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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Ablagerungen in Räumen mit partikelbeladener Rauchgasströmung, insbesondere in Dampferzeugern bzw. Kraftwerkskesseln, ganz insbesondere in Strahlungszügen. Die Erfindung bezieht sich allgemein auf alle Räume bzw. Anlagenteile von Anlagen, in denen chemisch gebundene Energie durch Verbrennung in Wärme umgewandelt wird, wobei in den Räumen bzw. Anlagenteilen eine partikelbeladene Rauchgasströmung herrscht und unerwünschte Ablagerungen auftreten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die von unerwünschten Ablagerungen an den Wandungen betroffenen Teile von Dampferzeugern bzw. Kraftwerkskesseln, wobei ein typischer Kraftwerkskessel zumindest einen Feuerraum, mehrere Strahlungszüge und einen konvektiven Zug mit mehreren Wärmeübertragern (z. B. Verdampfer, Überhitzer, Economiser) aufweist.
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Bei der Verbrennung von festen Brennstoffen kommt es durch darin enthaltene Minerale und verschmutzungsbildende Elemente zur Bildung unerwünschter Ablagerungen an den Wänden und damit zur Verschmutzung der Wände von Dampferzeugern bzw. Kraftwerkskesseln. Diese Verschmutzungen oder Ablagerungen, die auch als Beläge, Depositionen oder Verschlackungen bezeichnet werden, stellen einen zusätzlichen, unerwünschten Wärmetransportwiderstand beim Wärmedurchgang vom Rauchgas an das Arbeitsmedium Wasser des Wasser-Dampf-Kreislaufs eines Kraftwerks dar. Mit zunehmender Verschmutzung eines Kessels wird dessen Wärmeaustrag gehemmt, und die Abgasverluste erhöhen sich. Folglich werden der Kesselwirkungsgrad und letztlich der Gesamtwirkungsgrad der Anlage negativ beeinflusst. Durch den verschlechterten Wärmeaustrag wird das Wärmeprofil im Kessel in Richtung Kesselaustritt verschoben, wodurch erhöhte Temperaturen an den Kesselheizflächen vorliegen, was zu schnellerer Korrosion und Abrasion führt. Des Weteren stellen herabfallende Ablagerungen ein Risiko für den sicheren Anlagenbetrieb dar. Die durch Verschmutzungen im Kessel hervorgerufenen Schäden können zu außerplanmäßigen Stillständen und verkürzten Reisezeiten und damit letztlich zu einer geringeren Wirtschaftlichkeit der Anlage führen.
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Um die Wirtschaftlichkeit der Anlage zu verbessern, werden unerwünschte Ablagerungen zumeist durch ein Online-Reinigungssystem zeit- oder ereignisgesteuert entfernt. Die Reinigungen bedeuten jeweils einen erheblichen Eingriff in die Fahrweise der Anlage und müssen gezielt durchgeführt werden, um thermodynamische Verluste und instabile Anlagenzustände sowie eine Schädigung der Heizflächen, bspw. durch Thermoschock oder Abrasion, durch falsch eingestellte Reinigungsparameter, wie Druck und Verweilzeit, zu vermeiden. In Abhängigkeit vom verwendeten Reinigungsmedium, z. B. Wasser oder Wasserdampf, können des Weiteren während der Reinigung erhebliche Leistungsverluste durch das Verdampfen von Wasser oder die Anzapfung von Dampf entstehen.
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Zur Beurteilung der Notwendigkeit und des Erfolgs einer Reinigung in den Strahlungszügen eines Kraftwerks werden verschiedene Messverfahren herangezogen.
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Insbesondere in kleinen, dezentralen Anlagen, wie in Müll- oder Biomasseheizkraftwerken, wird zur Vermeidung hoher Investitionskosten der Verschmutzungszustand der Strahlungszüge nur anhand der Gastemperatur bestimmt, die kurz vor den Konvektionsheizflächen vorliegt. Diese Temperatur gilt als Indiz für die momentane Wärmeauskopplung in den Strahlungszügen. Diese Herangehensweise kann keine Information über die lokale Verschmutzungssituation liefern, so dass eine gezielte Reinigung nicht stattfinden kann.
