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Die Erfindung betrifft eine Feuerungsanlage und deren Regelungsverfahren.
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Es ist ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung von Feststoffen in einer Feuerungsanlage bekannt,
DE 10 2012 023 450 A1 , bei dem die benötigte Luftmenge ermittelt wird, indem die aktuelle Verbrennungsintensität einer Flamme in einer Brennkammer und die aktuell zugeführte Luftmenge festgestellt werden, woraufhin in einer Auswerteeinheit die Kovarianz zwischen der aktuell zugeführten Luftmenge und der Verbrennungsintensität ermittelt wird, die zur Nachregelung der zugeführten Luftmenge führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Feuerungsanlage und deren Regelungsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei denen über andere Parameter oder gemeinsam mit anderen und ergänzt durch die bekannten Parameter der Einfluss auf die Regelbarkeit einer Feuerungsanlage weiter verbessert und beschleunigt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen der Ansprüche 1 und 7 erfindungsgemäß aus den technischen Merkmalen deren kennzeichnender Teile.
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Die Feuerungsanlage, die aus einer Brennkammer mit einer Brennkammerwandung, einer Glutbettauflage wie einem Feuerrost, sowie aus einer Brennstoffzufuhr, einer Primärluftversorgung durch eine Zuführung oberhalb der Glutbettauflage oder bei einem Feuerrost auch von unterhalb des Feuerrostes, auf der in Betrieb ein Glutbett aufliegt, einer Sekundärluftversorgung in eine Flamme über dem Glutbett und Sensoren zur Bestimmung der Verbrennungsgüte besteht, sowie aus einem Prozessrechner, ist erfindungsgemäß mit einem Sensor ausgestattet, der unmittelbar die von der Flamme emittierte elektromagnetische Strahlungsintensität I detektiert, dessen ermittelter Wert von dem Prozessrechner zur Berechnung weitere Parameter des Regelungsverfahrens und deren Nachführung genutzt wird.
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Vorteilhaft an dieser erfinderischen Feuerungsanlage ist insbesondere, dass die Strahlung der Brennkammerwandungen und des Glutbettes von dem Sensor unterdrückt werden, sodass über den Prozessrechner die Intensität der Verbrennung selber aktuell und ohne Zeitverzögerung bestimmbar ist, wodurch die Brennstoffzufuhr kurzfristig erhöht oder zurückgefahren und stets eine optimale Verbrennung in der Feuerungsanlage gewährleistet werden kann.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor in einem Luftstrom in die Brennkammer angeordnet, sodass ihn Verbrennungsgase oder Partikel nicht erreichen können, wodurch ein Verschmutzen des Sensors, ebenso wie eine übermäßige thermische Belastung, verhindert wird. Die Anordnung des Sensors erfolgt beispielsweise in der Sekundärluftversorgung der Brennkammer. Ein Sensor kann jedoch auch in einem auf die Flamme gerichteten Rohr angeordnet sein, welches mit Spülluft beaufschlagt wird, um den gewünschten Schutzeffekt des Sensors zu gewährleisten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Sekundärluftversorgung aus einer rohrförmigen Zuführung bis über das Glutbett und bis in die Flamme hinein ausgeführt ist, ist der Sensor im Luftstrom durch die Zuführung, jedoch von der Austrittsöffnung der Luft weit entfernt außerhalb der Brennkammer angeordnet, sodass zwar die elektromagnetische Strahlung den Sensor erreicht, nicht jedoch Rauchgas oder Partikel aus dem Brennraum, sodass sich diese auch nicht darauf festsetzen können.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung, bei der die Sekundärluftversorgung durch eine ringförmige Zuführung um die Brennkammer durch nach innen gerichtete Sekundärluftdüsen erfolgt, erstreckt sich der Sensor von außen in die ringförmige Zuführung hinein und ist beispielsweise in einer Flucht in Durchströmungsrichtung der Sekundärluft durch die Sekundärluftdüsen mit Sicht auf die Flamme angeordnet, sodass auch hier ein unmittelbarer Kontakt der Verbrennungsprodukte mit dem Sensor vollkommen ausgeschlossen ist und er nur von der elektromagnetischen Strahlung der Flamme erreicht wird, und zwar direkt, obwohl auch Versionen mit Reflektor der Wärmestrahlung ausgeführt werden können.
