DE3508253A1 - Verfahren zur flammenueberwachung und flammenwaechter fuer seine durchfuehrung - Google Patents

Description

• Verfahren zur Flammenüberwachung und
• Flammenwächter für seine Durchführung.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flammenüberwachung und eine zu dessen Durchführung dienende Vorrichtung.
• Flammenüberwachung ist unabdingbar beim Betrieb von industriellen Großfeuerungsanlagen, insbesondere Kesseln mit Befeuerung durch fossile Brennstoffe. Dabei besteht das Problem, daß einerseits jede Flamme für sich mit einem Flammenwächter auszustatten ist, andererseits die Wandungen des Brennraums nach einiger Betriebszeit selbst stark strahlen. Flammenwächter müssen also, wenn sie auf Strahlung ansprechend ausgebildet sind (und das ist der Regelfall) eine Diskriminierung zwischen der Hintergrundstrahlung (Brennraumwände, andere Flammen) und der Strahlung der "eigenen" Flamme ermöglichen.
• Es ist bekannt, als Kriterium für das Vorhandensein einer Flamme deren Strahlung im Bereich der Flammenwurzel, also dicht hinter dem Austritt aus dem Brenner, zu erfassen, da das dort erzeugte optische Signal höherfrequente Anteile enthält als die Hintergrundstrahlung oder die Strahlung von weiter entfernten, anderen Flammen. (Vgl. DE-PS 26 11 763).
• Aber selbst wenn man das auf opto-elektrischem Wege umgesetzte Signal mehrfach filtert, ist es insbesondere beim Schwachlastbetrieb und bei Verfeuerung bestimmter Brennstoffe, wie Braunkohle, sehr schwierig, noch eine ausreichende Diskriminierung zu erzielen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Flammenüberwachung zu schaffen, das auch in schwierigen Fällen eine zuverlässige Diskriminierung ermöglicht.
• Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Differenz der Temperatur an zwei vorbestimmten Stellen der Flamme erfaßt und ausgewertet wird. Dabei versteht es sich, daß der Begriff "Temperatur" sowohl die Intensität als auch die Wellenlänge der von der Flamme ausgehenden Strahlung beinhaltet.
• Während bisher nur eine Stelle der Flamme optisch erfaßt wurde und die zeitlichen Veränderungen der von ihr ausgehenden Strahlung -- die repräsentativ sind für die Temperaturänderungen an dieser Stelle -- ausgewertet wurden, macht sich die Erfindung das Phänomen zunutze, daß infolge der rezirkulierenden Brenngase im Flammenmantel deren Temperatur nicht nur zeitlich, sondern auch und vor allem lokal Fluktuationen zeigt. Indem nun die Differenz der Strahlungsintensität an den beiden ausgewählten Stellen gebildet wird, kann das Gleichsignal völlig eliminiert werden. Es hat sich dabei gezeigt, daß dieses Prinzip Flammenüberwachungseinrichtungen ermöglicht, die den bisher gebräuchlichen weit überlegen sind, da auch im Schwachlastbetrieb die bei Vorhandensein der Flamme resultierende Signalamplitude um Größenordnungen über der bei Flammenausfall liegt.
• Da die Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsgase entgegen der Flammenrichtung vorliegt, ist es bevorzugt, als vorbestimmte Stellen der Flamme solche zu wählen, die in Flammenrichtung hintereinander liegen.
• Der Flammenwächter, der das erfindungsgemäße Verfahren benutzt, unterscheidet sich von den bekannten dadurch, daß hinter dem Eintrittsfenster für die Strahlung dicht nebeneinander zwei antiparallel geschaltete Detektoren vorgesehen sind. Dabei wird nicht nur, wie oben erläutert, der Gleichanteil des Signals eliminiert, sondern die beiden Detektoren sind auch denselben oder praktisch denselben Umgebungsbedingungen unterworfen, insbesondere derselben Umgebungstemperatur, so daß thermische Drifterscheinungen ebenfalls keine Verfälschung des Meßergebnisses zurFolge haben.
• Da der Gleichanteil des Signals keine Rolle spielt, kann man als Detektoren solche verwenden, die bei den bisher üblichen Vorrichtungen deshalb ungebräuchlich waren, weil ihre Empfindlichkeit bei höheren Fluktuationsfrequenzen stark abfällt. Bisher wurden Halbleiterdetektoren, z.B. Fotodioden, eingesetzt, weil man die hohen Fluktuationsfrequenzen ausnutzen wollte. Erfindungsgemäß jedoch ist es bevorzugt, solche Detektoren zu verwenden, die einen elektrischen Kennwert aufgrund der absorbierten Strahlungsenergie ändern, also z.B. sogenannte Pyrodetektoren oder Thermoelemente. Diese haben nämlich den Vorteil, daß ihre spektrale Empfindlichkeit im allgemeinen zumindest im Bereich der nahen, mittleren und ferneren Infrarotwellenlängen wenigstens annähernd linear ist.