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In der
DE 10 2005 041004 A1 ist der Einsatz einer Infrarotkamera mit Schutzgehäuse beschrieben, die in den Kessel eingebracht und dort um die eigene Achse gedreht wird. Nachteile dieses Verfahrens liegen darin, dass die Pixelwerte der Bilder lediglich die aufintegrierte emittierte Strahlung im Empfindlichkeitsbereich der Kamera widerspiegeln, wobei die optischen Eigenschaften, also Emissions- und Transmissionskoeffizienten der Ablagerung und des Rauchgases, unbekannt sind. Das Verfahren liefert damit nur eine rein qualitative Betrachtung, und die große Anzahl an Unbekannten kann zu Fehlinterpretationen der Bildinformation führen. In der
US 5110365 A ist ebenfalls ein Verfahren unter Nutzung einer Abbildung der Ablagerungen beschrieben, bei der das Verhältnis der gemessenen Intensitäten an verschmutzten und gereinigten Stellen zur qualitativen Beurteilung der Verschmutzungssituation genutzt wird.
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Die
DE 10 2005 040277 A1 beschreibt die Nutzung eines Wärmestromsensors mit zwei Thermoelementpaaren als Kontaktstellen, die an der Außenseite einer Kesselwand angebracht sind. Die Signaldifferenz der Thermoelementpaare wird als Indiz für die lokale Wärmeauskopplung an der Messstelle verwendet, indem ein Abklingen des Signals auf einen durch Ablagerungen erhöhten Wärmedurchgang hinweist. Nachteilig ist hier, dass das Signal nicht nur vom Wärmetransportwiderstand der Ablagerungen abhängig ist, sondern beispielsweise auch von der Lastfahrweise des Kessels und anderen Parametern. Zur Auswertung des beschriebenen Messverfahrens ist daher eine umfangreiche Modellierung notwendig, die die Ermittlung der Rauchgaszusammensetzung und der Rauchgastemperatur einbezieht. Auch eine Erweiterung des genannten Konzepts durch eine flächenhafte Überwachung der Wärmeauskopplung mittels eines Wärmestromsensor-Netzes ist aufgrund verschiedener Faktoren, wie ungleichmäßigen Temperaturprofilen im Kessel, dem globalen Wärmestrahlungsaustausch mit den umgebenden Wänden sowie dem Gasvolumen, und durch die unbekannte Partikelbeladung des Rauchgases fehlerbehaftet
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Das in der
EP 2 784 477 A1 vorgeschlagene Verfahren sieht vor, eine Rohrsonde in den Kessel einzuführen und die Masse der sich auf der Sonde bildenden Ablagerungen über eine kontinuierliche gravimetrische Erfassung der Sondenmasse zu extrahieren. Ein ähnliches Verfahren beschreibt die
DE 196 05 287 A1 ; hier soll neben einer Kamera zur visuellen Erfassung des Verschmutzungszustands im Kessel eine Ablagerungssonde mit Dehnungsmessstreifen verwendet werden, um die Masse der sich bildenden Ablagerungen zu bestimmen. Beide Schriften sehen eine Positionierung der Sonde senkrecht zur Rauchgasströmungsrichtung vor, weshalb davon auszugehen ist, dass Ablagerungen an der Sonde schneller wachsen als an der Kesselwand. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die an der Sonde herrschende, lokale Strömungs- und Ablagerungsbildungssituation aufgrund der typischerweise in Feuerungsanlagen auftretenden, heißen Gassträhnen nicht ohne Weiteres auf andere Bereiche des Kessels übertragbar ist. Die beschriebenen Verfahren können demnach den wirklichen Verschmutzungszustand des Kessels nicht wiedergeben.
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Ein optisches Verfahren zur Erfassung des Ablagerungswachstums an einer Messstelle ist in der
WO 2014/072780 A1 beschrieben. Außerhalb des Kessels befinden sich eine Lichtquelle und ein Detektor. Eine Rohrsonde wird in den Kessel eingebracht, und mittels optischer Elemente in der Sonde ein Lichtfleck an der Kesselwand projiziert, wobei sich der Lichtfleck in unmittelbarer Nähe der Sonde befindet. Während des Ablagerungswachstums wandert die Reflexion des Lichtflecks auf dem ortsempfindlichen Detektor, was genutzt werden kann, um die Ablagerungsschichtdicke zu berechnen. Nachteilig ist, dass bei diesem Verfahren nur eine Messstelle betrachtet wird, und dass es aus fluiddynamischen Überlegungen heraus nicht auszuschließen ist, dass die eingebrachte Sonde eine Störung des Strömungsprofils und damit auch des Ablagerungsverhaltens verursacht.
