DE19710206A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse sowie Flammenüberwachung in einem Verbrennungsraum - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbren­ nungsanalyse in einem Verbrennungsraum, bei dem die Tempera­ tur und die Konzentration mindestens eines im Verbrennungs­ prozeß entstehenden Reaktionsproduktes ermittelt werden. Sie bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Flammenanalyse und Flammenüberwachung eines Brenners.

Bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs in einem Ver­ brennungsraum steht die standige Verbesserung des Verbren­ nungsprozesses im Vordergrund der Bemühungen. Zur Erreichung eines besonders guten Verbrennungsprozesses mit einer mög­ lichst geringen Emission von Schadstoffen, insbesondere von CO und NO_x, sowie einem besonders hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Rauchgasvolumenstrom muß die Feuerung mittels einer geeigneten Feuerungsregelung optimiert werden. So treten bei der Verbrennung von fossilem Brennstoff oder Müll aufgrund der unterschiedlichen Herkunft des Brennstoffs bzw. aufgrund der heterogenen Zusammensetzung des Mülls Schwankungen des Heizwertes des Brennstoffes oder der Brenn­ stoffmischung auf. Diese Schwankungen wirken sich nachteilig auf die Schadstoffemission aus. Diese Nachteile bestehen auch bei der industriellen Reststoffverbrennung, bei der üblicher­ weise feste und flüssige sowie gasförmige Brennstoffe gleich­ zeitig verbrannt werden. Bei Kenntnis der Temperaturvertei­ lung und des Konzentrationsprofils vom im Verbrennungsprozeß entstehenden Reaktionsprodukten kann eine Verbesserung der Feuerungsregelung und somit eine Verbesserung des Verbren­ nungsprozesses erzielt werden.

In der älteren deutschen Anmeldung 1 95 09 412-3 "Verfahren und Vorrichtung zur Feuerungsregelung einer Dampferzeugeran­ lage" wurde eine auf der Kenntnis der Temperaturverteilung und des Konzentrationsprofils von im Verbrennungsprozeß ent­ stehenden Reaktionsprodukten basierende Feuerungsregelung vorgeschlagen. Dabei wird mittels mindestens zweier optischer Sensoren die Temperatur und die Konzentration von Reaktions­ produkten erfaßt. Nachteilig dabei ist jedoch, daß mit diesen optischen Sensoren oder Kameras jeweils nur eine Linie des Verbrennungsbereiches erfaßt wird. Nur durch die Kombination mehrerer Kameras und mit erheblichem Rechenaufwand kann eine mehrdimensionale Verteilung der Verbrennungscharakteristik bestimmt werden. Demzufolge werden die Temperaturverteilung sowie die Konzentrationsverteilung, z. B. von CO und NO_x, nur global für den gesamten Verbrennungsraum erfaßt. Das Brenn­ verhalten eines einzelnen Brenners bleibt dabei unberücksich­ tigt. Bei der genannten Anmeldung steht dabei die Istwert- und die Sollwertbildung für die Feuerungsregelung im Vorder­ grund.

Um eine schnelle Regelung einzelner Brenner zu ermöglichen sowie eine homogene Verbrennung und infolgedessen eine Redu­ zierung der Schadstoffbildung zu erzielen, ist es notwendig, die Temperaturverteilung einzelner Flammen und die Konzentra­ tionsverteilung von im Verbrennungsprozeß entstehenden Reak­ tionsprodukten in einzelnen Flammen erfassen zu können. Da­ rüber hinaus ist es aus Sicherheitsanforderungen notwendig, einen Flammenabriß einzelner Brenner - die Flamme ist erlo­ schen - schnellstmöglich identifizieren und erfassen zu kön­ nen, so daß die Brennstoffzufuhr für den gestörten Brenner abgesperrt und demzufolge ein sicherer Zustand der Anlage ge­ währleistet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum anzugeben, mit dem sowohl die Temperaturverteilung als auch die Konzen­ trationsverteilung von im Verbrennungsprozeß entstehenden Re­ aktionsprodukten sowie Parameter der Flamme besonders schnell erfaßt werden. Dies soll bei einer zur Durchführung des Ver­ fahrens geeigneten Vorrichtung mit einfachen Mitteln erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein Bild einer Flamme aufgenommen wird und aus orts­ aufgelösten Intensitäten des Bildes für mindestens einen vor­ gebbaren Spektralbereich eine räumliche Verteilung eines den Verbrennungsprozeß charakterisierenden Parameters ermittelt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß im Emis­ sionsspektrum einer Flamme die die Verbrennung beschreibenden Parameter, z. B. Reaktionsprodukte der Verbrennung (Verbrennungsradikale) oder die Temperatur, nachgewiesen wer­ den können. Dabei weisen die Verbrennungsradikale, z. B. NO, CO, C₂, CN oder CH, jeweils in zugehörigen Strahlungsberei­ chen oder Spektralbereichen mit einer Bandbreite von ca. 5 bis 20 nm Intensitätsspitzen auf. Analog dazu wird zur Er­ mittlung der Temperaturverteilung die ebenfalls im Verbren­ nungsprozeß auftretende Planck-Strahlung, insbesondere die Partikelstrahlung, herangezogen.

Durch ein Herausfiltern der entsprechenden Spektralbereiche der zu untersuchenden Verbrennungsradikale oder der Tempera­ tur aus dem Emissions- oder Strahlenspektrum können die ein­ zelnen Spektralbereiche der jeweiligen Verbrennungsradikale bzw. der Temperatur voneinander getrennt werden. Auf der Grundlage der voneinander getrennten Spektralbereiche können dann mittels eines optischen Systems einzelne Bilder der Flamme für die jeweiligen Spektralbereiche, d. h. für die zu untersuchenden Verbrennungsradikale oder für die Temperatur, aufgenommen werden. Somit ist eine schnelle und zuverlässige Erfassung des Konzentrationsprofils oder der Konzentrations­ verteilung einzelner oder mehrerer Verbrennungsradikale sowie der Temperaturverteilung einer oder mehrerer Flammen durch­ führbar.

