DE3520728A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der verbrennung in oefen - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung der Verbrennung in öfen, insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung, das geeignet ist, um den thermischen Wirkungsgrad einer Anlage auf dem höchstmöglichen Pegel zu halten, während zugleich die Anforderungen erfüllt werden, die Mengen an erzeugten Stickoxiden und unverbranntem Brennstoff in der Asche minimal zu halten und die erforderlich sind, um beim Betrieb der Anlage Luftverschmutzung zu vermeiden.

Bisher sind zahlreiche Verfahren angegeben worden, um die in einem Ofen stattfindende Verbrennung zu steuern. Bei einem herkömmlichen Verfahren werden Lichtstrahlen, die von den bei der Verbrennung im Ofen erzeugten Flammen emittiert werden, überwacht, und das Verhältnis des Brennstoffvolumens zu dem dem Ofen zugeführten Luftvolumen wird so gesteuert, daß die spektrografische Intensität des Lichts maximal gemacht wird, um Wärmeenergie mit einem maximalen Wirkungsgrad zu erhalten, wie es in der JP-OS 100224/81 angegeben ist. Bei einem anderen herkömmlichen Verfahren wird das Volumen der dem Ofen zur Verbrennung zugeführten Luft in wirkungsvoller Weise in Abhängigkeit von dem Lichtvolumen gesteuert, das von den Flammen der Verbrennung emittiert wird, um dadurch das Volumen der zugeführten Luft zu optimieren, wie es in der JP-OS 151814/81 angegeben ist. Bei diesen Verfahren wird angenommen, daß sie die Wirkung haben, die Verbrennungseffizienz maximal zu machen, aber sie sind nicht in der Lage, eine Verbrennungssteuerung in der Weise vorzunehmen, daß der Wärmeabsorptionsfaktor des Kessels maximal wird, während die Stabilisierung der Ver-

brennung erreicht wird.

Bisher sind noch nie Steuerungsverfahren mit geschlossenem Kreis verwendet worden, um das Volumen der
Stickoxide im Ofen zu steuern bzw. zu kontrollieren.
Der Grund, warum derartige Verfahren bislang nicht angewendet worden sind, ist das bisherige Unvermögen, das Volumen der im Ofen erzeugten Stickoxide beim jetzigen Stand der Technik genau zu messen, was es unmöglich macht, die
zu steuernden Volumina von Brennstoff und Luft zu be-

stimmen, um eine Steuerung des Volumens der Stickoxide

im Ofen vorzunehmen. Bisher war es herkömmliche Praxis, eine Steuerung mit offenem Kreis des Volumens der Stickoxide
vorzunehmen, und zwar durch Überwachung des Wertes der
Stickoxide, die am Auslaß des Ofens abgetastet werden,

nachdem die Volumina von Brennstoff und Luft gemäß einer
Last in Abhängigkeit von einer Programmsteuerung bestimmt
worden sind. Somit war es bislang unmöglich, das Volumen
der Stickoxide in zufriedenstellender Weise in Anlagen zu
steuern, wo die Art des Brennstoffes aufgrund einer Variation bei der Art der verbrennanten Kohle Änderungen unterliegt oder wo das Volumen der zugeführten Kohle Schwankungen zeigt.

Hinsichtlich der Stabilität der Verbrennung war es
bisher übliche Praxis, sich auf die Verwendung einer Fern-5 sehkamera zu verlassen, die in einem Schauloch an der Oberseite des Ofens montiert war, um ein Bild der im Ofen
durch die Verbrennung erzeugten Flammen zu erhalten, wobei dieses Bild auf einem Überwachungsfernsehempfänger gezeigt wird, um den Bedienungsmann in die Lage zu versetzen,

die Verbrennungsbedingungen abzuschätzen, um ihre Stabilität zu bestimmen. Dieses Verfahren erfordert den Einsatz von
Bedienungsleuten, die für die Arbeit qualifiziert sind und die eine lange Erfahrung in der Erfüllung dieser Pflichten besitzen, wobei dieses Verfahren den Nachteil hat, daß die erhaltenen Ergebnisse von einem Bedienungsmann zum anderen schwanken können, da die Beurteilungen durch individuelle
Neigungen beeinflußt werden können.

Wie bereits erwähnt, macht es der derzeitige Stand der Technik hinsichtlich der Verbrennungssteuerung unmöglich/ eine Steuerung der Verbrennung in Anlagen, insbesondere in solchen Anlagen, in denen die Eigenschaften des Brennstoffes Änderungen unterliegen oder das Volumen des zugeführten Brennstoffes Schwankungen zeigt, in der Weise vorzunehmen, daß die Verbrennung stabilisiert und der thermische Wirkungsgrad auf dem höchstmöglichen Pegel gehalten wird, während zugleich die Anforderungen erfüllt werden, die wichtigen Betriebsparameter einer Anlage einzuhalten, wie z.B. die Mengen an erzeugten Stickoxiden und an unverbranntem Brennstoff in der Asche.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung anzugeben, mit dem -eine Verbrennung in einer Anlage erzielt werden kann, die stabil ist und einen hohen Wirkungsgrad besitzt, wobei das Verfahren Änderungen hinsichtlich der Menge an dem Ofen zugeführtem Brennstoff, Änderungen in der Art des dem Ofen zugeführten Brennstoffes und Schwankungen in den Belastungsanforderungen gewachsen ist, wobei die Anforderungen erfüllt werden, die Mengen an erzeugten Stickoxiden und an unverbranntem Brennstoff in der Asche auf Werten unterhalb der erforderlichen vorgeschriebenen Werte zu halten, um den thermischen Wirkungsgrad der Anlage maximal zu machen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Korrelation zwischen der Form eines Bildes einer durch Verbrennung erzeugten Flamme in der Nähe des Auslasses eines Brenners auf der einen Seite und der Menge an erzeugten Stickoxiden, der Menge an unverbranntem Brennstoff in der Asche, dem Wirkungsgrad der Verbrennung und der Stabilität der Verbrennung im Ofen eines Kessels auf der anderen Seite besteht. Die herausragenden Eigenschaften der Erfindung, die eine Lösung der Aufgabe ermöglichen, bestehen darin, daß zumindest einer von dem Wert der erzeugten Stickoxide, dem Wert des in der Asche verbleibenden, unverbrannten Brennstoff, der Verbrennungswirksamkeit und der Verbrannungs-

Stabilität in zumindest einer Zone des Ofens auf der Basis der Form oder Gestalt eines Bildes der Flammen abgeschätzt wird, und daß das Verhältnis des Durchsatzes an Brennstoff zum Durchsatz an Luft in zumindest der einen Zone des Ofens durch Erprobung in der Weise geändert wird, daß die Schätzungen die vorgegebenen Anforderungen an den Betrieb der Anlage erfüllen. Dann wird der thermische Wirkungsgrad des Kessels abgeschätzt, indem man die Ofenwärmeübertragung und Strömungsmodelle verwendet/ und das Verhältnis des Durchsatzes an Brennstoff zum Durchsatz an Luft, welches den thermischen Wirkungsgrad maximal macht, wird als Zielwert oder Sollwert der manipulierten Variablen gewählt. Die Temperatur des Verbrennungsgases wird geschätzt auf der Basis der Helligkeitsinformation beim Verbrennungsgas, so daß der Ofenwärmeübergang und die Strömungsmodelle korrigiert werden, indem man die geschätzte Temperatur des Verbrennungsgases sowie die Werte der Wasserwandmetalltemperatur und der Wasserwandauslaßfluidtemperatur verwendet, die man erhält, indem man sie tatsächlich mißt.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 eine schematische Darstellung einer Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Steuersystems für die Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage gemäß Figur 1; Figur 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausfuhrungsform gemäß der Erfindung;

Figur 4A ein Modell des Ofens eines Pulverkohlekessels; Figur 4B den Aufbau eines Kessels für pulverisierte Kohle, der in Figur 4A als Modell dargestellt ist; Figur 5 eine schematische Darstellung des Flammenbildmessungsfunktionsblocks;

Figur 5A1 bis 5A3 eine Flamme, die in dem Brenner durch

die Verbrennung pulverisierter Kohle erzeugt wird, sowie ihre Eigenschaften;

Figur 5B1 bis 5B8 Diagramme zur Erläuterung des Betriebes
zur Verarbeitung eines Flammenbildes;

Figur 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des

stufenweisen Funktionsblocks der Stickoxidschätzung;

Figur 6A1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Funktionsblocks der stufenweisen Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche;

