DE19509704A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung von Verbrennungsprozessen in Öl- oder Gasbrennern durch die Auswertung von Strahlungsmessungen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Verbrennungsprozesse werden durch eine Vielzahl von Parametern beeinflußt. Aufgrund der Vielzahl zu beachtender relevanter Parameter ist es oft schwierig, einen Verbrennungsprozeß optimal zu führen. Ziel ist es immer die Brennstoffe, die als fossile Brennstoffe, Müll, Klärschlamm oder auch Sondermüll vorgegeben sind so zu verbrennen, daß ein Optimum an Energiegewinnung und ein Minimum an auftretenden Schadstoffen erreicht werden. Häufig wird durch Bestimmung der Schadstoffe im Abgas und durch die Messung der Flammentemperatur diagnostiziert, ob der Verbrennungsprozeß mit der notwendigen Effektivität abläuft. Durch Veränderungen der Zusammensetzung des Brennstoffes bzw. durch Variierung äußerer physikalischer Bedingungen, kann der Verbrennungsprozeß bis zu einem gewissen Grade gesteuert und geregelt werden. Bei Kleinfeuerungsanlagen, die mit Gas oder mit Öl betrieben werden, erfolgt die Regelung durch Messung der Temperatur. An geeigneten Stellen sind Temperatursensoren eingerichtet, die die Brennstoffzufuhr bzw. die Luftzufuhr beeinflussen können. Diese Art der Optimierung des Verbrennungsprozesses berücksichtigt nachteiligerweise nicht die Entstehung von Schadstoffen und anderer, den optimalen Verbrennungsprozeß beeinflussender Parameter.

In der DE 43 08 055 A1 wird ein Verfahren zur Regelung thermischer Prozesse beschrieben, das auf eine Müllverbrennungsanlage angewendet wird. Die Regeleinrichtung enthält einen sogenannten Klassifikator. In diesen gehen eine Vielzahl gemessener Daten ein, die klassifiziert und verdichtet werden. Die auf diese Weise verdichteten Prozeßparameter werden zu einem Situations-IST-Wert zusammengefaßt. Dieser Situations-IST-Wert wird dann mit einem Gesamtsollwert aus einer Vergleichseinrichtung verglichen und je nach Vorgabe werden dann die notwendigen Parameter verändert. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Großfeuerungsanlagen wie z. B. in Müllverbrennungsanlagen und ist für die Anwendung in Kleinverbrennungsanlagen ungeeignet.

Ein Verfahren zur spektralen Analyse von technischen Flammen ist in der DE 42 31 777 A1 beschrieben. Es werden gleichzeitig und unabhängig voneinander die Emissionen zumindest zweier Gasradikale (CO, CO₂) ein und derselben Flamme detektiert. Durch Korrelation der zeitlichen Funktion der Detektorsignale und durch Aufprägen der Flackerfrequenz der Flamme sollen die Störstrahlungsanteile unterdrückt und das gewonnene Detektorsignal zur Verbrennungssteuerung genutzt werden.

Nachteil dieses Verfahrens ist es, daß eine schmalbandige Auswertung an definierten Gasradikalen im IR Bereich vorgenommen wird, die technisch und kostenaufwendig ist und zur Auswertung nur die zeitliche Korrelation der Signale verwendet wird, wodurch nicht alle relevanten Betriebsparameter (z. B. Flamme AUS Alarm) erfaßt werden.

Es ist bekannt, daß zur Erreichung eines hohen feuertechnischen Wirkungsgrades die Abgasverluste gering gehalten werden müssen. Der Verbrennungsprozeß muß dazu so gesteuert werden, daß sich ein relativ hoher CO₂-Wert im Abgas einstellt.

In der Praxis ist es nicht möglich, mit der theoretischen Luftmenge eine vollkommene Verbrennung zu erreichen, da der Brennstoff nicht so aufgespalten werden kann, daß alle Moleküle gleichmäßig die erforderliche Luftmenge erhalten. Aus diesem Grund arbeitet man mit Luftüberschuß.

