechnereinrichtung erfolgt für jede Staubleitung ein Berechnen eines dem Partikelstrom zugeordneten Kohlemasseflusses durch eine Querschnittsfläche der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte der Kohle, der Partikelgeschwindigkeit, des Partikelvolumens und der Partikeldichteverteilung.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass für eine vollständige Verbrennung des Kohlenstaubs eine genaue Kenntnis der Kohlemassenflüsse in den einzelnen Kohlestaubleitungen wesentlich ist. Ansatzpunkt bildet daher die Messung des Kohlemassenflusses in den einzelnen Staubleitungen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung zur Überwachung und Regelung des Verbrennungsprozesses für die Gewährleistung eines optimalen Betriebs der Kohlestaubbrenners. Das dieser Erfindung zugrunde liegende Messverfahren beruht auf der Verwendung optischer Verfahren und zeichnet sich durch die Möglichkeit der quantitativen Bestimmung des Kohlemassenflusses und eine hohe Wiederholgenauigkeit aus.
Wesentlicher Bestandteil zur Bestimmung des Kohlemassenflusses mittels optischer Methoden ist die optische Transmissions- und/oder Reflexionsmessung, in Kohlestaubleitungen. Auf dieser Grundlage kann die Partikeldichte der Kohlepartikel in einem Messvolumen gewonnen werden, das zu einer derartigen Bestimmung eine ausreichende Größe aufweist. Durch die Kombination der ermittelten Partikeldichteverteilung beziehungsweise der Partikeldichte mit einer zusätzlichen Bestimmung einer Partikelgrößenverteilung und einer Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit kann dann der Kohlemassenstrom errechnet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Partikelgeschwindigkeit und die Partikelgrößenverteilung als bekannt vorausgesetzt oder müssen mittels zusätzlicher Verfahren bestimmt werden.
Die separate Kenntnis von Partikelgeschwindigkeit, Partikelgrößenverteilung, Dichte und Kohlemassenfluss pro Staubleitung ermöglicht eine optimale Steuerung des Kohleeintrags. Zum Beispiel könnte eine entsprechende Prozessregelung für eine gleichmäßige Verteilung des Kohlemassenflusses in den verschiedenen Staubleitungen einer Kohlemühle durch Veränderung von Ventilstellungen sorgen. Weiterhin könnte das Verhältnis von Blasluft und Kohle für die verschiedenen Lastbetriebe optimal eingestellt werden.
Beides ist für eine Optimierung des Brennstoffeintrages wichtig. Es ergeben sich folgende Vorteile: 1. Ein reduzierter Brennstoffverbrauch. Durch die genaue und reproduzierbare Brennstoffdosierung kann auch bei Lastwechsel die Verbrennung im Kessel optimiert und der Brennstoffeinsatz reduziert werden. 2. Reduktion von Korrosion im Kessel. Durch die gleichmäßige Brennstoffzufuhr zu den Brennern wird das Risiko der Bildung von Reduktionszonen im Kessel und damit Korrosion an den Kesselwänden reduziert. 3. Reduzierte Schlackebildung im Kessel. Die genaue Brennstoffdosierung zu den Brennern führt zu einem gleichmäßigeren Temperaturprofil im Kessel, was die Schlackebildung erheblich reduziert. Auf diese Weise kann eine deutliche Produktivitätssteigerung bewirkt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die optische Transmissions-Messeinrichtung eine erste Messzelle mit einer Lasereinrichtung aufweisen, von der ein Laserstrahl ausgesendet, durch eine erste Linseneinrichtung aufgeweitet, durch eine erste transparente Abdeckung und den Partikelstrom sowie in einer zweiten Messzelle durch eine zweite transparente Abdeckung gelenkt und mittels einer zweiten Linseneinrichtung in eine erste Lichtintensitätsmessvorrichtung fokussiert wird, wobei in der ersten Messzelle mittels eines Strahlteilers aus dem Laserstrahl ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenzlichtintensität in eine zweite Lichtintensitäts-Messvorrichtung umgelenkt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die optische Reflexions-Messeinrichtung eine erste Messzelle mit einer Lasereinrichtung aufweisen, von der ein Laserstrahl ausgesendet, durch eine erste Linseneinrichtung aufgeweitet, durch eine erste transparente Abdeckung hindurch in den Partikelstrom gelenkt und von diesem durch die erste transparente Abdeckung hindurch