Figur 6A2 den Zusammenhang zwischen dem Auslaß des Brenners und den Oxidationsbereichen einer Flamme;

Figur 7 eine konstruktive Ausführungsform des Funktionsblocks zur stufenweisen Berechnung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses;

Figur 8 eine andere konstuktive Ausführungsform des Funktionsblocks der schrittweisen Berechnung des Brennstoff/ Luft-Verhältnisses;

Figur 9 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Betriebes des in Figur 8 dargestellten Funktionsblocks

zur schrittweisen Berechnung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses ;

Figur 1O eine schematische Darstellung zur Erläuterung des

Ofenwärmeübertragungsmodells;

Figur 11 ein Beispiel eines Algorithmus zur Bestimmung eines optimalen Wertes für die schrittweise manipulierte Variable für den Berechnungsfunktionsblock des
Brennstoff/Luft-Verhältnisses;

Figur 12 bis 14 andere Beispiele von Algorithmen jeweils
zur Bestimmung eines optimalen Wertes für die

manipulierte Variable für den Berechnungsfunktionsblock des Brennstoff/Luft-Verhältnisses;

Figur 15 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zur Schätzung der Temperatur des Verbrennungsgases;

Figur 16 eine weitere konstruktive Ausführungsform des

schrittweisen Berechnungsfunktionsblockes des Brennstoff/Luft-Verhältnisses; Figur 17 eine Oxidationsflaininenverteilung, die durch die Verwendung eines zweidimensionalen Bildsignals hoher und niedriger Dichte erhalten wird; Figur 18 ein Diagramm zur Erläuterung der in der Asche

verbliebenen unverbrannten Kohle und der Schätzungsindizes, die durch Nachluft beeinflußt werden; Figur 19 den Prozeß, bei dem die Menge des in der Asche verbliebenen unverbrannten Brennstoffes in Rela

tion zur Menge an in den Ofen eingeleiteter NachLuft und dem Abstand reduziert wird; und in

Figur 2OA und 2OB Flußdiagramme für den Prozeß der Schätzung der Einflüsse, die durch Nachluft ausgeübt werden, 5 durch Schätzung der Menge an unverbranntem Brennstoff in der Asche , welche dem Betrieb Beschränkungen auferlegen, auf der Basis des in Figur 17 dargestellten Oxidationsflammen-Verteilungsmodells. Bevor eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im einzelnen beschrieben wird,.soll zunächst eine Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage erläutert werden, auf die die Erfindung Anwendung finden kann.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, wird in einem Kessel 1 Kohle verbrannt, die aus einem Kohlebunker 2 zugeführt wird. Die Kohle im Kohlebunker .2 wird von einem Förderer 4 und einem Antriebsmotor 3 einer Mühle 5 zugeführt und dann einem Brenner 6 zugeführt, nachdem sie in der Mühle 5 pulverisiert worden ist. Luft wird mit einem Gebläse 8 zugeführt, um einen künstlichen Zug für eine Luftvorheizung 9 zu erzeugen, und ein Teil der vorgeheizten Luft wird mit einem Primärluftgebläse 12 der Mühle 5 zugeführt, um die pulverisierte Kohle zu fördern, und der Rest der vorgeheizten Luft wird direkt dem Brenner 6 zugeführt, um als Verbrennungsluft zu dienen.Ein Teil des vom Gebläse 8 erzeugten künstlichen Zuges umgeht die Luftvorheizung 9 und steuert die Temperatur der Primärluft mittels einer Drossel oder eines Schiebers. Die Gesamtmenge an für die Verbrennung erforderlicher

Luft und die Menge an erforderlicher Luft zum Transport der pulverisierten Kohle werden mit Drosseln, Dämpfungs* gliedern oder Schiebern 7 bzw. 11 gesteuert. Inzwischen wird Speisewasser, das mit einem Speisewassersystem 13 mit Druck beaufschlagt wird, in dem Kessel aufgeheizt und erzeugt überhitzten Dampf, der durch eine Hauptdampfleitung 14 Turbinen 15 und 16 zugeführt wird, um sie in Drehbewegung zu versetzen, während er eine adiabatische Ausdehnung erfährt, um mit einem Generator 17 Elektrizität zu erzeugen. Der Hauptteil der Abgase, die durch die Verbrennung von pulverisierter Kohle erzeugt werden, um das Speisewasser zu erhitzen .und überhitzten Dampf zu erzeugen wird durch einen Schornstein 19 in die Atmosphäre abgelassen, aber ein Teil der Abgase wird mit einem Gasrückführungsgebläse 18 zum Kessel 1 zurückgeführt.

Um die Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage mit der beschriebenen Konstruktion in Abhängigkeit von Belastungsanforderungsbefehlen gleichmäßig zu betreiben, ist es erforderlich, jedes Ventil, jede Drossel und jeden Motor in geeigneter Weise zu steuern. Figur 2 zeigt in einem Diagramm ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen automatischen Steuerungssystems für die Kohleverbrennungß^u Energieerzeugungsanlage gemäß Figur 1. Die Funktion des Steuerungssystems gemäß Figur 2 wird nachstehend erläutert» Ein Belastungsbedarfssignal 1000 für eine Belastung (Ausgangsleistung des Generators 17), das der Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage zugeführt wird, wird korrigiert (in einem Hauptdampfdruck-Kompensationsblock 100) um einen Hauptdampfdruck 1100 auf einen vorgegebenen Wert zu bringen, der in einer Konstantspannungsanlage konstant ist und der in einer Anlage variabler Spannung in Abhängigkeit von der Belastung variieren kann, um ein Kesseleingangs-Bedarfssignal 3000 zu erzeugen, das dem Kessel 1 zugeführt wird. Neben seiner Verwendung zur Steuerung eines Speisewasser-Durchsatz-Steuersystems 400 zur Einstellung des Wertes eines Speisewasserdurchsatzes

1200 wird das Kesseleingangs-Bedarfssignal 3000 auch verwendet, um ein Brennstoffvolumen-Bedarfssignal 3100 zu erzeugen, das einem Hauptdampfteinperatur-Kompensationsblock 200 zugeführt wird, wo das Signal 3100 korrigiert wird, um eine Hauptdampftemperatur 1101 auf einen vorgegebenen Wert zu bringen, um dadurch das Brennstoffvolumen-Bedarfssignal 3100 zu erzeugen. Das Brennstoffvolumen-Bedarfssignal 3100 wird einem Brennstofdurchsatz-Steuersystem 500 zugeführt, um den Wert eines Gesamt-Kohlebrennstoffdurchsatzes 12O einzustellen, der zur Steuerung des Antriebsmotors 5 für den Förderer 4 verwendet wird. Das Brennstoffvolumen-Bedarfssignal 3100 wird korrigiert, um eine Überschuß-Abgas-0₂~Rate auf einen vorgegebenen Wert in einem Luft/Brennstoff-Verhältnis-Kompensationsblock 300 zu bringen, um ein Gesamtluftdurchsatz-Bedarfssignal 3200 zu erzeugen. Ein Luftdurchsatz-Steuersystem 600 steuert die Drossel 7, um einen Gesamtluftdurchsatz 1202 auf den gleichen Wert zu bringen, wie das Gesamtluftdurchsatz-Bedarfssignal 3200.

Das automatische Steuerungssystem für die Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage ist vorstehend erläutert. Die Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage weist ein regenerierendes Dampftemperatur-Steuersystem und ein Turbinenregulierungs-Ventilsteuerungssystem zusätzlich zu dem automatischen Steuersystem auf. Diese Systeme haben jedoch keine Bedeutung für die Erfindung, so daß ihre Beschreibung entbehrlich erscheint.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung,die in die Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage eingebaut wird, die unter Bezugnahme auf Figur 1 und 2 dargestellt und beschrieben worden ist. In Figur 3 sind diejenigen Teile, die denen in Figur 1 entsprechen, mit gleichen Bezugsζeichen bezeichnet. Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in die Anlage gemäß Figur 1 und 2 eingebaut ist, bildet ein Ofen eines Kessels zur Verbrennung von pulverisierter Kohle den Gegenstand der Steuerung, und der Ofen ist in fünf Zonen unterteilt, von denen drei Zonen

Brennerzonen sind, wie es Figur 4A zeigt. Bei den Bezugszeichen gemäß Figur 3 bezeichnen die Indizes die Nummern der Zonen des Ofens. Der Kürze halber ist ein Prozeßsignal für jede Zone mit einem Wert dargestellt, der die Gesamtheit von Werten repräsentiert, die an der Vorderseite und der Rückseite des Ofens erhalten werden. Die Ausführungsform der Erfindung, die in die Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage eingebaut ist, wie es Figur 3 zeigt, ist durch die folgenden Funktionsblocks charakterisiert, die bei der Kohleverbrennungs-Energieerzeugungsanlage gemäß dem Stand der Technik fehlen:

(1) Flammenbildmessungs-Funktionsblock 4000;

(2) Funktionsblock 4100 zur schrittweisen Schätzung der Stickstoffoxide;

(3) Funktionsblock 4200 zur schrittweisen Schätzung von unverbrannter Kohle in der Asche;

(4) Funktionsblock 4300 zur schrittweisen Auswertung der Verbrennungssicherheit;

(5) Funktionsblock 4400 für die Verbrennungsgastemperatur-Schätzung; und

(6) Berechnungsblock 4500 für die schrittweise Ermittlung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses.

Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf Figur 3 näher erläutert.

Der Flammenbildmeßblock 4000 umfaßt Bilderzeugungskameras, die jweils in einer der; Vielzahl von Brennerstufen angeordnet sind, um typische Brennerflammeninformation 13O5.J bis 13O5₃ für die jeweiligen Stufen des Brenners 6 zu erhalten und die Information in zweidimensionale Bildsignale 1306. bis 1306-, hoher und niedriger Dichte umzuwandeln. Der Funktionsblock 4100 zur schrittweisen Schätzung der Stickstoffoxide erzeugt, auf der Basis der Werte der Brennerflammeninformation 1305. bis 13O5₃/ Werte der zugeführten Kohle 1300- bis 130O₃, Volumina von Primärluft 1301. bis 130I₃, Volumina von Sekundärluft

1302. bis 13O2₃, Volumina von Tertiärluft 1303. bis 13O3₃, Nachluft 1310 und Meßwerten 1304 von Stickstoffoxiden am Ofenauslaß, schätzt die Werte von Stickstoffoxiden, die in Räumen zu erzeugen sind, die sich von den jeweiligen Brennerstufen zum Ofenauslaß erstrecken. Der Funktionsblock 4200 für die schrittweise Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche berechnet die Flammencharakterisitkparameter auf der Basis der zweidimensionalen Bildsignale 1306.-13O6₃ hoher und niedriger Dichte und erzeugt

Schätzungen von unverbrannter Kohle in der Asche in separaten Zonen in Abhängigkeit von Modellen, welche diese Parameter verwenden. Der Funktionsblock 4300 für die schrittweise Ermittlung der Verbrennungssicherheit ermittelt die Sicherheit der Verbrennung und schätzt mögliehe Anormalitäten, die möglicherweise auftreten können, indem eines von zwei Verfahren verwendet wird. Das eine Verfahren besteht darin, den FlammenCharakteristikparameter zu verwenden, der auf den zweidimensionalen Bildsignalen 1306..-1306-3 hoher und niedriger Dichte basiert, die sich auf die Form beziehen, und das andere Verfahren verwendet den FlammenCharakteristikparameter, der sich auf die Fläche der Flamme bezieht. Der Funktionsblock 4400 für die Schätzung der Verbrennungsgastemperatur berechnet die Verbrennungsgas-Temperatur sch ätzwerte 14O2.-14O2,-für die separaten Zonen auf der Basis der Verbrennungsgas-Helligkeitsinformation 1307 .-1307c- für die separaten Zonen, die in Figur 4A dargestellt sind. Figur 4B zeigt den Brenner 6. Der Funktionsblock 4500 für die schrittweise Berechnung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses bestimmt, beim Erhalt des Brennstoffmengen-Bedarfssignals 3100, die Brennstoffanteilbefehle 3310^-331O₃, die Primärluftvolumen-Sollwerte 3320.-332O₃, die Sekundärluftvolumen-Sollwerte 333O₁-333O₃ und die Tertiärluftvolumen-Sollwerte 3340--334O₃ für die separaten Brennerstufen sowie einen

Nachluftvolumen-Sollwert 3350 von einer NO-Öffnung in der Weise, daß die in den Ofen eingeleitete und dort erzeugte

Wärme am besten durch das Mstall eines Wasser- oder Kühlrohres und eines Strahlungs-Überhitzers oder in einem durch sie hindurchströmenden Fluid absorbiert wird, oder anders ausgedrückt, der thermische Wirkungsgrad des Kessels wird maximal gemacht, während die Anforderungen für den Betrieb der Anlage erfüllt werden. Zu diesen Anforderungen gehört, daß die Meßwerte 1304 von Stickstoffoxiden am Ofenauslaß unter Richtwerten bleiben, daß der Wert an unverbrannter Kohle in der Asche unter 5 % bleibt, was eine wichtige Rolle bei der Verwendung der Kohlenasche spielt, daß die Einlaßtemperatur einer Denitrierungseinrichtung auf einem geeigneten Wert gehalten wird, um eine Erosion des Materials der Haupteinrichtung der Anlage zu vermeiden, und daß der Wert bzw. die Rate des Wärmeflusses in dem Kühlrohr und dem Strahlungs-Überhitzer unterhalb eines vorgegebenen Wertes gehalten wird, um ein Brennen der Metalle zu vermeiden. Sämtliche dieser Funktionsblocks, der Funktionsblock 4100 für die schrittweise Schätzung der Stickstoffoxide und der Funktionsblock für die schrittweise Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche liefern Ausgangssignale, die zur Prüfung verwendet werden, ob die Anforderungen im Hinblick auf die Stickstoffoxide und die unverbrannte Kohle in der Asche in der oben beschriebenen Weise werfüllt werden. Ein Ausgangssignal des Funktionsblocks 4400 zur Schätzung der Verbrennungsgastemperatur, eine Kühlrohr-Auslaßfluidtemperatur 1308 und Kesselwandmetalltemperaturen 1309^1309^ werden als Korrektursignale für ein Ofenwärmeübertragungsmodell verwendet, um den thermischen Wirkungsgrad des Kessels 6 zu berechnen. Der Funktionsblock 4300 für die schrittweise Ermittlung der Verbrennungssicherheit führt die Funktion der Überwachung des Zustandes der Verbrennung von Kohle durch und zeigt die Anwesenheit von anormalen Zuständen an, indem er eine Alarmeinrichtung betätigt oder eine Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinheit mit einem Ausgangssignal versorgt.

Die oben erwähnten Funktionsblöcke werden nachstehend im einzelnen erläutert.

Figur 5 zeigt eine konstruktive Ausfuhrungsform des Flammenbildmessungs-Funktionsblocks 4000, in welchem die typischen Brennerflammenbilde 1305-.-1305^ von Brennergruppen der separaten Stufen über Bildleiter IG und Bildfasern IF einem Bilderzeugungs-Fernsehsystem ITV zugeführt werden, wo -sie in Videosignale umgewandelt werden, die von Analog-Digital-Wandlern A/D in digitale Daten umgewandelt werden, die in Rahmenspeichern FM gespeichert werden. Die derart in den Rahmenspeichern FM gespeicherten Daten dienen als zweidimensionale Bildsignale 1306 -1306., hoher und niedriger Dichte für den Funktionsblock 4100 zur schrittweisen Schätzung der Stickstoffoxide, den Funktionsblock 4200 für die schrittweise Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche und den Funktionsblock 4300 für die schrittweise Ermittlung der Verbrennungssicherheit. Die Bildleiter IG sollten in den Ofen eingesetzt werden, da es erforderlich ist, das Bild der Flamme an der Wurzel im typischen Brenner zu erhalten. Somit haben die Bildfasern IF jeweils eine Abschirmung oder Hülse aus einem Material, das die Hitze von Temperaturen in der Größenordnung von 1500⁰C aushalten kann, um die Bildfasern zu kühlen.

Das Verfahren zur Verarbeitung der Flammenbilder zur Erzielung der zweidimentsionalen Flammenbildsignale 1306..-1306o hoher und niedriger Dichte wird nachstehend erläutert.

In Figur 5A1 ist ein Beispiel der Falmme dargestellt, wobei die Bezugszeichen 51, 52 und 53 Oxidationsbereiche, Verbrennungsbereiche von flüchtigen Komponenten bzw. einen Reduktionsbereich bezeichnen.