Durch die Abtrennung von mindestens einem vorgebbaren Spek­ tralbereich aus dem Strahlenspektrum der Flamme wird insbe­ sondere eine räumliche Verteilung einzelner den Verbrennungs­ prozeß charakterisierender Parameter ermittelt. Beispiels­ weise können darüber hinaus durch Auskopplung mehrerer Spek­ tralbereiche jeweils mehrere räumliche Verteilungen, z. B. die Temperaturverteilung und die jeweilige Konzentrationsvertei­ lung mehrerer Verbrennungsradikaler, gleichzeitig erfaßt wer­ den.

Um insbesondere die für den jeweiligen Parameter charakteri­ stische Bandenstrahlung, d. h. die Emissionslinie, erfassen zu können, wird der entsprechende Spektralbereich mit einer Bandbreite von ca. 5 bis 20 nm ausgekoppelt.

Zweckmäßigerweise wird für das oder jedes Verbrennungsradikal ein jeweiliger schmalbandiger Spektralbereich mit einem Fre­ quenzband von ca. 5 bis 20 nm aus dem Strahlenspektrum ausge­ koppelt. Dieses Frequenzband entspricht dabei genau dem spe­ zifischen Band, auf dem das zu untersuchende Verbrennungsra­ dikal oder das Gas strahlt und absorbiert. Beispielsweise liegen einige Emissionslinien der für die Verbrennungsanalyse zu untersuchenden Verbrennungsradikalen CO und CH in einem Band von 445 bis 455 nm bzw. von 430 bis 440 nm. Mittels die­ ser in dem schmalbandigen Spektralbereich liegenden Emissi­ onslinie und deren Intensität wird zweckmäßigerweise anhand des aufgenommenen Bildes der Flamme eine räumliche Konzentra­ tionsverteilung des zu untersuchenden Verbrennungsradikals computertomographisch rekonstruiert. Dabei wird die Intensi­ tätsverteilung der Strahlung mittels einer Kamera, insbeson­ dere einer CCD-Kamera, direkt aufgezeichnet.

Durch Methoden der Bildverarbeitung, bei denen beispielsweise das Bildfeld zeilen- oder punktweise abgetastet, die Strah­ lungsintensität elektronisch verstärkt und intensitätsabhän­ gig in Kontraste umgesetzt wird, wird die Konzentrationsver­ teilung oder die Temperaturverteilung erkennbar gemacht. Da­ rüber hinaus können aus den erhaltenen Intensitäten geometri­ sche Größen der Flamme, z. B. die Länge der Flamme oder die Geschwindigkeit ihrer Veränderung, bestimmt werden.

Für die Temperatur werden vorzugsweise zwei schmalbandige Spektralbereiche mit jeweils einem Frequenzband von ca. 10 nm aus dem Strahlenspektrum ausgekoppelt. Diese Frequenzbänder liegen dabei insbesondere zwischen zwei Frequenzbändern der Verbrennungsradikalen, in den sogenannten bandenfreien Berei­ chen. Nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz liegt in den bandenfreien Bereichen lediglich Planckstrahlung vor, wobei durch Verhältnisbildung der Intentitätswerte dieser Bereiche die Temperatur ermittelt wird. Mittels der im zweiten Spek­ tralbereich liegenden Planckstrahlung und deren Intensität wird vorteilhafterweise die räumliche Temperaturverteilung in der Flamme computertomographisch rekonstruiert.

Um neben der Verbrennungs- und Flammenanalyse auch eine Flam­ menüberwachung gewährleisten zu können, wird mittels eines dritten Spektralbereichs ein pulsierender Parameter der Flamme überwacht und ein Pulsationsparameter ermittelt. Bei­ spielsweise wird als pulsierender Parameter die Intensität der Strahlung in diesem dritten Spektralbereich und als Pul­ sationsparameter die Pulsationsfrequenz mittels eines Meßmo­ duls erfaßt. In Abhängigkeit von der erfaßten und ermittelten Pulsationsfrequenz und deren Veränderung wird die Brennstoff­ zufuhr des entsprechenden Brenners gesteuert. Z.B. repräsen­ tiert eine niedrige Pulsationsfrequenz einen Flammenabriß, d. h. die Flamme des zu untersuchenden Brenners ist aus. Ein erfaßter Flammenabriß führt dann zu einem sicheren Schaltbe­ fehl für die nicht vorhandene Flamme des Brenners - zu einem Absperren der Brennstoffzufuhr des gestörten Brenners.

Bezüglich der Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem optischen System, das auf einer Aufnahmeplatte ein ortsaufge­ löstes Bild einer Flamme erzeugt, wobei mindestens ein Strahlteiler zur Auskopplung mindestens eines für einen zu untersuchenden Parameter spezifischen Spektralbereiches aus einem Strahlenspektrum der Flamme der Aufnahmeplatte vorge­ schaltet ist.

Bedingt durch den Einsatz der Vorrichtung unmittelbar an hei­ ßen Anlagenteilen, z. B. an einem Kessel, ist zweckmäßiger­ weise ein Kühlsystem vorgesehen. Dabei umfaßt das Kühlsystem für die oder jede Aufnahmeplatte ein Kühlelement, beispiels­ weise ein Peltierelement. Unter Ausnutzung des Peltiereffek­ tes kühlt sich das Peltierelement gegenüber der Umgebungstem­ peratur ab, ein mit dem Peltierelement verbundener Kühlkörper erwärmt sich dagegen. Darüber hinaus werden die übrigen zu der Vorrichtung gehörenden elektronischen Komponenten mit Kühl- oder Spülluft gekühlt.

