DE19605287C2 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der Reisezeit eines Kessels - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung der Reisezeit eines mit Festbrennstoff gefeuerten Kessels nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 bzw. Anspruchs 9.

Bei einem mit Festbrennstoff gefeuerten Kessel wird der Festbrennstoff in eine Verbren­ nungszone des Kessels eingetragen und unter Verbrennungsluftzufuhr verbrannt. Bei dem Verbrennungsvorgang entsteht ein den Kessel durchströmendes Gas, das zum einen gas­ förmige Reaktionsprodukte und zum anderen feste Verbrennungsrückstände in Form von Aschepartikeln enthält. Die Aschepartikel werden mit dem Gas in Richtung Kesselaustritt transportiert und lagern sich bei diesem Transport teilweise an Wandungen und Einbauten des Kessels an.

Während des Betriebs eines Kessels sammeln sich daher an den Wandungen und Einbau­ ten des Kessels laufend Aschepartikel an, die zum Teil von nachströmendem Gas wieder abgetragen werden können, jedoch mit der Zeit zu Ablagerungen anwachsen. Derartige Ablagerungen führen zu einer schlechteren Wärmeübertragung über die Wärmeübertra­ gungsflächen der Wandungen und Einbauten des Kessels an Wasser- bzw. Dampfkreis­ läufe und aufgrund von zuwachsenden Querschnitten zu erhöhten Druckverlusten des Ab­ gases beim Vorbeiströmen an den Einbauten.

Ein Kessel hat daher eine durch diese Ablagerungen begrenzte Betriebsdauer, die soge­ nannte Reisezeit, und ist bei Erreichen von bestimmten Grenzwerten außer Betrieb zu nehmen und entsprechend zu warten. Als Grenzwerte für eine Außerbetriebnahme und eine fällige Wartung dienen im allgemeinen Maximaltemperaturen von Abgasen bei oder nach Kesselaustritt, deren Erreichen darauf schließen läßt, daß nur eine, unzureichend ge­ ringe Wärmeabgabe über die mittlerweile zugewachsenen Wärmeübertragungsflächen an die Wasser- bzw. Dampfkreisläufe stattfindet sowie maximal tolerierbare Druckverluste des Abgases beim Durchströmen der Einbauten des Kessels, wobei man hier bei Erreichen der Maximalwerte auf durch Ablagerungen stark verengte Strömungsquerschnitte schließt. In ähnlicher Weise kann auch die Kesseltemperatur zur Grenzwertfestsetzung herangezogen werden, wobei auch hier bei Erreichen einer Maximaltemperatur darauf geschlossen wird, daß die Wärmeabgabe an Wasser- bzw. Dampfkreisläufe infolge unzulässig stark ange­ wachsener Ablagerungen zu gering ist. Diese Grenzwerte haben den Nachteil, daß sie nur auf indirektem Wege eine Beurteilung der Ablagerungen ermöglichen und demzufolge ein relativ ungenaues Bild wiedergeben.

Bei den bekannten Vorgehensweisen wird das Ende der Reisezeit des Kessels praktisch nur abgewartet und der Kessel bei Erreichen der vorstehend genannt Grenzwerte außer Betrieb genommen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren und ein Einrichtung zur Steuerung der Reisezeit eines Kessels nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 9 anzugeben, das bzw. die frühzeitige Eingriffe bei der Verbrennung des Festbrennstoffs in dem Kessel erlaubt und dessen mögliche Reisezeit weitgehend ausnutzt.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 gelöst.

Auf diese Weise erhält man direkt ein Bild des aktuellen Zustands und der Entwicklung der Ablagerungen in einem Kessel und kann gezielt Maßnahmen ergreifen, um die verblei­ bende Reisezeit optimal auszunutzen. Hierbei kann zum Beispiel ein gerade verfeuerter Festbrennstoff durch einen Festbrennstoff ersetzt werden, der bei den gegebenen, mögli­ cherweise aufrechtzuerhaltenden Kessel- und/oder Feuerungskenngrößen ein günstigers Ablagerungsverhalten zeigt. Oder es kann der gleiche Festbrennstoff unter günstiger ein­ gestellten Kessel- und/oder Feuerungskenngrößen weiter verfeuert werden. Eine Verände­ rung der Kesselkenngrößen kann beispielsweise Kesseltemperatur und Dampfmenge umfassen. Eine Veränderung der Feuerungskenngrößen kann beispielsweise die Zufuhr von Primär- und Sekundärluft sowie den Massenstrom an Brennstoff umfassen.