rückgestreut und mittels einer dritten Linseneinrichtung in eine dritte Lichtintensitäts-Messvorrichtung fokussiert wird, wobei in der ersten Messzelle mittels eines Strahlteilers aus dem Laserstrahl ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenzlichtintensität in eine zweite Lichtintensitäts-Messvorrichtung umgelenkt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die optischen Transmissions- und/oder Reflektions-Messeinrichtungen und die Rechnereinrichtung in regelmäßigen Zeitabständen jeweilige Kohlemassenflüsse bestimmen und eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung kann den Brennvorgang in der Brennkammer steuern oder regeln. Insbesondere wird der jeweilige Kohlemassenfluss gesteuert oder geregelt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung die Partikeldichteverteilung mittels Integration und/oder Simulation aus der jeweiligen mittleren freien Weglänge und der Partikelgrößenverteilung berechnen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können in einer Speichereinrichtung der Rechnereinrichtung die Partikelgrößenverteilung und die Partikelgeschwindigkeit unabhängig von dem Erfassen als bereits bekannt gespeichert sein. Partikelgrößenverteilung und Partikelgeschwindigkeit können bereits mittels weiterer Verfahren bestimmt worden sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Partikelvolumina kugelförmig angenommen sein und ein sich damit ergebender Faktor kann aus der Partikelgrößenverteilung mittels der Rechnereinrichtung mittels Integration und/oder Simulation hergeleitet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann für eine Simulation der Streuung in der Rechnereinrichtung ein Henyey-Greenstein-Modell verwendet werden. Mittels Simulationen zur Streuung von Licht an den Partikeln kann eine Verbesserung der Berechnung des Kohlemassenstroms bewirkt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können jeweilige Partikelströme mittels einer in einer jeweiligen Staubleitung stromaufwärts zum Messvolumen integrierten Verwirbelungseinrichtung, insbesondere zur Vermeidung von Roping, verwirbelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die transparenten Abdeckungen von dem jeweiligen Partikelstrom herausversetzt sein und/oder mittels Luftspülens sauber gehalten werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2A–C Ausführungsbeispiele zur Simulation von Streuung;
3A und B Simulationsergebnisse zur Transmission und Reflexion;
4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Partikeldichte bzw. der Partikeldichteverteilung mittels einer Transmissions- oder Reflexionsmessung. Zur Bestimmung des Kohlemassenstroms bzw. des Kohlemassenflusses 1 durch eine Staubleitung 3 in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners muss die Pa rtikeldichte bzw. Partikeldichteverteilung n(r_part) in der Staubleitung 3 bekannt sein. Dies wird mittels
einer optischen Messmethode bewirkt, mit der in einer Transmissionsmessung ein Rohr der Staubleitung 3 durchstrahlt wird. Damit wird eine Erfassung eines größeren Volumens ermöglicht, sodass über verschiedene Stränge des Ropings zeitlich und räumlich gemittelt werden kann. Eine künstliche oder natürliche Verwirbelung verbessert das Ergebnis zusätzlich. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung dar. In der Staubleitung 3 in einem jeweiligen Messvolumen 4 kann alternativ oder kumulativ eine optische Transmissions-5-Messeinrichtung und/oder eine Reflexions-Messeinrichtung 7 ein Erfassen eines Transmissions- und/oder Reflexionskoeffizienten eines Partikelstroms 9 mit einer Partikelgrößenverteilung r_part ausgeführt werden. Der Partikelstrom 9 ist der im Messvolumen 4 erfasste Kohlenmassenfluss 1. Mittels einer Rechnereinrichtung 11 kann für jedes Messvolumen 4 jeweils mittels der erfassten Transmissions- und/oder Reflexionskoeffizienten und der Größe des Messvolumens 4 ein Berechnen einer jeweiligen mittleren freien Weglänge λ und daraus mit einem von der Partikelgrößenverteilung r_part abhängigen, für die beim Erfassen auftretende Streuung relevanten Wirkungsquerschnitte σ einer von der Partikelgröße abhängigen Partikelgrößenverteilung n(r_part) erfolgen.