Der Prozeß der Verbrennung wird nachstehend erläutert. Wie sich anhand von Figur 5A1 ergibt, findet die Verbrennung folgendermaßen statt:

(1) Pulverisierte Kohle, die in den Ofen durch den Brenner eingeführt wird, wobei eine Mischung mit Primärluft gebildet wird, wird rasch durch die Strahlungswärme von den

Ofenwänden hoher Temperatur und der Flamme erhitzt, und ein Teil des feinen Kohlepulvers unterliegt einer Zerkleinerung aufgrund der Spaltbildung in noch kleinere Teilchen. Zur gleichen Zeit wird eine flüchtige Komponente der Kohle verkokt oder entgast, um plötzlich Verkokungsgas mit einem Volumen freizugeben, das 500 mal größer ist als das Volumen der feinen Kohleteilchen.

(2) Das Verkokungsgas reagiert mit der Luft, die am Umfang von Koksteilchen vorhanden ist, die durch die Verbrennung von Kohle erzeugt werden, so daß eine Diffusionsverbrennung von Koksteilchen stattfindet, wobei ein Verbrennungsbereich der flüchtigen Komponente gebildet wird.

(3) Die Koksteilchen, deren Hülle entfernt worden ist, werden

in ihrer Form ähnlich wie Bimssteine und haben einen vergrößerten Auftrieb, und fester Kohlenstoff brennt an der Oberfläche, so daß sich Reduktions- und Oxidationsbereiche bilden.

Die Flamme besitzt einen äußeren Flammenbereich und einen inneren Flammenbereich. Der äußere Flammenbereich enthält die Oxidationsbereiche 51, in denen die flüchtige Komponente und die feste Komponente der Kohle in einem Zustand mit SauerstoffÜberschuß brennen, und die Verbrennungsbereiche 52 der flüchtigen Komponente/, in denen die flüchtige Komponente hoher Verbrennungsgeschwindigkeit brennt, wird in einem Bereich der Oxidationsbereiche 51 gebildet, die sich in der Nähe des Brenners befinden. Der innere Flammenbereich enthält den Reduktionsbereich 53, in dem die feste Komponente in einem sauerstoff-freien Zustand verbrennt.

Figur 5A2 zeigt die Helligkeitsverteilungen in dem Reduktionsbereich 53 und den Oxidationsbereichen 51 der Flamme in Abhängigkeit vom Abstand vom Brenner. Während die Helligkeitsverteilung des Reduktionsbereiches 53 längs einer Linie B-B¹ nur eine Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit zeigt, zeigt die Helligkeitsverteilung der Oxidationsbereiche 53 längs einer Linie A-A¹

eine Verbrennungshelligkeit 55 der flüchtigen Komponente zusätzlich zu der Verbrennungshelligkeit 54 der festen Komponente. In Figur 5A3 ist dargestellt, daß die Verbrennungsbereiche 52 der flüchtigen Komponente sich an einem Ort befinden, der sich in einem Abstand vom Brenner befindet, der gegeben ist durch X/D =0^1, wobei D der Durchmesser der öffnung des Brenners ist.

In Figur 5A2 bezeichnen die Bezugszeichen 51A und 51B eine Helligkeitsverteilung im Oxidationsbereich 51 längs der Linie A-A¹ in Figur 5A1, bzw. eine Helligkeitsverteilung im Reduktionsbereich 53 längs der Linie B-B¹ in Figur 5A1. Die Bezugszeichen 54 und 55 bezeichnen einen Anteil der Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit in der Helligkeitsverteilung in den Oxidationsbereichen 51 bzw. einen Anteil der Verbrennungshelligkeit der flüchtigen Komponente in der Helligkeitsverteilung in dem Oxidationsbereich 51. In dem Diagramm gemäß Figur 5A2 bezeichnet die Abszisse den Abstand vom vorderen Ende des Brenners, der gegeben ist durch X/D mit Bezug auf den Durchmesser der Öffnung des Brenners.

Figur 5A3 zeigt eine Verteilung der Gase, die im Oxidationsbereich 51 längs der Linie A-A¹ in Figur 5A1 erzeugt werden. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die Menge an Kohlendioxid rasch ansteigt und daß die Menge an Sauerstoff rasch abnimmt, in einem Bereich, dessen Abstand X/D = 0^1 vom Brenner beträgt. Dies zeigt, daß die Verbrennung der flüchtigen Komponente der Kohle in diesem Bereich stattfindet, da die flüchtige Komponente eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit als die feste Komponente besitzt. Es ergibt sich ferner, daß der Verbrennungsbereich der flüchtigen Komponente sich in einem Abstand von X/D < 1,0 vom Brenner befindet und daß der Oxidationsbereich sich in einem Abstand vom Brenner befindet, der gegeben ist durch X/D > 1,0.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß es möglich ist, durch Untersuchung der Helligkeitsvertei-

lungen in der Flamme Informationen über die Form und Helligkeit der Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente zu erhalten, indem man die Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit von der Verbrennungshelligkeit der flüchtigen Komponente in den Helligkeitsverteilungen trennt oder indem man eine Helligkeitsumwandlung verwendet, wobei die durch eine Helligkeitsverteilung repräsentierte Helligkeit umgewandelt wird in eine relative Helligkeit bezogen auf die oder ausgedrückt in der Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit.

Mit Bezug auf die Helligkeitsverteilung der Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit, welche die Basis der Helligkeitsumwandlung bildet, ist die Helligkeitsverteilung, die im Reduktionsbereich erhalten wird, gleich der Helligkeitsverteilung der Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit. Die Helligkeitsverteilungen, die im Oxidationsbereich und in den Verbrennungsbereichen der flüchtigen Komponente erhalten werden, enthalten jedoch die Verbrennungshelligkeit der flüchtigen Komponente. Somit wird die Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit geschätzt, indem man die folgenden Verfahren verwendet.

Bei einem dieser Verfahren wird die Helligkeitsverteilung der Festkomponenten-Verbrennungsverteilung an eine Verbrennungsverteilung angenähert oder approximiert, die sich längs der Mittellinie der Flamme erstreckt. Es ist ein Bereich der Flamme, der die Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente enthält, die sich in einem Abstand vom Brenner von ungefähr X/D =0^2 befinden, der den Gegenstand der Verarbeitung bildet. In diesem Bereich der Flamme ist die Verbrennungsgeschwindigkeit der festen Komponente niedriger als die der flüchtigen Komponente, so daß die Verbrennung der flüchtigen Komponente bei weitem die der festen Komponente übertrifft. Somit erfolgt keine große Abweichung von dem tatsächlichen Zustand, auch wenn die Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit in den Oxidationsbereichen und den Verbrennungsbereicheri der flüchtigen

Komponente ungefähr mit der Helligkeitsverteilung längs der Mittellinie der Flamme dargestellt ist.

Ein anderes Verfahren besteht darin, die Helligkeitsverteilung längs der Mittellinie der Flamme zu korrigieren und die korrigierte Helligkeitsverteilung als Helligkeitsverteilung der Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit zu verwenden, um die Genauigkeit der Information über die Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente zu verbessern. Sei Ro (x) die Helligkeitsverteilung längs der Mittellinie der Flamme. Eine Helligkeitsverteilung der Festkomponenten-Verbrennungshelligkeit Rc(x, y) in einem Abstand y von der Mittellinie wird angenähert durch folgende Gleichung:

Rc (x, y) = K(y) χ Rn (χ) ... (T),

wobei K(y) der Korrekturkoeffizient ist.

Es könnten verschiedene Verfahren durchgeführt werden, um K(O) = 1,0, Rc (x, 0) = RO (x) und den Korrekturkoeffizienten K(y) im Zentrum der Flamme vorzugeben. Eines der Verfahren wird nachstehend erläutert.