In Abhängigkeit von der Anzahl der zu untersuchenden Parame­ ter des Verbrennungsprozesses umfaßt die Vorrichtung vorzugs­ weise eine geeignete Anzahl von Strahlteilern zur Auskopplung der jeweiligen charakteristischen Spektralbereiche der Para­ meter. D.h., für die Teilung des Strahlenspektrums der Flamme in die zu untersuchenden Spektralbereiche sind entsprechende Strahlteiler, die für bestimmte Wellenlängen durchlässig sind, vorgesehen. Beispielsweise sind für die zu untersuchen­ den Parameter, insbesondere für die Verbrennungsradikale CO und CH, als Grobfilter Strahlteiler mit Filterwerten von 360 bis 370 nm bzw. 430 bis 440 nm eingesetzt.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Strahlteiler dichroi­ tisch. Mit anderen Worten: Um entsprechende Spektralbereiche für zu untersuchende Parameter eindeutig auskoppeln zu kön­ nen, ist der Strahlteiler derart ausgelegt, daß der Strahl­ teiler für einen zu untersuchenden Spektralbereich dessen Strahlung reflektiert und/oder für einen weiteren zu untersu­ chenden Spektralbereich hingegen durchlässig ist. Dabei ist der jeweilige zu untersuchende Spektralbereich praktisch zu 100% aus dem Strahlenspektrum der Flamme auskoppelbar. Da­ rüber hinaus sind andere optische Einrichtungen, z. B. Filter, insbesondere sogenannte Feinfilter mit einer bestimmten Grenzwellenlänge, oder Prismen oder Gitter, einsetzbar.

Um zeitgleich die räumliche Verteilung mehrerer den Verbren­ nungsprozeß charakterisierender Parameter ermitteln zu kön­ nen, ist eine der Anzahl der ausgekoppelten Spektralbereiche entsprechende Anzahl von räumlich getrennten Aufnahmeplatten vorgesehen. Mit anderen Worten: Jede Aufnahmeplatte ermög­ licht die Ermittlung der räumlichen Verteilung eines Parame­ ters, z. B. eines Verbrennungsradikals oder der Temperatur.

Darüber hinaus können mehrere Aufnahmeplatten die Verteilung eines Parameters ermitteln. Eine derartige Anordnung ent­ spricht dann einer mehrkanaligen Anordnung, wobei dies insbe­ sondere bei hohen Sicherheitsanforderungen verlangt wird.

Zur Ortsauflösung der Intensitäten oder Konzentrationen des zu untersuchenden Parameters ist zweckmäßigerweise als Auf­ nahmeplatte eine "charge-coupled-device-Kamera" vorgesehen. Diese CCD-Kamera, auch optischer Bildsensor genannt, nimmt dabei das von der Flamme ausgestrahlte Licht oder das Strah­ lenspektrum der Flamme auf. Bedingt durch den der CCD-Kamera vorgeschalteten Strahlteiler gelangt letztendlich nur die Bandenstrahlung des zu untersuchende Parameters auf die CCD-Kamera. Aus den ortsaufgelösten Intensitäten des Bildes der CCD-Kamera ist dann die räumliche Verteilung des Parameters, z. B. Konzentrationsverteilung eines Verbrennungsradikals oder die räumliche Verteilung der Temperatur in der Flamme, ermit­ telbar. Vorteilhafterweise ist neben der Erfassung von Tempe­ ratur- und/oder Konzentrationsverteilung auch gleichzeitig die Geometrie der Flamme ermittelbar.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung umfaßt die Vorrichtung eine Auswerteeinheit, die mit der oder jeder Aufnahmeplatte verbunden ist. Die Auswerteeinheit, z. B. ein Personalcompu­ ter, ermittelt dabei aus den ortsaufgelösten Intensitäten des Bildes der CCD-Kamera eine mindestens zweidimensionale Kon­ zentrationsverteilung eines zu untersuchenden Verbrennungsra­ dikals oder die Temperaturverteilung in der Flamme. Mit ande­ ren Worten: Unterschiedliche Bereiche der Aufnahmeplatte lie­ fern unabhängige Signale und charakterisieren somit unter­ schiedliche Bereiche der Flamme oder des Verbrennungsraumes.

Darüber hinaus wird anhand des Flammenbildes die momentane Strömungsverteilung innerhalb der Flamme erfaßt und in der Auswerteeinheit analysiert. Durch die Auswertung mehrerer Bildsequenzen wird beispielsweise der Grad der Verwirbelung und der Transport verschiedener chemischer Substanzen inner­ halb der Flamme analysiert.

Bezüglich der Vorrichtung zur Flammenanalyse und Flammenüber­ wachung wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem optischen System, das auf einer Aufnahmeplatte ein ortsaufgelöstes Bild einer Flamme erzeugt, und mit einem Meßmodul zur Messung pul­ sierender Strahlungsparameter der Flamme, wobei mindestens ein Strahlteiler zur Auskopplung mindestens eines für einen zu untersuchenden Parameter spezifischen Spektralbereiches aus dem Strahlenspektrum der Flamme vorgesehen und der Strahlteiler der Aufnahmeplatte und dem Meßmodul vorgeschal­ tet ist.