Eine optische Transmissions-Messeinrichtung 5 kann eine erste Messzelle 21 mit einer Lasereinrichtung 23 aufweisen, von der ein Laserstrahl ausgesendet wird. In der ersten Messzelle 21 wird der Laserstrahl mittels einer ersten Linseneinrichtung 25 aufgeweitet und danach durch eine erste transparente Abdeckung 15 in den Partikelstrom 9 eingekoppelt. Eine transparente Abdeckung 15 kann beispielsweise mittels eines Abdeckglases bereitgestellt sein. Nach Durchlaufen des Partikelstroms 9 dringt der Laserstrahl durch eine zweite transparente Abdeckung 15 in eine zweite Messzelle 31 ein. Der Laserstrahl wird mittels einer zweiten Linseneinrichtung 27 in der zweiten Messzelle 31 in eine erste Lichtintensitäts-Messvorrichtung 29 fokussiert. In der ersten Messzelle 21 wird mittels eines Strahlteilers 33 ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenzlichtintensität I₀ aus dem Laserstrahl in eine zweite Lichtintensitäts-Messvorrichtung 35 umgelenkt. An zwei gegenüber liegenden seitlichen Öffnungen an der Staubleitung 3 sind die erste Messzelle 21 und die zweite Messzelle 31 beispielsweise angeflanscht. Sie sind über Glasfenster als transparente Abdeckungen 15 von der Staubleitung 3 getrennt. In der ersten Messzelle 21 ist die Lasereinrichtung 23 positioniert, deren Strahl durch ein Linsensystem als erste Linseneinrichtung 25 zu einem stark aufgeweiteten, parallelen Strahl geformt wird. Der Strahlteiler 33 koppelt einen Teil des Laserstrahls aus, um eine Referenzmessung der Intensität I₀, beispielsweise mittels einer Photodiode als Lichtintensitäts-Messvorrichtung 35 zu erhalten.
In der zweiten Messzelle 31 auf der gegenüber liegenden Seite wird bei der Transmissionsmessung das durchgelassene Licht mittels einer Sammellinse auf eine Photodiode oder einen beliebigen, photoempfindlichen Empfänger fokussiert und die Intensität I dieses durchgelassenen Lichtes bestimmt. Aus der Bestimmung der Abschwächung bzw. des Transmissionskoeffizienten I/I₀ des Lichtsignals wird als Messgröße die mittlere freie Weglänge λ ermittelt. Dabei ist die mittlere freie Weglänge gemäß einer allgemeinen Definition die durchschnittliche Weglänge, die ein Photon ohne Wechselwirkung mit einem Kohlepartikel zurücklegt. Unter der Wechselwirkung wird jeder Stoßvorgang verstanden. Zur Berechnung wird folgende Formel 1 herangezogen: I/I₀ =e^–(2R/λ) (1) mit einem Rohrradius R der Staubleitung und λ der mittleren freien Weglänge.
Da die mittlere freie Weglänge λ über ein größeres Volumen quer durch eine rohrförmige Staubleitung 3 erhalten wird, kann auf diese Weise bei Kenntnis der Partikelgröße bzw. der Partikelgrößenverteilung auf die Partikeldichte bzw. Partikeldichteverteilung n(r_part) geschlossen werden. Die Partikelgröße bzw. die Partikelgrößenverteilung müssen bereits außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens hergeleitet und bekannt sein. Des Weiteren ist ein allgemeiner Zusammenhang zwischen der freien Weglänge λ, dem Wirkungsquerschnitt für die Streuung σ und der Partikeldichte n bzw. Partikeldichteverteilung n(r_part) nach folgender Formel 2 bekannt: λ = 1/(n·σ) (2)
Es wird hier von einem so genannten "Schattenwurf-Modell" ausgegangen, dass für Partikelgrößen wesentlich größer als die Lichtwellenlänge gilt, wie beispielsweise gemäß unserem Fall von Partikelgrößen von 10–150 μm. Wird die Partikelgröße bzw. die Partikelgrößenverteilung r_part als bekannt vorausgesetzt, so ergibt sich die Partikeldichte n bzw. Partikeldichteverteilung n(r_part) mittels folgender Formel 3: n = 1/(λ·π·r_part ²) (3) wobei r_part der Partikelradius ist.
Da die Partikelgrößen r eine Verteilung bilden, erhält man ebenso für die Partikeldichte eine Verteilung mit der Größe. Diese Partikeldichteverteilung n(r_part) wird mittels Integration oder Simulation aus der Messgröße λ und der Partikelgrößenverteilung r_part gewonnen.