Ein Bild der Flamme, das durch die Verbrennung von pulverisierter Kohle erzeugt wird, wird mit den Bildfasern IF erhalten und mit einer Bilderzeugungskamera in elektrische Signale umgewandelt, um ein Bild einer Flamme zu erzeugen, wie es Figur 5B1 zeigt. Das so erzeugte Bild wird in einem Speicher einer Flammenbild-Eingabeeinrichtung gespeichert. Figur 5B1 zeigt Bilddaten.auf der gesamten Fläche des Bildes, das mit den Bildfasern IF erhalten wird. Indem man durchführt, was als Abtrennverfahren bezeichnet wird, werden Bilddaten des Bildbereiches in der Nähe des Brenners, dargestellt in einem rechteckigen Block in Figur 5B1, der den Gegenstand des Abtrennverfahrens bildet, von dem Rest des Bildes abgetrennt, und einer Flammenbild-Verarbeitungseinheit zugeführt. Das Abtrennverfahren wird durchgeführt, um die Bilddaten in einem solchen Maße zu beschränken,daß die durch die Gleichung (1¹) ausgedrückte Relation ungefähr gilt, um die Einflüsse zu eliminieren,

die sonst von dem Rest der Brennerbereiche auf das erhaltene Resultat ausgeübt werden könnten, und ium die Daten auf eine Größe zu reduzieren, die bestimmt ist durch die Zeit, die für die Durchführung der Operationen mit der Flammenbildverarbeitungseinheit erforderlich ist, und die Kapazität des Speichers. Figur 5B2 zeigt ein Bild der Flamme, das mit der Durchführung des Abtrennverfahrens erhalten wird. Dann werden die mit dem Abtrennverfahren erhaltenen Bilddaten gedreht, um die Verarbeitung zu erleichtern, denen die Bilddaten anschließend unterworfen werden, und um dafür zu sorgen, daß die Bilddaten ohne weiteres erkannt werden, wenn sie beispielsweise mit einer Kathodenstrahl-Anzeigeeinheit zur Anzeige gebracht werden. Es stehen verschiedenen Verfahren zur Verfügung, um eine Drehung oder Rotation der Bilddaten vorzunehmen.

Eines der Verfahren wird nachstehend erläutert. Bei diesem Verfahren werden die Bilddaten einer affinen Transformation in der Folgenden Weise unterworfen:

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

ru

= Koordinaten nach der Transformation

■- Transformationsmatrix

= Koordinaten vor der Transformation

Q)-

Konstanten.

Nachdem die Bilddaten gemäß Figur 5B2 der oben beschriebenen Drehung unterworfen worden sind, werden die Bilddaten gemäß Figur 5B3 erhalten. Figur 5B4 zeigt die

Helligkeitsverteilung der Bilddaten, die durch Drehen der Bilddaten gemäß Figur 5B2 erhalten werden. Man erkennt, daß die Helligkeit in der Richtung nach rechts, weg vom Brenner zunimmt. Figur 5B4¹ zeigt Helligkeitsverteilungen längs der Linie C-C und D-D¹ in Figur 5B4. Dann wird ein Flammenbereich von einem Brennerbereich und einem Ofenwandbereich in den Bilddaten getrennt, um eine Flammenzone zu liefern. Der Zweck dieser Operation besteht darin, jeden Fehler zu vermeiden, der sonst in Form eines Rauschens auftreten kann, wenn die Bilddaten einer weiteren Verarbeitung unterworfen werden, da dann, wenn der Reduktionsbereich der Flamme eine geringere Helligkeit besitzt als der Ofenwandbereich, der Ofenwandbereich fälschlich als Flamme erkannt würde. Der Flammenbereich kann ohne weiteres abgetrennt werden, indem man ein Schwellwert-Verarbeitungsverfahren verwendet, bei dem die Bilddaten unterhalb eines vorgegebenen Wertes ersetzt werden durch Bilddaten mit einer Helligkeit Null. Die Helligkeit jedes Bildelementes der Bilddaten IP (i, j) ist folgendermaßen in Bezug auf den Schwellwert t bestimmt:

ilP (i, j), wenn IP (i, j) > t ... (3·). 0 , wenn IP (i, j) = t

Bei der Vorgabe des Schwellwertes kann der Schwellwert fixiert werden auf einen konstanten Helligkeitswert im Lichte der Helligkeitsverteilung des Bildmusters oder einen 5 Helligkeitswert, der zum Verbrennungsmuster paßt, wenn die im Ofen verbrannte Brennstoff-Luft-Mischung ein konstantes Volumen hat, oder die Verbrennung im Ofen einem Muster folgt. Wenn jedoch das Volumen der im Ofen verbrannten Brennstoff-Luft-Mischung stark oder unregelmäßig schwankt, ist es schwierig, den Schwellwert konstant zu halten. Wenn dies der Fall ist, wird der Schwellwert folgendermaßen angesetzt. Zunächst wird eine Fläche oder

ein Bereich festgelegt, der von der Flammenzone eingenommen wird. Dann wird die Frequenz, die dem Bereich entspricht, jedes Helligkeitswertes auf der Basis der Bilddaten berechnet und die Frequenzen der Helligkeitswerte werden addiert, wenn die Helligkeit der Bilddaten einen Maximalwert erreicht. Wenn das durch die Addition erhaltene Ergebnis den anfänglich festgesetzten Bereich, den Bereich der Flammenzone überschreitet, wird der zu diesem Zeitpunkt herrschende Helligkeitswert als Schwellwert verwendet. Wenn dieses Verfahren verwendet wird, kann der Schwell" wert erneuert und auf einen geeigneten Wert gesetzt werden, so daß es möglich ist, die Bilddaten zu verarbeiten, ohne daß eine Beeinträchtigung durch eine Änderung des Volumens der im Ofen verbrannten Brennstoff-Luft-Mischung erfolgt.

Figur 5B5 zeigt Bilddaten, die erhalten worden sind durch die Verarbeitung der Bilddaten der Flamme unter Verwendung eines Schwellwertes, und Figur 5B6 zeigt die Helligkeitsverteilung der Bilddaten gemäß Figur 5B5. Figur 5B6' zeigt Helligkeitsverteilungen in Bereichen längs den Linien C-C und D-D¹ in Figur 5B6.

Dann wird Information hinsichtlich der Gestalt und der Helligkeitsverteilung der Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente in den Oxidationsbereichen in der Flamme auf der Basis der Flammenbilddaten erhalten, indem man eine Verarbeitung mit einem Schwellwert vornimmt. Durch die Trennung der Oxidationsbereiche vom Rest der Flamme wären Schwierigkeiten zu erwarten, bei der Erzielung des gewünschten Resultates, wenn die Verarbeitung unter Verwendung eines vorgegebenen Schwellwertes durchgeführt würde, da die Helligkeit sowohl in den Oxidationsbereichen als auch im Reduktionsbereich zunimmt, wenn man in Figur 5B6 vom Brenner weg nach rechts geht, wie sich deutlich aus der Helligkeitsverteilung in Figur 5B6 ergibt. Somit darf man das Flaminenbild nur einer Transformation unterwerfen, indem man den Helligkeitswert des Reduktionsbereiches der Flamme als Referenz verwendet, und zwar unter

Berücksichtigung der Tatsache, daß, wie in Figur 5A1 dargestellt, die Verbrennung, die in den Oxidationsbereichen stattfindet, die Verbrennung der festen Komponente und der flüchtigen Komponente der pulverisierten Kohle ist, und daß die Verbrennung, die in dem Reduktionsbereich im zentralen Bereich der Flamme stattfindet, die Verbrennung der festen Komponente ist. Anders ausgedrückt, die Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente in den Oxidationsbereichen können separiert werden, um darüber Information zu erhalten, indem man das Flammenbild einer Helligkeitsumwandlung unterwirft, wobei die Helligkeit der Oxidationsbereiche der Flamme umgewandelt wird in einen relativen Helligkeitswert in Bezug auf den Helligkeitswert des Reduktionsbereiches in der Flamme.

Das oben angegebene Verfahren wird nachstehend im einzelnen erläutert. Als Referenz wird die Helligkeitsverteilung im Zentrum des Reduktionsbereiches, d.h. die Helligkeitsverteilung längs der Linie C-C¹ in Figur 5B6 verwendet, und die Helligkeit der Oxidationsbereiche in Richtung der Y-Achse wird in relative Helligkeiten im Bezug auf die Referenz-Helligkeit an der X-Achsenkoordinate umgewandelt. Es gilt folgende Beziehung:

R* (i, j) = R (i, j) - Rc (i, j) ... (4¹), wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

R (i, j): Helligkeit vor der Umwandlung

R (i, j): Helligkeit nach der Umwandlung

Rc(i, j): Referenzhelligkeit

i, j : X-Achsen-und Y-Achsenkoordinaten.

Die Referenzhelligkeit Rc (i, j) kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

Rc (i, j) = K (j) χ Ro (i) ... (5¹),

wobei folgende Bezeichnungen verwendet werden: K (j): Korrekturkoeffizient
Ro(i): Helligkeit auf der Mittellinie der Flamme.