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In der
WO 2015/133005 A1 ist ein Verfahren zur Vermessung des Oberflächenprofils von Schüttgut in einem Hochofenschacht mittels eines optischen Distanzsensors offenbart. Es können verschiedene Messpunkte angefahren werden, indem der Spiegel, mittels dessen die Messstrahlung auf das Schüttgut gelenkt wird, und die zugehörige Antenne rotiert werden. Für eine auch qualitative Charakterisierung von Ablagerungen an einer Wandung mit hoher Messgenauigkeit ist das beschriebene Verfahren ungeeignet.
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Die
WO 2014/087045 A1 lehrt lediglich eine Schichtdickenmessung einer Ablagerungsschicht an mehreren Punkten, ohne dabei auch eine zweite ablagerungscharakteristische physikalische Größe berührungslos zu messen.
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Die
DE 29 48 295 A1 stellt eine kombinierte abtastende berührungslose Oberflächenprofil- und pyrometrische Temperaturmessung vor, jedoch keine Schichtdickenbestimmung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die vorbeschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Charakterisierung von Ablagerungen in Räumen mit partikelbeladener Rauchgasströmung sowie eine zugehörige Vorrichtung vorzuschlagen, mit Hilfe derer quantitative und qualitative Aussagen über die Ablagerungen und ihre flächige Verteilung, insbesondere über die Ablagerungsschichtdicke auf einer bestimmten Fläche, an den Innenwänden eines Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung, z. B. eines Kraftwerkkessels, getroffen werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weiterbildungen der Erfindung sind in rückbezogenen Ansprüchen wiedergegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung von Ablagerungen in einem Raum mit partikelbeladener Rauchgasströmung, insbesondere einem Kraftwerkskessel oder Dampferzeuger, ganz insbesondere der Strahlungszüge, umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
- a. Gasdichte Anordnung mindestens einer Vorrichtung zur Charakterisierung von Ablagerungen an einer Wandung des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung;
- b. Berührungslose Messung mindestens zweier ablagerungscharakteristischer physikalischer Größen an einem diskreten Punkt auf einer Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung mittels der mindestens einen Vorrichtung, wobei mittels einer der mindestens zwei berührungslos zu messenden, ablagerungscharakteristischen physikalischen Größen die Schichtdicke der Ablagerungen bestimmt wird;
- c. Wiederholung von Schritt b. an weiteren Punkten auf der Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung, so dass eine definierte Fläche auf der Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung rasterförmig vermessen wird.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es in besonders vorteilhafter Weise, die Ablagerungen auf einer Oberfläche innerhalb eines Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung, beispielsweise auf der Innenwandung des Raums oder auf Heizflächen oder auf Wärmeübertragern, über die Schichtdicke sowie mindestens über eine weitere physikalische Größe flächenhaft zu charakterisieren.
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Die Schichtdicke stellt einen für die Charakterisierung der Ablagerungen entscheidenden Parameter dar, durch dessen Kenntnis die Verschmutzungssituation quantitativ beurteilt werden kann. Die Schichtdicke der Ablagerungen ergibt sich aus einem Vergleich der gemäß Schritt b. an einer ablagerungsbehafteten Oberfläche berührungslos gemessenen und der gemäß Schritt b. in einem Referenzzustand dieser Oberfläche berührungslos gemessenen physikalischen Größe, wobei der Referenzzustand den Zustand der Oberfläche nach einer Entfernung der Ablagerungen, insbesondere den ablagerungsfreien Zustand, darstellt. Zur Ermittlung der Schichtdicke wird die messtechnisch abgerasterte Fläche durch diskrete Messpunkte in einem (x,y,z)-Koordinatensystem beschrieben, und jeder Messpunkt wird mit dem korrespondierenden, durch (x,y,z)-Koordinaten beschriebenen Messpunkt im Referenzzustand verglichen.
