DE1523655B2

DE1523655B2 - Vorrichtung zur selbsttaetigen regelung von verbrennungs vorgaengen auf einen optimalwert

Info

Publication number: DE1523655B2
Application number: DE19661523655
Authority: DE
Inventors: Michel Les Magnolias Pare Residence Vandesande Georges ViHe Nouvelle Carmassi, (Frankreich)
Original assignee: Societe Nationale des Petroles d Aquitaine, Paris
Priority date: 1966-03-08
Filing date: 1966-07-26
Publication date: 1971-06-16
Also published as: US3424560A; ES329383A1; AT278859B; CH458810A; CS150175B2; FR1489044A; GB1155052A; BE683740A; DE1523655A1; LU51726A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung der Konzentration eines Bestandteiles in einem gasförmigen Ausgangsprodukt, das durch Verbrennung eines gasförmigen Eingangsproduktes gewonnen wird, auf einen Optimalwert bezüglich des von einem Servomechanismus einstellbaren Mengenverhältnisses von Verbrennungsluft zum Eingangsprodukt.

Bekanntlich geben Anlagen, die zur Oxydation eines gasförmigen Eingangsproduktes zu einem gasförmigen Ausgangsprodukt dienen, an die Atmosphäre Gase ab, deren Gehalt an einem Bestandteil in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem zugeführten Eingangsprodukt und der zugeführten Luft variabel ist und einen Optimalwert durchläuft. Bei Luftmangel bleibt nach den verschiedenen Reaktionen, die in der Anlage ablaufen, ein Teil des Eingangsproduktes unoxydiert, wodurch ein Ausbeuteverlust hervorgerufen und vor allem die Abgabe dieses Gases an die Luft bewirkt wird. Ebenso führt ein Luftüberschuß zu einer Leistungsverminderung. Zum Erzielen der besten Betriebsbedingungen muß der Oxydationsvorgang auf dem Optimalwert gehalten werden.

Regelvorrichtungen zur selbsttätigen Regelung von Oxydationsvorgängen, die in Abhängigkeit von einer geregelten Größe einen Optimalwert durchlaufen, sind bekannt. So sind beispielsweise in den deutschen Patentschriften 858 041 und 1 006 935 Regeleinrichtungen beschrieben, um die Temperatur des Ofens einer Feuerungsanlage durch Änderung der Sauerstoffträgermenge auf einen der verlangten Brennstoffmenge entsprechenden maximalen Wert zu halten.

Diese vorbekannten Einrichtungen umfassen im wesentlichen ein Organ, mit dem man dem Schieber, der in den Ofen Luft einläßt, Testschwingungen geringer konstanter Amplitude um einen regelbaren Mittelwert herum auferlegen kann, ein weiteres Organ, mit dem sich aus der sich aus diesen Testschwingungen ergebenden Temperatur des Ofens das Vorzeichen und die Amplitude der dem Schieber auferlegten Änderungen bestimmen lassen, und ein Steuerorgan, mit dem sich die Mittelstellung des Schiebers einstellen läßt.

Diese bekannten Einrichtungen besitzen gewisse Nachteile insofern, als die Interpretation der Änderungen der Temperatur des Ofens nur möglich ist unter einschränkenden dynamischen Voraussetzungen, insbesondere hinsichtlich der Frequenz der Testschwingungen, die gering sein muß gegenüber der niedrigsten Eigenfrequenz des Systems, was eine verhältnismäßig langsame Entwicklungszeit zu dem Optimum hin und ein schlechtes Verhalten gegenüber Strörungen mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der der optimale Wert der Konzentration eines Bestandteiles eines durch Oxydation eines gasförmigen Eingangsproduktes gewonnenen gasförmigen Ausgangsproduktes eingeregelt werden kann und die eine rasche Regelung zu dem Optimum hin erzielen läßt, ohne der Steuergröße überlagerte Testschwingungen verwenden zu müssen. Das Aufsuchen des Optimums kann somit in einem dynamischen Bereich erzielt werden, der die Ansprechgeschwindigkeit und das Verhalten gegenüber Störungen beträchtlich steigert.