Mit der Integration des Meßmoduls, insbesondere eines Flam­ menfühlers oder -wächters in dem optischen System, ist gleichzeitig neben der Verbrennungs- und Flammenanalyse eine Flammenüberwachung gewährleistet. Ein derartiger Aufbau des optischen Systems - optische Kamera und Flammenwächter - ist darüber hinaus besonders kosten- und platzsparend, da zum ei­ nen nur eine geeignete Öffnung in der Wandung des Verbren­ nungsraumes vorgesehen sein muß. Zum anderen ist es ausrei­ chend, nur ein Kühlsystem zur Kühlung der Kameras und ein Spülsystem zum Reinigen der Oberflächen der optischen Anord­ nung, insbesondere der Linse, pro optischem System einzuset­ zen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß durch eine Aufnahme des Emissionsspektrums aus einem Verbrennungsprozeß, insbesondere durch die Aufnahme von Emissionsspektren einzelner Flammen, eine räumliche Tempe­ raturverteilung und/oder räumliche Konzentrationsprofile von Reaktionsprodukten in einzelnen Flammen sowie im gesamten Verbrennungsraum computertomographisch rekonstruiert und in Form von Meßfeldern abgebildet werden. Diese Meß- oder Daten­ felder eignen sich besonders gut für eine schnelle und zuver­ lässige Verbrennungsanalyse. Insbesondere durch die den Meß­ feldern entnehmbaren oder ableitbaren speziellen Merkmale, wie z. B. die Lage von Maxima oder die Form der Verteilung so­ wie deren räumliche Veränderung, sind Sollwerte für die Brennstoff- oder Luftzufuhr einzelner Brenner ermittelbar. Durch einen derartigen regelungstechnischen Eingriff direkt am Ort der Entstehung von Schadstoffen wird eine besonders geringe Schadstoffemission erzielt.

Darüber hinaus wird durch die hohe örtliche Auflösung sowie die simultane Erfassung des gesamten Flammenbildes der Ver­ brennungsverlauf innerhalb von wenigen Millisekunden quanti­ tativ erfaßt. Eine derartige besonders schnelle quantitative Erfassung des Verbrennungsverlauf ermöglicht somit auch eine besonders genaue Feuerungsregelung von schnellen Prozessen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich­ nung näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungsraum,

Fig. 2 einen Ausschnitt II aus Fig. 1 in größerem Maßstab mit einem optischen System der Vorrichtung,

Fig. 3 ein Bildschirmsteuerfeld, wobei das Bildschirmsteu­ erfeld eine beispielhafte Zusammenstellung von Flam­ menbildern einer aus vier Parametern bestehenden Flammenbild-Parameter-Zuordnung umfaßt,

Fig. 4 ein weiteres Bildschirmsteuerfeld, wobei beispielhaft die Auswertung einzelner Flammenbilder zu einem Ge­ samtflammenbild für den Verbrennungsraum dargestellt wird, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Flammenanalyse und Flammenüberwachung in einem Ver­ brennungsraum.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den­ selben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 2 der Verbren­ nungsanalyse in einem Verbrennungsraum 1.

In dem Feuer- oder Verbrennungsraum 1 einer nicht dargestell­ ten Dampferzeugeranlage, z. B. einem fossilgefeuerten Dampfer­ zeuger einer Kraftwerksanlage oder einer Müllverbrennungsan­ lage, findet der Verbrennungsprozeß statt. Die Vorrichtung 2 umfaßt ein optisches System 10 und ein mit dem optischen Sy­ stem 10 verbundenes Datenverarbeitungssystem 12. Das optische System 10 erfaßt über eine Öffnung 11 in der Wandung 13 des Verbrennungsraumes 1 für die Verbrennung signifikante Strah­ lungsdaten D in Form von Bildern und leitet diese dem Daten­ verarbeitungssystem 12 zu.

Dabei ist das optische System 10 derart an der Wandung 13 mittels nicht näher dargestellter Befestigungsmittel positio­ niert, so daß sich ein möglichst großes Sichtfeld, d. h. ein großer Sichtwinkel α, auf mindestens eine im Verbrennungsraum 1 entstehende Flamme F ergibt.

Das optische System 10 umfaßt als Objektiv eine Linse 14, wo­ bei der Linse 14 eine Anzahl von Strahlteilern T1 bis T3 nachgeschaltet ist. Dabei kann das optische System 10 auch mehrere Linsen 14 als Objektiv umfassen. Die von der Flamme F eines Brenners 16 ausgehende Strahlung geht in einem Abbil­ dungsstrahlengang durch die Linse 14, so daß Bündelstrahlen 18 auf den Strahlteiler T1 fallen. Dabei weisen die Bündel­ strahlen 18 die bei der Verbrennung entstehenden Emissionsli­ nien oder Bandenstrahlung der Reaktionsprodukte auf.

Der Strahlteiler T1 sowie die diesem nachgeschalteten Strahl­ teiler T2 und T3 teilen die Bündelstrahlen 18 oder das Strah­ lenspektrum der Flamme F durch physikalische Strahlteilung in eine Anzahl von Spektralbereichen 20. Dabei bleibt der Bün­ delquerschnitt ungeändert, d. h., die Aufteilung der Bündel­ strahlen 18 erfolgt gleichmäßig über den gesamten Querschnitt der Strahlteiler T1, T2, T3 entsprechend deren gewählten Re­ flexions- und Transmissionsgrades. Die Strahlteiler T1, T2, T3, auch Linien- oder Schmalbandfilter genannt, ermöglichen somit eine wellenlängenabhängige physikalische Teilung der Bündelstrahlen 18 in eine Anzahl von Spektralbereichen 20. Einen weiteren Abgleich erreicht man durch eine Anzahl von Korrekturfiltern 22, die unmittelbar vor Aufnahmeplatten 24 angeordnet sind.