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Von Vorteil ist des Weiteren eine Ausführungsform der Erfindung, bei der im Austrittsbereich der Zuführung der Sekundärluftversorgung ein solcher Reflektor für die von der Flamme emittierte Strahlung so angeordnet ist, dass der Sensor nicht die direkte Wärmestrahlung aus der Flamme messen kann, sondern nur die reflektierte Wärmestrahlung, welche durch den Austrittsspalt für die Sekundärluft in die rohrförmige Zuführung eintritt und den Sensor umgelenkt erreicht, sodass der Austrittsspalt für die Sekundärluft gleichzeitig einen Eintrittsspalt für die reflektierte Strahlung aus der Flamme bildet.
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Hierdurch wird der Kontakt des Sensors mit Partikeln aus der Verbrennung sicher verhindert, sodass dessen Lebensdauer bzw. Wartungsintervalle der Feuerungsanlage weiter drastisch verlängert sind.
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Diese Funktion lässt sich bevorzugt auch dadurch erzielen, dass die Austrittsöffnung einer rohrförmigen Zuführung düsenartig verjüngt ist und der Sensor beabstandet davon, aber in einer Flucht mit der Düsenöffnung angeordnet ist.
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Die Sensoren können bevorzugt als Pyrometer oder alternativ als Spektroskope oder als bildgebende Sensoren, wie zum Beispiel aus analogen oder digitalen Kameras, ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise ist die Feuerungsanlage zusätzlich oder alternativ mit einem bildgebenden Sensor versehen, der in einem Rohr winklig zur abziehenden Flamme ausgerichtet und das Rohr von der Seite des Sensors mit Spülluft versorgt ist, um zusammen mit einer Information über einen modulierten Sekundärluftstrom über den Prozessrechner eine grafische Darstellung der Luftüberschusszahl Lambda im ein, zwei- oder dreidimensionalen Raum zur Verfügung zu stellen und so die Qualität der Verbrennung sichtbar zu machen.
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Die Feuerungsanlage ist bevorzugt mit einem den Massenstrom der zugeführten Verbrennungsluft modulierbaren Modulator ausgestattet, der die Luftzufuhr in Intervallen vergrößert und verkleinert, wobei aus der jeweils erzielten Verbrennungsgüte über den Prozessrechner eine optimale Öffnungsweite einer Zuluftklappe bestimmbar ist.
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Das mit der Feuerungsanlage durchführbare Regelungsverfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Brennkammer über die durch einen Modulator variierbare Brennstoffzufuhr eine bestimmte Brennstoffmenge pro Zeiteinheit zugeführt wird und die Intensität der Verbrennung von dem Sensor detektiert und von dem Prozessrechner ein Wert dafür bestimmt wird, woraufhin die Werte des Sensors und der Brennstoffmenge in dem Rechner verarbeitet werden, über den die Brennstoffmenge erhöht wird, wenn die Intensität der Verbrennung bei einer höheren Brennstoffzufuhr größer ist als bei einer geringeren Brennstoffzufuhr oder gesenkt, wenn die Intensität der Verbrennung bei einer niedrigeren Brennstoffzufuhr größer ist als bei einer höheren Brennstoffzufuhr, um eine maximale Intensität der Verbrennung zu erzielen und den Verbrennungsvorgang in oder um einem Betriebspunkt herum zu betreiben, in dem die Intensität der Verbrennung ein Maximum erreicht.
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Nachfolgend sind die Feuerungsanlage und das Regelungsverfahren anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine skizzierte Feuerungsanlage mit horizontalen Abzug,
- 2 eine skizzierte Feuerungsanlage mit vertikalem Abzug,
- 3 eine Feuerungsanlage mit horizontalen Abzug mit doppelter Sekundärluftversorgung und verlängertem Brennraum,
- 4 einen Regelkreis für die Einschubmenge,
- 5 einen kombinierten Regelkreis für die Einschub- und die Luftmenge,
- 6 einen Regelkreis für die Hyper-Lambdamessung,
- 7 einen Mehrfach-Lambda-Regelkreis und
- 8 eine Verfahrensschrittkette der Regelung der Feuerungsanlage gemäß den 1 oder 2.