Die Formel (1) beschreibt eine Transmission mit entsprechenden Streuverlusten und Absorptionsverlusten. Formel (2) gibt den Messwert an. Formel (3) beschreibt die Partikeldichteverteilung n(r_part) mittels Simulation bzw. Integration mittels des Transmissionsmessverfahrens und des Reflexionsmessverfahrens gewonnen wird.
1 zeigt zusätzlich eine zur optischen Transmissions-Messeinrichtung 5 alternative oder kumulative optische Reflexions-Messeinrichtung 7. Diese kann eine erste Messzelle 21 mit einer Lasereinrichtung 23 aufweisen, von der ein Laserstrahl ausgesendet, durch eine erste Linseneinrichtung 25 aufgeweitet, durch eine erste transparente Abdeckung 15 der ersten Messzelle 21 hindurch in den Partikelstrom 9 gelenkt und von diesem durch die erste transparente Abdeckung 15 hindurch wieder zurückgestreut und mittels einer dritten Linseneinrichtung 37 in der ersten Messzelle 21 in eine dritte Lichtintensitäts-Messvorrichtung 39 fokussiert werden. Die dritte Lichtintensitäts-Messvorrichtung 39 kann ebenso als Photodiode bereitgestellt sein. Entsprechend der optischen Transmissions-Messeinrichtung 5 wird bei der optischen Reflexions-Messeinrichtung 7 in der ersten Messzelle 21 ebenso mittels eines Strahlteilers 33 aus dem Laserstrahl ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenz-Lichtintensität I₀ in eine zweite Lichtintensitäts-Messvorrichtung 35 umgelenkt. Ebenso kann die zweite Lichtintensitäts-Messvorrichtung 35 als Photodiode ausgeführt sein. Im Falle der Realisierung einer Reflexionsmessung zur Detektion der Rückstreuung sind eine weitere Photodiode und eine Sammellinse in der ersten Messzelle 21 positioniert. Diese detektiert das zurückgestreute Licht des einfallenden Laserstrahls.
Die optische Transmissions- und/oder Reflexions-Messeinrichtung 5 und/oder 7 können der Rechnereinrichtung 11 in regelmäßigen Zeitabständen Messwerte zuführen, sodass entsprechend in regelmäßigen Zeitabständen jeweilig Kohlemassenflüssen 1 bestimmt werden können. Diese können einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 19 zugeführt werden, sodass diese den Brennvorgang in der Brennkammer beispielsweise für eine vollständige Verbrennung optimiert steuert oder regelt. In einer Speichereinrichtung 13, die der Rechnereinrichtung zugeordnet sein kann, müssen für eine endgültige Berechnung der Kohlemassenflüsse 1 die Partikelgrößenverteilung und die Partikelgeschwindigkeit bereits als bekannt gespeichert sein.
Eine Verunreinigung der vor oder in den Messzellen angeordneten transparenten Abdeckflächen 15, welche beispielsweise als Glasflächen ausgeführt sein können, muss bei der Anordnung gemäß 1 möglichst gering gehalten werden, da hier Lichtintensitäten gemessen werden. Dies könnte durch nach innen versetzte Gläser und gegebenenfalls eine Luftspülung oder andere Maßnahmen verhindert werden. In 2A–C sind Simulationen zur Streuung dargestellt. 2A zeigt eine Vorrichtung gemäß 1 bei einem Kohlemassenfluss von 0. Die Anordnung gemäß 1 wird gemäß 2A hinsichtlich einer Transmissions- und/oder Reflexionsmessung simuliert. Zur Abbildung der Transmission und der Rückstreuung wird ein Simulationsmodell verwendet, bei dem eine Partikelstreuung beispielsweise mittels eines Henyey-Greenstein-Modells abgebildet wird. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit der Rückstreuung in einem Winkel θ mit folgender Formel 4 abgebildet: ρ(Θ) = (1/4π)·[1 – g2]/[1 + g2 – 2·g·cos·(Θ)]^3/2 (4)
Dabei wird ein Winkelbereich von 0° bis 180° angenommen. Für den Wert g = 0 ist die Rückstreuwahrscheinlichkeit ρ(Θ) = const, sodass sich daraus eine isotrope Streuung ergibt, die beispielsweise mit einem Scheinwerferlicht in starkem Nebel verglichen werden kann.
2B zeigt eine Simulation der Transmission bzw. Reflexion bei einem Kohlemassenfluss Δm/Δt = 2,5 kg/s bei einem Partikeldurchmesser von 40 μm.