Jeder aus dem Strahlenspektrum der Flamme F herausgefilterte Spektralbereich 20 wird jeweils auf eine zugehörige Aufnahme­ platte 24 abgebildet. Als Aufnahmeplatten 24 werden insbeson­ dere CCD-Bildsensoren mit einer spektralen Empfindlichkeit von ca. 300 nm bis ca. 1.000 nm verwendet, so daß das gesamte sichtbare Strahlenspektrum der Flamme F problemlos erfaßt werden kann. Bauweise und Arbeitsprinzip eines solchen CCD-Bildsensors sind aus der Druckschrift "Halbleiter-Optoelek­ tronik" von Maximilian Bleicher, 1986, Dr. A. Hüthig Verlag, Heidelberg, bekannt. Im Ausführungsbeispiel sollen drei Para­ meter (die Konzentrationen von NO_x, CO sowie die Temperatur) analysiert werden. Entsprechend sind vier Aufnahmeplatten 24 vorgesehen, auf die jeweils ein zweidimensionales Bild des Verbrennungsraums 1 mit der Flamme F fällt. Entsprechend wer­ den von dem Datenverarbeitungssystem 12 vier Sätze von Strah­ lungsdaten D aus den Sensoren ausgelesen und jeweils zu einer computertomographischen Rekonstruktion der Verteilung der Temperatur und der bei der Verbrennung entstehenden Reakti­ onsprodukte verarbeitet, die für eine Bildschirmdarstellung und/oder einer Weiterverarbeitung zu Istwerten für die Steue­ rung der Anlage geeignet ist.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des optischen Systems 10. Das optische System 10 umfaßt ein Gehäuse 26 mit einem zylinderförmigen Aufsatz 27 sowie mit darin vier räumlich ge­ trennt voneinander angeordneten Aufnahmeplatten 24 ₃, 24 ₄, 24 ₅, 24 ₆. Zur Stromversorgung der Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ um­ faßt das optische System 10 ein Netzteil 29.

Unmittelbar vor jeder Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ ist jeweils ein Korrekturfilter 22 ₃ bis 22 ₆ angeordnet. In Abhängigkeit von den auszukoppelnden Spektralbereichen 20 ₃ bis 20 ₆ aus dem Strahlenspektrum der Flamme F können weitere Korrekturfil­ ter 22 vorgesehen sein. Den Korrekturfiltern 22 ₃ bis 22 ₆ sind die Strahlteiler T₁ bis T₃ vorgeschaltet, wobei die Strahl­ teiler T1 bis T3 derart schräggestellt sind, daß die Aufnah­ meplatten 24 ₃ bis 24 ₆ in einem Winkel von 90° zueinander an­ geordnet sind.

Bedingt durch den Einsatz des optischen Systems 10 unmittel­ bar an dem Verbrennungsraum 1 umfaßt das optische System 10 ein Kühlsystem 28. Für jede Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ umfaßt das Kühlsystem 28 dabei ein Kühlelement 30, z. B. ein Peltier­ element mit Kühlkörper. Darüber hinaus umfaßt das Kühlsystem 28 eine an der Innenwand des Gehäuses 26 angeordnete Isola­ tion 32, insbesondere Isolationswolle.

Zum Schutz vor Verunreinigungen sind die Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ und die optischen Komponenten, insbesondere die Strahlteiler T1 bis T3, die Korrekturfilter 22 ₃ bis 22 ₆ und die Linse 14, sowie die Kühlelemente 30 von einer Kammer 34 oder Kapsel umgeben. Beispielsweise ist die Kammer 34 in Form eines Blechkastens mit einem auf einer Seitenfläche angeord­ neten zylinderförmigen Stutzen 35 ausgeführt. Das Gehäuse 26 ist im wesentlichen an die Form der Kammer 34 angepaßt, wobei der Aufsatz 27 des Gehäuses 26 in die Öffnung 11 der Wandung 13 des Verbrennungsraumes 1 eingesetzt ist.

Beim Betrieb des optischen Systems 10 werden die für die Ver­ brennung charakteristischen Parameter, wie z. B. die Reakti­ onsprodukte der Verbrennung CO, CN und NO_x sowie die Tempera­ tur, vorverarbeitet. Dabei wird mittels des optischen Systems 10 die Flamme F des Brenners 16 erfaßt. Je nach Positionie­ rung und Sichtwinkel α des optischen Systems 10 kann dieses auch mehrere Flammen F mehrerer Brenner 16 gleichzeitig er­ fassen. Mit anderen Worten: Bei einer Positionierung des op­ tischen Systems 10 in einem Winkel von 90° zu in einer Linie übereinander angeordneten Brennern 16 kann das optische Sy­ stem 10 bei einem sehr großen Sichtfenster α ein oder mehrere Flammen F ortsaufgelöst in einem Bild darstellen.

Die Bündelstrahlen 18 der Flamme F werden über die Linse 14 auf den Strahlenteiler T1 gestrahlt. Der Strahlteiler T1, insbesondere ein Gelbfilter, transmittiert einen ersten Spek­ tralbereich 20 ₁ von größer 545 nm (gelbes Licht) und reflek­ tiert einen zweiten Spektralbereich 20 ₂ von kleiner 500 nm (blaues Licht). Anschließend wird mittels des Strahlteilers T2, insbesondere ein Rotfilter, der auf diesen auftreffende Spektralbereich 20 ₁ in zwei weitere Spektralbereiche 20 ₃ und 20 ₄ geteilt, wobei der Spektralbereich 20 ₃ von kleiner 630 nm (oranges Licht) reflektiert und der Spektralbereich 20 ₄ von größer 630 nm (rotes Licht) transmittiert wird. In den beiden Spektralbereichen 20 ₃ und 20 ₄ liegt die sogenannten Schwarz- bzw. Graukörperstrahlung nach dem Planck'schen Gesetz vor, die zur Ermittlung der Temperaturverteilung der Flamme F dient.

