DE19615141A1 - Method and device for controlling a combustion process in a boiler - Google Patents

Method and device for controlling a combustion process in a boiler

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Abstract

The method involves transferring fuel into the boiler (1) which is burned by forming a flame (3) in a burner (2). Formation of the flame is detected by a detector using a small-area high spectral resolution CCD camera. The flame is regulated depending on the processing of detector output signals in a computer unit (9) by varying burner control parameters at the burner and/or at a device connected in series with the burner. The flame is detected by sensor with high spatial resolution and low spectral resolution and a sensor with low spatial resolution and high spectral resolution..

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 10.The present invention relates to a method and a device for controlling a Combustion process in a boiler according to the preamble of claim 1 or Claim 10.

Bei bekannten Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel mit Brennern werden Daten über verschiedene Prozeßparameter erfaßt und zum Ableiten von Eingriffen auf Stellgrößen verarbeitet. So werden zum Beispiel Temperatur und Zusammensetzung von Verbrennungsgasen am Kesselaustritt, Dampfparameter wie Temperatur und Dampfmassenstrom und Temperaturen im Kessel gemessen.In known methods for controlling a combustion process in a boiler Burners collect data on various process parameters and use them to derive Interventions on manipulated variables processed. For example, temperature and Composition of combustion gases at the boiler outlet, steam parameters such as Temperature and steam mass flow and temperatures measured in the boiler.

In Abhängigkeit der gemessenen Größen werden Eingriffe auf Stellglieder des Verbrennungsprozesses abgeleitet, so daß beispielsweise bei einer hohen NOX-Konzentration im Verbrennungsgas Stellglieder des Brenners betätigt werden, um global höhere Mengen an Verbrennungsluft zuzuführen. In einem anderen Fall kann bei einer Messung eines relativ niedrigen Dampfmassenstroms die Brennstoffzufuhr durch entsprechende Ansteuerung von Stellgliedern erhöht werden. Eine stabile Steuerung des Verbrennungsprozesses mit den bekannten Verfahren ist aufgrund mehrerer gleichzeitig einzuhaltender Parameter relativ schwierig.Depending on the measured quantities, interventions on the actuators of the Combustion process derived so that, for example, at a high NOX concentration in the combustion gas actuators of the burner to be operated globally supply higher amounts of combustion air. In another case, a Measurement of a relatively low steam mass flow through the fuel supply appropriate control of actuators can be increased. Stable control of the The combustion process with the known methods is due to several at the same time Parameters to be observed are relatively difficult.

Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß sie den eigentlichen Verbrennungs­ vorgang des Brennstoffs nicht erfassen und nur indirekt steuern.The known methods have the disadvantage that they are the actual combustion Do not record the fuel process and only control it indirectly.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 anzugeben, das bzw. die eine direkte Erfassung und Steuerung der Verbrennung erlaubt.The object of the present invention is to provide a method and a device for Control of a combustion process in a boiler according to the generic term of Claim 1 or claim 10 to specify the or a direct registration and Control of combustion allowed.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 gelöst.This object is achieved by the characterizing part of claim 1 and claim 10 solved.

Durch die Beobachtung und Analyse des Flammenbildungsverhaltens bei dem eigentlichen Verbrennungsvorgang des Brennstoffs in einem Brennernahfeld können Daten zu einer direkten Steuerung bereitgestellt werden. Mit einer Regelung der Flamme werden andere Prozeßparameter gewissermaßen bereits zwangsläufig mitgeregelt. Wird die Flamme mit einer optimalen Ausbildung gehalten, kann praktisch davon ausgegangen werden, daß die üblichen Prozeßparameter zumindest in der Nähe eines optimalen Betriebspunktes liegen. Anhand der verarbeiteten Ausgangssignale des Detektors können die Zufuhr von Primär- Sekundär- und/oder Tertiärluft, die Zufuhr von Brennstoff und strömungstechnische Einstellvorrichtungen des Brenners eingestellt werden. Beispielsweise kann der Drall beim Eintrag des Brennstoffs eingestellt werden. Ferner kann das Brennstoff/Luftverhältnis lokal optimal eingestellt werden. Hierbei wird es ermöglicht, entweder die Menge an Brennstoff oder an Luft gezielt auf einen optimalen Wert einzustellen, um das gewünschte Brennstoff/Luftverhältnis zu erreichen.By observing and analyzing the flame formation behavior in the actual Combustion process of the fuel in a near burner area can provide data on a direct control can be provided. By regulating the flame, others will To a certain extent, process parameters are already automatically regulated. Will the flame come with  an optimal training can be practically assumed that the usual process parameters are at least in the vicinity of an optimal operating point. Based on the processed output signals of the detector, the supply of primary Secondary and / or tertiary air, the supply of fuel and fluidic Adjustment devices of the burner can be set. For example, the swirl at Entry of the fuel can be set. Furthermore, the fuel / air ratio can be local can be optimally adjusted. This enables either the amount of fuel or set to an optimal value in air to achieve the desired value Achieve fuel / air ratio.