Der Luftüberschuß muß aber wiederum gering gehalten werden, da die überschüssig zugeführte Luftmenge erwärmt werden muß, was ein Sinken der Flammentemperatur und ein Steigen der Abgastemperatur und damit eine Verschlechterung des feuertechnischen Wirkungsgrades zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verbrennungsprozesse hinsichtlich eines hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrades bei gleichzeitiger minimaler Schadstoffemission effektiver zu machen und kostengünstige Anordnungen für die Anwendung in Kleinverbrennungsanlagen anzubieten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 9.

Eine möglichst schadstoffarme Verbrennung bei gleichzeitig hohem feuertechnischem Wirkungsgrad ist durch ein den Umgebungsbedingungen angepaßtes Mischungsverhältnis von Brennstoff und Luft realisierbar.

In der Regel wird das Brennstoff/Luft Gemisch z. B. bei Kleinverbrennungsanlagen einmal eingestellt und in längeren periodischen Zeitabständen eine Messung der emittierten Schadstoffe durchgeführt.

Das eingestellte Gemisch unterliegt aber im Betrieb verschiedenen Störungen, die es negativ beeinflussen. Die folgenden Störgrößen können beispielsweise zu einem Luftmangel oder Luftüberschuß führen:

• - Luftdruckänderungen
• - Luftfeuchteänderungen
• - Lufttemperaturänderungen
• - Heizwertschwankungen und
• - Viskositätsänderungen des Heizöls.

Erfindungsgemäß wird durch die Erfassung und Auswertung der Verbrennungsqualität eine Regelung des Verbrennungsprozesses realisiert.

Die Erfindung baut darauf auf, daß bei jedem Verbrennungsprozeß in der Form von elektromagnetischer Strahlung Energie frei wird. Die spektrale Strahlungsverteilung hängt dabei sowohl vom Brennstoff als auch von der Verbrennungsqualität, wie sie aus dem Brennstoff/Luft Gemisch resultiert, ab.

Der zu betrachtende Wellenlängenbereich erstreckt sich dabei vom kurzwelligen Ultraviolett(UV)- bis zum langwelligen Infrarot-(IR)-Licht.

Die Erfassung der Verbrennungsqualität wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unabhängig voneinander in zwei Spektralbereichen die Intensität der Strahlung bestimmt wird.

Das Verfahren ist nicht auf die Erfassung schmaler Emissionskonstanten angewiesen.

Erfindungsgemäß werden an sich bekannte Sensorelemente, deren Empfindlichkeitsmaxima in den folgenden Spektralbereichen liegen, zu einem Mehrbereichsspektralsensor kombiniert:

• - UV Bereich 280-350 nm
• - BLAU Bereich 420-480 nm
• - GELB Bereich 560-620 nm
• - IR Bereich 800-5000 nm

Die Auswahl der Bereiche für eine konkrete Realisierung eines Zweibereichsspektralsensors muß in Abhängigkeit vom jeweiligen Brenner und dem verwendeten Brennstoff empirisch erfolgen.

Bei der Auswahl der Bereiche muß beachtet werden, daß für den konkreten Brenner die sicherheitstechnische Flammenerkennung parallel mit realisiert werden kann, die verhindert, daß größere Mengen unverbrannten Brennstoffs in den Kessel gelangen können.

Nach dem Stand der Technik kann die Ausbildung einer Flamme sowohl durch die Intensität ihrer UV-Emissionen als auch durch ein der Intensität überlagertes Frequenzsignal detektiert werden.

Aus den Sensorsignalen wird eine Steuerspannung erzeugt, die das Pulsieren der Strahlung abbildet. Mit dieser Steuerspannung werden auf an sich bekannte Weise die Sensorsignale in einem phasenempfindlichen Gleichrichter, mit dem Ziel der Unterdrückung von Signalspannungsanteilen, deren Frequenz von der Frequenz der Steuerspannung abweicht, wie es auf die "Graue"Hintergrund-Strahlung eines Verbrennungsraumes zutrifft, gleichgerichtet.

Das Verhältnis der beiden Ausgangssignale zueinander ist eine mögliche Abbildung der Verbrennungsqualität.

Zusätzlich kann die Temperatur im Verbrennungsraum gemessen und als zusätzliche Meßgröße für die Brennersteuerung genutzt werden.

Die so gewonnenen IST-Werte werden mit den SOLL Werten, die anlagenspezifisch empirisch ermittelt und im Regler gespeichert werden, verglichen. In einstellbaren Regelschritten wird ein Brennstoffstellglied entsprechend verändert.