Durch den Strahlteiler T3 wird der durch den Strahlteiler T1 ausgekoppelte Spektralbereich 20 ₂ mit einer Bandbreite von kleiner 500 nm nochmals unterteilt in einen weiteren Spek­ tralbereich 20 ₅ mit einer Bandbreite von kleiner 400 nm (violettes Licht) sowie einem Spektralbereich 20 ₆ mit einer Bandbreite von 400 nm bis 500 nm (grünes Licht). In dem Spek­ tralbereich 20 ₅ liegt dabei die Emissionslinie des Reaktions­ produktes der Verbrennung CN und in dem Spektralbereich 20 ₆ liegt die Emissionslinie des Reaktionsproduktes CO.

Als Strahlteiler T1 bis T3 können alle lichtablenkenden oder -teilenden optischen Komponenten eingesetzt werden, z. B. Farbfilter, Prismen oder Spiegel. Die in dem optischen System 10 eingesetzten Strahlteiler T1 bis T3 sind sogenannte dich­ roitische additive und subtraktive Farbfilter, die sowohl für eine vorgebbare Bandbreite den Spektralbereich reflektieren, als auch für eine zweite Bandbreite dessen Spektralbereich transmittieren. Auch kann die Teilung und Filterung der Spek­ tralbereiche durch Aperturteilung und entsprechende Filterung erfolgen.

Die durch die Strahlteiler T2 und T3 herausgefilterten Spek­ tralbereiche 20 ₃ und 20 ₄ bzw. 20 ₅ und 20 ₆ werden mittels der Korrekturfilter 22 ₃ und 22 ₄ bzw. 22 ₅ und 22 ₆ auf eine Band­ breite von ca. 10 nm begrenzt. D. h. die Korrekturfilter 22 ₃ sowie 22 ₄ transmittieren aus den Spektralbereichen 20 ₃ sowie 20 ₄ eine Bandbreite von 545 bis 555 nm bzw. von 645 nm bis 655 nm. Analog dazu transmittieren die Korrekturfilter 22 ₅ und 22 ₆ aus den Spektralbereichen 20 ₅ bzw. 20 ₆ eine Bandbreite von 375 bis 385 nm bzw. von 445 bis 455 nm. Als Korrekturfil­ ter 22 ₃ bis 22 ₆ sind insbesondere Interferenzfilter mit einer Bandbreite von 10 nm +/- 2 nm eingesetzt.

Die Intensitäten oder das Licht der jeweils herausgefilterten Spektralbereiche 20 ₃ bis 20 ₆ werden von den entsprechenden Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ aufgenommen. Mittels der aus den ortsaufgelösten Intensitäten der Bilder resultierenden Span­ nungswerten oder Strahlungsdaten D der Aufnahmeplatten 24 ₃ bis 24 ₆ wird dann in dem Datenverarbeitungssystem 12 die räumliche Verteilung des jeweiligen Parameters, z. B. die Tem­ peratur, die Konzentration von CO und CN, ermittelt.

Um ein Rauschen des durch die Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ auf­ genommenen Bildes zu verhindern, muß die Betriebstemperatur der Aufnahmeplatte 24 ₃ bis 24 ₆ unterhalb einer Betriebstempe­ ratur von ca. 40°C gehalten werden. Dazu umfaßt das optische System 10 einen Temperatursensor 36, z. B. einen Thermistor oder einen Thermoschalter, dessen Meßwert einem Ventilator 38 zugeführt wird. Über den Ventilator 38 wird die Zufuhr von Kühlluft KL gesteuert. Dem Ventilator 38 ist ein Filter 39 zur Reinigung der Kühlluft KL vorgeschaltet.

Die Anzahl der in dem optischen System 10 angeordneten Auf­ nahmeplatten 24 ist an die Anzahl der für den Verbrennungs­ prozeß zu untersuchenden Parameter angepaßt. Üblicherweise ist es ausreichend, die Konzentrationsverteilung von den Re­ aktionsprodukten CO, NO sowie die Temperaturverteilung und die Geometrie der Flamme aufzunehmen. (Z. B. kann auch eine Analyse der Sauerstoffkonzentration noch aufschlußreich sein). Nur in speziellen Fällen werden mehr als vier Aufnah­ meplatten 24 benötigt.

In Fig. 3 ist beispielhaft ein Bildschirmsteuerfeld 40 dar­ gestellt. Dieses Bildschirmsteuerfeld 40 umfaßt sechs Ausga­ befelder F1 bis F6, ein Meldefenster M1 sowie eine Anzahl von Eingabeelementen E1 bis En. In dem Meldefenster M1 sind bei­ spielsweise Zustandsmeldungen anhand von Farbkennungen über jeden Brenner 16 ablesbar. Durch Anklicken des Buchstabens "U" erhält das Bedienpersonal weitere Informationen über ei­ nen unteren (entspricht "U") Brenner 16, wobei dieser Brenner 16 im unteren Bereich des Verbrennungsraumes 1 angeordnet ist.

In dem Ausgabefeld F1 ist die Geometrie der Flamme, insbeson­ dere deren Helligkeit, eines Brenners 16 in Form eines Bildes B1 dargestellt. Analog zu dem Ausgabefeld F1 sind in den Aus­ gabefeldern F3, F4, F5 und F6 in den zugehörigen Bildern B3, B4, B5 bzw. B6 die Verteilung der Temperatur, die Verteilung der Konzentration von CO, die Verteilung der Konzentration von NO_x bzw. die Verteilung der Konzentration von CN in der Flamme dargestellt. Dabei werden die normierten und numeri­ schen Werte der Helligkeit, der Temperatur und der jeweiligen Konzentration durch geeignete Farbsignalisierungen in den Bildern B1, B3, B4, B5, B6 realisiert.

In Abhängigkeit von den durch die Aufnahmeplatten 24 aufge­ nommen Intensitäten der jeweiligen Parameter ändert das ent­ sprechende Flammenbild B1, B3, B4, B5 und B6 in der Darstel­ lung die Farbe. Jedem Bild B1, B3, B4, B5, B6 wird eine Skala S1, S3, S4, S5, S6 zugeordnet. In der Skala S1, S3, S4, S5 oder S6 kann anhand der Farbsignalisierung der jeweilige nu­ merische Wert der Helligkeit, der Konzentration oder der Tem­ peratur des zu untersuchenden Parameters ermittelt werden.