Ausgehend von lediglich geringen Ablagerungen bzw. deren Entwicklung und Veränderun­ gen auf Wärmeübertragungsflächen, die sich relativ nah an einer Verbrennungszone im Kessel befinden, kann auf diese Weise auf die Bildung von Ablagerungen in Form von Ver­ schmutzungen und Verschlackungen an diesen Wärmeübertragungsflächen in Abgasrich­ tung nachgeordneten Wärmeübertragungsflächen Einfluß genommen werden.

Vorteilhaft werden die Temperaturverteilung, die Form, das Gewicht oder Volumen, das Fließverhalten und/oder das Anhaftungsverhalten der Ablagerungen durch die Kamera er­ faßt und mittels der Bildverarbeitung analysiert. Mit der Erfassung und der Analyse dieser Beobachtungsgrößen lassen sich Ablagerungsbildungsprozesse charakterisieren, die zum einen in einer Lernphase mit dem Festbrennstoffschlüssel des gerade verfeuerten Fest­ brennstoffs und den zeitgleichen Kessel- und/oder Feuerungskenngrößen zu einer Kes­ sel/Brennstoffdatenbank abgespeichert und zum anderen zu einem Vergleich bei der Steuerung herangezogen werden können.

Um weitere Informationen über den Ablagerungsmechanismus oder vorbeiströmende Aschepartikel zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Temperaturverteilung der Umgebung der Ablagerungen zu erfassen und zu analysieren. Hierbei können zum Beispiel heiße Asche­ partikel erkannt werden, die stromaufwärts an Wandungen oder Einbauten zu Anbackun­ gen führen können.

In vorteilhafter Weise können die Ablagerungen auf einem in den Kessel ragenden Ablage­ rungssensor beobachtet und analysiert werden, der mit zusätzlichen Meßeinrichtungen ver­ sehen ist. Eine besonders wirtschaftliche Ausgestaltung der Erfindung sieht das alleinige Beobachten der Ablagerungen auf dem Ablagerungssensor vor. Hierbei kann die Kamera mit dem allein auf den Ablagerungssensor gerichteten Objektiv besonders einfach ausge­ bildet werden. Zur Bestimmung des Gewichts der Ablagerungen ist der Ablagerungssensor bevorzugt mit einem Dehnungsmeßstreifen als zusätzlicher Meßeinrichtung versehen. Die erhaltenen Gewichtsdaten werden dann entsprechend den anderen Analysedaten verarbei­ tet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Abbildungen schematisch dargestell­ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Kessel zur Kohleverfeuerung.

Fig. 2 zeigt eine zeitliche Entwicklung von Ablagerungen an einem Schott des Kessels aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ausschnittsweise den Ablagerungsensor aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt Zeitdiagramme von Analysedaten der Ablagerungen, einer Kesselkenngröße und des Kohleschlüssels.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Kessel 1 zur Kohleverfeuerung weist in seinem unte­ ren Teil zwei gegenüberliegend angeordnete Brenner 2 und zwei in seinem oberen Teil an­ geordnete Schotten 3 eines Dampfkreislaufs auf. An einer Wandung 4 des Kessels 1 ist eine Öffnung 5 für das Objektiv 6 einer Kamera 7 vorgesehen. Das Objektiv 6 umfaßt eine in das Innere des Kessels 1 gerichtete, nicht dargestellte Stablinse. Die als CCD-Kamera ausgebildete Kamera 7 ist außenseitig des Kessels 1 von einer an der Wandung 4 befestig­ ten Halterung 8 aufgenommen und über eine Leitung 9 mit einem Rechner 10 verbunden. Der Rechner 10 steht in Verbindung mit einem Speicher 11. Die der Kamera 7 gegenüber­ liegende Wandung 12 des Kessels 1 nimmt einen Ablagerungssensor 13 auf, der in das Innere des Kessel ragt und unterhalb der Schotten 3 angeordnet ist. Die Wärmeübertra­ gungsflächen bildenden Schotten 3 weisen Ablagerungen 14 auf. In nicht dargestellten Bunkern ist Kohle gebunkert, die über die Brenner 2 in den Kessel 1 eingetragen und mit Luft zu dem durch die Pfeile angedeuteten Abgas verbrannt wird.