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Wie in den Figuren dargestellt, besteht die Brennkammer 1,11,21 der Feuerungsanlage jeweils aus sie umgebenden Brennkammerwandungen 2, 12, 22, einem Feuerrost 3, 13, 23 als Glutbettauflage, einer Brennstoffzufuhr 4, 14, 24, einer Primärluftversorgung 5, 15, 25 von unterhalb des Feuerrostes 3, 13, 23, einem im Betrieb entstehenden Glutbett 6, 16, 26, einer Sekundärluftversorgung 7, 17, 27, 37 in die Flamme über dem Glutbett 6, 16, 26 hinein sowie aus Sensoren 8, 18, 28, 38; 45 zur Bestimmung der Verbrennungsgüte und einem zeichnerisch nicht dargestellten Prozessrechner.
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Der Feuerrost 3; 13; 23 könnte auch durch andere, zeichnerisch nicht dargestellte Glutbettauflagen, etwa eine Fläche aus Schamottsteinen gebildet sein, mit darüber angeordneter Primärluftversorgung durch Zuluftrohre mit seitlichen Luftaustrittsöffnungen und mit einer mechanischen Ascheaustragung.
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Wie in 1 dargestellt, ist ein Sensor 8 in einer rohrförmigen Zuführung 9 für die Sekundärluft in die Flamme außerhalb der Brennkammer 1 angeordnet, wobei die Zuführung 9 an ihrem in die Flamme gerichteten Ende mit einem Reflektor 10 versehen ist, sodass dieser die Austrittsfläche aus der Zuführung 9 so verringert, dass nur ein schmaler Austrittsspalt 30 verbleibt, der zum einen dazu dient, die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich zu vergrößern, um den Eintritt von Verbrennungsgasen in die Zuführung 9 zu verhindern und es zum anderen ermöglicht, dass elektromagnetische Strahlung I aus der Flamme durch den Spalt 30 auf den Sensor 8 reflektiert werden kann. Von der Brennkammerwandung 2 und dem Glutbett 6 emittierte Strahlung I wird durch diese Ausgestaltung nicht vom Sensor 8 aufgenommen. Die Feuerungsanlage ist zusätzlich oder alternativ mit einem bildgebenden Sensor 48 ausgestattet, der sich am Ende eines sich in die Brennkammer 1 erstreckenden Rohres 49 außerhalb der Brennkammer 1 befindet, wobei das Rohr 49 über eine Spülluftleitung 50 so mit Spülluft beaufschlagt wird, dass auch dieser optische Sensor 48 vor Verunreinigungen geschützt ist. Mittels dieses optischen Sensors 48 und eines modulierten Luftstromes der Sekundärluftversorgung 7 wird über den Prozessrechner eine grafische Darstellung des Luftüberschussfaktors Lambda in ein-, zwei- oder dreidimensionalen Raum berechenbar und auf einem Display darstellbar.
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Wie in 2 dargestellt ist, kann die Feuerungsanlage mit einem nach oben gerichteten Abzug ausgestattet sein, wobei die Primärluftversorgung 15 wieder von unten durch den Feuerrost 13 erfolgt, auf den durch eine Brennstoffzufuhr 14 Brennstoff in die Brennkammer 11 hineinbefördert wird, welcher dort ein Glutbett 16 erzeugt, über dem sich in der Brennkammer 11 eine Flamme bildet, in die durch radiale und nach oben gerichtete Luftdüsen 20 über eine Sekundärluftversorgung 17 und eine ringförmige Zufuhr 19 um die Brennkammer 11 herum Sekundärluft eingeblasen wird, um die Verbrennung zu optimieren.
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Der Sensor 18 ist hier in der ringförmigen Zuführung 19 um die Brennkammer 11 angeordnet, wobei er durch die Sekundärluftdüsen 20 auf die Flamme in der Brennkammer 11 ausgerichtet ist und so ebenfalls unmittelbar deren elektromagnetische Strahlungsintensität I detektieren kann, ohne selber von den Verbrennungsprodukten verschmutzt werden zu können. Varianten mit Reflexionsflächen sind hier nicht gezeigt, aber denkbar.