2C zeigt eine Simulation der Transmissions- bzw. Reflexionsmessung bei einem Kohlemassenfluss Δm/Δt = 2,5 kg/s bei einem Teilchendurchmesser von 80 μm.
Gemäß der Simulation gemäß den 2A–C entsprechen simulierte, mittlere freie Weglängen λ Kohlemassenflüssen Δm/Δt im Bereich von 2 kg/s bis 5kg/s. Eine Lichtabsorption α soll einmal 0% und alternativ 50% aufweisen. Als Lichtquelle wird eine Lichtquelle mit 10mm Durchmesser und 1W Leistung verwendet, deren Strahlung kollimiert wurde.
Für eine Simulation gemäß den 2A bis C wurden realistische Parameter verwendet, wie sie in einem typischen Kraftwerk auftreten. Die Parameter und Annahmen zur Simulation entsprechen realistischen Werten aus einem Kraftwerk. Diese sind:
Partikeldurchmesser (d_part = 2·r_part)80μm
→ min. Partikelvolumen (Kugelform)
V_part ≈ 4/3π·(40.10^–6m)³ = 2,68·10^–13m³
→ n = Partikel/m³ = (V_coal/V_cly)/V_part = 1,23·10⁹ Partikel/m³
Abschätzung der mittleren freien Weglänge („Schattenwurf“)

Mittlere freie Weglänge λ = 1/(n·σ)
σ ≡ Streuquerschnittsfläche („Streufläche aus Sicht des Lichts“)
→ σ ≈ π·r_part ² = 5,03·10^–9m² (80μm Partikel)
→ λ_min = 0,16m (80 μm Partikel)

Annahmen:

Kohlemassefluss Δm/Δt = 3,5kg/s
Flussgeschwindigkeit v_coal = 25m/s
Rohrradius R=0,3 m
V_cyl = 7,07m³
→ V_coal = 2,33·10^–3m³(ρ_coal1500kg/m³)

Ausgegangen wird von Partikelgrößen von 40 μm und 80 μm, einem Kohlemassestrom von ca. 3,5 kg/s, einer Partikelgeschwindigkeit von 25 m/s und einem Rohr mit einem Radius von 0,3 m. Für die Streuung wurde das Henyey-Greenstein-Modell verwendet.
3A und 3B zeigen die Simulationsergebnisse zur Transmission und zur Reflexion. Zugrunde gelegt ist eine Simulation gemäß den 2A bis C. In den Simulationsbildern 3A und B sind die Streuvorgänge ersichtlich, und zwar sowohl in einer Transmission als auch in einer Rückstreuung. Es sind die quantitativen Ergebnisse dargestellt. 3A zeigt das Simulationsergebnis für eine Transmission. 3B zeigt das Simulationsergebnis für die Rückstreuung. Bei Veränderung der Partikeldichte, die bei Konstanthaltung der anderen Größen proportional zum Kohlemassenfluss ist, für die Größen 40 μm und 80 μm zeigt sich in der Rückstreuung gemäß 3B lediglich eine schwache Abhängigkeit des Rückstreusignals von der Partikeldichte. Für die Transmission gemäß 3A ist dies wesentlich günstiger. Hier zeigt sich eine sehr starke Abhängigkeit des Messsignals von der Partikeldichte. Damit ist dieser Messwert der Transmission besonders vorteilhaft für die Bestimmung der Partikeldichte bzw. Partikeldichteverteilung geeignet. 3A und 3B zeigen mit der X-Achse den Kohlenmassefluss in kg/s und auf der Y-Achse die emittierte Leistung der Lichtquelle in Watt jeweils bei einem Wert von g = 0. Ebenso entlang der X-Achse ist für Partikeln mit Durchmessern von 40 μm und 80 μm eine jeweilige mittlere freie Weglänge in mm angegeben. Während bei der Transmission gemäß 3A eine sehr starke Abhängigkeit des Transmissionssignals vom Massefluss bzw. von der mittleren freien Weglänge λ bzw. von der Partikeldichte gegeben ist, eignet sich ein Transmissionssignal sehr vorteilhaft, insbesondere zur Volumenmessung. Gemäß der 3B für die Rückstreuung zeigt sich eine geringe Abhängigkeit des Rückstreusignals von Massefluss bzw. von λ bzw. von der Partikeldichte. Daraus ergibt sich, dass das Reflexionssignal im Vergleich zum Transmissionssignal weniger vorteilhaft geeignet ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren ermöglicht eine Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners, wobei mit einem Schritt S1 in jeder Staubleitung in einem jeweiligen Messvolumen mittels einer jeweils zugeordneten optischen Transmissions- und/oder Reflexionsmesseinrichtung ein Erfassen eines jeweiligen Transmissions- und/oder Reflexionskoeffizienten des Partikelstroms mit einer Partikelgrößenverteilung ausgeführt wird. Ein Reflexionskoeffizient ist der Quotient einer rückgestreuten Lichtintensität und einer ursprünglicher Weise in den Partikelstrom eingestrahlten Strahlungsintensität. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt mittels einer Rechnereinrichtung für jedes Messvolumen jeweils der erfassten Transmissions- und/oder Reflexionskoeffizienten und der Größe des Messvolumens ein Berechnen einer jeweiligen mittleren Weglänge λ und daraus mit einem von der Partikelgrößenverteilung r_part abhängigen, für die beim Erfassen auftretende Streuung relevanten Wirkungsquerschnitt σ einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung n(r_part). Mit einem dritten Schritt S3 erfolgt mittels der Rechnereinrichtung für jede Staubleitung ein Berechnen eines dem Partikelstrom zugeordneten Kohlemassenflusses Δm/Δt durch eine Querschnittsfläche A der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte ρ der Kohle, der Partikelgeschwindigkeit v_part des Partikelvolumens V_part und der Partikeldichteverteilung n(r_part). Die Berechnung des Kohlemassenflusses mittels der Rechnereinrichtung 11 kann folgendermaßen berechnet werden. Der Kohlemassenfluss Δm/Δt durch eine Fläche A berechnet sich allgemein aus: Δm/Δt = A·ρ·v_part·n·V_part (5)
Dabei ist A die durchströmte Fläche A, ρ die spezifische Dichte der Kohle, v_part die Geschwindigkeit, n die Dichte und V_part das Partikelvolumen. Unter der Annahme, dass die Partikel kugelförmig sind, ergibt sich eine Endformel für die Berechnung des Kohlemassenflusses aus den folgenden Messgrößen: Δm/(Δt) = 4/3·π·A·ρ·v_part·n(r_part)·r³ _part (6)
Die ersten Faktoren sind konstant, die spezifische Dichte der Kohle ρ ist von der Kohlequalität abhängig, ändert sich lediglich geringfügig und muss anderweitig bestimmt werden. Die Partikelgeschwindigkeit v_part und der Faktor r³ _part, der aus der Partikelgrößenverteilung berechenbar ist, sind bekannt oder werden mittels anderer hier nicht näher beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Dichteverteilung der Partikel n(r_part) wird entsprechend dem beschriebenen zweiten Schritt S2 gewonnen. Da hier Verteilungen vorkommen, wird die Berechnung mittels Integration oder evtl. mittels Simulation vorgenommen. Im einfachsten Fall wird eine Mittelwertbildung durchgeführt und mit Mittelwerten gerechnet.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist eine sichere Bestimmung des Kohlemassenflusses möglich. Die Messungen und Berechnungen werden beispielsweise mit Messkarten und einem Personal Computer PC durchgeführt. Es werden im Takt von 1 bis 10 s neue berechnete Werte von Geschwindigkeit, Partikeldichte und Kohlemassenstrom ausgegeben, die für eine nachfolgende Prozessregelung einer Kohlestaubverbrennung geeignet sind.
Zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses durch Staubleitungen in eine Brennkammer werden in jeder Staubleitung 1 in einem jeweiligen Messvolumen 4 mittels einer jeweils zugeordneten optischen Transmissions- 5 und/oder Reflexionsmesseinrichtung 7 die jeweiligen Transmissions- und/oder Reflexionskoeffizienten erfasst, daraus eine jeweilige mittlere Weglänge λ und daraus eine Partikeldichteverteilung (n(r_part)) ermittelt.