Der Korrekturkoeffizient K(j) soll zur Korrektur der Helligkeitsverteilung der Verbrennung der festen' Komponente in Richtung der Y-Achse von der Mittellinie der Flamme dienen. Der Korrekturkoeffizient K(j) wird mit der folgenden Gleichung berechnet, die auf der Helligkeit eines Bereiches basiert, der sich am äußersten rechten Ende der Bilddaten befindet, die vom Brenner am weitesten weg gelegen sind, und in welchem die Verbrennung der flüchtigen Komponente beendet ist und nur die feste Komponente brennt:

^{R (i}max ^{j)
RO (l}max)

vvobei i der Maximalwert der X-Achsenkoordinate ist. max

Indem man die Länge der Bilddaten auf einen Wert setzt, der im wesentlichen gleich dem Abstand X/D = 2 vom Brenner ist, ist es möglich, die Helligkeitsverteilung der Verbrennung der festen Komponente mit einem hohen Grad an Genauigkeit anzunehmen, indem man eine Korrektur durchführt, wobei der Korrekturkoeffizient K (j)· gemäß Gleichung (6¹) verwendet wird, da der Bereich der Bilddaten in der Nähe seines rechten Endes frei von den Einflüssen der Verbrennung der flüchtigen Komponente ist und nur die Helligkeit der Verbrennung der festen Komponente zeigt, wie in Figur 5A2 dargestellt.

Das Resultat, das durch die Abtrennung der Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente erhalten wird, indem man das Verfahren der Umwandlung der Helligkeit verwendet, ist in Figur 5B7 dargestellt. Figur 5B8 zeigt die Helligkeitsverteilung der Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente gemäß Figur 5B7, und Figur 5B8¹ zeigt die Helligkeitsverteilung längs der Linie D-D¹ in Figur 5B8.

Somit ist es möglich, Information über die Gestalt und Helligkeit der Verbrennungsbereiche der flüchtigen Komponente im Oxidationsbereich der Flamme zu erhalten, indem man die Helligkeit der Flammenbilddaten beim Helligkeitswert des Reduktionsbereiches der Flamme umwandelt,

und zwar aufgrund der Tatsache, daß dann, wenn pulverisierte Kohle verbrannt wird, die feste Komponente und die flüchtige Komponente der Kohle verbrannt werden, wobei die Verbrennung sowohl der festen Komponte als auch der flüchtigen Komponente in den Oxidationsbereichen stattfindet und nur die feste Komponente in dem Reduktionsbereich verbrennt.

Figur 6 zeigt eine konstruktive Ausführungsform des Funktionsblocks 4100 zur schrittweisen oder stufenweisen Schätzung der Stickstoffoxide. Bei einem Schätzungsmodell 4101 zur Reduzierung der Stickstoffoxide erfolgt die Berechnung aufgrund von FlammenCharakteristikparametern der separaten Stufen auf der Basis der Brennerflammeninformation 13O5--13O5₃ der jeweiligen Brennerstufen, und Schätzungen erfolgen hinsichtlich der Reduzierung von Brennerstickstoffoxiden 4105..-4105-, als Funktion der Parameter. In einem Schätzungsmodell 4102 der Brennerstickstoffoxide werden die schrittweise Luftanteile 4109^-4109, des Brenners erhalten auf der Basis der Volumina der zugeführten Kohle 130O₁-ISOO₃, der Volumina der Primärluft

₁₃, der Volumina der Sekundärluft 13O2.j-13O2₃ und der Volumina der Tertiär luft 1303.^-1303.,, die den separaten Stufen des Brenners zugeführt werden, sowie der Nachluft 1310, und die Schätzungen erfolgen hinsichtlieh der Mengen des im Brenner erzeugten Stickstoffes bevor sie eine Reduktion zeigen. Dann erfolgen Schätzungen hinsichtlich der Konzentrationen 4106.^-4106.3 der Brennerstickstoffoxide durch Abziehen der Brenner-Stickstoffoxidreduzierungen 4105 .,-4105., von den Mengen der im Brenner erzeugten Stickstoffoxide. In einem Modell 4103 zur schrittweisen Schätzung der Stickstoffoxide erfolgt eine Berechnung hinsichtlich der schrittweisen Stickstoffoxidschätzwerte 4107..-4107-3 unter Verwendung der schrittweisen Brennerluftverhältnisse 4109..-4109^ und eines mittleren Brennerluftverhältnisses, auf der Basis eines Modells, welches die Effekte berücksichtigt, die bei der Reduzie-

rung der Stickstoffoxide im Ofen erzielt werden, wobei eine Regenerierung der Stickstoffoxide durch Luft, welche durch die NO-Öffnung eingeleitet wird, in Bezug auf die Brenner-Stickstoffoxidkonzentrationen 4106..-41O₃ erfolgt. In einem Stickstoffoxid-Schätzungsmodell 4104 des Ofens erfolgt eine Berechnung der schrittweisen Stickstoffoxid-Schätzwerte 1400..-140O₃ durch Korrektur der primären Schätzwerte der stufenweisen Stickstoffoxide, die in dem schrittweisen Schätzungsmodell 4103 der Stickstoffoxide erhalten werden, durch Fehlerkorrektursignale 41O8--41O8₃, wobei die Meßwerte 1304 der Ofenauslaß-Stickstoffoxide verwendet werden.

Der Funktionsblock 4200 für die schrittweise Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche wird nachstehend unter Bezugsnahme auf Figur 6A1 und 6A2 erläutert. In einem Block 5000 für logische und arithmetische Operationen wird eine Operation durchgeführt, um einen Schätzungsindex I-_T_p von unverbrannter Kohle in der Asche zu erhalten, der auf den zweidimensionalen Bildsignalen 13OG₁-ISOe₃ hoher und niedriger Dichte beruht. Der Schätzungsindex l_Tmr> kann durch folgende Gleichung erhalten werden:

I_UBC = K . (dz/dB)"¹ (dx/dB)~¹ A₁, wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

dz: Abstand zwischen den Oxidationsbereichen in der

Verbrennungsflamme im Ofen und dem vorderen Ende des Brenners.

dx: Abstandsintervall zwischen den Oxidationsbereichen.

A,: Volumen der Primärluft.

dB: Durchmesser des Brenners.

K: Konstante.

Figur 6A2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Brennerauslaß und den Oxidationsbereichen.

Die Werte der erhaltenen Indexschätzwerte werden einem Schätzungsblock 4210 für unverbrannte Kohle in der Asche zugeführt, um eine Schätzung der Menge der unverbrannten

Kohle in der Asche für den Brenner insgesamt zu erhalten. Aufgrund dieser Schätzung werden die Mengen der stufenweise unverbrannten Kohle in der Asche in dem Schätzungsblock 4220 für die stufenweise unverbrannte Kohle in der Asche geschätzt.

In Figur 6A2 bezeichnen G₁ und G₂ die Schwerpunkte der Oxidationsbereiche der Flamme.

Figur 7 zeigt eine konstruktive Ausführungsform des Funktionsblocks 4500 für die schrittweise Berechnung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Die Wirkungsweise dieses Blockes wird unter Bezugnahme auf Figur 7 näher erläutert. In einem Suchbeginnzustands-Prüfbereich 4501 für optimal manipulierte Variable werden der Brennstoffmengenbedarf 3100, die stufenweise Schätzwerte 1400..-140O₃ der Stickstoffoxide, die schrittweisen Schätzwerte 1401 ^-1401-, der unverbrannten Kohle in der Asche und die Ofenausgang-Abgaskonzentrationen 1311^ —1311-^ periodisch mit vorgegebenen Werten verglichen, und wenn die vorgegebenen Werte nicht überschritten werden, werden die Brennstoffverhältnisbefehle 3310.,-331O₃, Primärluftvolumen-Sollwerte 3320.,-332O₃, Sekundärluftvolumen-Sollwerte 3330.,-333O₃, Tertiärluftvolumen-Sollwerte 3340--334O₃ und der Nachluftvolumen-Sollwert 3350, die vorher berechnet worden sind, ausgegeben. Die oben angegebenen Befehle und Sollwerte werden nachstehend als manipulierte Variable bezeichnet. Wenn jedoch irgendeiner der Werte der vorgegebenen Wert überschritten hat, werden Suchbefehle 1601 für optimal manipulierte Variable ausgegeben, um eine Suche nach neuen Werten für die manipulierten Variablen zu starten. Genauer gesagt, die Suchbefehle 1601 bewirken, daß ein Suchbereich 4502 für optimal manipulierte Variable einer Erprobungssuche 16Ο2 jeweils bei einem Modell 4503 für die schrittweise Vorhersage der Stickstoffoxide, einem Modell 4504 für die schrittweise Vorhersage der unverbrannten Kohle in der Asche und einem Modell 4505 für die Vorhersage der Ofenauslaß-Abgaskonzentration durchführt, so daß eine Berechnung in den