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Eine Feuerungsanlage wie sie in 3 dargestellt ist, ist mit mehreren Sekundärluftversorgungen 27;37 mit jeweils separaten Sensoren 28;38 in den rohrförmigen Zuführungen 29;39 ausgestattet, wobei diese in ihren sich in die Flamme hineinreichenden Enden düsenartig verjüngt sind, sodass auch hier durch die gesteigerte Luftgeschwindigkeit keine Verbrennungspartikel in die Zuführungen 29;39 gelangen können, die emittierte elektrische Strahlung I aus der Flamme jedoch gradlinig zu den Sensoren 28;38. Die Brennstoffzufuhr 24 erfolgt hier auf einen kettenförmigen Feuerrost 23, der das Glutbett 26 streckt und abgebranntes Material austragen kann, wodurch sich die Brennkammer 21 länger gestalten und sich auch die Sekundärluftversorgung 27;37 durch weitere zusätzliche Luftversorgungen ergänzen lässt, um die Leistung der Feuerungsanlage weiter zu steigern.
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Alternativ können anstatt eines Feuerrostes 3; 13; 23 auch Wander-, Walzen- oder Treppenroste zum Einsatz kommen.
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Das mit der Feuerungsanlage durchführbare Regelungsverfahren erfolgt derart, dass der Brennkammer 1; 11 ;21 über die durch einen Modulator 40 variierte Brennstoffzufuhr 4; 14; 24 ein bestimmter Wert einer Brennstoffmenge pro Zeiteinheit zugeführt wird, wobei dieser Wert um einen Mittelwert schwankt, der von einem Integral-Regler 41 ausgegeben wird, woraufhin die Intensität der Verbrennung von dem Sensor 8;18;28;38;45 detektiert und von dem Prozessrechner ein Wert dafür bestimmt wird und die Werte des Sensors 8;18;28;38;45 und des Modulators 40 in einem Kovarianzglied 42 verarbeitet werden, dessen Ergebnis dem Integral-Regler 41 zugeführt wird, der den Mittelwert der Brennstoffmenge erhöht, wenn der Wert der Intensität der Verbrennung 44 bei höherer Brennstoffzufuhr 43 größer ist als bei einer geringeren Brennstoffzufuhr 43 oder senkt, wenn der Wert der Intensität der Verbrennung 44 bei niedrigerer Brennstoffzufuhr 43 größer ist als bei einer höheren Brennstoffzufuhr 43. Der Regelkreis hierzu ist in der 4 dargestellt.
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Der Verfahrensablauf, der in 8 nochmals als Schrittkette dargestellt ist, verläuft so, dass der Brennkammer 1; 11; 21 in einem 1. Verfahrensschritt eine Menge Brennstoff zugeführt wird, die um einen Wert X oberhalb des Mittelwerts der durchschnittlichen Zufuhr liegt 5, in einem 2. Verfahrensschritt 56 die Intensität der Verbrennung über einem Intervall gemessen wird, in einem 3. Verfahrensschritt 57 des aktuellen Intervalls die Intensität mit der des vorherigen Intervalls verglichen wird, wobei in einem 4. Verfahrensschritt 58,59, wenn die Intensität im aktuellen Intervall kleiner ist als die Intensität im vorherigen Intervall, der Mittelwert der Brennstoffzufuhr um einen Wert Y verringert wird oder wenn die Intensität des aktuellen Intervalls größer ist als die Intensität im vorherigen Intervall, der Mittelwert der Brennstoffzufuhr um den Wert Y gesteigert wird. In einem 5. Verfahrensschritt 60 wird eine Menge Brennstoff zugeführt, die um einen Wert X unterhalb des Mittelwerts der durchschnittlichen Zufuhr liegt und die Intensität der Verbrennung in einem 6. Verfahrensschritt 61 gemessen wird. Anschließend wird in einem 7. Verfahrensschritt 62 die Intensität des aktuellen Intervalls mit der Intensität des vorherigen Intervalls verglichen, woraufhin in einem achten Schritt 63;64 dann, wenn die Intensität im aktuellen Intervall größer ist als die Intensität im vorherigem Intervall der Mittelwert der Brennstoffzufuhr um einen Wert Y verringert wird oder, wenn die Intensität des aktuellen Intervalls kleiner ist als die Intensität im vorherigem Intervall, der Mittelwert der Brennstoffzufuhr um den Wert Y gesteigert wird.