Eine Rechnereinrichtung 11 berechnet in Kenntnis der verbleibenden Parameter den entsprechenden Kohlemassenfluss (1). Auf diese Weise kann der Brennvorgang in der Brennkammer optimiert werden, beispielsweise, dass ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Kohlestaub und Brennluft angesteuert wird. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Kohlemassenflüsse in Kohlekraftwerken.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses (1) durch Staubleitungen (3) in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners, wobei – in jeder Staubleitung (3) in einem jeweiligen Messvolumen (4) mittels einer jeweils zugeordneten optischen Transmissions(5)- und/oder Reflektions(7)-Messeinrichtung ein Erfassen eines jeweiligen Transmissions- und/oder Reflektionskoeffizienten eines Partikelstroms (9) mit einer Partikelgrößenverteilung (r_part) erfolgt; – mittels einer Rechnereinrichtung (11) für jedes Messvolumen jeweils mittels der erfassten Transmissions- und/oder Reflektionskoeffizienten und der Größe des Messvolumens ein Berechnen einer jeweiligen mittleren freien Weglänge (λ) und daraus mit einem von der Partikelgrößenverteilung (r_part) abhängigen, für die beim Erfassen auftretende Streuung relevanten Wirkungsquerschnitt (σ) einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung (n(r_part)) erfolgt; – mittels der Rechnereinrichtung für jede Staubleitung ein Berechnen eines dem Partikelstrom (9) zugeordneten Kohlemassenflusses (Δm/Δt) durch eine Querschnittsfläche (A) der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte (ρ) der Kohle, der Partikelgeschwindigkeit (v_part), des Partikelvolumens (V_part) und der Partikeldichteverteilung (n(r_part)) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Transmissions(5)-Messeinrichtung eine erste Messzelle (21) mit einer Lasereinrichtung (23) aufweist, von der ein Laserstrahl ausgesendet, durch eine erste Linseneinrichtung (25) aufgeweitet, durch eine erste transparente Abdeckung (15) und den Partikelstrom (9) sowie in einer zweiten Messzelle (31) durch eine zweite transparente Abdeckung (15) gelenkt und mittels einer zweiten Linseneinrichtung (27) in eine erste Lichtintensitätsmessvorrichtung (29) fokussiert wird, wobei in der ersten Messzelle mittels eines Strahlteilers (33) aus dem Laserstrahl ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenzlichtintensität (I0) in eine zweite Lichtintensitätsmessvorrichtung (35) umgelenkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Reflektions(7)-Messeinrichtung eine erste Messzelle (21) mit einer Lasereinrichtung (23) aufweist, von der ein Laserstrahl ausgesendet, durch eine erste Linseneinrichtung (25) aufgeweitet, durch eine erste transparente Abdeckung (15) hindurch in den Partikelstrom (9) gelenkt und von diesem durch die erste transparente Abdeckung (15) hindurch rückgestreut und mittels einer dritten Linseneinrichtung (37) in eine dritte Lichtintensitätsmessvorrichtung (39) fokussiert wird, wobei in der ersten Messzelle mittels eines Strahlteilers (33) aus dem Laserstrahl ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenzlichtintensität (I0) in eine zweite Lichtintensitätsmessvorrichtung (35) umgelenkt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Transmissions(5)- und/oder Reflektions(7)-Messeinrichtungen und die Rechnereinrichtung (11) in regelmäßigen Zeitabständen jeweilige Kohlemassenflüsse bestimmen und eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung (19) den Brennvorgang in der Brennkammer steuert oder regelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Partikeldichteverteilung n(r_part) mittels Integration und/oder Simulation aus der jeweiligen mittleren freien Weglänge (λ) und der Partikelgrößenverteilung (r_part) berechnet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinrichtung (13) der Rechnereinrichtung die Partikelgrößenverteilung und die Partikelgeschwindigkeit unabhängig von dem Erfassen als bereits bekannt gespeichert sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Partikelvolumina kugelförmig angenommen werden und ein sich damit ergebender Faktor (r_part ³) aus der Partikelgrößenverteilung mittels der Rechnereinrichtung mittels Integration und/oder Simulation hergeleitet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Simulation zur Streuung in der Rechnereinrichtung ein Henyey-Greenstein-Modell verwendet wurde.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Partikelströme mittels einer in eine jeweilige Staubleitung stromaufwärts zum Messvolumen integrierte Verwirbelungseinrichtung verwirbelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckungen von dem jeweiligen Partikelstrom heraus in die erste und zweite Messzelle hinein versetzt sind und/oder mittels Luftspülens sauber gehalten werden.