Der Detektor erfaßt die Flamme vorteilhaft mittels eines hochorts- und geringspektralauflösenden Sensors sowie eines geringorts-und hochspektralauflösenden Sensors.The detector detects the flame advantageously by means of a local and low-spectral resolution sensor and a low-spatial and high-spectral resolution Sensors.

Der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor ist bevorzugt als CCD-Kamera ausgebildet. Mit der CCD-Kamera kann auf einfache Weise die Form und das Umfeld der Flamme erfaßt werden. Dieser Sensor erfaßt bevorzugt das Strömungsfeld der Flamme. Er kann auch eine relativ genaue örtliche Verteilung der Temperatur erfassen.The high location and low spectral resolution sensor is preferred as a CCD camera educated. With the CCD camera, the shape and the environment of the Flame can be detected. This sensor preferably detects the flow field of the flame. It can also detect a relatively accurate local distribution of the temperature.

Der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor ist bevorzugt durch Glasfaserkabel mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildet. Eine Spektralzerlegungs­ vorrichtung kann in besonders einfacher Weise als Gitter, Spalt oder Prisma ausgebildet sein. Mit dem geringorts- und hochspektralauflösenden Sensor wird bevorzugt das Radikalen- und/oder Temperaturfeld der Flamme erfaßt. Hierbei ist die Erfassung einzelner Radikale von besonderer und deren genaue örtliche Zuordnung eher von geringerer Bedeutung.The low-location and high-spectral resolution sensor is preferably provided with fiber optic cables assigned spectral decomposition devices. A spectral decomposition device can be designed in a particularly simple manner as a grid, slit or prism be. This is preferred with the low-location and high-spectral resolution sensor Radical and / or temperature field of the flame detected. Here is the registration of individual Radicals of a special kind and their precise local assignment rather less Meaning.

Um eine relativ stabile Steuerung des Verbrennungsprozesses zu ermöglichen, werden bevorzugt zeitliche Veränderungen des Temperatur-, Strömungs- und/oder Radikalenfelds der Flamme erfaßt.In order to enable a relatively stable control of the combustion process prefers temporal changes of the temperature, flow and / or radical field caught the flame.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.Further embodiments of the invention are the dependent claims and the following Description of an embodiment can be found.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Abbildungen schematisch dargestell­ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is illustrated schematically below with reference to one of the figures th embodiment explained.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Kessels zur Kohleverfeuerung. Fig. 1 shows schematically a section of a boiler for coal combustion.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Detektors aus Fig. 1. FIG. 2 shows a view of the detector from FIG. 1.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Kessel 1 zur Kohleverfeuerung weist einen Brenner 2 auf. Über den Brenner 2 wird Brennstoff und Luft in den Kessel 1 eingetragen und unter Bildung einer Flamme 3 verbrannt.The boiler 1 for coal combustion shown schematically in FIG. 1 has a burner 2 . Fuel and air are introduced into the boiler 1 via the burner 2 and burned to form a flame 3 .

Der im wesentlichen zylinderförmig ausgebildete Brenner 2 umfaßt einen äußeren Luftkanal 4, einen inneren Luftkanal 5 und einen Eintragskanal 6 zum Brennstoffeintrag. An dem dem Kessel 1 zugewandten Ende des Brenners 2 ist ein Eintragstrichter 7 vorgesehen.The essentially cylindrical burner 2 comprises an outer air duct 4 , an inner air duct 5 and an inlet duct 6 for the introduction of fuel. An entry funnel 7 is provided at the end of the burner 2 facing the boiler 1 .

Von einer Wandung 8 des Kessels 1 ist ein mit einer Recheneinrichtung 9 verbundener Detektor 10 aufgenommen. Der Detektor 10 ist auf die Flamme 3 gerichtet und umfaßt einen als CCD-Kamera 11 ausgebildeten hochorts- und geringspektralauflösenden Sensor und einen durch Glasfaserkabel 12 mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildeten geringorts- und hochspektralauflösenden Sensor.A detector 10 connected to a computing device 9 is received from a wall 8 of the boiler 1 . The detector 10 is aimed at the flame 3 and comprises a sensor which is designed as a CCD camera 11 and which has a high-resolution and low-spectral resolution and a sensor which has a low-resolution and high spectral resolution and is formed by fiber optic cable 12 with associated spectral decomposition devices.

Wie in der in Fig. 2 schematisch dargestellten Frontansicht des Detektors 10 gezeigt, sind die Glasfaserkabel 12 des Sensors unterhalb des Objektivs der CCD-Kamera 11 angeordnet.As shown in the front view of the detector 10 schematically shown in FIG. 2, the glass fiber cables 12 of the sensor are arranged below the lens of the CCD camera 11 .

Die Recheneinrichtung 9 ist über weiter nicht dargestellte Signalleitungen mit Stellgliedern des Brenners 2 und einer nichtdargestellten Brennstoffmühle verbunden.The computing device 9 is connected to actuators of the burner 2 and a fuel mill (not shown) via signal lines (not shown ) .

