DE2403320A1

DE2403320A1 - Akustische flammendetektoren fuer dampfgeneratoren

Info

Publication number: DE2403320A1
Application number: DE2403320A
Authority: DE
Inventors: Nelson Whitman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-01-29
Filing date: 1974-01-24
Publication date: 1974-08-01
Also published as: NL7400983A; NO139065B; FR2215583A1; NO740264L; JPS49105236A; FR2215583B1; NO139065C; GB1415813A; IT1007064B; US3811816A

Description

~)r. rer. nah Horst Schüler

PATENTANWALT

6 Frankfurt/Main 1, 23. Januar 197'ί

Niddastraße 52 Vo/Rg

Telefon (0611) 237220 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.

Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

2579-17MG-2257

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A. .

Akustische Flammendetektoren für Dampfgeneratoren

Beim Betrieb von Dampf erzeugenden Anlagen auf dem Wasser und auf dem Lande ist es häufig notwendig, bei sehr kleinen und. auch bei sehr hohen Brennstoffströmen zu arbeiten. Um bei kleinen Brennstoffströmen zu arbeiten, ist es als. vorteilhaft befunden worden, den in allen Brennern verbrannten Brennstoff zu verkleinern, anstatt einen oder mehrere Brenner abzuschalten. Bei einer kleinen Brennstoffströmung kann jedoch eine momentane

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Unterbrechung der Brennstoffströmung zu einem der brenner eine Explosionsgefahr hervorrufen, da es vorkommen kann, daß die Flamme nicht wieder ausgebildet wird, bis eine große Brennstoffmenge in den Feuerraum eingeführt worden ist und dieser Brennstoff eine der Flammen in einem Brenner an einer anderen Stelle erreicht.

Es ist an sich bekannt, daß ein erfahrenes Ohr den Unterschied im Ton zwischen einem Brenner, der gezündet hat, und einem solchen Brenner feststellen kann, der nicht gezündet hat. Die bestehende Tendenz zu unbewachten Feuerräumen, insbesondere auf einem Schiff, macht, es jedoch wünschenswert, einen automatischen Flammendetektor zu schaffen. Es sind akustische Flammendetektoren bekannt, und zwar sowohl für Kessel als auch Verbrennüngssysteme von Gasturbinen. Die US-PS 2 767 783 beschreibt ein Verfahren, die Treibstoffzufuhr zu einem einzelnen Brenner zu steuern, indem ein Detektor in der Feuerraumtür angeordnet und das Vorhandensein oder das nicht-Vorhandensein einer Flamme in einem bevorzugten Tonfrequenzbereich von etwa 20 bis 15O Hz gemessen wird. Weiterhin beschreibt die US-PS 3 635 018 die Anordnung eines Sensors, der auf den Innenraum einer Brennerverkleidung einer Gasturbine gerichtet ist und Filter verwendet, um ein unerwünschtes Geräusch in dem Frequenzband von 6OOO bis 16OOO Hz abzuhalten. In der erstgenannten US-PS 2 767 783 "horcht" der Detektor auf einen Ton innerhalb des Feuerraumes, der von einem einzelnen Brenner gespeist wird. In der US-PS 3 635 018 wird angegeben, daß ein Sensor für jede der verschiedenen Brennkammern verwendet werden kann, wobei die Brennkammern nicht durch Feuerröhren miteinander verbunden sind.

Demzufolge liegt eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, ein verbessertes akustisches Flammendetektorsystem zu schaffen, das das Versagen von einem der zahlreichen Brenner abtastet, insbesondere bei einer kleinen Brennstoffströmung, und dann den Brennstoff zu dem erloschenen Brenner abschaltet.

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Weiterhin soll ein verbesserter Flammendetektor geschaffen werden, der für einen Dampfgenerator mit einer Vielzahl dicht nebeneinander angeordneter Brenner geeignet ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Abtastung eines Flammenfehlers in einem einzelnen Brenner und zur Abschaltung des Brenners, um eine Explosion zu verhindern.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist eine Vorderansicht des unteren Teiles eines typischen Schiffskessels.'

Figur 2 ist ein horizontaler Querschnitt von einem typischen Treibstoffbrenner in einem derartigen Kessel.

Figur 3 ist ein schematisches Blockdiagramm des Sondenverstärker- und Brennerabschaltsystems.

Figuren ^a und 4b sind Kurvenbilder und zeigen den Dezibelpegel und die Änderung im Dezibelpegel für einen Brennertyp.

Figur 5 ist ein Kurvenbild und zeigt die Änderung im Dezibelpegel für einen anderen Brennertyp.