• Da nun andererseits die von der Flamme ausgehende Strahlung keineswegs ein gleichförmiges Spektrum aufweist, sondern ein Bandenspektrum mit ausgeprägten Maxima und Minima, zumindest im Bereich des nahen Infrarot, ergibt sich die Möglichkeit, die auf die einzelnen Banden entfallenden Intensitäten der Strahlung bei der Signalverarbeitung zu bewerten und damit eine Aussage über die Qualität der Flamme (d.h. bezüglich der Effizienz der Brennstoffverwertung und/ oder der Schadstoffminimierung) treffen zu können. Schaltet man beispielsweise der Detektoranordnung ein Spektralfilter mit einem Durchlaßband vor, in dem sich die charakteristischen Banden von CO und C02 befinden, so kann das Ausgangssignal der Detektoranordnung durch Verändern der Verbrennungsluftmenge verändert werden, und beim Minimum des Ausgangssignals ist die Verbrennung optimal.
• Es ist jedoch anzumerken, daß auch andere auf Strahlung ansprechende Detektortypen, insbesondere Halbleiterdetektoren, im Rahmen der Erfindung brauchbar sind.
• Die beigefügte Zeichnung stellt weitgehend schematisiert die Eingangsstufe eines Flammenwächters zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Auf die Darstellung der Einzelheiten der Verarbeitungsschaltung kann verzichtet werden, da sie keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bilden.
• In einem Meßrohr 10 ist eine Optik 12 aus einem Material angeordnet, das das durchgelassene Spektrum nach oben begrenzt; die Optik ist auf eine Flamme 14 fokussiert. Im Meßrohr ist ferner ein Filterl5aus einem anderen Material angeordnet, das das durchgelassene Spektrum nach unten begrenzt. Die Materialpaarung ist so gewählt, daß sich innerhalb des Durchlaßbandes die spektralen Maxima typischer Verbrennungsprodukte befinden, z.B. CO und C02, oder auch H2S und H20, oder auch S02 und NOx In der Bildebene der Optik 12 sind dicht nebeneinander zwei Thermodetektoren angeordnet, beispielsweise zwei Thermoelemente, die demgemäß -- wie durch die Strahlengänge angedeutet -- längs der Flamme zueinander versetzte Stellen sehen". Die beiden Thermoelemente 16, 16' sind antiparallel geschaltet, erzeugen demgemäß einander entgegengerichtete EMKe, und an ihrer Verbindungsstelle steht ein Signal, das repräsentativ ist für die zu jedem Zeitpunkt vorhandene Differenz der Temperatur an den beiden "gesehenen" Stellen, während das (viel höhere) Gleichsignal an diesem Schaltungspunkt keine Spannung erzeugt. Thermoelemente sind niederohmig und daher gegenüber Pyrodetektoren mit influenzierter von der Temperatur abhängiger Ladung bevorzugt, obwohl die erzeugte Spannung relativ gering ist.
• Das Ausgangssignal auf Leitung 18 gelangt über einen Unterbrecher (z.B. einen im Sekundentakt mit einem Schaltverhältnis 7:3 getasteten Optokoppler) 20 zum Eingang des Verstärkers22 . Diese Signaltastung dient der Selbstüberwachung der Schaltung undspielt für die Erfindung keine Rolle.
• Das Nutzsignal kann in der oben erläuterten Weise verarbeitet werden, um eine Flammenbewertung zu erzielen, oder aber nur der überwachung dienen.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1) Verfahren zur Flammenüberwachung, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Temperatur an zwei vorbestimmten Stellen der Flamme erfaßt und ausgewertet wird.
2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Stellen in Richtung der Strömung der Verbrennungsgase hintereinander liegen.
3. 3) Flammenwächter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer auf die Flammenstrahlung ansprechenden Detektoranordnung und mit dieser nachgeschalteten Auswertekreisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung zwei dicht nebeneinander angeordnete, jeweils auf eine der beiden vorbestimmten Stellen der Flamme (14) gerichtete, untereinander gleiche, jedoch hinsichtlich ihrer Ausgangssignale antiparallel geschaltete Einzeldetektoren (16, 16') umfaßt.
4. 4) Flammenwächter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einzeldetektoren mit in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich im wesentlichen linearer spektraler Empfindlichkeit.
5. 5) Flammenwächter nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Thermoelemente als Einzeldetektoren.
6. 6) Flammenwächter nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Filterkombination (14, 15) zum Begrenzen des vorgegebenen Wellenlängenbereichs.