Dies gelingt mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung durch ein Organ zur fortlaufenden Entnahme einer Probe aus dem Ausgangsprodukt, einen Durchflußmengenmesser für die Probe, einen mit dem Messer in Verbindung stehenden Verbrennungsofen, der mit Zuleitungen für ein brennbares Gas und ein die Verbrennung unterhaltendes Gas versehen und in dem ein Temperaturmesser angeordnet ist, der ein der gemessenen Temperatur proportionales elektrisches Signal liefert, ferner durch einen Gasmengenregler, der das Durchflußmengenverhältnis zwischen der Probe und jedem dieser Gase konstant hält, einen Analysator mit elektrischer Anzeige für die im Ofen verbrannten Gase, einen Differenzierkreis zur Erzeugung einer positiven oder negativen Polarität aus dem Signal des Temperaturmessers, je nachdem die im Ofen gemessene Temperatur zunimmt oder konstant bleibt, einen Optimierungsrechner mit einem Rechnungsorgan zur Erzeugung einer Stellgröße aus dem Signal- des Analysators und einem durch die Polarität betätigten Kommutationsorgan, das diese Stellgröße derart orientiert, daß der durch die orientierte Stellgröße betätigte Servomechanismus das Mengenverhältnis von Verbrennungsluft zum Eingangsprodukt vergrößert oder vermindert, je -nachdem die Polarität positiv oder negativ ist.

Damit besitzt die hier vorgeschlagene Vorrichtung einen Optimierungsrechner, der ständig und in an sich bekannter Weise ein Stellsignal zur Steuerung eines Servomechanismus erarbeitet, der das Verhältnis des Sauerstoffträgervolumens zu dem Eingangsproduktvolumen ändern läßt, und eine Einrichtung, die dem Rechner einerseits ein dem Gehalt des zu regelnden Bestandteils in dem gasförmigen Ausgangsprodukt proportionales Signal und andererseits ein Signal liefert, dessen Polarität für die Änderung der Verbrennungstemperatur einer Probe des Ausgangsprodukts repräsentativ ist, wodurch das Vorzeichen des an dem Servomechanismus angelegten Stellsignals bestimmt wird, so daß letzterer das Verhältnis des Sauerstoffträgers im Eingangsprodukt in der Richtung einer Steigerung oder Minderung sich entwickeln läßt, je nachdem die Verbrennungstemperatur der Probe ansteigt oder etwa konstant bleibt.
Die Zeichnung veranschaulicht als Beispiel die Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung für die Regelung einer Anlage, die zur Schwefelerzeugung durch schonende Oxydation von Schwefelwasserstoff mittels Luft dient. Es zeigt

F i g. 1 einen Schemaplan dieser Anlage, >

F i g. 2 im Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung,

F i g. 3 und 4 Diagramme, welche die Funktion

und den Ablauf dieser Vorrichtung erkennen lassen.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von Schwefel aus einem Gas, das Schwefelwasserstoff enthält. Das Absperrorgan 1 für den Lufteintritt ist durch den Servomechanismus 2 der Regelvorrichtung regelbar. Das schwefelwasserstoffhaltige Gas gelangt bei 3 in einen Reaktor 4, in dem der Schwefelwasserstoff, etwa nach dem Claus-Verfahren, durch teilweise Verbrennung in Schwefel übergeführt wird. Die Gase gelangen nach der Umsetzung in einen Kondensator 5, aus dem der Schwefel bei 6 abgenommen wird, während die noch nicht umgesetzten Gase in einen katalytischen Umwandler 7 geleitet werden. An dessen Eingang gestattet ein Regelventil 8 die richtige Einstellung des Luftgehalts der Mischung. Der Schwefel wird in dem

Sammler 9 nach der Reaktion aufgefangen und bei 10 entnommen.

Über die Leitung 11 gelangen die Gase dann einerseits durch die Leitung 12 zu dem Analysator 13 der Regelvorrichtung und andererseits durch die Leitung 14 zu einem Abzug 15, der sie an die Atmosphäre abgibt.

Der Analysator 13 speist über zwei Leitungen 17 und 18 den Rechner 16 der Regelvorrichtung mit zwei elektrischen Größen. Die elektrische Größe 18 ist das Signal, das dem gemessenen Schwefeldioxidgehalt entspricht. Aus diesem Signal wird in an sich bekannter Weise mit Hilfe des Rechners 16 eine Stellgröße ermittelt, die über den Servomechanismus das Lufteinlaßventil 1 regelt. Ein Organ 20 korrigiert die Luftmenge, die durch das Ventil 1 strömt, in Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit).

Das Signal, das über die Leitung 17 kommt, entspricht im vorliegenden Fall der Temperaturänderung, die in dem Analysator 13 beobachtet wird, wo die entnommene Probe oxydiert wird.

Falls die Probe Schwefelwasserstoff enthält, steigt die Temperatrur an, während sie im gegenteiligen Fall stabil bleibt. Das Temperatursignal kann also dazu dienen, die Richtung der dem Regelorgan aufzuerlegenden Änderung zu bestimmen. Temperaturkonstanz zeigt an, daß die Restgase nur Schwefeloxid enthalten, d. h. daß die Anlage mit einem Überschuß von Luft arbeitet, und daß die herbeizuführende Korrektur das Luft-Schwefelwasserstoff-Verhältnis vermindern muß.