jeweiligen Modellen erfolgt, um Vorhersagen oder schrittweise Vorhersagen 16O3..-16O3₃ für Stickstoffoxide, schrittweise Vorhersagen 16O4..-1604₃ für unverbrannte Kohle in der Asche, Vorhersagen 1605--16OS₃ für die Ofenauslaß-Abgaskonzentration und die Ausgangssignale 1606..-16OG₃ des Ofen^u wärmeübertragungsmodells zu liefern. In einem Prüfbereich 4507 für Betriebsbeschränkungsbedingungen erfolgt eine Prüfung j ob die Anforderungen für den Betrieb der Anlage erfüllt sind oder nicht, und zwar im Hinblick auf die Vorhersagen, die in der oben beschriebenen Weise erhalten worden sind. Wenn die Anforderungen nicht erfüllt werden, wird eine Berechnung durch Erprobungsbetrieb wiederholt durchgeführt. Wenn die Anforderungen erfüllt werden, wird der thermische Wirkungsgrad des Kessels in einem Berechnungsbereich 4508 für den thermischen Wirkungsgrad auf der Basis der Ausgangssignal 16O6^-16O6₃ des Ofenwärmeübertragungsmodells berechnet. In einem Beurteilungsbereich 4509 für den maximalen thermischen Wirkungsgrad erfolgt eine Beurteilung, ob der berechnete Wirkungsgrad des Kessels maximal gemacht worden ist. Wenn er noch nicht maximal ist, wird der erwähnte Er*- probungsbetrieb wiederholt durchgeführt. Wenn der thermische Wirkungsgrad des Kessels einen Höchstwert erreicht hat, werden die manipulierten Variablen, die mit dem Höchstwert des thermischen Wirkungsgrad des Kessels in Einklang 5 stehen, über einen Ausgangsbereich 4510 für optimal manipulierte Variable als optimal manipulierte Variable ausge-¹ geben. Ein Verfahren, bei dem ein Modell 4503 der schritt·¹· weisen Vorhersage der Stickstoffoxide, ein Modell der schrittweisen Vorhersage der unverbrannten Kohle in der Asche und ein Vorhersagemodell 4505 für die Ofenauslaß-Abgaskonzentration verwendet werden, läßt sich angeben, indem man ein Verfahren der mehrfachen Regressionsanalyse verwendet.

Wenn ein derartiges Verfahren verwendet wird, ist es möglich, eine mehrfache Regressionsanalyse durchzuführen und die Modelle zu korrigieren, indem man die optimal manipulierten Variablen und die schrittweisen Schätzwerte

1400..-140O₃ der Stickstoffoxide, die optimal manipulierten Variablen und die schrittweisen Schätzwerte 1401 ..-140I₃ der nicht verbrannten Komponenten, sowie die optimal manipulierten Variablen und die Ofenauslaß-Abgaskonzentrationen 1311--1311 verwendet, wobei erstere als Erläuterungsvariable und letztere als abhängige Variable dienen. Somit ist es möglich, die Modelle dahin zu bringen, daß sie Änderungen in den Charakteristiken des Ofens berücksichtigen. Im Hinblick auf das Ofenwärmeübertragungsmodell 4506 ist es auch möglich, das Modell zu korrigieren, indem man die optimal manipulierten Variablen sowie akkumulierte Daten über die Verbrennungsgastemperaturschätzwerte 1402.-1402_, die Kühlrohrmetalltemperatur 13O9..-1309c und eine Kühlrohrauslaß-Fluidtemperatur 1308 verwendet, die den optimal manipulierten Variablen entsprechen, um dafür zu sorgen, daß das Ofenmodell den Ofencharakteristiken entspricht.

Figur 8 zeigt eine andere konstruktive Ausführungsform des Funktionsblocks 4500 der schrittweisen Berechnung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Bei dieser konstruktiven Ausführungsform werden das Modell 4503 für die schrittweise Vorhersage der Stickstoffoxide, das Modell 4504 für die schrittweise Vorhersage der unverbrannten Kohle in der Asche und das Vorhersagemodell 4505 für die Ofenauslaß-Abgaskonzentration nicht verwendet, und die Erprobungsoperationen 1602 werden direkt an den Prozessor ausgegeben, um es einem Prüfbereich 4507 für die Betriebsbeschränkungsbedingungen zu ermöglichen, die Operation der Prüfung vorzunehmen, ob die Anforderungen für den Betrieb der Anlage erfüllt sind, und zwar auf der Basis von Signalen vom Prozessor in Abhängigkeit von den Erprobungsoperationen

1602. Dies sind die Unterschiede zwischen den konstruktiven Ausführungsformen gemäß Figur 7 und 8. Die Prozeduren, die in der konstruktiven Ausführungsform gemäß Figur 8 durchgeführt werden, um die optimal manipulierten Variablen auszugeben, sind ähnlich wie die in Figur 7.

Figur 9 zeigt ein Flußdiagramm der Operationen, die

von dem Funktionsblock 4500 für die schrittweise Berechnung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses durchgeführt werden. Wenn das System in der Praxis zum ersten Mal läuft, werden optimal manipulierte Variable berechnet und gemäß den 5 oben beschriebenen Prozeduren ausgegeben. Bei einem zweiten und späteren Betrieb wird der laufende Brennstoffbedarf L mit einem Brennstoffbedarf L_ verglichen, der zu dem Zeitpunkt erhalten wird, wo die optimal manipulierten Variablen zum letztenmal berechnet wurden, um eine Differenz zwischen ihnen zu finden. Wenn der Absolutwert der Differenz einen vorgegebenen Wert E überschreitet, werden die optimal manipulierten Variablen erneut berechnet, da der maximale Wirkungsgrad möglicherweise noch nicht erreicht worden ist» wenn die laufenden manipulierten Variablen verwendet werden» Wenn die Differenz zwischen dem Brennstoffbedarf unterhalb des vorgegebenen Wertes E₁. liegt,wird von dem Suchbeginnzustands-Prüfbereich 4501 für optimal manimpulierte Variable geprüft, ob die Anforderungen für den Betrieb der Anlage, wie z.B. die Ofenauslaß-Stickstoffoxidkonzentrationen erfüllt sind. Wenn die Anforderungen erfüllt sind, dann werden die optimal manipulierten Variablen vom letzten Mal weiter verwendet. Wenn die Anforderungen nicht erfüllt werden, dann wird geprüft, ob die Anforderungen oder Bedingungen für den Betrieb der Anlage, wie z.B. der obere Grenzwert der Ofenauslaß-Stickstoffoxidkonzentrationen, sich geändert haben im Vergleich mit dem Betrieb, der mit den manipulierten Variablen vom letzten Mal durchgeführt worden ist. Wenn festgestellt wird, daß keine Änderung der Bedingungen erfolgt ist, werden neue manipulierte Variable gesucht. Wenn keine Änderung stattfindet, wird ausgenommen, daß die Differenz zwischen den Brennstoffbedarfswerten auf einem Schätzungsfehler aufgrund eines Schätzungömodells beruht, und der betreffende Koeffizient des Schätzungsmodells (welches das Schätzungsmodell des Funktionsblocks 4100 für die schrittweise Schätzung der Stickstoffoxide sein kann, wenn die Ofenauslaß-Stickstoffoxidschätzwerte

beispielsweise nicht die Anforderungen für den Betrieb der Anlage erfüllen) wird korrigiert, und zwar auf der Basis der entsprechenden Prozeßdaten mit dem Verfahren der mehrfachen Regressionsanalyse. In diesem Falle werden die manipulierten Variablen, die beim letzten Mal berechnet wurden, kontinuierlich ausgegeben. Bevor der Suchalgorithmus bezüglich der manipulierten Variablen gemäß Figur 9 beschrieben wird, erfolgt .eine Beschreibung eines Ofenwärmeübertragungsmodells zur Prüfung der Anforderungen oder Bedingungen für den Betrieb der Anlage und die Berechnung des thermischen Wirkungsgrades.