Erfindungsgemäß wird, kurz gesagt, ein gerichteter elektroakustiscner Sensor in dem Luftzufuhrkanal jedes einzelnen Brenners zwischen einem üblichen Windkasten und einem üblichen Feuerraum angeordnet. Es wird ein relativ enges Tonfrequenzband für jeden Brenner überwacht, das so ausgewählt ist, daß es den größten Dezibel-Unterschied zwischen Flammen-und Nicht-Flammen-Zuständen ergibt. Ein Tonpegel unterhalb eines gewählten Schwel!wertes in einem einzelnen Brenner schaltet die Brennstoffzufuhr zu diesem Brenner ab.

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Figur. 1 zeigt die untere Vorderhälfte eines Schiffskessels 1 nit vier einzelnen Brennern, die mit 2, 3, 4 und 5 bezeichnet sind. Jeder Brenner weist eine entfernbare Brennstoff-Verteilereinrichtung 6 und einen Lufts'chieberhandgriff 7 auf, um die Luftströmung zwischen dem Windkasten und der Feuerkammer zu steuern. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist jeder Brenner auch eine akustische Sonde 8 auf, die mit elektrischen Leitern 8a ummantelt und in .einer noch zu beschreibenden Weise angeordnet ist.

In Figur 2 ist eine typische Schiffsbrennereinrichtung gezeigt. Obwohl derartige Brenner viele verschiedene Formen annehmen können gemäß dem bestimmten Hersteller, ist der gezeigte Brenner ein "Racer"-Typ, der von der Firma Babcock and Wilcox hergestellt und zur Beschreibung des Erfindungsgedankens verwendet wird. Die Verteilereinrichtung 6, der Luftschiebergriff 7 und die Sonde bzw. der Fünler 8 sind vorzugsweise in einer abnehmbaren isolierten Deckplatte 9 angebracht, die in der äußeren Ofenwand 10 enthalten ist. Im Abstand zur Außenwand 10 ist die innere oder isolierte Feuerraumwand 10 angeordnet, die mit einer öffnung 12 für jeden Brenner versehen ist, die zu einem gemeinsamen Feuerraum 13 führt. Der Abstand zwischen der Außenwand 10 und der Innenwand 11 ist als der "Windkasten¹¹ Ik bekannt und dieser wird mit Verbrennungsluft von einem geeigenten Gebläse gespeist. Eine steuerbare Luftströmung von dem Windkasten Ik zum Feuerraum 13 wird dadurch gewählt, daß drehbare Luftschieberschaufeln 15 gemäß der Stellung des Luftschiebergriffes 7 mittels eines verbindenden Zahnradmecnanismus 16 eingestellt werden.

Flüssiger Brennstoff und atomisierender Dampf werden der Sprühdüse 17 von dem Verteiler 6 zugeführt. Ein drehbarer Hebel 18 gestattet die Herausnahme des Versorgungsgehäuses 19 und der damit verbundenen Düse 17 zur Reinigung. Zusätzliche Mittel zur Steuerung des Flammenverlaufes, wie beispielsweise ein Flammenmantel 20 und Verwirbelungsschaufeln 21, ändern sich mit dem Brennertyp und sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Jedoch haben alle Brenner, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, eine Einrichtung, die den selektiven Zutritt von

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Luft von einem gemeinsamen Windkasten durch einen einzelnen Laftzutrittskanal zusammen mit dem Brennstoff in eine gemeinsame Feuerkammer gestatten.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Hochtemperatur-Sonde 8 in der Deckplatte 9 mittels eines Trägers 22 und einer geeigneten öffnung 23 angebracht. Die Sonde bzw. der Fühler weist ein elektroakustisches Mikrofon in einem hohlen Rohr auf, das durch den Windkasten 14 hindurchführt und in einem Raum 24 endet, der sich "hinter" dem verbrennenden Brennstoff, der aus der Düse 17 austritt, aber innerhalb-des einzelnen Luftzufuhrkanals, der durch Registerschaufeln 15 gesteuert wird, von dem gemeinsamen Windkasten befindet. In einer Schaufel kann sich ein geeigneter Ausschnitteil 25 befinden, damit diese sich drehen kann. Einzelheiten zum Einsetzen der Sonde ändern sich notwendigerweise von einem Hersteller zum anderen in Abhängigkeit von der Luftsteuereinrichtung für die Kammer 24.

Die Sonde bzw. der Fühler wird so ausgewählt, daß er gegenüber den hohen Temperaturen beständig ist, die erwartungsgemäß nahe dem Brenner auftreten, und ferner soll er auch stark gerichtet entlang der Sondenachse sein. Wenn eine empfindlichere Sonde gewünscht wird, kann eine Wasser- oder Luftkühlung verwendet werden. Die Sonde ist so orientiert, daß sie in Richtung auf die Flamme selbst am empfindlichsten ist. Die Sonde sollte auch so angebracht und orientiert sein, daß sie alle äußeren unerwünschten Geräusche dämpft, die dazu führen würden, die Gesamtempfindlichkeit des Systems zu verkleinern.

Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm für zwei Brenner. Elemente mit vergleichbaren Funktionen in den Figuren 2 und 3 haben die gleichen BezugGzahlen. Sonden bzw. Fühler 8 für zwei Brenneröffnungen 12 sind in der Weise gezeigt, daß sie in den einzelnen Luftkanälen 12 zwischen dem gemeinsamen Windkasten 14 und dem gemeinsamen Feuerraum 13 angeordnet sind. Jede Sonde ist mit einem getrennten Verstärker 31 gzeigt, der mit einem akustischen Bandpaßfilter 32 verbunden ist, das einstellbar ist, um eine gewählte

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Tonbandbreite durchzulassen. Die Ausgangsgröße aus den Filter fließt zu einer Schwellwert-Triggerschaltung 33 > die ein Signal liefert, xvenn der Tonpegel unter einen gewählten Wert abfällt. Die'ses Signal ist dazu geeignet, ein Abschaltventil' 34 für den Brennerkraftstoff zu betätigen.

Bei der insoweit beschriebenen Anordnung sind die elektronischen Vorrichtungen üblichen Aufbaus. Die Verstärker und Filter für diese Anordnung sind von der Firma Bolt, Beranek & riewman una anderen Herstellern erhältlich. Die Triggerschaltung kann ein übliches Meßrelais sein.

Die Auswahl der richtigen Bandbreite und Frequenz ist stark empirisch. Es wurde gefunden, daß sie sich nicht nur mit dem Brennertyp, sondern auch mit dem Typ des verbrannten Brennstoffes ändert. Jedoch liegt der bevorzugte Frequenzbereich, innerhalb dessen die Bandbreite angeordnet ist, vorzugsweise zwischen 200 Hz und 5000 Hz. Es wurde gefunden, daß das richtige Kriterium für die Auswahl von Frequenz und Bandbreite für die akustische Sonde nicht der gesamte Tonpegel bei einer bestimmten Frequenz, sondern vielmehr der Unterschied im Tonpegel zwischen einem Brenner mit Flamme und einem Brenner ohne Flamme bei einer bestimmten Frequenz ist. Figur 4a stellt den Tonpegel in 1/3 Oktavbändern dar, die in Dezibel über der Frequenz in Hertz für einen Industrieofen, der Treibstoff USA-Klasse Nr. 6 verbrennt, unter Verwendung eines Brenners gemessen sind, der von der US-Firma Foster-Wheeler Co. geliefert wird. Die Kurve 40 ist der absolute Tonpegel in Dezibel bei verschiedenen Frequenzen, wenn die Luft atomisierender Dampf und Brennstoff in den Brenner fließen, aber keine Flamme besteht. Die Kurve 41 stellt den Tonpegel dar, wenn der Brenner bei einer kleinen Brennstoffströmung gezündet hat, und Kurve 42 stellt den Zustand dar, wenn der Brenner bei maximaler Brennstoffströmung gezündet hat.

Figur 4b entspricht Figur 4a, zeigt aber den Unterschied in Dezibel zwischen dem absoluten Tonpegel ohne Flamme und dem absoluten Tonpegel mit Flamme. Somit ist Kurve 43 eine Darstellung der Dif-

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ferenz zwischen den Kurven 40 und 4l gemäß Figur 4a. In ähnlicher Weise ist die Kurve 44 eine Darstellung der Differenz zwischen den Kurven 40 und 42 in Figur 4a. · ' .

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein relativ schmales Frequenzband ausgewählt, wie es in Figur 4b durch die gestrichelten Linien 45, 46 dargestellt ist, das ein Drittel Oktavband mit der Mitte an der Frequenz 500 Hz umschließt, wo die Differenz in Dezibel zwischen dem Zustand mit Flammen und ohne Flammen einen geeigneten Wert zeigt. Es sind 1/3 Oktavbandbreiten in diesem Beispiel verwendet worden, weil entsprechende Filter leicht verfügbar sind, um diese Bandbreite durchzulassen. Obwohl ein Frequenzband um 80 Hz herum ebenfalls hätte ausgewählt werden können, ist dies vermieden worden aufgrund der Nähe zur Frequenz von 60 Hz, die in Verbindung mit äußeren Geräuschquellen auftritt.

Es wird ein geeigneter. Schwellwert, in dem gezeigten Beispiel 108 Dezibel, ausgewählt, wie es in Figur 4a an der Stelle 47 gezeigt ist. Die Schwellwert-Triggerschaltung 33 ist so angeordnet, daß sie die Brennerkraftstoff-Abschaltrelaistafel 34 betätigt, wenn das Signal unter diesen Wert abfällt.

