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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage
gemäß dem Oberbegriff
der Patentansprüche
1 und 9.
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Rauchgasentstickungsanlagen werden
verwendet, um nach der Verbrennung fossiler Energieträger den
Anteil an NOx im Rauchgas zu reduzieren. Solche Anlagen kommen beispielsweise
in Kraftwerken zur Anwendung, die zur Gewinnung von Wärme mit
fossilen Brennstoffen in Form von Kohle, Erdgas- und Erdöl betrieben
werden. Rauchgasentstickungsanlagen werden aber auch in Müll- und
Klärschlammverbrennungsanlagen,
Prozessdampfanlagen oder fossil beheizten Kesseln von Raffinerien
genutzt. Bei den Rauchgasentstickungsanlagen wird zwischen einer
selektiven katalytischen Reduktion und einer selektiven nicht katalytischen
Reduktion unterschieden. In Großanlagen
werden vorzugsweise Rauchgasentstickungsanlagen eingesetzt, die
nach der selektiven katalytischen Reduktion arbeiten. Hierbei werden
die in dem Rauchgas enthaltenen Stickoxide mit einem Reduktionsmittel
vorzugsweise Ammoniak zu Stickstoff und Wasser unter Verwendung
eines Katalysators umgesetzt. Die in solchen Rauchgasentstickungsanlagen
integrierten Katalysatoren sind sehr großen Beanspruchungen ausgesetzt,
die ihre Lebensdauer begrenzen. So gehen beispielsweise die Mikrooberflächen der
Katalysatoren verloren, weil die Poren der Katalysatoren durch den
Einfluss sehr hoher Temperaturen zerstört werden. Zudem werden Arsen
oder Alkalimetalle, die in den Rauchgasen mitgeführt werden, irreversibel an
die katalytisch aktiven Flächen
gebunden. Die engen Poren der Katalysatoren werden durch Ammoniumsulfat
verstopft, das durch Oxidation von SO2 zu
SO3 und dann durch Reaktion mit NH3 zu NH4HSO4 entsteht. Aber auch durch Staub, der von
den Rauchgasen mitgeführt wird,
werden die Poren der Katalysatoren verstopft.
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Die Verschmutzungen eines Katalysators durch
Staub lassen sich gegebenenfalls durch Freiblasen beseitigen. Die
Desaktivierung durch chemische Einflüsse kann jedoch nicht rückgängig gemacht
werden. Als Folge der Desaktivierung eines Katalysators sinkt zum
einem der Umsatz im Katalysator durch die Verringerung der Anzahl
der katalytischen Aktivitätszentren.
Das bedeutet, dass die Verzugszeit der Rauchgasentstickungsanlage
vergrößert wird.
Diese Zeit benötigt
der Katalysator, um ausreichend Ammoniak zu aktivieren, damit der
geforderte Entstickungsgrad erreicht wird. Zum anderem nimmt der
Wirkungsgrad des Katalysators mit dem Aktivitätsverlust und der steigenden
Verschmutzung ab. Es muß deshalb
mehr Ammoniak in den Katalysator eingedüst werden. Das ist aber nur
bis zu einem bestimmten stöchiornetrischen
Verhältnis
von NH3 zu NOx möglich, da
ansonsten Ammoniak freigesetzt wird. Der Katalysator verliert also
zunehmend die Fähigkeit,
genügend
Stickoxide in Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Aus der Desaktivierung
des Katalysators folgt für
die Betriebsführung
und Regelung eine Änderung
des Prozessverhaltens, insbesondere der Streckenverstärkung und
der Zeitkonstanten der Rauchgasentstickungsanlage. Rauchgasentstickungsanlagen
werden geregelt, um die gewünschte
Entstickung bei gleichzeitig minimalem Ammoniakschlupf, geringer
Umweltbelastung und niedrigen Kosten zu erreichen.
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Bei den bekannten Rauchgasentstickungsanlagen
werden die NO- und O2-Konzentrationen vor dem Katalysator
gemessen. Ebenso wird der NO-Gehalt im Rauchgas nach dem Katalysator
gemessen. Aus der eingesetzten Brennstoffmenge und der zugeführten Luftmenge
während
der Verbrennung wird in Verbindung mit dem Heizwert des Brennstoffes
und dem O2-Gehalt des Rauchgases die Menge
des einzudüsenden
Ammoniaks errechnet. Dieser Regelwert ist also ein Vorsteuersignal
für die
Ammoniakeindüsung.
Die Sollwerteinstellung erfolgt über
die Messung des NO-Gehaltes
nach dem Katalysator, der mit dem errechneten NO-Gehalt verglichen
wird.