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Im Anschluss wiederholen sich die Verfahrensschritte 1 bis 8, sodass sich das gesamte Regelungsverfahren mit nur wenigen Sensoren und ohne Abhängigkeit von der Art und Ausführungsform einer Feuerungsanlage, der Brennkammerform oder Temperatur der Brennkammerwandungen durchführen lässt und auch auf sonstige Kontrollverfahren mittels Kesseltemperatur-sensoren, Abgastemperatursensoren, Brennkammertemperatursensoren, eine Luftmassenmessung oder eine Restsauerstoffmessung verzichtet werden kann, ebenso wie auf eine Brennstoffmassenmessung.
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Wie in
5 dargestellt ist, lässt sich das Regelungsverfahren durch die Hinzunahme eines Lambdaoptimierungskreises, wie er auch in der
DE 10 2012 023 450 A1 beschrieben ist, weiter optimieren. Bei dem ergänzten Lambdaoptimierungskreis wird neben dem Wert der Intensität der Verbrennung, wie er in
4 dargestellt ist, auch die über einen Sinusmodulator
46 aktuell zugeführte sekundäre Luftmenge
47 von einem Luftmengenmesser detektiert und vom Prozessrechner ein Wert dafür bestimmt, woraufhin der ermittelte Wert in einem Kovarianzglied
42 verarbeitet wird und bei positiver Kovarianz der Wert der zugeführten Luftmenge gesteigert oder bei negativer Kovarianz der Wert reduziert wird.
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Möglich ist des Weiteren die vorteilhafte Verwirklichung einer Hyper-LambdaMessung, wie sie in 6 dargestellt ist. Ein Sinusmodulator 46 führt einer Luftzufuhr 47 ein moduliertes Signal zu. Der modulierte Luftstrom wird der Verbrennung 44 zugeführt. Die Flamme wird mit einer Kamera 51 erfasst. Das Kovarianzglied 42 bestimmt die Kovarianz zwischen dem Sinussignal des Sinusmodulators 46 und jedem Bildpunkt. Die Kovarianz, die mit Hilfe des Kovarianzgliedes 42 jedem Bildpunkt zugeordnet wurde, wird mit Hilfe eines mathematischen Modells 52 in Lambdafaktoren 52 umgerechnet. Das mathematische Modell wird mit Brennstoffparametern und dem mittleren Lambdafaktor 52 parametriert. Der Lambdafaktor 52 wird mit Hilfe einer Breitbandlambdasonde 54 im Abgasstrom gemessen. Das Ergebnis der Berechnung kann sowohl graphisch auf einem Bildschirm 53 visualisiert oder auch elektronisch weiterverarbeitet werden.
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Weiterhin lässt sich bevorzugterweise ein Mehrfach-Lambda-Regelkreis verwirklichen, wobei ein solcher in 7 für zwei Lambdaregelkreise dargestellt ist.
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Der Modulator 46 führt beiden Kovarianzgliedern 42 und beiden Sekundärluftzuführungen 27;37 ein Sinussignal zu. In anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Fällen, können hier auch mehrere Modulatoren 46 eingesetzt werden.
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Die Integral-Regler 41 wirken auf die beiden Sekundärluftzufuhren 27;37. Diese wirken sich ihrerseits auf die Verbrennung 44 in der Brennkammer 1;11;21 aus. Die Sensoren 28;38 nehmen die Strahlungsintensität I aus der Flamme auf und wandeln sie in ein elektronisches Signal um. Die Kovarianzglieder 42 erfassen die Signale der Sensoren 28;38 und von dem gemeinsamen Modulator 46. Führt dabei eine Steigerung der Luftzufuhr zu einer Verstärkung des Signals, steigert der Integral-Regler 41 die Luftzufuhr in die Flamme. Führt eine Verringerung der Luftzufuhr zu einer Verstärkung des Signals, senkt der Integral-Regler 41 die Luftzufuhr in die Flamme. Führt eine Steigerung der Luftzufuhr dagegen zu einer Abschwächung des Signals, verringert der Integral-Regler 41 die Luftzufuhr in die Flamme. Führt jedoch eine Verringerung der Luftzufuhr zu einer Verstärkung des Signals, verringert der Integral-Regler 41 die Luftzufuhr in die Flamme