In dem Ausgabefeld F2 sind numerische Werte von weiteren Pro­ zeßparametern, die für den Verbrennungsprozeß von Bedeutung sind, dargestellt, z. B. der Prozeßparameter Leistung. Selbst­ verständlich sind auch weitere beispielhafte Ausführungsarten des Bildschirmsteuerfeldes 40 nach dem Stand der Technik mög­ lich. So sind je nach Anzahl der zu untersuchenden Parameter des Verbrennungsprozesses weniger oder mehr Ausgabefelder F1 bis F6 möglich.

Anhand der Flammenbilder F1 bis F6 ist es dem Bedienpersonal möglich, neben der Geometrie der Flamme auch quantitative Aussagen über Schadstoffbildungen in der Flamme zu erkennen und zu identifizieren. Darüber hinaus erlaubt es das optische System 10 aufgrund der geringen Meßzeiten der Aufnahmeplatten 24 von ca. 5 s, räumlich differenzierte, mehrdimensionale Flammenbilder F1, F3, F4, F5, F6 sehr schnell zur Verfügung zu stellen, wobei die diesen Flammenbildern F1, F3, F4, F5, F6 zugrundeliegenden Meßsignale auch einer Fuzzy- oder Neuro- Fuzzy-Logik zur Ermittlung von Sollwerten für eine Feuerungs­ regelung zugeführt werden können. Insbesondere durch die quantitative Ermittlung der Konzentrationsverteilung von Re­ aktionsprodukten der Verbrennung sowie der Temperaturvertei­ lung und deren Verwendung in einer Feuerungsregelung ist eine besonders geringe Schadstoffemission des Verbrennungsprozes­ ses gewährleistet.

In Fig. 4 ist ein weiteres Bildschirmsteuerfeld 42 abgebil­ det. In dem Bildschirmsteuerfeld 42 ist beispielhaft in dem Ausgabefeld F8 das Abbild einer Gesamtflamme in einem Ver­ brennungsraum 1 dargestellt. Anhand der Farbsignalisierung der Skala S7 ist die Temperaturverteilung in dem Verbren­ nungsraum 1 ermittelbar. In den neben dem Flammenbild F8 an­ geordneten Meldefenstern M2 bis M6 sind numerischen Werte für die bei der Verbrennung entstehenden Parameter, wie z. B. die maximale Temperatur oder die mittlere Emission von CO und NO_x, ablesbar.

Um das Ausgabefeld F8 sind darüber hinaus vier Bedienfelder K1 bis K4 angeordnet. Dabei charakterisiert jedes Bedienfeld K1 bis K4 jeweils Bedienelemente zum Steuern von sechs Bren­ nern 16. D.h., über diese Bedienfelder K1 bis K4 ist es dem Bedienpersonal möglich, jeden einzelnen Brenner 16 des Ver­ brennungsraums 1 ein- bzw. auszuschalten sowie die Brenn­ stoffzufuhr jedes einzelnen Brenners 16 zu steuern. Jeweils drei Brenner 16 werden von einer nicht dargestellten Kohle­ mühle mit Brennstoff versorgt.

Darüber hinaus umfaßt das Bildschirmsteuerfeld 42, wie schon das Bildschirmsteuerfeld 40 weitere Eingabefelder E1 bis En. Mit den Eingabefeldern E1 bis En ist es dem Bedienpersonal möglich, weitere Prozeßinformationen sowie Prozeßsteuerungen aufzurufen bzw. durchzuführen.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung 2' zur Flammenana­ lyse und Flammenüberwachung umfassend ein optisches System 10' und ein Datenverarbeitungssystem 12'. Dabei ist anstelle einer in dem optischen System 10 eingesetzten Aufnahmeplatte 242 der Fig. 1 ein Meßmodul 44, insbesondere ein Flammenfüh­ ler oder -wächter, angeordnet. Analog zu dem optischen System 10 der Fig. 1 umfaßt das optische System 10' als Objektiv eine Linse 14' und eine Anzahl von Strahlteilern T1' bis T3', die der Linse 14' nachgeschaltet sind. Die aus dem Strahlen­ spektrum der Flamme F herausgefilterten Spektralbereiche 20 ₃', 20 ₅', 20 ₆' und deren Intensitäten werden von den ent­ sprechenden Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅' und 24 ₆' aufgenommen, wobei aus den ortsaufgelösten Intensitäten der Bilder der Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅' und 24 ₆' die räumliche Verteilung der zu untersuchenden Parameter in dem Datenverarbeitungs-Sy­ stem 12' ermittelt wird.

Der Spektralbereich 20 ₄', beispielsweise ein breitbandiger Rest des Strahlenspektrums der Flamme F, wird von dem Meßmo­ dul 44 aufgenommen. Das Meßmodul 44 wandelt pulsierende Strahlungsparameter des Spektralbereichs 20 ₄' der Flamme F in ein elektrisches Signal S. Das Meßmodul 44 umfaßt dabei drei unabhängige Kanäle K1, K2 und K3 zur gleichzeitigen Erfassung der im Spektralbereich 20 ₄' liegenden Pulsationsfrequenz der Flamme F des Brenners 16.

Das Datenverarbeitungs-System 12' bewertet voneinander unab­ hängig die Signale S der Kanäle K1 bis K3. Liefern zwei Ka­ näle K1 und K2 beispielsweise das Signal S = "Flamme aus", so wird die Sicherheitsabschaltung des Brenners 16 ausgelöst.