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Dadurch, dass mindestens zwei verschiedene physikalische Größen zur Charakterisierung der Ablagerungen herangezogen werden, weist das erfindungsgemäße Messverfahren eine hohe Empfindlichkeit und Aussagekraft auf. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können Ablagerungen flächenhaft mit einer hohen lokalen Auflösung detektiert werden, und es können quantitative Aussagen mindestens zur örtlich vorliegenden Ablagerungsschichtdicke und -topologie getroffen werden.
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Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, um eine der Vorrichtung zur Charakterisierung von Ablagerungen gegenüber liegende Fläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung, insbesondere der Innenwandung des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung, rasterförmig zu vermessen. Besonders vorteilhaft kann die Vorrichtung dann so ausgebildet sein, dass keine Bestandteile in den Raum mit partikelbeladener Rauchgasströmung hineinragen, so dass durch das Verfahren keine Störungen der Strömungsverhältnisse und damit keine das Messergebnis verfälschende Eingriffe in das Ablagerungswachstum hervorgerufen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist allerdings ebenso zur Charakterisierung der Ablagerungen auf der Vorrichtung nicht gegenüber liegenden Oberflächen, beispielsweise benachbarten Oberflächen, geeignet. Des Weiteren können, insbesondere bei schwer zugänglichen Bereichen des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung, auch mehrere Vorrichtungen zur messtechnischen Abrasterung einer definierten Fläche verwendet werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die mindestens zwei ablagerungscharakteristischen Größen berührungslos mittels optischer Verfahren gemessen werden. Optische Verfahren umfassen dabei alle Verfahren, bei denen physikalische Größen mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung gemessen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schichtdicke der Ablagerungen mittels Laserentfernungsmessung, auch bezeichnet als optische Entfernungs- oder Abstandsmessung, Laserdistanz- oder Laserabstandsmessung, bestimmt. Bei der Laserentfernungsmessung handelt es sich um eine Form der elektronischen Entfernungsmessung, die mittels Laufzeitmessung, Phasenlagemessung oder Triangulation von Laserlicht durchgeführt wird. Besonders bevorzugt wird das Phasenvergleichsverfahren eingesetzt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die mindestens eine weitere ablagerungscharakteristische physikalische Größen, die, neben der Schichtdicke, berührungslos gemessen wird, die Oberflächentemperatur darstellt. Dabei rufen Ablagerungen im Allgemeinen aufgrund der durch sie induzierten Erhöhung des Wärmetransportwiderstands erhöhte Temperaturen an der ablagerungsbehafteten Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung hervor und sind daher als „Hot Spots“ identifizierbar.
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Vorteilhaft unterstützt die Erfassung des Temperaturfelds an einer Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung über die Lokalisierung von „Hot Spots“ die Detektion von Ablagerungen. Durch die Betrachtung des Wertepaars Temperatur und Schichtdicke im gleichen Messpunkt kann die Verschmutzungssituation mit größerer Sicherheit beurteilt werden.