Um das Verfahren gemäß der Erfindung und die Tatsacne weiter darzustellen, daß das richtige Frequenzband von dem bestimmten Brenner und der Brennstoffart abhängt, zeigt Figur 5 ein ähnliches· Kurvenbild wie Figur 4b, aber für einen Experimentierbrenner der Firma John Zink Co., der Treiböl USA-Klasse Nr. 6 verbrennt. Zwar hätte auch 1/3 Oktavband ausgewählt werden können, dessen Mitte bei 5OO Hz liegt, stattdessen wurde aber 1/3 Oktavband gewählt, das von den gestrichelten Linien 48, 49 eingeschlossen ist und dessen Mitte bei einer Frequenz von 2500 Hz liegt. Die Kurve 50 ist die Differenz in Dezibel zwischen dem Zustand mit Flammen und ohne Flammen für eine maximale Treibstoffströmung, während die Kurve 51 die entsprechende Dezibel-Differenzkurve für eine minimale Brennstoffströmung ist. Ein geeignetes Differenzsignal für diese beiden Brennstoffströmungszustände wird bei 2500 Hz erhalten, wie es durch die praktische Koinzidenz der Kurven 50,51

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angedeutet ist. Das Auftragen der Kurven ähnlich Figur ¹Jb und Figur 5 ist erforderlich, um die optimale Auswahl eines Frequenzbandes und einer Frequenz für einen bestimmten Brennertyp und einen bestimmten Brennstoff zu erhalten.

Der Generator gemäß der Erfindung arbeitet in folgender Weise. Wenn alle vier Brenner richtig arbeiten, liegt der Tonpegel für -jeden Brenner oberhalb des Schwellwertes innerhalb der Tonbandbreite, die verstärkt und von dem Filter durchgelassen wird. Die Unterbrechung der Flamme an einem der Brenner bewirkt, daß der Tonpegel unter den Schwellwert abfällt und ein Relais betätigt, um den Brennstoff zu dem betroffenen Brenner abzuschalten. Die übrigen Brenner arbeiten weiterhin, solange die Flamme vorhanden ist. Da der Brennstoff zu dem fehlerhaften Brenner abgeschaltet ist, ist die Explosionsmöglichkeit wesentlich vermindert.

Somit wurde vorstehend ein verbesserter akustischer Flammendetektor beschrieben, der für einen Dampfgenerator mit zahlreichen Brennern geeignet und in der Lage ist, Tonpegeländerungen an einzelnen Brennerstellen abzutasten. Trotz der Verbin_dung mit äußeren Geräuschen über den gemeinsamen Windkasten und die Feuerkammer ermöglicht die angegebene Anordnung der Sonde bzw. des Fühlers, daß dieser den Ton bei Bestehen einer Flamme oder ohne Flamme an einem einzelnen Brenner unterscheidet und dadurch die Brennstoffströmung steuert.

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Claims

- 9 Ansprüche

Dampfgenerator mit zahlreichen Brennern, die jeweils von einem gemeinsamen Windkasten mit Luft gespeist sind und jeweils eine brennbare Mischung in einen gemeinsamen Feuerraum ausstoßen und die jeweils einen Luftkanal mit einem einstellbaren Luftschieber, der zwischen dem Windkasten und dem Feuerraum angeordnet ist, und eine Brennstoffdüse aufweisen, die in dem Luftkanal angeordnet ist, gekennzeichnet durch ein akustisches Detektorsystem mit zahlreichen elektroakustischen Sonden (8), die jeweils eine gerichtete Charakteristik aufweisen und derart angeordnet sind, daß das eine Ende in einem entsprechenden Luftkanal auf der stromaufwärts gelegenen Seite der darin angeordneten Brennstoffdüse (17) endet und auf den Feuerraum (13) gerichtet ist,

Mittel (31) zur-Verstärkung einer Tonbandbreite, die von der Sonde (8) abgetastet und derart ausgewählt ist, daß sie eine wesentliche Differenz in Dezibel zwischen einem Zustand mit Flammen und ohne Flammen für jeden Brenner liefert, wobei, die Verstärkungsmittel ein Signal liefern, das den Tonpegel innerhalb der Bandbreite anzeigt, und

Mittel (34) zur Unterbrechung des Brennstoffes zu einem einzelnen Brenner, wenn das zu dem einzelnen Brenner gehörige Signal unter einen gewählten Wert abfällt.
2. Dampfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Sonde (8) ein hohles Rohr aufweist, das sich über den Windkasten (14) erstreckt und zwischen dem Luftschieber (15) und der Düse (17) endet, und in dem Rohr ein elektroakustisches Mikrofon-angeordnet ist.
3. Dampfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die gewählte- Bandbreite in der Größenordnung von 1/3 einer Frequenzoktave in Hertz liegt.

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¹I. Dampf gener at or nach Anspruch 1, dadurch c e ~ kennzeichnet , aaß die gewählte Bandbreite i.i einem Band von 200 dz bis 5000 Hz liegt.

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