Wenn man dagegen eine Temperaturerhöhung gemessen hat, enthält die Mischung erhebliche Mengen Schwefelwasserstoff, was bedeutet, daß zur Einregelung der Einheit auf optimale Bedingungen das Verhältnis Luft zu Schwefelwasserstoff erhöht werden muß. Dieses Ergebnis kann in geeigneter Weise der Stellfunktion derart einverleibt werden, daß diese die Regelung im richtigen Sinn orientiert. Das von dem Rechner 16 ermittelte Steuersignal wird über den Leiter 19 an den Servomechanismus 2 gegeben. Dadurch wird das Verhältnis Luft zu Schwefelwasserstoff eingestellt, so daß innerhalb sehr kurzer Zeit ein Funktionieren der Einheit unter den optimalen Bedingungen erreicht wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Regelvorrichtung gemäß der Erfindung. Bei 21 sieht man die Hauptleitung. Die Entnahme der Probe erfolgt durch das Organ 22, auf das ein Mengenmesser 23 folgt. Die Gase werden über die Leitung 24 in den Ofen 27 geleitet. Zwei Leitungen 25 und 26 versorgen diesen Ofen 27 mit Luft bzw. Methan in konstantem Durchflußmengenverhältnis.

Die verbrannten Gase fließen über Leitung 28 zu einem Wärmeaustauscher 29 und dann zu dem Analysator 31, der ein elektrisches Signal 33 liefert, das dem' S-Gehalt der Restgase in der Leitung 21 proportional ist.

Ein Thermoelement liefert über Leiter 30 die Verbrennungstemperatur der Gase in dem Ofen 27. Ein einfaches Organ 34, z. B. ein Differentiatorkreis, zeigt bei 35 die Richtung der Temperaturänderungen. Aus den verfügbaren Größen 33 und 35 erzeugt der Rechner 36 eine orientierte Stellgröße 37. Diese Größe betätigt den Servomechanismus 38, das das Absperrorgan 39 für den Lufteintritt 40 einstellt.

In F i g. 3 ist als Ordinate der Gehalt S des in Leitung 21 strömenden Gasstromes an gebundenem Schwefel und als Abszisse das Mengenverhältnis K zwischen Luft und schwefelwasserstoffhaltigem Gas, das in die Anlage eingeleitet wird, aufgetragen (Kurve 51). Wie man sieht, hat diese Kurve ein Minimum. In der gleichen Figur ist gestrichelt die Temperatur in dem Ofen 27 dargestellt (Kurve 52). Das in F i g. 3 gezeigte Minimum ist nicht fest, sondern verschiebt sich in Abhängigkeit von nicht regelbaren

ίο äußeren Störungen, z. B. dem H₂S-Gehalt des eingeleiteten Gases. Eine Veränderung läßt die Kurve 51 in eine Kurve wie 53 oder 54 übergehen.

Die Regulierung der Anlage besteht darin, das Mengenverhältnis zwischen Luft und schwefelwasserstoffhaltigem Gas derart einzustellen, daß der Schwefelwasserstoffgehalt und/oder der Schwefeldioxidgehalt der Restgase möglichst gering ist. Diese Regulierung wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie folgt ausgeführt:

Die Restgase, die in der Leitung 21 strömen, bestehen beispielsweise aus CO₀, N₂, H₉S, SO₂ usw. Die Probennahme erfolgt mit Hilfe des Organs 22, das die Sammlung einer repräsentativen Probe gestattet. Das Mengenverhältnis zwischen dieser Probe und der Luft 25 bzw. dem Methan 26 wird eingestellt. Nach einer einfachen Version kann man diese drei Mengen konstant halten. Die Verbrennung in dem Ofen 27 ergibt ein Gas, welches Schwefel nur als SO₂ enthält. Der Schwefeldioxidgehalt dieses

Gases wird in dem Analysator 31 gemessen und direkt auf den H₂S- und SO₂-Gehalt der Restgase bezogen, die in der Leitung 21 strömen. Der Analysator 31 liefert ein elektrisches Signal 33, das dem S-Gehalt der Restgase in der Leitung 21 proportional ist. Das Thermoelement im Ofen 27 ergibt ein Signal 30, dessen im Organ 34 ermittelte Ableitung die Polarität 35 bestimmt. Diese Polarität ist positiv oder negativ, je nachdem die Verbrennungstemperatur der Probe ansteigt oder etwa konstant bleibt. Aus dem Signal 33 des Analysators erzeugt das Rechnungsorgan des Rechners 36 eine Stellgröße. Diese Stellgröße wird mittels des durch die Polarität 35 betätigten Kommutationsorgans des Rechners 36 orientiert, und die orientierte Stellgröße 37 betätigt den Servomechanismus 38 derart, daß dieser das Absperrorgan 39 des Lufteintrittes 40 in der Richtung einer Steigerung oder Minderung des Luftverhältnisses einstellt, je nachdem die Polarität positiv oder negativ ist.