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Erfindungsgemäß können alle aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur in einem diskreten Messpunkt eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberflächentemperatur mittels Quotienten-Pyrometrie bestimmt. Das Messverfahren der Quotienten-Pyrometrie weist den Vorteil auf, dass der Emissionsgrad der zu untersuchenden Oberfläche nicht bekannt sein muss.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine, auch mehrfache, zeitlich kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen durchzuführende Wiederholung des Verfahrensschrittes c. vorgesehen. Die gemäß Verfahrensschritt c. vorgesehene Abrasterung einer definierten Fläche auf einer Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung wird demnach kontinuierlich durchgeführt oder nach bestimmten Zeitabständen wiederholt. Vorteilhaft ermöglicht diese Ausgestaltung die messtechnische Erfassung der Ablagerungshistorie und der zeitlichen Entwicklung der Ablagerungstopologie.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser Ausgestaltung wird die zeitliche Entwicklung der ermittelten Messdaten der beiden ablagerungscharakteristischen Größen Schichtdicke und Oberflächentemperatur dazu genutzt, eine Beurteilung und Kategorisierung der Schichtung der Ablagerungen im Sinne eines Schichtenmodells zu erstellen. Die Kategorisierung der sich ablagernden Schichten im Schichtenmodell kann mittels der Erfassung der Oberflächentemperatur und Schichtdicke bezüglich ihrer Wirkung als Wärmetransportwiderstand, ihrer Strahlungseigenschaften und/oder ihrer Porosität erfolgen Über die Schichtdickenmessung können die Dicken der kategorisierten Schichten bestimmt werden. Anhand der genannten Parameter können Rückschlüsse über die chemischmineralogische Zusammensetzung der einzelnen Schichten gezogen werden. Damit ist eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Ablagerungen unter Berücksichtigung sich ändernder Brennstoffeigenschaften und der Betriebsparameter der Anlage, an der das Verfahren angewendet wird, möglich.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Charakterisierung von Ablagerungen in einem Raum mit partikelbeladener Rauchgasströmung weist auf:
- - mindestens zwei Messinstrumente, die zur berührungslosen Messung mindestens zweier ablagerungscharakteristischer physikalischer Größen ausgebildet sind, wobei eine der berührungslos zu messenden, ablagerungscharakteristischen physikalischen Größen die Schichtdicke der Ablagerungen darstellt;
- - Elemente, die zur Definition einer Vielzahl von diskreten Messpunkten auf einer Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung ausgebildet sind, wobei mindestens eines der Elemente Antriebsmittel aufweist, mittels derer die Ausrichtung und / oder Anordnung des mindestens einen Elements verändert werden kann;
- - ein Gehäuse;
- - eine Steuer- und Auswerteeinrichtung;
wobei die mindestens zwei ablagerungscharakteristischen physikalischen Größen im gleichen diskreten Punkt gemessen werden, und durch Änderung der Ausrichtung und / oder Anordnung mindestens eines der Elemente, die zur Definition einer Vielzahl von diskreten Messpunkten auf einer Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung ausgebildet sind, eine definierte Fläche auf der Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung rasterförmig vermessen wird.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die mindestens zwei Messinstrumente, die zur berührungslosen Messung mindestens zweier ablagerungscharakteristischer physikalischer Größen ausgebildet sind, optische Messinstrumente sind.
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Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein Messinstrument zur berührungslosen Messung der Oberflächentemperatur auf.
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Des Weiteren bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eines der Messinstrumente Laserentfernungsmesser oder Quotienten-Pyrometer auf.
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Bei den Elementen, die zur Definition einer Vielzahl von diskreten Messpunkten auf einer Oberfläche innerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung ausgebildet sind, handelt es sich in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung um optische Elemente, wobei mindestens eines der optischen Elemente ein Interferenzfilter ist. Interferenzfilter sind optische Elemente, die frequenzabhängige Werte für die Reflektivität bzw. Transmissivität elektromagnetsicher Strahlung aufweisen. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Messinstrumente der Vorrichtung kann der Interferenzfilter als Kurzpass-, Langpass- oder Bandpassfilter ausgeführt sein.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet die Anordnung von Beschleunigungssensoren zumindest an dem Messinstrument, dass zur berührungslosen Messung der Schichtdicke ausgebildet ist, und im Bereich der rasterförmig zu vermessenden Fläche innerhalb oder außerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung. Mittels der Beschleunigungssensoren werden Schwingungen des Messinstruments und der rasterförmig zu vermessenden Fläche erfasst, so dass die durch diese Schwingungen möglicherweise verfälschten Messwerte zur Ermittlung der Schichtdicke korrigiert werden können. Voraussetzung dafür ist eine zeitsynchrone Erfassung der Messdaten mittels eines Datenloggers. Bei dem mindestens einen Beschleunigungssensor, der im Bereich der rasterförmig zu vermessenden Fläche angeordnet ist, und zwar besonders bevorzugt außerhalb des Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung, handelt es sich besonders bevorzugt um einen für Hochtemperaturanwendungen geeigneten Beschleunigungssensor, bei dem die Auswerteelektronik und das Sensorelement getrennt voneinander vorliegen. Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Ablagerungen an einer großen Fläche auf einer Oberfläche innerhalb eines Raums mit partikelbeladener Rauchgasströmung charakterisiert werden sollen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Ablagerungen genau charakterisiert und eine Reinigung der betroffenen Räume gezielt durchgeführt werden. Vorteilhaft wird dadurch die Reisezeit der Anlage verlängert, die Betriebssicherheit erhöht, der fahrbare Leistungsbereich über die gesamte Reisezeit erhalten sowie der Wirkungsgrad des Kessels und die Effizienz der Reinigung verbessert. Dabei sind die Investitionskosten der Vorrichtung vergleichsweise gering.