Verfahren zur Bestimmung eines Kohlemassenflusses (1) durch Staubleitungen (3) in eine Brennkammer eines Kohlestaubbrenners, mit den Schritten – in jeder Staubleitung (3) erfolgt in einem jeweiligen Messvolumen (4) mittels einer jeweils zugeordneten optischen Transmissions(5)- und/oder Reflektions(7)-Messeinrichtung ein Erfassen eines jeweiligen Transmissions- und/oder Reflektionskoeffizienten eines Partikelstroms (9) mit einer Partikelgrößenverteilung (r_part); – mittels einer Rechnereinrichtung (11) erfolgt für jedes Messvolumen jeweils mittels der erfassten Transmissions- und/oder Reflektionskoeffizienten und der Größe des Messvolumens ein Berechnen einer jeweiligen mittleren freien Weglänge (λ) und daraus mit einem von der Partikelgrößenverteilung (r_part) abhängigen, für die beim Erfassen auftretende Streuung relevanten Wirkungsquerschnitt (σ) einer von der Partikelgröße abhängigen Partikeldichteverteilung (n(r_part)); – mittels der Rechnereinrichtung erfolgt für jede Staubleitung ein Berechnen eines dem Partikelstrom (9) zugeordneten Kohlemassenflusses (Δm/Δt) durch eine Querschnittsfläche (A) der Staubleitung in Kenntnis der spezifischen Dichte (ρ) der Kohle, der Partikelgeschwindigkeit (v_part), des Partikelvolumens (V_part) und der Partikeldichteverteilung (n(r_part)).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Transmissions(5)-Messeinrichtung eine erste Messzelle (21) mit einer Lasereinrichtung (23) aufweist, von der ein Laserstrahl ausgesendet, durch eine erste Linseneinrichtung (25) aufgeweitet, durch eine erste transparente Abdeckung (15) und den Partikelstrom (9) sowie in einer zweiten Messzelle (31) durch eine zweite transparente Abdeckung (15) gelenkt und mittels einer zweiten Linseneinrichtung (27) in eine erste Lichtintensitätsmessvorrichtung (29) fokussiert wird, wobei in der ersten Messzelle mittels eines Strahlteilers (33) aus dem Laserstrahl ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenzlichtintensität (I0) in eine zweite Lichtintensitätsmessvorrichtung (35) umgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Reflektions(7)-Messeinrichtung eine erste Messzelle (21) mit einer Lasereinrichtung (23) aufweist, von der ein Laserstrahl ausgesendet, durch eine erste Linseneinrichtung (25) aufgeweitet, durch eine erste transparente Abdeckung (15) hindurch in den Partikelstrom (9) gelenkt und von diesem durch die erste transparente Abdeckung (15) hindurch rückgestreut und mittels einer dritten Linseneinrichtung (37) in eine dritte Lichtintensitätsmessvorrichtung (39) fokussiert wird, wobei in der ersten Messzelle mittels eines Strahlteilers (33) aus dem Laserstrahl ein Referenzlaserstrahl mit einer Referenzlichtintensität (I0) in eine zweite Lichtintensitätsmessvorrichtung (35) umgelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Transmissions- und/oder Reflektionsmesseinrichtungen und die Rechnereinrichtung in regelmäßigen Zeitabständen jeweilige Kohlemasseflüsse bestimmen und eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung den Brennvorgang in der Brennkammer steuert oder regelt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Partikeldichteverteilung n(r_part) mittels Integration und/oder Simulation aus der jeweiligen mittleren freien Weglänge (λ) und der Partikelgrößenverteilung (r_part) berechnet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Speichereinrichtung (13) der Rechnereinrichtung die Partikelgrößenverteilung und die Partikelgeschwindigkeit unabhängig von dem Erfassen als bereits bekannt gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Partikelvolumina kugelförmig angenommen werden und ein sich damit ergebender Faktor (r_part ³) aus der Partikelgrößenverteilung mittels der Rechnereinrichtung mittels Integration und/oder Simulation hergeleitet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Simulation zur Streuung in der Rechnereinrichtung ein Henyey-Greenstein-Modell verwendet wurde.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Partikelströme mittels einer in eine jeweilige Staubleitung stromaufwärts zum Messvolumen integrierte Verwirbelungseinrichtung verwirbelt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Abdeckungen von dem jeweiligen Partikelstrom heraus in die erste und zweite Messzelle hinein versetzt sind und/oder mittels Luftspülens sauber gehalten werden.