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Die bekannten Verfahren zur Regelung
von Rauchgasentstickungsanlagen gehen von Modellen aus, bei denen
die Alterung eines Katalysators unberücksichtigt bleibt. Beim Einsatz
von modellbasierten Reglern wie Smith-Prädiktoren oder modellprädiktiven
Reglern nimmt die Regelungsgüte
mit der Alterung eines Katalysators ab. Es kann hierbei zu einem grenzzyklischen
oder instabilen Verhalten kommen. Um der Variation des Prozessverhaltens
vorzubeugen, werden Regler oft lascher ausgelegt als das aus dem
Normalfall folgen würde.
Bei der Regelung von Totzeitprozessen mit einfachen Reglern ohne
spezielle Maßnahmen
in Form von PID-Reglern wird gegenüber einem totzeitfreien Prozess
die Reglerverstärkung
im allgemeinen verringert, um ein instabiles Verhalten zu vermeiden.
Dies wird leicht durch Betrachtung der Pole des geschlossenen Regelkreises verständlich.
Allerdings wird so nicht die bei einer angepassten Regelungsstrategie
realisierbare Regelungsgüte
erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine bessere Regelung von Rauchgasentstickungsanlagen
durchgeführt
werden kann, als das mit den bekannten Verfahren der Fall ist. Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen,
mit der sich das Verfahren durchführen lässt.
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Die Aufgabe, das Verfahren betreffend,
wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend,
wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem modellbasierte, gehobene Regelungs- und Betriebsführungsstrategien
zur Anwendung kommen, kann die Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage
wesentlich verbessert werden. Das ist vor allem dann der Fall, wenn
der Katalysator der Rauchgasentstickungsanlage die eingangs beschriebenen
Alterungszustände
aufweist. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Regelungs- und Prozessführungsstrategien
gestattet die Verbesserung des Anlagenbetriebs.
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Bei der Durchführung des Verfahren wird die Desaktivierung
des Katalysators der zu regelnden Rauchgasentstickungsanlage an
Hand von Messdaten bestimmt. Hierfür eignen sich beispielsweise Messdaten
von der Wärmetönung oder
der Leitfähigkeitsänderung
des Katalysators. Die gemessene Menge an Ammoniak, die nicht für die Entstickung des
Rauchgases genutzt, sondern an die Umwelt abgeben wird, kann ebenfalls
zur Bestimmung der Desaktivierung des Katalysators genutzt werden.
Aus der Desaktivierung des Katalysators, der Temperatur und der
Geschwindigkeit des Rauchgases vor und hinter der Rauchgasentstickungsanlage
und zusätzlichen Informationen,
die beispielsweise aus Erfahrungswerten ermittelt werden können, wird
die Totzeit und die Verzögerung
der Rauchgasentstickungsanlage ermittelt. Mit Hilfe dieser Daten
wird ein Modell der Rauchgasentstickungsanlage korrigiert und angepaßt, das
in einem Rechner gespeichert ist. Mit Hilfe dieses Modells wird
die Regelung der Rauchgasentstickungsanlage angepasst. Damit wird
eine Reduktion der Regelungsgüte
durch alterungsbedingte Veränderungen
des Prozessverhaltens verhindert.
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Weitere erfinderische Merkmale sind
in den abhängigen
Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend an
Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
Einrichtung zur Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage,
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2.
die Ausgangskonzentrationsregelung eines PID-Reglers, eines Smith-Prädiktors
und eines modellprädiktiven
Reglers.
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Die in 1 dargestellte
Einrichtung 1 umfasst einen Regler 2, eine Rauchgasentstikkungsanlage 3,
eine Messvorrichtung 4, sowie vier Rechner 5, 6, 7A und 7B.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ist im wesentlichen für
die Regelung mit einem expliziten Modell einer Rauchgasentstickungsanlage,
vorzugsweise dem Modell eines Smith-Prädiktors
ausgerichtet. Dieses Modell ist in dem Rechner 7A gespeichert
und wird an die aktuellen Werte der Rauchgasentstickungsanlage 3 angepasst.
Bei der Inbetriebnahme der Rauchgasentstickungsanlage 3 sind die
Parameter dieses Modells an die Parameter der Rauchgasentstickungsanlage 3 im
Neuzustand angepasst. Das Modell ist besonders für die Anwendung bei Totzeitprozessen
geeignet ist. Dem Rechner 7A ist der Rechner 7B nachgeschaltet,
der als Verzögerungsglied 7B genutzt
wird. Das Verfahren ist jedoch auch dann anwendbar, wenn ein Modell nur
implizit als Regler eingeht. Das ist dann der Fall, wenn die Reglerparameter
aus dem Modell berechnet und/oder abgeleitet werden, wie das beispielsweise
bei PID-Reglern oder Zustandsreglern der Fall ist.