Wenn h der Gehalt des Restgases an schwefelhaltigem Gas ist, ergibt der Rechner z. B. die Größe

dt*

der zu Oszillationsgrenzzyklen führt, falls die Übertragungsfunktion des Systems die Form hat

W=-

Dieses Kommutationsverfahren ist von H el ein, P er ret und Roussell in der Zeitschrift Automatisme, Bd. IX, März und April 1964, beschrieben. Auf S. 146 findet sich eine Optimierungsfolge mit einem klassischen Rechner. Man definiert als Optimierungssequenz die Ganzheit der Operation, die

erforderlich ist, um die Regelung auf den Optimalwert zu bringen.

Aus F i g. 4 ersieht man insbesondere, daß der beschriebene Rechner die Anlage günstig oder ungünstig beeinflussen kann.

Die Anwendung des bei 34 (F i g. 2) gewonnenen Signals 35, das eine Polarität für das Betätigungssignal erstellt, gestattet es, die Anlage im günstigen Sinne zu beeinflussen (55). So ist sichergestellt, daß die !Commutation im günstigen Sinne erfolgt, um das Minimum zu erreichen. Auf Grund der Optimierungsfolge ermittelt der Rechner nach Erhalt der beiden natürlichen Kommutationen, z. B. 55 und 56, einen Regelwert, der ein Ausgleich zwischen den beiden Regelwerten ist, die den oben angegebenen Kornmutationen entsprechen. Am Ende der oben beschriebenen Optimierungsfolge ist der Rechner in Ruhe. Ein Zeitschaltwerk oder eine Änderung der Ausgangsgröße über eine vorgegebene Grenze hinaus lösen eine neue Optimierungsfolge aus, die wie die oben beschriebene abläuft.

Ein zweites Beispiel für die Regelung einer chemischen Anlage mittels der beschriebenen Vorrichtung findet man in den thermoelektrischen Zentralen, wo die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen oder von Kohlen Abgase liefert, die Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoff und Wasserdampf enthalten. Der Gehalt an Kohlendioxid zeigt an, daß der richtige Reaktionsablauf in Verbindung steht mit der Menge der entwickelten Verbrennungswärme. Wenn man den Abgasen eine repräsentative Probe entnimmt und mit ihr eine katalytische Verbrennung des Kohlenmonoxids durchführt, enthält man so ein Mittel zur Regelung der thermoelektrischen Zentrale.

Claims

35 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur selbsttätigen Regelung der Konzentration eines Bestandteiles in einem gasförmigen Ausgangsprodukt, das durch Verbrennung eines gasförmigen Eingangsproduktes t wonnen wird, auf einen Optimalwert bezügli des von einem Servomechanismus einstellbar Mengenverhältnisses von Verbrennungsluft zi: Eingangsprodukt, gekennzeichnet dun ein Organ (22) zur fortlaufenden Entnahme ein Probe aus dem Ausgangsprodukt, einen Durc flußmengenmesser (23) für die Probe, einen r. dem Messer (23) in Verbindung stehenden Vt brennungsofen (27), der mit Zuleitungen (25 u; 26) für ein brennbares Gas und ein die Vc brennung unterhaltendes Gas versehen und dem ein Temperaturmesser angeordnet ist, d ein der gemessenen Temperatur proportional elektrisches Signal liefert (über 30), ferner dun einen Gasmengenregler (32), der das Durchflu; mengenverhältnis zwischen der Probe und jede, dieser Gase konstant hält, einen Analysator (3 mit elektrischer Anzeige für die im Ofen (2' verbrannten Gase, einen Differenzierkreis (3 zur Erzeugung einer positiven oder negative Polarität aus dem Signal des Temperaturmesse; je nachdem die im Ofen (27) gemessene Temp ratur zunimmt oder konstant bleibt, einen Op; mierungsrechner (36) mit einem Rechnungsorgi zur Erzeugung einer Stellgröße aus dem Sign des Analysators und einem durch die Polarit; betätigten Kommutationsorgan, das diese Stel größe derart orientiert, daß der durch die oriei tierte Stellgröße (37) betätigte Servomechanismi (38) das Mengenverhältnis von Verbrennungslu zum Eingangsprodukt vergrößert oder verminder je nachdem die Polarität positiv oder negativ is

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch einen Oxydationskatalysator i: dem Verbrennungsofen (27) und ein Thermo element im Inneren des Katalysators, wobei da Signal (33) am Ausgang des Analysators (31 und das Signal (30) des Thermoelementes an der Optimierungsrechner (36) anlegbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen