DE19502096A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Rußbläsern in einer Kesselanlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Rußbläsern beim Betrieb einer Kesselanlage, wobei die Wärmetauscher­ flächen des Kessels in Zeitabständen durch einzeln oder gruppenweise aktivierbare Rußbläser von Ablagerungen befreit werden, sowie eine zugehörige Vorrichtung.

Kesselanlagen, insbesondere die großer konventioneller Kraftwerksblöcke unterliegen in Abhängigkeit von dem verwendeten Brennstoff einer mehr oder weniger starken Verschmutzung. Besonders in Kohlekraftwerken, aber auch bei mit anderen Brennstoffen, z. B. Abfall, betriebenen Kraft­ werken, setzen sich Ablagerungen auf den Wärmetauscherflächen der Kesselanlage ab, verschlechtern die Wärmeübertragung und führen so zu einem verringerten Wirkungsgrad der Gesamtanlage.

Zur Beherrschung dieses Problems ist es seit langem bekannt, sogenannte Rußbläser einzusetzen, welche je nach Anwendungsfall mit Wasser Wasserdampf, einem Gas (Luft, Inertgas etc.) betrieben werden. Das jeweils verwendete Reinigungsmedium wird aus einer oder mehreren Düsen auf die Wärmetauscherflächen gespritzt und reinigt diese von Ablagerungen. Die Reinigungsvorgänge werden nicht kontinuierlich, sondern in zeitlichen Abständen durchgeführt, wobei große Kraftwerks­ anlagen eine Vielzahl von einzelnen Rußbläsern aufweisen, die im all­ gemeinen gruppenweise nacheinander aktiviert werden.

In einer Kesselanlage können auch gleichzeitig unterschiedliche Typen von Rußbläsern zum Einsatz kommen. Aus der DE-PS 22 45 702 und der DE-PS 23 07 311 sind Rußbläser und Verfahren zu ihrem Betrieb bekannt, mit denen Ablagerungen an den Kesselwänden und Rohrwärme­ tauschern im Inneren einer Kesselanlage abgelöst werden können. Diese Rußbläser werden als Lanzen in das Innere des Kessels eingefahren und ihre Düsen nach bestimmten Vorgaben entlang der zu reinigenden Wärmetauscherflächen bewegt. Bei derartigen Rußbläsern gibt es ver­ schiedene Arten der Bewegung, insbesondere Kombinationen von Trans­ lation und Rotation.

Im eigentlichen Brennraumbereich, in dem die Wärmetauscherflächen im allgemeinen gleichzeitig die Wände bilden, werden häufig sogenannte Wasserlanzenbläser eingesetzt, die beispielsweise in der DD 2 81 468 A5 beschrieben sind. Mit solchen beweglichen Wasserlanzen wird von einer Seite des Kessels aus die gegenüberliegende Wand durch Bewegen des Wasserstrahls gereinigt.

Es sind auch Rußbläser mit einer Vielzahl von über die Lanzenlänge verteilten Blasöffnungen bekannt, die im Kessel verbleiben und beim Rußblasen translatorische Bewegungen mit nur geringen Bewegungsweiten und evtl. einer überlagerten Rotation ausführen.

Bei den bekannten Vorrichtungen werden die geometrischen Gegebenhei­ ten bei der Wahl der Reinigungsparameter im allgemeinen dahingehend berücksichtigt, daß die Reinigungsintensität pro Flächeneinheit der zu reinigenden Fläche konstant bleibt. Die Translation bzw. Rotation haben daher nicht unbedingt konstante Werte während eines Blasvorganges, sondern sind in ihrem Verlauf an Abstand und Winkel des Rußbläsers zur zu reinigenden Fläche angepaßt.

Da der Reinigungsvorgang selbst den Wirkungsgrad der Kesselanlage durch das Einblasen des Reinigungsmediums verschlechtert und außerdem die Bereitstellung des Reinigungsmediums erhebliche Kosten verursacht, insbesondere bei der Reinigung mit Wasserdampf, und zusätzlich natür­ lich die Rußbläser selbst einem Verschleiß unterliegen, wird seit langem angestrebt, nicht häufiger als unbedingt nötig die Rußbläser zu aktivieren. Hinzu kommt noch, daß übermäßiges Reinigen von Wärmetauscherflächen zu Erosion führen kann, so daß die Komponenten selbst geschädigt werden und sich ihre Lebensdauer verringert. Dementsprechend sind viele unterschiedliche Versuche zur Optimierung des Einsatzes von Rußbläsern gemacht worden, indem die Intervalle zwischen dem Aktivieren von einzelnen Rußbläsergruppen durch Kosten/Nutzen-Überlegungen festgelegt wurden. Solche Optimierungsverfahren sind beispielsweise in der EP 0 137 709 B1 und der EP 0 132 135 B1 beschrieben.

Aus der US 5,181,482, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist es auch schon bekannt, eine Kesselanlage in einem Simulationsmodell nachzubilden und Reinigungsvorgänge zunächst in dem Simulationsmodell zu simulieren, bevor sie tatsächlich durchgeführt werden. Dabei werden in der Kesselanlage zahlreiche Meßwerte beobachtet und in dem Simula­ tionsmodell verwendet. Ziel ist es dabei, keine Reinigung durchzuführen, wenn dadurch die stabile Betriebsweise der Kesselanlage beeinträchtigt werden würde. Daher wird in dem Simulationsmodell im wesentlichen die Auswirkung eines Reinigungsvorganges auf technische Verträglichkeit mit dem Anlagenbetrieb überprüft. Wirtschaftliche Betrachtungen fließen bei der Bewertung, ob ein Reinigungsvorgang durchgeführt werden darf oder nicht, nicht ein.

Trotz vielfältiger Bemühungen, die Reinigungsintervalle und andere Reinigungsparameter optimal einzustellen, ist es bisher nicht gelungen, ein weitgehend automatisch arbeitendes und die wichtigsten Faktoren berücksichtigendes Verfahren zu einer auch wirtschaftlich optimalen Steuerung von Rußbläsern zu finden. Der Grund liegt einerseits darin, daß jeder Rußbläser einen größeren Bereich, z. B. ein ganzes Rohrbün­ del, reinigen muß, so daß schon in diesem Bereich ungleichmäßige Reinigungswirkungen auftreten. Nahe am Rußbläser angeordnete Rohre werden schon durch Erosion geschädigt, wenn die Reinigungswirkung bei weiter entfernt liegenden Rohren noch nicht ausreicht. Außerdem war eine Überprüfung der jeweils angewendeten Reinigungskonzepte im allgemeinen nur bei Stillstand der Anlage durch Inspektion möglich, so daß das Auftreten von Erosion und/oder das Auftreten von nicht ent­ fernten Ablagerungen im Reinigungsbereich erst nach langer Zeit festge­ stellt und das Reinigungskonzept entsprechend angepaßt werden konnte. Schließlich hängt es auch von den Vorgaben bei einem Reinigungskon­ zept ab, ob überhaupt ein wirtschaftlich optimaler Einsatz erreicht wer­ den kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Ver­ fahrens zur Steuerung von Rußbläsern, welches nicht unnotig oft, aber immer, wenn es wirtschaftlich sinnvoll ist, reinigt (wobei natürlich überge­ ordnete technische Notwendigkeiten berücksichtigt werden können). Insbesondere soll das Verfahren über lange Betriebszeiträume möglichst nah an einem optimalen Einsatz bleiben, wobei es bevorzugt selbstler­ nend auf geänderte Bedingungen reagieren soll. Auch die Schaffung einer entsprechenden Vorrichtung ist Aufgabe der Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Nutzung eines Simulationsmodels der Kesselanlage zur Festlegung der Reinigungsintervalle und Zeitpunkte für einzelne Rußbläser oder Rußbläsergruppen eröffnet viele Möglichkeiten zum wirkungsvolleren und kostenoptimierten Einsatz. Erfindungsgemäß werden bestimmte Meßwerte und/oder daraus berechnete Größen aus der gesamten Kesselanlage und/oder aus einzelnen Stufen, die Aussagen über den Reinigungszustand der Wärmetauscherflächen zulassen, beobachtet. Anhand eines Simula­ tionsmodells der Kesselanlage und unter Einbeziehung von gespeicherten Erfahrungswerten und/oder früheren Meßwerten wird in Zeitintervallen die Wirkung der Aktivierung von einzelnen Rußbläsern oder Gruppen von Rußbläsern auf die gemessenen und/oder berechneten Größen simuliert. Dabei muß das Simulationsmodell nicht unbedingt den Kessel perfekt beschreiben, da auch einfache Modelle schon gute wirtschaftliche Ergebnisse liefern. Es ist jedoch möglich und wünschenswert, die einzel­ nen Wärmetauscherflächen in dem Modell auch einzeln zu simulieren und die Wirkung einer Reinigung dieser Flächen anhand geeigneter Meßwerte einzeln festzustellen. Die simulierte Wirkung auf die gemesse­ nen und/oder berechneten Größen wird im Hinblick auf wirtschaftliche Vor- und Nachteile, insbesondere unter Berücksichtigung der Auswirkung auf Kostenersparnis für Brennstoff durch Wirkungsgraderhöhung, Kosten für Reinigungsdampf, Rußbläserverschleiß und Folgekosten für Erosions­ schäden, bewertet. Es wird nur dann eine Reinigung mit den betreffen­ den Rußbläsern durchgeführt, wenn die Vorteile der simulierten Wirkung dieser Rußbläser bei der Aktivierung gegenüber wirtschaftlichen Nach­ teilen der Aktivierung überwiegen.

Im Gegensatz zu früheren Konzepten des Einsatzes von Rußbläsern wird entsprechend der vorliegenden Erfindung nicht mehr anhand von Erfah­ rungswerten früherer Messungen ein Zeitintervall bis zur nächsten Reini­ gung festgelegt und dann das Ergebnis dieser Reinigung mit Erfahrungs­ werten für eine optimale Reinigung verglichen, sondern es werden unter Einbeziehung aktueller Meßwerte und Betriebsdaten des Kessels in viel kürzeren Zeitabständen jeweils eine Simulationen der Reinigung durch­ geführt und die Auswirkungen der simulierten Reinigungen wirtschaftlich bewertet. Auf diese Weise können beispielsweise Änderungen im Be­ triebszustand des Kessels während des Zeitintervalls zwischen zwei Reini­ gungen automatisch berücksichtigt werden, während bei bisherigen Kon­ zepten erst nach Durchführen einer Reinigung festgestellt worden wäre, daß diese zu einem nicht optimalen Zeitpunkt stattgefunden hat.

Bei den meisten Kesselanlagen stehen sehr viele Meßwerte, insbesondere Temperaturen, Brennstoffdurchsätze, Dampfdurchsätze bei einzelnen Wärmetauschern usw. zur Verfügung, aus denen sich der Gesamtwir­ kungsgrad der Anlage und/oder die Wärmeübergangszahlen an einzelnen Wärmetauscherflächen errechnen lassen. Eine hinreichend genaue Basis für ein gutes Simulationsmodell ist daher im allgemeinen gegeben. Zu­ sätzlich kann das Simulationsmodell bei jedem tatsächlich aktivierten Reinigungsvorgang bezüglich seiner Ergebnisse mit den in der Wirklich­ keit erzielten Ergebnissen verglichen werden, wobei bei Abweichungen zwischen Modell und Wirklichkeit die gespeicherten Erfahrungswerte und/oder Parameter des Simulationsmodells angepaßt werden können. Auch diese Stufe der Lernfähigkeit führt zu im Laufe der Zeit immer genaueren und besser optimierten Ergebnissen, während bei anderen Konzepten im allgemeinen die Ergebnisse mit zunehmender Betriebszeit schlechter werden, bzw. oft erst beim nächsten Stillstand der Anlage nach Inspektion der Wärmetauscherflächen überprüft werden können.

Natürlich kann ein solches Simulationsmodell mehrere oder alle Heiz­ stufen der Kesselanlage gleichzeitig simulieren und Wechselwirkungen zwischen den Heizstufen bei Reinigungsvorgängen mit berücksichtigen. So ist es aus der oben zitierten EP 0 132 153 B1 bereits bekannt, daß der Reinigungsvorgang bei einer Wärmetauscherfläche zu einer stärkeren Verschmutzung der stromabwärts davon liegenden Wärmetauscherflächen führen kann, so daß bestimmte Reihenfolgen bei aufeinanderfolgenden Reinigungen eingehalten werden sollten. Auch zeigt sich, daß in bezug auf den wirtschaftlich wichtigen Gesamtwirkungsgrad der Anlage die Reinigung unterschiedlicher Wärmetauscherflächen bei gleichem Reini­ gungsaufwand unterschiedlich wirkungsvoll sein kann. So kann eine schlechte Wärmeaufnahme bei einzelnen Wärmetauscherflächen unter Umständen durch eine bessere Wärmeaufnahme bei nachfolgenden Wärmetauscherflächen ausgeglichen werden, was jedoch nicht für die am weitesten stromab im Kessel angeordneten Wärmetauscherflächen, z. B. eines Economizers, möglich ist. Auch hier hat ein Simulationsmodell Vorteile, welches die Reinigung einer Wärmetauscherfläche nicht nur auf die Wirkung in diesem Wärmetauscher prüft, sondern auch die Wirkung auf die nachfolgenden Stufen bei der Gesamtbetrachtung der Wirtschaft­ lichkeit berücksichtigt.

Zwar ist der wichtige Faktor der Erosion im allgemeinen durch Meßwer­ te und daraus abgeleitete Größen nicht feststellbar, jedoch gibt es, da es sich um ein Langzeitphänomen handelt, oft gute Erfahrungswerte hierzu, die bei Inspektionen des Kessels ggf. überprüft und korrigiert werden können. Erfindungsgemäß wird die Erosion als additiver Kostenanteil jedes Reinigungsprozesses bei der Bewertung der Simulationsergebnisse berücksichtigt, so daß erfahrungsgemäß hohe Kosten durch Erosion bestimmter Komponenten zu einer selteneren Aktivierung der Rußbläser in diesen erosionsgefährdeten Bereichen führen. Dies eröffnet auch die Möglichkeit, auf einfache Weise gezielt die evtl. bekannte Vorschädigung oder Anfälligkeit einer Wärmetauscherfläche durch Erosion automatisch zu berücksichtigen. Durch Erhöhung der für diese Wärmetauscherfläche angesetzten Erosionskosten ergeben sich automatisch längere Zeitabstände zwischen den turnusmäßigen Reinigungen, da die Erosionskosten bei der Bewertung der Simulationsergebnisse eingehen.

Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, dienen zur Lösung der gestellten Aufgaben auch Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 8 und 9.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und deren Umfeld werden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen

Fig. 1 eine Kesselanlage mit zugehöriger Steuervorrichtung für Rußbläser,

Fig. 2 schematisch die Wärmetauscher einer Kesselanlage mit zugehörigen Rußbläsergruppen, Meßstellen und Steuereinheit der Rußbläser und

Fig. 3 den Brennstoffmehrverbrauch bei einer Kesselanlage vor, während und nach einer Maximalreinigung aller Rußbläser­ gruppen in einer Kesselanlage gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Kesselanlage 1 mit Wandwärmetauschern 2 im Bereich der Feuerung und Rohrwärmetauschern 3 im nachfolgenden Teil der Kesselanlage. Beispielhaft für eine Vielzahl von Rußbläsern ist ein Rußbläser 4 dargestellt, welcher im Betrieb ein Reinigungsmedium 5 auf die von ihm zu reinigenden Wärmetauscherflächen spritzt. Jeder Rußbläser wird von einem variablen Antrieb 6 angetrieben und über eine druckgeregelte Zuführung 7 bei Betrieb mit dem Reinigungsmedium versorgt. Dabei kann die Druckregelung sowohl an jedem Rußbläser 4 gesondert vorhanden sein oder aber lediglich in einer Sammelzuleitung für eine oder mehrere Gruppe(n) von Rußbläsern. Da meist nur ein Rußbläser 4 oder eine Gruppe von benachbarten Rußbläsern 4 gleichzei­ tig aktiviert wird, kann der Aufwand für Druckregeleinrichtungen klein gehalten werden, da ein- und dieselbe Druckregeleinrichtung durch programmierte Sollwertvorgabe jedem individuellen Rußbläser einen anderen Druck liefern kann. Es ist immer noch möglich, durch individu­ ell einstellbare Drosseln an jedem Rußbläser 4 eventuelle Unterschiede zwischen gleichzeitig betriebenen Rußbläsern auszugleichen. In der Kessel­ anlage 1 sind viele Meßeinrichtungen 8 angeordnet, insbesondere Meß­ einrichtungen für Temperatur, Druck, Durchsatz usw. Im Bereich man­ cher Wärmetauscherflächen kann eine Kühlwassereinspritzung 9 vorgese­ hen sein. Ein zentrale Steuereinheit 10 erhält über Meßleitungen 13 Meßwerte von den Meßeinrichtungen 8 und über weitere Datenleitungen 14 zusätzliche Informationen, die unter Umständen auch manuell eingege­ ben werden können, über Brennstoff, Lastzustände und andere betriebs­ relevante Daten. Über Steuerleitungen 15, 16 steht die Steuereinheit 10 mit den variablen Antrieben 6 und der Druckregeleinrichtung 7 in Verbindung. Ein Speicher 11 enthält die aktuellen Reinigungsparameter für jeden Rußbläser 4 bzw. jede Rußbläsergruppe. Ein Vergleicher 12 enthält Referenzdaten und Erfahrungswerte, die mit aktuellen Reinigungs­ parametern und Meßwerten verglichen werden können. Ein Rechnermodul 17 kann in einer erweiterten Ausführungsform ein Simulationsmodell der Kesselanlage 1 enthalten, mit dessen Hilfe Reinigungsvorgänge vor ihrer Ausführung simuliert und nach wirtschaftlichen und technischen Gesichts­ punkten bewertet werden können, so daß die tatsächliche Ausführung nur stattfinden muß, wenn der Nutzen größer als die technischen und wirt­ schaftlichen Nachteile ist.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die in einer Kesselanlage 1 angeordneten Wärmetauscher und ihre Verschaltung untereinander. Es handelt sich um einen typischen Kessel eines Großkraftwerkes. Die Wände des Feuerungsraumes enthalten (Wand-)Wärmetauscher 2, die zur Verdampfung von Wasser und zur Überhitzung des entstehenden Damp­ fes dienen. Dahinter sind im Inneren der Kesselanlage verschiedene, meist aus vielen Rohren bestehende (Rohr-)Wärmetauscher 3 angeordnet, die als Hochdrucküberhitzer, Zwischenüberhitzer und schließlich als Economizer ausgebildet sind. Weiterhin gezeigt sind mehrere Rohrwärme­ tauscher 3 mit nachgeschalteter Kühlwassereinspritzung 9. Im allgemeinen sind alle Stufen der Kesselanlage mit Meßgeräten zum Betrieb ausgestat­ tet, so daß die Meßwerte von Druck P Temperatur T und Durchsatz­ menge M an vielen Stellen zur Verfügung stehen. Diese und andere Meßwerte können über Meßleitungen 13 und Datenleitungen 14 der zentralen Steuereinheit 10 zugeführt und dort ausgewertet werden, ins­ besondere in einem Rechnermodul 17 zur Simulation der Kesselanlage 1 dienen. Die zentrale Steuereinheit steht dabei mit einem Speicher 11 für Reinigungsparameter und einem Vergleicher 12 mit Referenzdaten und Erfahrungswerten in Verbindung. Über Steuerleitungen 15, 16 können Antrieb und druckgeregelte Zuführung von Reinigungsmedium für be­ stimmte Rußbläser 4 angesteuert werden, wenn eine Aktivierung erfolgen soll. Dabei steuert die zentrale Steuereinheit 10 sowohl die in den Kessel 1 einfahrbaren Rußbläser 4 als auch eventuelle, in Fig. 2 nicht dargestellte Wasserlanzen für die Wandwärmetauscher im Bereich des Feuerraumes. Es sei noch erwähnt, daß als zusätzliche Informationen für die zentrale Steuereinheit weitere Meßwerte über den Brennstoff, den Wassergehalt des Brennstoffs, den Sauerstoff im Abgas, die Abgastempe­ ratur usw. zugeleitet werden können. Auch Meßwerte von Sensorsystemen zur direkten Bestimmung von Ablagerungen an Wärmetauscherflächen können mitverwertet werden, um die Genauigkeit der Steuerung zu erhöhen. Als besonders günstig hat es sich auch erwiesen, die Dampf­ überhitzung in der Trennflasche 18, in der Wasser und Dampf getrennt werden, zu messen und daraus eine genauere Aussage über den Zustand der Wandwärmetauscher des Feuerraumes zu gewinnen.

Im folgenden seien nochmals einige Grundlagen, auf denen die Erfindung basiert und die für ein Simulationsmodell eines Kessels wichtig sind angegeben:
Ein einfaches Simulationsmodell benötigt z. B. folgende Daten für seinen Betrieb:

• - Last (MW oder %) oder Brennstoffverbrauch (GJ/h) oder eine andere den Lastzustand beschreibende Größe;
• - Abgastemperatur;
• - Lufttemperatur.

(Abgastemperatur und Lufttemperatur werden als Differenz zur Berech­ nung des Kesselwirkungsgrades herangezogen).

• - Luftüberschuß;
• - Wassergehalt des Brennstoffes;
• - Dampfüberhitzung an der Trennflasche;
• - Einspritzmengen der Kühler;
• - Rauchgas-Druckverlust.

Die Kesselverschmutzung erhöht die Abgastemperatur und damit den Abgasverlust des Kessels, der nach bekannten Formeln aus einigen elementaren Meßgrößen berechnet werden kann. Erhöhter Abgasverlust des Kessels muß durch zusätzlichen Brennstoff kompensiert werden. Die Kesselverschmutzung bewirkt demnach einen Brennstoffmehrverbrauch, der in die Optimierung der Kesselreinigung einzubeziehen ist.

Die Verschmutzung aller Heizflächen zusammen bewirkt die o.g. Erhö­ hung des Abgasverlustes. Durch Einsatz der Rußbläser werden die Heiz­ flächen gereinigt und damit der Abgasverlust wieder verringert. Eine Teiloptimierung des Rußbläsereinsatzes würde schon dadurch erreicht, daß die Lange des Blasintervalls (Zeitabstand von Blasbeginn zu Blasbeginn) so gewählt wird, daß die Summe aus Brennstoffmehrverbrauch und den Kosten des Rußbläserbetriebes ein Minimum annimmt. Die Auswertung von Betriebsmessungen an Kesseln zeigt jedoch, daß die Heizflächen unterschiedlich stark verschmutzen und daß zusätzlich die gleiche Ver­ schmutzung unterschiedlicher Heizflächen eine unterschiedlich große Auswirkung auf den Abgasverlust hat. Es ist daher sinnvoll, die unter­ schiedlichen Rußbläsergruppen mit unterschiedlichen Blasintervallen zu betreiben.

Fig. 3 zeigt einen typischen Verlauf von Heizflächenverschmutzung und Reinigung, wobei alle Bläser nacheinander gruppenweise (Gruppen 1 bis 13) betrieben wurden. Dargestellt ist über der Zeit t (h) der Brennstoff­ mehrverbrauch X (%) gegenüber dem "vollständig sauberen Zustand". Die Bläsergruppen 1 bis 6 sind im Feuerraum, die Bläsergruppen 7 bis 13 an den Berührungsheizflächen angeordnet, wobei Gruppe 13 den Econo­ mizer reinigt.

Während der Zeitperioden ohne Bläserbetrieb ist eine Verschmutzungs­ rate zu verzeichnen, die durch die Steigerung des Brennstoffmehrver­ brauchs von ΔX_V/Δt gekennzeichnet ist. Beim Betrieb der ver­ schiedenen Bläsergruppen wird durch deren Reinigung der Abgasverlust des Kessels und damit der Brennstoffmehrverbrauch gegenüber dem "vollständig sauberen Zustand" unterschiedlich stark beeinflußt. Die größten Verbesserungen treten beim Blasen der Heizflächen auf, die am Ende des Rauchgasweges angeordnet sind. Dies ist physikalisch dadurch zu erklären, daß einerseits die Dampftemperaturen des Dampfstromes an mehreren Stellen durch Einspritzkühler konstant gehalten werden, und andererseits die Verschmutzung von Heizflächen mit großem Abstand zum Abgasaustritt durch erhöhte Wärmeaufnahme nachgeschalteter Heiz­ flächen kompensiert wird.

Die Bläsergruppe 12 beispielsweise bewirkt im Zeitintervall ΔtB_B12 eine dargestellte Verringerung des Brennstoffmehrverbrauchs ΔX₁₂. Die gesamte Verbesserung durch Blasen mit Gruppe 12 ist größer, da die beschriebene Verringerung auf den Anstieg ΔX_V/Δt ohne Blasen bezogen werden muß, und beträgt insgesamt in erster Näherung:

ΔX₁₂ total = ΔX₁₂ + ΔX_V/Δt_*Δt_B12

Die Heizflächenverschmutzung ΔX₁₂ total, die durch Blasen der Gruppe 12 beseitigt wurde, ist im Zeitintervall Δt_V12 entstanden, das den Abstand zwischen zwei Blaszyklen der Bläsergruppe 12 beschreibt. Bei Verlänge­ rung oder Verkürzung dieses Zeitintervalls ändert sich ΔX₁₂ total entspre­ chend mit proportionaler Abhängigkeit.

Das System speichert den Quotienten ΔX₁₂ total/Δt_V12 und hat damit die Information verfügbar, welche Verbesserung ΔX ein Blasbe­ trieb der Bläsergruppe 12 zu einem beliebigen Zeitpunkt erbringen würde, wenn zu diesem Zeitpunkt geblasen würde. Die mit dem Zeit­ intervall seit dem letzten Blasen dieser Gruppe errechnete Verringerung des Brennstoffmehrverbrauchs (%) multipliziert mit dem Brennstoffver­ brauch des Kessels (GJ/h) und den Brennstoffkosten (DM/GJ) ergibt eine Kostensenkung (DM/h).

Die Verschmutzungsraten sind abhängig von der verfeuerten Brennstoff­ menge und anderen Betriebsbedingungen. Vereinfachend wird angenom­ men, daß die Verschmutzungsrate proportional zur Last (% oder MW oder t/h) sei.

In kurzen Zeitintervallen (in Zeiten ohne Bläserbetrieb) bestimmt das Simulationsmodell den Anstieg der Brennstoffmehrkosten ΔX_V/Δt und normiert diese Steigung proportional auf eine Last von 100%. Dabei wird über mehrere Zeitintervalle gemittelt, um Ungenauigkeiten zu beseitigen. Mit diesem Wert wird, wie oben beschrieben, für jede Bläser­ gruppe getrennt und entsprechend der augenblicklichen Last der augen­ blickliche Brennstoffmehrverbrauch durch Verschmutzung der dieser Bläsergruppe zugeordneten Heizfläche berechnet, wobei das Zeitintervall seit dem letzten Blasen dieser Bläsergruppe eingeht.

Dieser Brennstoffmehrverbrauch wird über die Vielzahl der Zeitintervalle seit dem letzten Blasen integriert, wobei auch die unterschiedlichen Lastzustände in diesem Zeitraum Berücksichtigung finden. Insgesamt wird für jede Bläsergruppe ein Brennstoffmehrverbrauch (DM) seit dem letzten Blasen aufsummiert.

Falls eine Bläsergruppe in diesem Augenblick betrieben würde, entstün­ den Betriebskosten durch Blasen (DM)
Blasmittelverbrauch
Beeinträchtigung der Kesselleistung durch Einmischen des Blasmittels in den Rauchgasstrom
Verschleiß und entsprechende Wartungskosten der Rußbläser
Erosionsgefährdung der Kesselrohre.

Mit Ausnahme der Erosionsgefährdung sind dies feste Kosten, die an­ lagenspezifisch in dem System gespeichert sind. Die Erosionsgefährdung wird später behandelt.

Nach jedem Meßintervall wird die Gesamtkostensumme (DM) gebildet aus Brennstoffmehrverbrauch (DM) seit dem letzten Blasen und Betriebs­ kosten durch Blasen (DM), falls in diesem Augenblick geblasen würde. Durch Disvision dieser Gesamtkostensumme durch das Zeitintervall seit dem letzten Blasen dieser Bläsergruppe werden die mittleren Gesamt­ kosten (DM/h) gebildet. Betrachtet man den Zeitraum nach dem Blasen einer Gruppe, so fallen die Werte für diese mittleren Gesamtkosten (DM/h) zunächst steil ab. Der Abfall wird immer flacher und erreicht irgendwann ein Minimum, um danach wieder anzusteigen. Der optimale Blaszeitpunkt für eine Bläsergruppe ist erreicht, sobald die mittleren Gesamtkosten (DM/h) das Minimum erreicht haben und wieder anstei­ gen.

Bei jedem Blasen einer Bläsergruppe wird ΔX erneut gemessen und entsprechend berücksichtigt, wobei auch hier zum Ausgleich von Un­ genauigkeiten mehrere Zyklen gemittelt werden können.

Neben dem Abgasverlust überwacht das System zusätzlich die Dampf­ überhitzung am Verdampferaustritt (gemessen z. B. an der Trennflasche), da dieser Wert mit großer Genauigkeit eine Aussage über die unter­ schiedliche Verschmutzung der Wandheizflächen im Feuerraum ermög­ licht. Damit wird die Aussagegenauigkeit der Abgastemperatur und damit des Wertes ΔX im Bereich der Verdampferheizflächen beträchtlich ver­ bessert.

Kesselrohre sind auch ohne Rußblasen einer Korrosions- und Erosions­ beanspruchung unterworfen. Die Kinetik der Stahloxydation unter dem chemischen Einfluß der Brennstoffasche ist abhangig vom Rohrwerkstoff, der örtlichen Temperatur und der örtlichen Aschezusammensetzung (Brennstoff, Temperatur). Mögliche Erosion findet statt oberhalb spezifi­ scher Grenzwerte für die Rauchgasgeschwindigkeit, in Abhängigkeit vom Rohrwerkstoff, der örtlichen Rauchgasgeschwindigkeit und -temperatur sowie in Abhängigkeit von Aschekörnung und -konzentration.

Die Erosionsgefährdung für Kesselrohre durch den Rußbläserbetrieb hat zwei unterschiedliche Komponenten:

• - Mechanischer Abtrag der Oxidschicht und von Basismaterial durch den Kraftimpuls des Rußbläserstrahles, verstärkt durch den örtlichen Aschegehalt des Rauchgases und eventuellen Wassergehalt des Blas­ mediums.
• - Erhöhte Korrosionsrate unter dem Einfluß der Brennstoffasche nach teilweiser oder vollständiger Zerstörung der Oxidschicht durch den Kraftimpuls des Rußbläserstrahles, bis zum Aufbau einer neuen Oxidschicht.

Bei Auslegung und Inbetriebsetzung der Rußbläseranlagen zur Minimie­ rung der Erosionsgefährdung sollte beachtet werden, daß der Kraftimpuls des Blasstrahles spezifische Grenzwerte nicht überschreitet, in Abhängig­ keit von Düsendurchmesser, Blasmedium, Blasdruck, Entfernungen Düse - Heizfläche, Rauchgastemperatur und Brennstoff.

Eine aus Erfahrungen gewonnene Erkenntnis ist, daß bestimmte Betriebs­ parameter der Rußbläseranlage auf die Erosionsgefährdung in erster Näherung direkt proportional wirken. Man kann daher recht gute Ab­ schätzungen machen, welche Kosten bestimmte Reinigungsparameter bei jedem Reinigungsvorgang durch Erosion verursachen, da man typische Anzahlen von Reinigungsvorgängen bestimmter Intensität bis zur nächsten notwendigen Sanierung wegen Erosion und die Sanierungskosten kennt.

Zusätzlich zu den hier beschriebenen Maßnahmen ist es natürlich mög­ lich in erweiterten Steuerungssystemen zusätzlich Blasdruck und Verfahr­ geschwindigkeit der Bläser zu beeinflussen. Ohne diese Erweiterung nehmen die Korrekturfaktoren einen festen Wert an. Letzlich enthält das System für einen spezifischen Kessel mit einer spezifischen Rußbläser­ anordnung für jede Bläsergruppe einen festen Wert

EK Erosionskosten (DM/Bläsergruppe je Blasvorgang),

der zusammen mit den übrigen o.g. Kosten in die Optimierung einfließt.

Dampfseitig werden an mehreren Stellen die Dampftemperaturen durch Einspritzen von Kesselspeisewasser (oder von niedrigerem Druckniveau) geregelt. Durch Heizflächenverschmutzungen verschieben sich im Kessel die übertragenen Wärmemengen und führen zu Änderungen des Dampf­ temperaturverlaufes, die durch geänderte Einspritzmengen kompensiert werden. Die Einspritzmengen sind jedoch in ihrer Kapazität begrenzt. Der Rußbläsereinsatz muß daher auf diese Kapazitätsgrenzen Rücksicht nehmen.

Für jedem Rußbläser läßt sich qualitativ in Abhängigkeit von der aktuellen Heizflächenverschmutzung die Einwirkung auf die verschiede­ nen Einspritzmengen festlegen. Diese Abhängigkeiten berücksichtigt das Simulationsmodell bei der Festlegung der optimalen Blasstrategie.

Für alle Bläsergruppen wird außerdem ein maximal zulässiges Blasinter­ vall (h) festgelegt, das nicht überschritten werden soll. Je geringer die Differenz zwischen aktuellem Zeitintervall seit dem letzten Blasen dieser Gruppe und dem maximal zulässigen Wert, desto höher wird die Not­ wendigkeit bewertet, diese Bläsergruppe zu betreiben.

Wie oben beschrieben, soll aus wirtschaftlichen Gründen dann geblasen werden, wenn die mittleren Gesamtkosten (DM/h) für diese Bläsergruppe ein Minimum annehmen. Der Abstand vom Minimum wird durch die Steigung der Kurve (DM/h je h) beschrieben. Diese Werte sind zunächst negativ. Je größer dieser Wert, desto höher wird die Notwendigkeit bewertet, diese Bläsergruppe zu betreiben. Die Einwirkung des Betriebes einer Bläsergruppe auf die verschiedenen Einspritzmengen in Abhängig­ keit von der aktuellen Heizflächenverschmutzung wird für jeden spezifi­ schen Kessel einprogranuniert.

Es kann eine Entscheidungstabelle aufgestellt werden, die eine begrenzte Anzahl möglicher Blasalternativen enthält, von denen jede aus dem Betrieb einer oder mehrerer Bläsergruppen besteht. Das Simulations­ modell bewertet in kurzen Zeitabständen, ob eine der Blasalternativen eines der drei genannten Kriterien erfüllt. Befinden sich mehrere Blasal­ ternativen in einem festgelegten Entscheidungsspielraum, so wird die günstigste ausgewählt.

Nach Durchführung des vorgeschlagenen Blasvorganges überprüft das System den Erfolg und berücksichtigt diesen bei späteren Entscheidungen. Bei einer übermäßigen Abnahme des Reinigungserfolges gegenüber einem vorgegebenen Grenzwert kann ein Alarmsignal oder eine Fehlermeldung ausgelöst werden.

Bei allen Aktionen werden weitere in einer zusätzlichen Datei festgeleg­ ten Grenzwerte beachtet, wie z. B. eine max. zulässige Abgastemperatur.

Die zentrale Steuereinheit bzw. das Simulationsmodell können die oben beschriebenen Änderungen des Abgasverlustes nur dann den einzelnen Rußbläseraktionen zuordnen, wenn von der Rußbläseranlage entspre­ chende Rückmeldungen erfolgen.

Nach Durchführung und Bestätigung durch das Betriebspersonal wird jede Blasaktion in einer Datei gespeichert und steht für eine spätere Aus­ wertung zur Verfügung.

Mit dem bisher beschriebenen Modell werden die thermodynamischen Auswirkungen unterschiedlicher Blasaktionen auf den Abgasverlust des Kessels und damit auf den durch Heizflächenverschmutzung verursachten Brennstoffmehrverbrauch ausgewertet. Dabei ist nicht erkennbar, um welche Heizfläche es sich handelt; nur Gesamtwirkungen werden sichtbar und damit optimierbar.

Eine Verbesserung der Aussagegenauigkeit und damit der Optimierungs­ qualität ist durch Einbeziehung von Daten über die Einzelheizflächen zu erreichen, der die einzelnen Heizflächen des Kessels gesondert in den Überwachungs- und Optimierungsprozeß einbezieht.

Das System ermittelt in kurzen Zeitabständen von z. B. 5 Minuten den Istzustand des Kessels. Dazu sind die zentrale Steuereinheit bzw. das Rechnermodul mit der Kessel-Meßanlage verbunden.

Für jeden Rohrwärmetauscher (z. B. Hochdrucküberhitzer "HD1" oder Ekonomizer "EKO") werden für die Rauchgasseite und die Dampfseite Massenströme sowie Ein- und Austrittstemperaturen und für die Dampf­ seite zusätzlich Ein- und Austrittsdrücke gemessen bzw. aus anderen Meßwerten berechnet.

Für die Dampfseite ermittelt das System aus Druckmeßwerten (Pd1, Pd2) und Temperaturmeßwerten (Td1, Td2) die Dampfenthalpie (Hd1, Hd2) und basierend auf Enthalpiedifferenz und Dampfmassenstrom die über­ tragene Wärmeleistung Q (kW).

Da Dampfkessel in der Regel nur wenige aussagefähige Meßstellen für die Temperaturprofile des Rauchgasstromes besitzen, errechnet das System für jede Heizfläche A (m²) getrennt die Rauchgastemperatur Trg1 vor der Heizfläche mit Hilfe der Rauchgastemperatur Trg2 nach der Heizfläche, dem Massenstrom Mrg des Rauchgases und der dampfseitig ermittelten übertragenen Wärmeleistung Q. Die spez. Wärme des Rauch­ gases wird temperaturabhängig aus gespeicherten Stoffwerten übernom­ men. Als Basistemperaturmessung dient in der Regel die Rauchgastempe­ ratur hinter dem Ekonomizer vor dem Luftvorwärmer.

Basierend auf den Temperaturen Trg1, Trg2, Td1 und Td2 berechnet das System die logarithmische Temperaturdifferenz ΔTln, wobei z. B. die Heizflächen als Gleichstrom- oder Gegenstromwärmetauscher zu kenn­ zeichnen sind.

Aus den o.g. Werten berechnet das System für jede Heizfläche den aktuellen Wärmedurchgangskoeffizienten K aus der Beziehung

K = Q/(A_*ΔTln)

Durch Vergleich des aktuellen K-Wertes mit einem gespeicherten Refe­ renz-K-Wert für den "sauberst möglichen Zustand" Kref wird der Reini­ gungszustand CF berechnet nach der Beziehung

CF = K/Kref

Dieser beschreibt den Sauberkeitszustand der Heizfläche in % vom saubersten Zustand (Referenzzustand).

Für die Strahlungsheizflächen des Verdampfers ist die o.g. K-Wertmes­ sung nicht anwendbar. Für diese Heizflächen überwacht das System die Dampfüberhitzung am Verdampferaustritt (gemessen z. B. an der Trenn­ flasche) sowie die Abgastemperatur, wie oben beschrieben.

Neben dem Reinigungszustand der einzelnen Heizflächen sind die Ein­ spritzmengen der Einspritzkühler von besonderem Interesse, da partielle Verschmutzungszustände des Kessels die Einspritzmengen (hauptsächlich die Einspritzmenge des ZÜ-Kühlers) stark beeinflussen, und die Kapazität der Einspritzmengen begrenzt ist.

Die Referenzwerte Kref in Abhängigkeit von der Last und eventuell in Abhängigkeit vom Brennstoff werden in einem Speicher abgelegt. Diese Werte Kref können einigen aktuellen Zustandsgrößen entsprechend mit Korrekturfaktoren korrigiert werden über die Beziehung

1/Kref = 1/α rg + 1/α d

So erfolgt beispielsweise die Korrektur von α d nach der Dampfge­ schwindigkeit über die Beziehung

α d1/α d2 = (Wd1/Wd2)ˆ0,8

Korrekturen werden nur in einem Umfang vorgenommen, wie es der Aufgabenstellung entspricht.

Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung den gezielten Einsatz einzelner Rußbläser oder Rußbläsergruppen mit jeweils individuellen den aktuellen Zuständen entsprechenden Reinigungsabständen, die so festge­ legt werden, daß die Gesamtkosten für den Anlagenbetrieb möglichst gering sind.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung von Rußbläsern (4) einer Kesselanlage, die einzeln oder gruppenweise aktivierbar sind und die Wärmetauscher­ flächen (2, 3) des Kessels (1) in Zeitabständen von Ablagerungen befreien, mit folgenden Merkmalen:

• a. bestimmte Meßwerte (P, T M) und/oder daraus berechnete Größen der gesamten Kesselanlage (1) und/oder einzelner Stufen, die Aussagen über den Reinigungszustand der Wärme­ tauscherflächen (2, 3) zulassen, werden beobachtet;
• b. anhand eines Simulationsmodells der Kesselanlage und unter Einbeziehung von gespeicherten Erfahrungswerten und/oder früheren Meßwerten wird in Zeitintervallen die Wirkung der Aktivierung von einzelnen Rußbläsern (4) oder Gruppen von Rußbläsern (4) auf die gemessenen und/oder berechneten Grö­ ßen simuliert;
• c. die Wirkung auf die gemessenen und/oder berechneten Größen wird im Hinblick auf wirtschaftliche Vor- und Nachteile, ins­ besondere unter Berücksichtigung der Auswirkung auf Kosten­ ersparnis für Brennstoff durch Wirkungsgraderhöhung, Kosten für Reinigungsdampf und Verschleiß der Rußbläser (4) und Folge­ kosten für Erosionsschäden, bewertet;
• d. es werden erst dann einzelne Rußbläser (4) oder Gruppen von Rußbläsern (4) aktiviert, wenn die Vorteile der simulierten Wirkung dieser Rußbläser bei Aktivierung gegenüber wirtschaftli­ chen Nachteilen der Aktivierung überwiegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meß­ werte ohnehin bei der Kesselanlage (1) gemessene Meßwerte, ins­ besondere Druck, Temperaturen, Brennstoffdurchsätze, Dampfdurch­ sätze bei einzelnen Wärmetauschern etc., herangezogen werden, aus denen sich insbesondere der Gesamtwirkungsgrad der Anlage und/oder die Wärmeübergangszahlen an einzelnen Wärmetauscherflächen (2, 3) berechnen lassen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Simulationsmodell bei jedem tatsächlich aktivierten Reinigungsvorgang die sich dabei ergebenden Meßwerte und/oder daraus berechneten Größen mit den Ergebnissen der vorherigen Simulation vergleicht (12) und bei Abweichungen zwischen Modell und Wirklichkeit, die gespeicherten Erfahrungswerte und/oder Parameter des Simulations­ modells anpaßt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Simulationsmodell mehrere oder alle Heiz­ stufen der Kesselanlage (1) gleichzeitig simuliert und Wechselwirkun­ gen zwischen den Heizstufen bei Reinigungsvorgängen mit berück­ sichtigt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß bei der Berechnung der Kosten für einen Blasvorgang die indirekten Kosten durch Erosionsschäden mit einbezogen werden, indem ein Erfah­ rungswert oder ein Schätzwert für diese Kosten zu den direkten Reinigungskosten addiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei be­ kannter Vorschädigung einer Wärmetauscherfläche durch Erosion der Reinigungsintervalle für diese Wärmetauscherfläche zu verlängern und so die Lebensdauer der vorgeschädigten Wärmetauscherfläche der von anderen Wärmetauscherflächen anzupassen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Kessel­ anlagen (1), in denen geregelt Kühlwasser zur Vermeidung von Übertemperaturen an bestimmten Wärmetauscherflächen eingespritzt (9) wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein turnusmäßiger Reinigungs­ vorgang nur ausgelöst wird, wenn die eingespritzte Kühlwassermenge pro Zeiteinheit einen vorgebbaren Betrag unterschreitet, und/oder unterbunden wird, wenn die eingespritzte Kühlwassermenge pro Zeiteinheit einen vorgebbaren Betrag überschreitet.

8. Vorrichtung zur Steuerung von Rußbläsern (4) einer Kesselanlage, die einzeln oder gruppenweise aktivierbar sind und die Wärmetau­ scherflächen (2, 3) des Kessels (1) in Zeitabständen von Ablagerun­ gen befreien, mit

• - Meßeinrichtungen (8) für Meßwerte (P, T, M), aus denen sich Aussagen über den Reinigungszustand der Wärmetauscherflächen (2, 3) gewinnen lassen, insbesondere über den Gesamtwirkungs­ grad des Kessels;
• - einer zentralen Steuereinheit (10) zur Ansteuerung der Ruß­ bläser (4);
• - einem mit der zentralen Steuereinheit (10) verbundenden Rech­ nermodul (17) zur Berechnung von Daten aus den Meßwerten anhand eines Simulationsmodells der Kesselanlage und zur Simulation und Bewertung von Reinigungsvorgängen;
• - einem zentralen Speicher (12) mit Erfahrungswerten über die Auswirkungen und Kosten der Aktivierung einzelner Rußbläser (4) oder von Gruppen von Rußbläsern (4).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Steuereinheit eine Sperrschaltung umfaßt, die eine Ansteue­ rung von Rußbläsern (4) erst freigibt, wenn anhand des Simulations­ modells im Rechnermodul (17) der auszulösende Reinigungsvorgang simuliert und als wirtschaftlich sinnvoll bewertet wurde.