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Durch eine weitere Auswertung der mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Messdaten ist auch eine Ermittlung der chemischen oder mineralischen Zusammensetzung der Ablagerungen, beispielsweise anhand der Temperatur, Struktur oder Strahlungseigenschaften, möglich. Des Weiteren lassen sich Zusammenhänge zwischen Anlagenbetrieb und/oder eingesetztem Brennstoff und der Ablagerungsentwicklung herstellen, so dass ungeeignete Betriebseinstellungen bzw. Brennstoffe oder Brennstoffbestandteile identifiziert werden können.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ohne auf diese beschränkt zu sein.
- 1 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Raum, in dem eine partikelbeladene Rauchgasströmung herrscht.
- 2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Teil eines Kraftwerkkessels. Dargestellt ist die Positionierung eines erfindungsgemäßen Messgeräts 1 an der Wandung 2 des Kraftwerkkessels, in dem eine Rauchgasströmung in Pfeilrichtung vorliegt. Das Messgerät 1 ist gasdicht an einer Öffnung der Kesselwandung 2 befestigt. Die Wandung 2 ist an ihrer dem Kesselinneren zugewandten Oberfläche 200 mit Ablagerungen 3 belegt. Im Gehäuse 100 des Messgeräts 1 sind zwei optische Messinstrumente (nicht sichtbar), z. B. ein Laserentfernungsmesser und ein Quotienten-Pyrometer, sowie optische Elemente (nicht sichtbar) positioniert. Zumindest eines der beiden Messinstrumente, bevorzugt das Laserentfernungsmesser, sendet Strahlung 4 aus, die von einem Messpunkt 5, der sich auf einem dem Messgerät 1 gegenüber liegenden, mit Ablagerungen 3 belegten Bereich der inneren Oberfläche 200 der Kesselwandung 2 befindet, reflektiert wird. Beide optischen Messinstrumente, also das Laserentfernungsmesser und das Quotienten-Pyrometer, detektieren die von dem gemeinsamen Messpunkt 5 reflektierte bzw. emittierte Strahlung 4. Die optischen Elemente dienen dazu, gezielt einen Messpunkt 5 zu definieren und die von der inneren Oberfläche 200 der Kesselwandung 2 reflektierte bzw. emittierte Strahlung 4 auf die beiden Messinstrumente wellenlängenbereichsselektiv aufzuteilen. Die optischen Elemente verfügen zumindest teilweise über einen Antrieb, mittels dessen ihre Position bzw. Ausrichtung in definierter Weise so verstellt werden kann, dass weitere Messpunkte, z. B. 5', 5", mit den zugehörigen optischen Strahlungsgängen 4', 4", auf einem Messfeld 500 angefahren werden können und das Messfeld 500 rasterförmig vermessen wird. Das Messfeld 500 ist beispielweise kreisförmig und unter anderem begrenzt durch die auf diese Weise maximal erreichbare Verstellung / Verkippung der optischen Elemente. Auf der Außenfläche der Wandung 2 sind Beschleunigungssensoren 17 angebracht, mittels derer Kesselwandschwingungen erfasst werden.
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2 zeigt schematisch den Aufbau eines Messgeräts 1, das in einer Öffnung der Kesselwandung 2 positioniert ist. Im aus der Kesselwandung 2 herausragenden Teil des Gehäuses 100 des Messgeräts 1 sind ein Laserentfernungsmesser 6 und ein Quotienten-Pyrometer 7 angeordnet. Am Laserentfernungsmesser 6 ist ein Beschleunigungssensor 17 zur Erfassung von Schwingungen angebracht. Der Laserentfernungsmesser 6 arbeitet bevorzugt nach dem Phasenvergleichsverfahren. Der Laserentfernungsmesser 6 sendet Laserlicht, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 635 nm, aus und detektiert die von einem Messpunkt auf dem dem Messgerät 1 gegenüber liegenden Bereich der inneren Kesselwandungsoberfläche (nicht dargestellt) reflektierte Strahlung. 2 zeigt den zugehörigen optischen Strahlengang 4. Das Quotienten-Pyrometer 7 detektiert von dem gleichen Messpunkt emittierte Wärmestrahlung 400, beispielsweise im Wellenlängenbereich zwischen 1,45 und 1,8 µm oder im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,1 µm. Im aus der Kesselwandung 2 herausragenden Teil des Gehäuses 100 befindet sich des Weiteren ein dielektrischer Spiegel 8, der einen optischen Filter, besonders bevorzugt einen Interferenzfilter, darstellt, mittels dessen das zu detektierende Licht 4 in Spektralbereiche aufgespalten wird. Der dielektrische Spiegel 8 ist bevorzugt als Langpassfilter ausgeführt, mit einer hohen Transmissivität für große Wellenlängen, also den Wellenlängenbereich, den die Wärmestrahlung 400 aufweist, und einer hohen Reflektivität für kleine Wellenlängen, also den Wellenlängenbereich, in dem die vom Laserentfernungsmesser gesendete und detektierte Strahlung liegt. Dies erlaubt die dargestellte, versetzte Anordnung von Laserentfernungsmesser 6 und Quotienten-Pyrometer 7. Folgende zwei Betriebsparametersätze haben sich als besonders bevorzugt erwiesen, wobei die Wahl des Betriebsparametersatzes im Wesentlichen von den spektralen Arbeitsbereichen des Laserentfernungsmessers 6 und des Quotienten-Pyrometers 7 abhängig ist:
- Fall 1:
- - Wellenlänge der vom Laserentfernungsmesser 6 gesendeten und detektierten Strahlung 4: 635 nm
- - Wellenlängenbereich der vom Quotienten-Pyrometer 7 detektierten Wärmestrahlung 400: 1,45 µm bis 1,8 µm
- - Dielektrischer Spiegel 8: Grenzwellenlänge 1,2 µm; Transmissivität > 90% im Wellenlängenbereich zwischen 1,4 µm und 1,9 µm; Reflektivität > 90% im Wellenlängenbereich zwischen 500 nm und 800 nm
- Fall 2:
- - Wellenlänge der vom Laserentfernungsmesser 6 gesendeten und detektierten Strahlung 4: 635 nm
- - Wellenlängenbereich der vom Quotienten-Pyrometer 7 detektierten Wärmestrahlung 400: 0,8 µm bis 1,1 µm
- - Dielektrischer Spiegel 8: Grenzwellenlänge 725 nm; Transmissivität > 90% im Wellenlängenbereich zwischen 0,75 µm und 1,6 µm; Reflektivität > 90% im Wellenlängenbereich zwischen 500 nm und 700 nm
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Der dielektrische Spiegel 8 ist so angeordnet, dass die vom Laserentfernungsmesser 6 gesendete, kurzwellige Strahlung zunächst zum Messpunkt (nicht dargestellt) reflektiert, und dann die vom Messpunkt reflektierte Strahlung auf den Detektor des Laserentfernungsmessers 6 reflektiert wird. Der optische Strahlengang ist mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnet. Ebenso wird die von demselben Messpunkt aus emittierte, langwellige Wärmestrahlung 400 von dem dielektrischen Spiegel 8 transmittiert und kann durch das in Strahlungsausbreitungsrichtung hinter dem dielektrischen Spiegel 8 angeordnete Quotienten-Pyrometer detektiert werden.
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Des Weiteren befinden sich im in der Kesselwandung 2 angeordneten Teil des Gehäuses 100 zwei, beispielsweise silber- oder goldbeschichtete, Oberflächenspiegel 9, 10, bevorzugt mit einer Reflektivität > 98% im Wellenlängenbereich zwischen 0,5 µm bis 10 µm, die dazu dienen, den Messpunkt auf dem dem Messgerät 1 gegenüber liegenden Bereich der inneren Kesselwandungsoberfläche (nicht dargestellt) gezielt einzustellen. Hierzu ist einer der Spiegel 9, 10, bevorzugt der Spiegel 10, in einem verstellbaren, z. B. durch einen Stellantrieb (nicht dargestellt) motorisierten, Halter (nicht dargestellt) befestigt und bezüglich zweier Achsen kippbar. Durch ein definiertes Verkippen bzw. Verstellen der Position des Spiegels 10 können weitere Messpunkte auf dem dem Messgerät 1 gegenüber liegenden Bereich der inneren Kesselwandungsoberfläche angefahren und der Bereich rasterförmig vermessen werden. Die Gesamtheit der anfahrbaren Messpunkte beschreibt ein Messfeld (nicht dargestellt).
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Zum Schutz der Messinstrumente 6, 7 und der optischen Elemente 8, 9, 10 wird das Gehäuse 100 durch ein Schutzglas 11 sowie einen motorisierten oder mechanischen Verschluss 12, der nur während der Durchführung von Messungen geöffnet wird, geschützt. Zur Verhinderung von Verschmutzungen an Schutzglas 11 und Verschluss 12 wird über einen Druckluftanschluss 13 und Düsen 14 Sperrluft in ein separates Schutzgehäuse 110 eingebracht. Das Schutzgehäuse 110 fixiert als Träger das Messgerät 1 und schützt vor thermischer Beeinträchtigung, Wasser, Staub, Berührung und anderen potentiell schädlichen Einflüssen. Des Weiteren ergibt sich durch Führung der Sperrluft innerhalb der Wandungen des Schutzgehäuses 110 ein Kühlschirm für die Messinstrumente.
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Die Ausrichtung des motorisierten Halters des Spiegels 10 und die Auswertung der Messdaten wird mittels einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 mit Schnittstelle 16 zum Messgerät 1 durchgeführt. Nach jeder flächigen Vermessung des Messfelds ermittelt die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 die Ablagerungstopologie und das zugehörige Oberflächentemperaturfeld und hinterlegt diese als zweidimensionale Topologie- bzw. Temperaturbilder. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 und die Schnittstelle 16 sowie de Messinstrumente 6, 7 und der dielektrische Spiegel 8 befinden sich außerhalb des Kessels und sind damit weniger rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt.
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Durch kontinuierliches, rasterförmiges Vermessen des Messfelds können, ausgehend vom gereinigten Zustand der Kesselinnenwandung, lokale Schichtdicken- und Temperaturänderungen ermittelt werden. Die Messung im gereinigten, unverschmutzten Zustand stellt dabei den Referenzzustand dar. Befinden sich Ablagerungen an der Kesselinnenwandung, zeigen die Messungen geringere Entfernungswerte und höhere Temperaturen. Werden höhere Entfernungswerte als im Referenzzustand ermittelt, kann auf Abrasion der Kesselinnenwandung geschlossen werden. Durch eine gemeinsame Betrachtung von lokalen Schichtdicken- und Temperaturwerten kann die Verschmutzung bzw. die Korrosion / Abrasion im Messfeld charakterisiert und eine Reinigung der Kesselinnenwand gezielt durchgeführt werden.
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Bei bisher durchgeführten Versuchsreihen wurde ein Messfeld einer Größe von etwa 1,3 m2 abgerastert, ohne dass eine Verfälschung der Messergebnisse durch Kesselwandschwingungen festgestellt wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 100
- Gehäuse
- 110
- Schutzgehäuse
- 2
- Kesselwandung
- 200
- Innere Oberfläche der Kesselwandung
- 3
- Ablagerungen
- 4
- Optischer Strahlengang
- 400
- Wärmestrahlung
- 5, 5', 5"
- Messpunkt
- 500
- Messfeld
- 6
- Laserentfernungsmesser
- 7
- Quotienten-Pyrometer
- 8
- Dielektrischer Spiegel
- 9
- Oberflächenspiegel
- 10
- Beweglicher Oberflächenspiegel
- 11
- Schutzglas
- 12
- Verschluss
- 13
- Druckluftanschluss
- 14
- Düse
- 15
- Steuer- und Auswerteeinrichtung
- 16
- Schnittstelle
- 17
- Beschleunigungssensor