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Die Rauchgasentstickungsanlage 3 ist
mit einem Katalysator 3K bestückt
und in einen Abgaskanal 8 integriert. Über den Abgaskanal 8 wird
Rauchgas 9 aus einer Verbrennungsanlage (hier nicht dargestellt)
abgeleitet. Von einem Vorratsbehälter 10 aus
wird Ammoniak über
ein als Dosiereinrichtung dienendes Ventil 11 der Rauchgasentstikkungsanlage 3 zugeführt. Das
Ventil 11 wird von dem Regler 2 betätigt. Die
Menge an Rauchgas 9 sowie der Gehalt des Rauchgases 9 an
NOx wird vor dem Eintritt des Rauchgases 9 in
die Rauchgasentstickungsanlage 3 mit Hilfe der Messvorrichtung 4 ermittelt
und gespeichert. Das Gleiche gilt für den Gehalt an NOx welches das
Rauchgas 9 nach dem Verlassen der Rauchgasentstickungsanlage 3 aufweist.
Diese Messwerte werden unter anderem auch dem Rechner 7A zugeführt. Ferner
können
mit der Messvorrichtung 4, falls es für die Regelung der Rauchgasentstickungsanlage 3 erforderlich
ist, auch der Differenzdruck über
der Rauchgasentstickungsanlage 3, die Menge an Ammoniak,
die der Rauchgasentstickungsanlage 3 zur Minderung des
NOx-Anteils im Rauchgas 9 zugeführt wird,
die Wärmetönung des
Katalysators 3K, die Leitfähigkeitsänderung
des Katalysators 3K, die Menge an Ammoniak, die nicht für die Entstickung
des Rauchgases 9 genutzt, sondern an die Umwelt abgeben
wird, die Geschwindigkeit des Rauchgases 9 sowie dessen
Temperatur ermittelt und gespeichert werden. Alle Messungen können kontinuierlich durchgeführt werden.
Die Messvorrichtung 4 steht für die Durchführung der
Messungen über
Signalleitungen 4A, 4B, 4C und 4D mit
dem Abgaskanal 8 vor und hinter der Rauchgasentstickungsanlage 3,
mit der Rauchgasentstickungsanlage 3 und dem Ventil 11 in
Verbindung. Die Messvorrichtung 4 ist zudem so ausgebildet
und so verschaltet, dass mit ihr noch weitere Messsignale ermitteln
und gespeichert können,
die gegebenenfalls für
die Durchführung
des gesamten Verfahrens erforderlich sind.
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Die mit der Messvorrichtung 4 erfassten Messdaten
werden dem Rechner 5 zugeführt, der mit der Messvorrichtung 4 in
Verbindung steht. Aus diesen Messdaten wird dort die Desaktivierung α des Katalysators
3K ermittelt. Diese Information wird an den Rechner 6 weitergeleitet,
der dem Rechner 5 nachgeschaltet ist. Messdaten von der
Temperatur σ und
der Geschwindigkeit des Rauchgases 9 vor und hinter der
Rauchgasentstickungsanlage 3 werden von der Messvorrichtung 4 unmittelbar
an den Rechner 6. übertragen.
Erfindungsgemäß können die
beiden Rechner 5 und 6 auch durch einen einzigen Rechner
(hier nicht dargestellt) ersetzt werden.
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Mit Hilfe des Rechners 6 werden
die parametrischen Verhaltensänderungen
wie Totzeit und Verstärkung
der Rauchgasentstickungsanlage 3 ermittelt. Hierfür sind neben
den ermittelten Wert der Desaktivierung α des Katalysators 3K, der Temperatur des
Rauchgases 9 sowie dessen Geschwindigkeit noch weitere
Informationen erforderlich. Diese Informationen können regelbasiert
und/oder wissensbasiert physikalisch motiviert, durch Messungen
oder Stimulation und Regression bzw. Identifikation bestimmter Zusammenhänge ermittelt
werden. Hierzu gehört
auch die Verwendung von künstlichen
Neuronalen Netzen, die Identifikation von Fuzzy Modellen oder anderen
linearen oder nichtlinearen Regressionsmodellen. Ferner ist die
Kombination eines Absolutmodells mit einem Trendmodell oder eine
Kombination mehrere dieser Ansätze
möglich.