Um einen im wesentlichen gleichgroßen Blickwinkel wie die CCD-Kamera 11 zu ermöglichen, sind die Glasfaserkabel 12 fächerartig angeordnet.In order to enable an essentially the same viewing angle as the CCD camera 11 , the glass fiber cables 12 are arranged in a fan-like manner.

Zur Steuerung des Verbrennungsprozesses in dem Kessel 1 wird die bei der Kohleverbrennung gebildete Flamme 3 durch den Detektor 10 beobachtet und deren Ausbildung erfaßt. Hierbei werden über den Sensor 11 die Form und das Strömungsfeld und über den Sensor 12 das Radikalen- und Temperaturfeld der Flamme 3 erfaßt.To control the combustion process in the boiler 1 , the flame 3 formed in the coal combustion is observed by the detector 10 and its formation is detected. Here, the shape and the flow field are detected by the sensor 11 and the radical and temperature field of the flame 3 are detected by the sensor 12 .

Die Ausgangssignale des Detektors 10 werden an die Recheneinrichtung 9 weitergeleitet und dort zu Steuersignal für die Stellglieder des Brenners 2 und der Brenn­ stoffmühle zur Regelung der Flamme 3 verarbeitet.The output signals of the detector 10 are forwarded to the computing device 9 and processed there to control signal for the actuators of the burner 2 and the combustion mill for regulating the flame 3 .

Claims (14)

1. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel mit einem Brenner, über den Brennstoff in den Kessel eingetragen und unter Bildung einer Flamme verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Flamme durch einen Detektor erfaßt wird und die Flamme in Abhängigkeit der in einer Recheneinrichtung verarbeiteten Ausgangssignale des Detektors durch Stellgrößeneingriffe auf den Brenner und/oder eine dem Brenner vorgeschaltete Vorrichtung geregelt wird.1. A method for controlling a combustion process in a boiler with a burner through which fuel is introduced into the boiler and burned to form a flame, characterized in that the formation of the flame is detected by a detector and the flame as a function of the Processing device processed output signals of the detector is controlled by manipulated variable interventions on the burner and / or a device upstream of the burner. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor die Flamme mittels eines hochorts- und geringspektralauflösenden Sensors sowie eines geringorts- und hochspektralauflösenden Sensors erfaßt.2. The method according to claim 1, characterized in that the detector is the flame by means of a high-location and low-spectral resolution sensor and a low-location and high-spectral resolution sensor. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor als CCD-Kamera ausgebildet ist.3. The method according to claim 2, characterized in that the hochorts- and low-spectral resolution sensor is designed as a CCD camera. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor durch Glasfaserkabel mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildet ist.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the small and high-spectral resolution sensor through fiber optic cable with assigned Spectral decomposition devices is formed. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfeld der Flamme erfaßt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the Temperature field of the flame is detected. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsfeld der Flamme erfaßt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the Flow field of the flame is detected. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Radikalenfeld der Flamme erfaßt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the Radical field of the flame is detected. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zeitliche Veränderungen des Temperatur-, Strömungs- und/oder Radikalenfelds der Flamme erfaßt werden.8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that temporal Changes in the temperature, flow and / or radical field of the flame be recorded. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Stellgrößeneingriffe auf eine dem Brenner vorgeschaltete Brennstoffmühle vorgenommen werden. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that Interventions in manipulated variables on a fuel mill upstream of the burner be made.   10. Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel (1) mit einem Brenner (2), über den Brennstoff in den Kessel (2) eingetragen und unter Bildung einer Flamme (3) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Wandung (8) des Kessels (1) ein mit einer Recheneinrichtung (9) verbundener Detektor (10) aufgenommen wird, der auf die Flamme (3) gerichtet ist und die Recheneinrichtung (9) mit Stellvorrichtungen des Brenners (2) und/oder einer dem Brenner (2) vorgeschaltete Vorrichtung zur Regelung der Flamme verbunden ist.10. A device for controlling a combustion process in a boiler ( 1 ) with a burner ( 2 ) through which fuel is introduced into the boiler ( 2 ) and burned to form a flame ( 3 ), characterized in that a wall ( 8 ) of the boiler ( 1 ), a detector ( 10 ) connected to a computing device ( 9 ) is received, which is directed towards the flame ( 3 ) and the computing device ( 9 ) with adjusting devices of the burner ( 2 ) and / or one of the burners ( 2 ) Upstream device for controlling the flame is connected. 11. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (10) einen hochorts- und geringspektralauflösenden Sensor (11) sowie einen geringorts- und hochspektralauflösenden Sensor (12) umfaßt.11. The device according to claim 16, characterized in that the detector ( 10 ) comprises a high-location and low-spectral resolution sensor ( 11 ) and a low-location and high-spectral resolution sensor ( 12 ). 12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor (11) als CCD-Kamera ausgebildet ist.12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that the high location and low spectral resolution sensor ( 11 ) is designed as a CCD camera. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor (12) durch Glasfaserkabel mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildet ist.13. Device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the low-local and high-spectral resolution sensor ( 12 ) is formed by fiber optic cables with associated spectral decomposition devices. 14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserkabel fächerartig angeordnet sind.14. The device according to claim 13, characterized in that the glass fiber cable are arranged like a fan.
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