Das Objektiv 6 der Kamera 7 ist derart verstellbar vorgesehen, daß auf Ablagerungen 14 in verschiedenen Bildebenen scharf gestellt werden kann.

In Fig. 2 ist eine Reihenfolge von drei zeitlich aufeinanderfolgende Ansichten von Ablage­ rungen an einem Schott 3 dargestellt. In der ersten Ansicht zeigt sich eine im wesentlichen zapfenförmige Ablagerung 14a mit einer relativ kleinen Fläche, deren Größe in den folgen­ den Ansichten zunimmt. Gleichzeitig verändert sich die Form dieser kleinen Fläche von ei­ ner weitgehend kreisrunden in eine länglich-ovale Form von der Ansicht 14a zu der Ansicht 14b. Bei Ansicht 14c tritt eine zweite ovalförmige Fläche auf, während sich die erste Fläche weiter vergrößert hat und nach unten spitz zuläuft. Durch die Bildverarbeitung werden diese Abbildungen analysiert und zu Analysedaten verarbeitet. In analoger Weise werden andere Beobachtungsgrößen, wie zum Beispiel die Temperaturverteilung entsprechend bearbeitet.

Der in Fig. 3 dargestellte Ablagerungssensor 13 weist einen Kühlkanal 15 auf, der durch einen Mantel 16 und eine Trennwand 17 gebildet ist und durch den Kühlwasser strömt. Der Mantel 16 ist außenseitig mit einem Dehnungsmeßstreifen 18 und innenseitig mit zwei Thermoelementen 19 versehen. Die Thermoelemente messen die Manteltemperaturen in der Nähe der Ablagerungen 14. Der Dehnungsmeßstreifen 18 mißt das Gewicht der Abla­ gerungen. Die Meßdaten werden an den Rechner 10 übermittelt und den übrigen Analysedaten zugeordnet.

In Fig. 4 sind drei Diagramme für die Dauer einer Reisezeit (t_E, Ende der Reisezeit) eines Kessels übereinander angeordnet dargestellt. In dem oberen Diagramm ist der Druckverlust (Δp) über dem Schott 3 und diesem nachgeschalteten Wärmetauschern über der Zeit, in dem mittleren Diagramm der Kohleschlüssel (KS) der jeweils verfeuerten Kohle und in dem unteren Diagramm das Volumen (V) der an einem Schott 3 vorhandenen Ablagerungen 14 über der Zeit aufgetragen. Das untere Diagramm zeigt in seiner Grundtendenz das lang­ same Aufwachsen der Ablagerungen über die Reisezeit, wobei aber auch ein zeitweises Abnehmen zu verzeichnen ist. Der zeitliche Verlauf des Volumens der Ablagerungen 14 zeigt eine Vielzahl deutlicher Schwankungen, während der Druckverlust weitgehend ohne Schwankungen exponentiell anwächst. Das mittlere Diagramm zeigt den jeweiligen Feue­ rungszeitraum von Kohlen mit vier verschiedenen Kohleschlüsseln.

Über die Kamera 7 und das Objektiv 6 werden in einer Lernphase Reihenfolgen von Abbil­ dungen der Ablagerungen 14 erfaßt und mittels des Rechners 10 durch eine Bildverarbei­ tung zu Analysedaten analysiert. Diese Analysedaten werden zusammen mit dem Kohle­ schlüssel der jeweils verfeuerten Kohle, dem Druckverlust über das Schott 3, der Abgas­ temperatur, der Kesseltemperatur und dem Verbrennungsluftmengenstrom in dem Spei­ cher 11 gespeichert. Auf diese Weise erhält man gewissermaßen ähnlich einem Fingerab­ druck auf einem Blatt einen Fingerabdruck der verfeuerten Kohle unter den eingestellten Kessel- und Feuerungskenngrößen bezüglich des Anlagerungsverhaltens in dem betreffen­ den Kessel.