Damit wird der Verbrennungsprozeß trotz vielschichtiger Einwirkungsmechanismen, wie Luftdruckänderung, Luftfeuchteänderung, Lufttemperaturänderung oder Heizwertschwankung u. a., erfindungsgemäß ständig mit einer optimalen Einstellung gefahren.

Es zeigt sich, daß die Auswertung einzelner, definierter Spektralbereiche und die Temperaturmessung im Verbrennungsraum in Verbindung mit der Verarbeitung empirisch ermittelter Verbrennungskonstanten auch eine sicherheitstechnisch relevante Auswertung verschiedenster Einwirkmechanismen zuläßt.

Als Sensoren können UV-Silicium-Sensoren mit z. B. integriertem Interferenzfilter sowie wellenlängenselektive Photoempfänger als Ein-Chip- oder Zwei-Chip-Varianten verwendet werden.

Weiterhin können Siliciumcarbidsensoren eingesetzt werden, deren spektrale Fotoempfindlichkeit Fremstrahlungseinflüsse unterdrückt Im IR-Bereich können üblicherweise neben Thermosäulen auch Si/PbS-Detektoren oder pyroelektrische Detektoren eingesetzt werden.

Die Signalverstärkung bzw. Strom/Spannungsumwandlung der Sensorsignale wird in einem abgeschirmten, hermetischen Miniaturmetallgehäuse sensornah realisiert.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit werden in Abhängigkeit vom Anwendungsfall zusätzliche abbildende optische Bauelemente (Linsen) in den Aufbau integriert.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Anordnung des Meß- und Regelsystems,

Fig. 2 Verlauf der beiden Ausgansspannungen eines Zweibereichsspektralsensors,

Fig. 3 Anordnung eines Zweibereichsspektralsen­ sors.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau des Meß- und Regelsystems zur Steuerung des Verbrennungsprozesses. Das Emissionsspektrum der Flamme 1 innerhalb einer Brennkammer 2, das durch einen Mehrbereichsspektralsensor 3, der als Zweibereichsspektralsensor ausgebildet ist, detektiert wird, ändert sich in Abhängigkeit von den Verbrennungsparametern. Zusätzlich kann durch ein in der Brennkammer 2 angeordneten Temperatursensor 4 die Temperatur gemessen und in einer Signalverarbeitungseinheit 5 verarbeitet werden.

In der Signalverarbeitungseinheit 5 wird aus den Sensorsignalen eine Steuerspannung erzeugt, die das Flackern der Flamme abbildet. Mit dieser Steuerspannung werden auf an sich bekannte Weise die Sensorsignale in einem phasenempfindlichen Gleichrichter gleichgerichtet. Die gleichgerichteten Sensorsignale werden in der Signalverarbeitungseinheit 5 entsprechend einem aufgabenspezifischen Algorithmus verarbeitet und damit die IST Werte für einen Regler 6 und das "Flamme AUS"- Signal für eine Brennersteuerung 7 erzeugt.

Die Brennersteuerung 7 liefert die SOLL Werte für den Regler 6. In Abhängigkeit vom Ergebnis der SOLL/IST- Vergleiche steuert der Regler 6 das Brennstoffstellglied 8, so daß der Brenner 9 immer mit einem hohen feuertechnischen Wirkungsgrad bei gleichzeitig minimaler Schadstoffemission gefahren wird.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der beiden Ausgangsspannungen eines als Zweibereichsspektralsensors ausgebildeten Mehrbereichsspektralsensors 3, hier bestehend aus einem im UV-Bereich empfindlichen Sensorelement 17 mit einer Kennlinie 11 und einem im Gelbbereich empfindlichen Sensorelement 18 mit einer Kennlinie 10. Die Kennlinien 10 und 11 zeigen den spektralen Intensitätsverlauf in Abhängigkeit vom Öldruck im Vergleich zur Kennlinie der Flammentemperatur 12.

Der optimale Arbeitsbereich 13, d. h. ein hoher feuertechnischer Wirkungsgrad bei gleichzeitiger minimaler Schadstoffemission, wird durch einen brennerspezifischen CO₂ Wert definiert. Dieser wird durch die Einregelung des Brennstoff-Stellgliedes 8 auf ein großes Verhältnis von UUV/UGELB erreicht.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung eines als Zweibereichsspektralsensor ausgebildeten Mehrbereichsspektralsensors 3. Durch ein breitbandiges Fenster 14 gelangt die Emissionsstrahlung der Flamme 1 in ein Gehäuse, daß aus einer hermetisch verschweißten Gehäusekappe 15 und einem Gehäuseboden 16 mit Anschlußpins 23 besteht.

Die Flammenemissionen werden durch ein Sensorelement 17, hier ein UV-Sensor, und durch Sensorelement 18, hier ein GELB-Sensor, detektiert. Durch die Filter 19a und 19b werden Fremdstrahlungseinflüsse vermindert und durch Linsen 20 eine Vergrößerung der Signalamplituden erreicht.

Die beiden Sensorelemente 17 und 18 sind auf einem Sensorträger 21 angeordnet. Die Signalvorverstärkerschaltungen 22 sind auf der Unterseite des Sensorträgers 21 angeordnet.

Bezugszeichenliste

1 Flamme
2 Brennkammer
4 Temperatursensor
5 Signalverarbeitungseinheit
6 Regler
7 Brennersteuerung
8 Brennstoffstellglied
9 Brenner
10 Kennlinie des Gelbsensors
11 Kennlinie des UV-Sensors
12 Kennlinie der Flammentemperatur
13 optimaler Arbeitsbereich
14 Fenster
15 Gehäusekappe
16 Gehäuseboden
17 Sensorelement
18 Sensorelement
19a Filter
19b Filter 2
20 Linse
21 Sensorträger
22 Signalverstärkung
23 Anschlußpin

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen mittels Strahlungsmessung, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens zwei verschiedene Spektralbereiche einer Flamme durch eine Sensoranordnung detektiert werden und die selektiv verstärkten Signale durch Verknüpfung mit empirisch ermittelten Verfahrenskonstanten mittels mathematischer Algorithmen ausgewertet und dann als Steuergrößen zur Regelung und zur Überwachung des Verbrennungsprozesses eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spektralbereiche der UV-Bereich 280-350 nm und/oder der Blau-Bereich 420-480 nm und/oder der Gelb-Bereich 560-620 nm und/oder der IR-Bereich 800-5000 nm detektiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß UV-Silicium-Sensoren verwendet werden, die über diskrete bzw. auf der Oberfläche realisierte Filteranordnungen auf Spektralbereiche eingestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß Silicium-Carbid(SiC)-Sensoren verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich die Temperatur im Verbrennungsraum gemessen und als Meßgröße dem Regelkreis zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis der verarbeiteten Signale zueinander als IST-Wert für einen Regelkreis zur Beeinflussung des Verbrennungsprozesses eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß je nach Brennertyp und Brennstoff in unterschiedlichen zwei Spektralbereichen die Intensität der Strahlung zur Abbildung der Verbrennungsqualität nachgewiesen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein detektierter Spektralbereich zur Flammenüberwachung verwendet wird.

9. Anordnung zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen durch Strahlungsmessung bestehend aus

• - einem Mehrbereichsspektralsensor (3), der außerhalb der Brennkammer (2) angeordnet ist und auf eine Flamme (1) gerichtet ist,
• - einer Signalverarbeitungseinheit (5), die ein Flammenüberwachungssignal für eine Brennersteuerung (7) generiert und über eine weitere Leitung ein IST-Wertsignal einem Regler (6) zur Verfügung stellt
• - einem mit dem Regler (6) verbundenes Brennstoffstellglied (8) für die Einstellung eines Brenners (9) und
• - einem Temperatursensor (4) zur Messung der Temperatur einer Flamme (1) mit Signalweiterleitung an die Signalverarbeitungseinheit (5).

10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Mehrbereichsspektralsensor (3) als Zweibereichsspektralsensor ausgebildet ist, der aus einer Gehäusekappe (15) und einem Gehäuseboden (16) besteht, auf dem auf einem Sensorträger (21), ein Sensorelement (17) mit einem dazugehörenden Filter (19a) und ein Sensorelement (18) mit einem dazugehörendem Filter (19b) aufweisend, derart angeordnet ist, daß die zu messende Strahlung über ein Fenster (14) in der Gehäusekappe (15) und über eine Linse (20) gleichzeitig auf beide Sensorelemente (17, 18) einwirkt.