Da diese Informationen für
die Betriebsführung
und/oder Regelung verwendet werden, müssen sie nicht die räumliche
Variation etwa entlang des Katalysators 3K beschreiben. Eine Beschreibung
des resultierenden Ein- und/oder Ausgangsverhaltens der Rauchgasentstickungsanlage
3 reicht beispielsweise hierfür
aus.
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In jeder Rauchgasentstickungsanlage,
in der eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden durchgeführt wird,
reagieren diese mit dem Reduktionsmittel Ammoniak zu Stickstoff
N2 und Wasser H2O.
Die beiden wesentlichen Reaktionen zwischen den Stickoxiden und
dem Ammoniak werden durch folgende Gleichungen beschrieben. 4NO
+ 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O und 2NO2 + O2 + 4NH3 → 3N2 + 6H2O. Aus diesen
stöchiometrischen
Gleichungen und der baulichen Ausführung der Rauchgasentstikkungsanlage 3 lassen
sich direkt dynamische Modellgleichungen aufstellen, in welche die
Desaktivierung α des
Katalysators 3K eingeht. Mit Hilfe dieser Gleichungen, dem ermittelten
Wert der Desaktivierung α des
Katalysators 3K und den Messdaten, die dem Rechner 6 von
der Messvorrichtung 4 geliefert werden, können die
parametrischen Verhaltensänderungen
der Rauchgasentstickungsanlage 3 in dem Rechner 6 ermittelt
werden.
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Die zusätzlichen Informationen, die
zur Ermittlung der parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage 3 neben
der Desaktivierung α des
Katalysators 3K, der Temperatur und/oder der Geschwindigkeit des
Rauchgases 9 noch erforderlich sind, können auch aus Erfahrungswerten
des Bedienpersonals der Rauchgasentstickungsanlage 3 gewonnen
werden. Wenn das Bedienpersonal ausreichende Kenntnisse darüber hat, wie
die Desaktivierung α des
Katalysators das Verhalten der Rauchgasentstickungsanlage 3 beeinflußt, können die
parametrischen Verhaltensänderungen
auch durch ein regel- und/oder wissensbasiertes Modell beschrieben
werden. Hierfür
kann beispielsweise ein Fuzzy-Regelwerk eingesetzt werden. Ein solche
Regelung kann durch eine Wertetabelle approximiert werden. Das vereinfacht
die Implementierung in handelsübliche
Leitsysteme oder speicherprogrammierbare Steuerungen. Das Fuzzy-Regelwerk,
das die Informationen über
Totzeit und Verstärkung
der Rauchgasentstickungsanlage 3 liefert, läuft in diesem
Fall auf dem Rechner 6.
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Um die parametrischen Verhaltensänderung der
Rauchgasentstickungsanlage 3 mit den jeweils aktuellen Daten dieser
Einrichtung in dem Rechner 6 erstellen zu können, ist
es möglich,
neben der Bestimmung der Desaktivierung α des Katalysators 3K, der Temperatur
und/oder der Geschwindigkeit des Rauchgases 9 weitere Daten
der Rauchgasentstickungsanlage 3 beispielsweise mit der
Messvorrichtung 4 zu messen. So kann beispielsweise aus
den Messwerten des NH3-Stroms, der zugeführten Gesamtmenge
an Luft und der NOx-Konzentration im Rauchgas 9 vor
dem Katalysator 3K sowie der gemessenen NOx-Konzentration
im Rauchgas 9 hinter dem Katalysator 3K ein dynamisches
Modell der Rauchgasentstickungsanlage 3 für den jeweils
aktuellen Desaktivierungszustand des Katalysators 3K ermittelt werden
kann. Als Modelltyp kommen beispielsweise einfache lineare und nichtlineare
Regressionsmodelle, künstliche
Neuronale Netze oder Fuzzy-Modelle in Betracht. Es ist darüber hinaus möglich, die
Desaktivierung α des
Katalysators für verschiedene
Alterszustände
des selben Katalysators mit einzubeziehen. Daraus kann dann beispielsweise ein
Zusammenhang zwischen der Desaktivierung α des Katalysators und den pararnetrischen
Verhaltensänderungen
ermittelt werden.
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Für
die Ermittlung der parametrischen Verhaltensänderungen liegen nicht immer
Daten von verschiedenen Zuständen
der Desaktivierungen α des
Katalysators einer Rauchgasentstickungsanlage 3 vor. Für die Bestimmung
der Desaktivierung α können zwar
immer Messwerte des aktuellen Anlagenzustands ermittelt werden.
Wie sich die Desaktivierung α eines
Katalysator jedoch zukünftig
entwickeln wird, kann aus aktuellen Messwerten nicht ermittelt werden.
Wird davon ausgegangen, dass die Desaktivierung α eines Katalysators nicht zu
einer strukturellen Verhaltensänderung,
sondern einer graduellen Variation der Parameter führt, dann
kann das zu erstellende Modell auch approximativ aus zwei Teilmodellen
zusammengesetzt werden. Das erste Teilmodell wird aus Messwerten
der vorliegenden Desaktivierung α des
Katalysators 3K ermittelt. Aus den Messwerten einer Referenzanlage
wird für
das zweite Teilmodell die relative Änderung der Katalysatoraktivität ermittelt.
Als Referenzanlage kann eine ähnlich
ausgebildete Rauchgasentstickungsanlage (hier nicht dargestellt)
verwendet werden. Dadurch stimmen die Trends der Werte überein,
nicht aber unbedingt die absoluten Werte. Dabei können sich
die Gasgeschwindigkeiten in der Referenzanlage (hier nicht dargestellt)
und der zu regelnden Rauchgasentstickungsanlage 3 unterscheiden.
Aus den beiden Teilmodellen lässt
sich ein Modell zusammensetzen, das absolut und quantitativ die Änderung
der Modellparameter mit der Desaktivierung α des Katalysators beschreibt.
Ein solches vereinfachtes Modell reicht für einen robusten Regler aus.
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Die im Rechner 6 ermittelte
Verstärkung
bzw. die Totzeit der Rauchgasentstickungsanlage 3 werden
dem Rechner 7A bzw. dem als Verzögerungsglied dienenden Rechner 7B zugeführt. Das
in dem Rechner 7 gespeicherte dynamische Modell der Rauchgasentstickungsanlage 3 wird
an den jeweils aktuellen Wert der Verstärkung angepasst. Dem Rechner 7A wird
für die
Anpassung des dynamischen Modells zudem das Ausgangssignal des Reglers 2 zugeführt. Ferner
erhält
der Rechner 7A von der Messvorrichtung 4 die Messwerte über die
Menge an Rauchgas 9 sowie den Gehalt des Rauchgases 9 an
NOx vor dem Eintritt und nach dem Verlassen
der Rauchga sentstickungsanlage 3. Der Rechner 7A nimmt
in Abhängigkeit
von diesem dynamischen Modell Einfluss auf den Istwert des Reglers 2. Das
Ausgangssignal des Rechners wird dem nach geschalteten Verzögerungsglied 7B zugeführt. Die Differenzwerte
zwischen dem Ausgangssignal des Rechners 7B und dem gemessenen
Anteil an NOx, der nach der Entstickung
noch im Rauchgas 9 enthalten ist, wird in einem Differenzbildner 12 ermittelt, und
an einen als Sollwertgeber 2S dienenden Differenzbildner des Reglers 2 weitergeleitet.
In ihm wird der vorgegebene Sollwert entsprechend korrigiert. Das
Ausgangssignal der Differenzbildners 12 wird zudem an den
Rechner 6 weitergeleitet. Dem Sollwertgeber 2S ist ein
als Differenzbildner dienender Istwertgeber 2T nachgeschaltet. Dieser
vergleicht den zugeführten
Sollwert mit der Prädiktion
des dynamischen Modells des Rechners 7A. Das Ausgangssignal
des Istwertgebers 2T wird dem Regler 2 zugeführt.
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Die Erfindung beschränkt sich
nicht nur auf das Regelungsprinzip des Smith-Prädiktors.
Vielmehr weist die Bezeichnung prädikative Regelung darauf hin,
dass innerhalb der Regelung ein Modell verwendet wird, mit dem die
Wirkung der Stellgröße auf das
Verhalten der Regelstrecke vorhergesagt wird. Alternativ zum Smith-Prädiktor kann
deshalb die Regelung auch mit einem modellprädikativen Regler, kurz auch
MPC genannt, durchgeführt
werden. Dieser verwendet ebenfalls ein internes Strekkenmodell.
In 2 ist die Ausgangskonzentrationsregelung
eines PID-Reglers, eines Smith-Prädiktors und eines modellprädiktiven
Regelers dargestellt. Sind Sollwertänderungen und/oder Störungen bekannt,
so führt
der MPC-Regler zu wesentlich besseren Eigenschaften als die beiden
erst genannten Regler, wobei der Smith-Prädiktor im Vergleich zum PID-Relger
wiederum bessere Ergebnisse liefert.