Die mehrkanalige Ausführung des Meßmoduls 44 sowie die drei Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅', 24 ₆' gewährleisten sowohl einen hohen Sicherheitsgrad bei der Überwachung der Flamme F eines einzelnen Brenners 16 als auch eine Analyse der Flamme F in Bezug auf Temperatur- und Konzentrationsverteilungen inner­ halb der Flamme F. Darüber hinaus ist durch die integrierte Anordnung des Meßmoduls 44 und der Aufnahmeplatten 24 ₃', 24 ₅', 24 ₆' in einem einzelnen optischen System 10' eine Öff­ nung 11 in der Wandung 13 des Verbrennungsraumes 1 ausrei­ chend, so daß Montage- und Systemkosten in Bezug auf die Ein­ bringung von geeigneten Öffnungen 11 in die Wandung 13 sowie in Bezug auf geeignete Halterungen bzw. in Bezug auf die not­ wendige Anzahl von Kühlsystemen reduziert werden.

Bedingt durch den einfachen Aufbau des optischen Systems 10, 10' sowie durch die passive optische Erfassung der Verbren­ nungsparameter, d. h., es werden keinen zusätzlichen Licht­ quellen benötigt, ist dieses optische System 10, 10' beson­ ders für einen Einsatz in Kraftwerken geeignet. Insbesondere eignet sich das optische System 10, 10' bedingt durch die sehr schnelle Ermittlung von Meßwerten von im Verbrennungs­ prozeß entstehenden Reaktionsprodukten zur Verbrennungsana­ lyse und zur Feuerungsregelung. Die Möglichkeit der Aufnahme einzelner Flammenbilder erlaubt es ferner, direkt am Ort der Entstehung von Schadstoffen, über die Feuerungsregelung rege­ lungstechnisch in den Verbrennungsprozeß eingreifen zu kön­ nen.

Claims (16)

1. Verfahren zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungs­ raum, wobei ein Bild (B1, B3, B4, B5, B6) einer Flamme (F) aufgenommen wird und aus ortsaufgelösten Intensitäten des Bildes (B1, B3, B4, B5, B6) für mindestens einen vorgebbaren Spektralbereich (20 ₃, 20 ₄, 20 ₅, 20 ₆) eine räumliche Verteilung eines den Verbrennungsprozeß charakterisierenden Parameters ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Spektralbereich (20 ₃, 20 ₄, 20 ₅, 20 ₆) durch Strahl­ teilung des Strahlenspektrums der Flamme (F) ausgekoppelt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Spektralbereich (20 ₃, 20 ₄, 20 ₅, 20 ₆) mit einer Band­ breite von ca. 5 bis 20 nm ausgekoppelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mittels einer in einem ersten Spektralbereich (20 ₅, 20 ₆) liegenden Emissionslinie und deren Intensität eine räum­ liche Konzentrationsverteilung eines Verbrennungsradikals in der Flamme (F) computertomographisch rekonstruiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mittels der in einem zweiten Spektralbereich (20 ₃, 20 ₄) liegenden Planckstrahlung und deren Intensität die räumliche Temperaturverteilung in der Flamme (F) computertomographisch rekonstruiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mittels eines dritten Spektralbereichs (20 ₄') ein pul­ sierender Parameter der Flamme (F) überwacht und ein Pulsati­ onsparameter ermittelt wird.

7. Vorrichtung zur Verbrennungsanalyse in einem Verbrennungs­ raum (1) mit einem optischen System (10), das auf einer Auf­ nahmeplatte (24) ein ortsaufgelöstes Bild (B1, B3, B4, B5, B6) einer Flamme (F) erzeugt, wobei mindestens ein Strahltei­ ler (T1 bis T3) zur Auskopplung mindestens eines für einen zu untersuchenden Parameter spezifischen Spektralbereiches (20 ₁ bis 20 ₆) aus einem Strahlenspektrum der Flamme (F) der Auf­ nahmeplatte (24) vorgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein Kühlsystem (28) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der das Kühlsystem (28) für die oder jede Aufnahmeplatte (24) jeweils ein Kühlelement (30) umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der jeweils mehrere Strahlteiler (T1 bis T3) zur Auskopp­ lung des oder jedes Spektralbereiches (20 ₁ bis 20 ₆) vorgese­ hen sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der der oder jeder Strahlteiler (T1 bis T3) dichroitisch ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der eine der Anzahl der ausgekoppelten Spektralbereiche (20 ₃ bis 20 ₆) entsprechende Anzahl von räumlich getrennten Aufnahmeplatten (24 ₃ bis 24 ₆) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei als Aufnahmeplatte (24) eine charge-coupled-device-Ka­ mera eingesetzt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei der oder jeder Aufnahmeplatte (24) ein Filter (22) vor­ geschaltet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei die oder jede Aufnahmeplatte (24) mit einer Auswerte­ einheit (12) verbunden ist.

16. Vorrichtung zur Flammenanalyse und Flammenüberwachung ei­ nes Brenners (16) in einem Verbrennungsraum (1) mit einem op­ tischen System (10), das auf einer Aufnahmeplatte (24 ₃', 24 ₅', 24 ₆') ein ortsaufgelöstes Bild (B1, B3, B4, B5, B6) ei­ ner Flamme (F) erzeugt, und mit einem Meßmodul (44) zur Mes­ sung pulsierender Strahlungsparameter der Flamme (F), wobei mindestens ein Strahlteiler (T1' bis T3') zur Auskopplung mindestens eines für einen zu untersuchenden Parameter spezi­ fischen Spektralbereiches (20 ₃' bis 20 ₆') aus dem Strahlen­ spektrum der Flamme (F) vorgesehen ist, wobei der Strahltei­ ler (T1' bis T3') der Aufnahmeplatte (24 ₃', 24 ₅', 24 ₆') und dem Meßmodul (44) vorgeschaltet ist.