Über die in Fig. 4 dargestellten, das Volumen der Ablagerungen betreffenden Analysedaten hinaus wird aus den Abbildungen der Ablagerungen 14 durch die Bildverarbeitung noch die Temperaturverteilung, die Form und das Fließverhalten analysiert und zu speicherbaren Analysedaten aufbereitet. Um die Datenmenge gering zu halten werden Daten einer Abbil­ dung und lediglich Daten für die Veränderungen der nachfolgenden Abbildungen gegen­ über dieser abgespeichert.

Zur Steuerung der Reisezeit werden die Ablagerungen 14 durch die Kamera 7 mit dem Objektiv 6 beobachtet und eine Reihenfolge von Abbildungen der Ablagerungen 14 im Hinblick auf Temperaturverteilung, Form, Volumen und Fließverhalten zu Analysedaten analysiert. Diese Analysedaten werden in dem Rechner 10 mit den in der Lernphase bereit­ gestellten und in dem Speicher 11 gespeicherten Analysedaten, denen Kessel- und Feue­ rungskenngrößen zugeordnet sind verglichen, um eine Kohle mit einem möglichst günsti­ gen Ablagerungsverhalten und/oder eine günstige Einstellung der Kessel- und Feuerungs­ kenngrößen zu erhalten.

Hierbei werden dann Kessel- und Feuerungskenngrößen, wie Primär-, Sekundär-, Tertiärluft, Kohle/Luft-Verhältnis und/oder Kornspektrum der Kohle für ein günstigeres Ablagerungsverhalten entsprechend angepaßt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Steuerung der Reisezeit eines Festbrennstoff gefeuerten Kessels mit einer Ablagerungen aufweisenden Wärmeübertragungs­ fläche, die von einem Aschenpartikel enthaltenden Gas angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerungen durch eine Kamera über ein Zeitintervall beobachtet und innerhalb des Zeitintervalls eine Reihenfolge von Abbildungen der Ablagerungen erfaßt und diese durch eine Bild­ verarbeitung zu Analysedaten analysiert werden und die in Abhängigkeit eines Vergleichs der Analysedaten mit gespeicherten Analysedaten, denen jeweils Festbrennstoffschlüssel und Kessel- und/oder Feuerungs­ größen zugeordnet sind, ein Festbrennstoff mit bekanntem Festbrenn­ stoffschlüssel zur Verfeuerung bestimmt wird und Kessel- und/oder Feuerungsgrößen eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverteilung der Ablagerungen erfaßt und analysiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Ablagerungen erfaßt und analysiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht oder das Volumen der Ablagerungen erfaßt und analysiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fließverhalten der Ablagerungen erfaßt und analysiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anhaftungsverhalten der Ablagerungen erfaßt und analysiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverteilung der Umgebung der Ablagerungen erfaßt und analysiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablagerungen an einem in den Kessel ragenden Ablagerungssensor beobachtet werden.

9. Einrichtung zur Steuerung der Reisezeit eines mit Festbrennstoff gefeuerten Kessels (1) mit einer Ablagerungen aufweisenden Wärme­ übertragungsfläche (3), die von einem Aschepartikel enthaltenden Gas angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung (4) des Kessels (1) eine Öffnung (5) für ein auf die Ablagerungen gerichtetes Objektiv (6) einer außenseitig an der Wandung (4) gehaltenen Kamera (7) vorgesehen und die Kamera (7) über eine Leitung (9) mit einem Rechner (10) verbunden ist, der mit einem Speicher (11) in Verbindung steht, in dem Analysedaten aus einer Bildverarbeitung einer Vielzahl von Reihenfolgen von Abbildungen der Ablagerungen mit jeweils zugeordneten Festbrennstoffschlüssel und Kessel- und/oder Feuerungskenngrößen gespeichert sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (7) als CCD-Kamera ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (6) eine in den Kessel (1) gerichtete Stablinse umfaßt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kessel (1) einen in das strömende Gas ragenden Ablagerungssensor (13) aufweist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablagerungssensor (13) von einer der Kamera (7) gegenüberliegenden Wandung (12) aufgenommen ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablagerungssensor (13) einen Dehnungsmeßstreifen aufweist.