Figur 10 zeigt ein Ofenwärmeübertragungsmodell für einen Brenner zur Verbrennung von pulverisierter Kohle, wobei der Ofen in fünf Abschnitte oder Bereiche in einer vertikal nach oben gehenden Richtung (der Strömungsrichtung des Verbrennungsgases) aufgeteilt ist, und sämtliche Bereiche werden approximiert, indem ein System von Konzentrationskonstanten verwendet wird. Figur 10 zeigt die Prozesse der Strömung und der Wärmeübertragung für das Verbrennungsgas im Ofen, das Metall der Wärmeübertragungsrohre der Kühlrohre (nachstehend als Metall bezeichnet), und das Fluid im Inneren der Wärmeübertragungsrohre (nachstehend als Innenfluid bezeichnet). Der Zusammenhang zwischen den Werten oder Mengen dieser Prozesse ist durch ein nicht-lineares physikalisches Modell definiert das auf den Gesetzen der Erhalten von Masse, Impuls und Energie beruht. Die Konstanten des Verbrennungsgases und des Innenfluids sind kleiner zum Zeitpunkt der Strömung als zum Zeitpunkt der Wärmeübertragung. Somit werden die Strömungscharakteristiken des Verbrennungsgases und des Innenfluids als konstante Strömung angesehen, d.h. als ein Fluid, in welchem keine Beschleunigung stattfindet, und durch statische Charakteristiken approximiert.

Anschließend werden die Bezeichnungen angegeben, die für die verschiedenen Gleichungen verwendet werden.

{1) Zeichen

F : Massedurchsatz (kg/s)

P : Druck (kPa)

T : Temperatur (⁰C)

H : spezifische Enthalpie, erzeugte Wärme (kJ/kg)

Q : erhaltene Wärme, übertragene Wärme (kJ/s)

U : Durchsatz der Wärmeströmung (kJ/(s-m )) ρ : Dichte (kg/m³) α : Konvenktionswärmeübertraungsrate (kJ/m Cs)) 2 β : Strahlungswärmeübertragungsrate (kJ/(m -k/1000)*s))

C : spezifische Wärme bei konstantem Druck (kJ/(kg· C))

X : Grad der Trockenheit (-)

W : Wassergehalt (-). der Kohle

ν : Aschegehalt (-) der Kohle

u : Überschußluftrate (-), Konzentration (%)

ε : Durchgangsrate der schwimmenden Asche durch den Ofenauslaß

λ : Reibungskoeffizient des Strömungsweges (-)

k : spezifische Verbrennungsrate (-)

g : Gravitationsbeschleunigung (m/s )

A : Wärmeübertragungsfläche, Querschnittsfläche des Strömungsgweges (m )

R : Gaskonstante (kg*m/(kg«k)) D : Durchmesser des Strömungsweges (m) V : Volumen des Strömungsweges (m )

K_T: Koeffizient der Gesamteinflüsse, die von der Zusammensetzung des Verbrennungsgases auf die Gas temperatur aus*- geübt werden (-)

ΔΖ: Länge des Strömungsweges, Differenz am Kopf des StrÖiiiungs* weges (m)

K_R: Koeffizient der Gesamteinflüsse, die von der Zusammensetzung des Verbrennungsgases auf die Gaskonstante ausgeübt werden (-)

K : Koeffizient für die Approximierung des Zusammenhanges zwischen der Zusammensetzung des Verbrennungsabgases und Κ_φ und Κ_Ώ (-)

Pormkoeffizient bezüglich der Strahlungswärmeübertragung zwischen dem Verbrennungsgas und dem Wärmeübertragungsrohrmetall in separaten Bereichen des Ofens

(2) Indizes

(i) Indizes, die die Relation zwischen den Substanzen angeben g : Verbrennungsgas

m : Wärmeübertragungsrohrmetall

s : Innenfluid der Wärmeübertragungsrohre c : pulverisierte Kohle

1 : Zündungsöl

pa : Primärluft (Transportluft für pulverisierte Kohle) sa : Sekundärluft

ta : Tertiärluft
f : durch Verbrennung beheizter Körper

gm : Wärmeübertragung vom Verbrennungsgas an das Wärmeübertragungsrohrmetall

ms : Wärmeübertragung vom Wärmeübertragungsrohrmetall an das Innenfluid

sg : Strömung und Übertragung von Wärme vom Innenfluid der Wärmeübertragungsrohre an das Verbrennungsgas

ash : Asche

a : Gesamtluft, die in den Ofen strömt

ao : erforderliche Luft, um den in den Ofen strömenden Brennstoff einer vollständige Verbrennung zu unterwerfen

atm : Atmosphäre

0 : SauerstoffÜberschuß im Verbrennungsgas.

(ii) Indizes, die den Ort bezeichnen i : Bereich des Ofens

i(1): Vorderseite des i-ten Bereiches des Ofens i(2): Rückseite des i-ten Bereiches des Ofens

in : Verbrennungsgas im i-ten Bereich und Wärmeübertragungsrohrmetall in sämtlichen Bereichen

ni : Verbrennungsgas in sämtlichen Bereichen und Wärme⁴-übertragungsmetall im i-ten Bereich

j : Brennerstufen

SH : Strahlungswärmeüberhitzung
F : Innenraum des Ofens

FX : Stromabwärtiger Bereich des Ofenauslasses

SH(1): Verbrennungsgas-Kontaktbereich des Strahlungswärmeüberhitzers

SH (2): Strahlungswärme-Empfangsbereich des Strahlungswärmen-ΙΟ Überhitzers

(iii): Indizes, die Änderungen beim Referenzwert, Zustand usw. bezeichnen

gr : Referenzwert der Zustandsgröße bezüglich des Verbrennungsgases

sr : Referenzwert der Zustandsgröße bezüglich des Innenfluids der Wärmeübertragungsrohre

r : Referenzwert bezüglich der Zusammensetzung des Brennstoffes und des Verbrennungsgases

gv : Zustandsgröße bezüglich der Verdampfung und Über¹-hitzung von Wasser

gmr : Referenzwert bezüglich der Wärmeübertragung vom Verbrennungsgas an das Wärmeübertragungsrohrmetall

msr : Referenzwert bezüglich der Wärmeübertragung vom Wärmeübertragungsrohrmetall an das Innenfluid SB : Zustandsgröße des unterkühlen Siedepunktes.

Nachstehend werden die Gleichungen im Zusammenhang mit den Ofenmodellen im einzelnen erläutert.

1. Modell der Wärmezuführungs- und Wärmeerzeugungscharak-¹-teristiken für Brennstoff und

(1) Durch Verbrennung erzeugte Wärmemenge

^ 0, i^j J (1)

Fei= Σ Kji.Fcj (2)

i «1

Fej= Σ F.,j (mj

Him \

j TT

,i=Fc,j -Hc(I--—-^e)-f

Me

(4)

= FcJ-Hc (l-4r"^C) (i^j) (5)

(2) Im Brennstoff und der Luft enthaltene Wärmemenge

2 Jffi

cI= Σ CCc(Tc, i(m}-T«_m,B){l-W(l-—-)}Fc,i W

m- 1 \V

(Tc, iW-T.tm,B)-W(I-- hE,iW3(i=i)

^W (6)

Qp..«=f

(8)

Q-Ml=C(T^-TaL₁BJF..,, (_9j

Qt.,i=C. (Tt.-

(2) Modell, der Wärmeübertragung- und Strömungscharakteristiken des Verbrennungsgases

2.1 Wärmeübertragungscharakteristiken des Verbrennungsgases (1) Verbrennungsgastemperatur

T₁

10

Q t

Q_11n,_in (i=j) (12)

H FTHr Fi

(13)

, , ^W ι ι -η -ι η /φ φ

.i-yV'd—' )—W_r J-rF»eie J'V^tvi it» -¹- «»'

^c'¹ w

(2) Aus dem Verbrennungsgas an das Metall übertragene Wärmemenge

^=a"" ⁽~F\7^j0* * (16)

(17]

Q^e"ⁿ»^SH=^arm,rA,_I=,_SH(T_r,_ä-T»,_SH) ( i=5j

(18)

« loo

Tm,n-r 273.2 4 44_m

IOD ^ ' 3"Am(I- -—-JAiE

,,T., 1+2732 _t T.,sη+ 273.2

loo ' "'-T^—'

-^(a9)

Qzn_fin=i4e, tn:,i-T-Qt₁₁B, in (4^ί^1) '"(2O)

Qzm,iii=Q c,_Cn>,i*TQe,_fB,SH-rQ e,_fm,in ( I = 5 J

-(21)

e.rm.iii— ^- LArall-- JA_em,i'0in{( )

»-¹ Arm 10 0

m,i-f·273.2 4 , ^

—Γ5Τ—^{} }D} -⁽²²⁾

" ;^-)Arm,SHi2)-A,SH

₍ T_g,n-f 273.2 4 Tm.SH-f273.2 4

^[ 100

•(23)

Qrm,al=Qi,_ra,l4-Q_t,_cni,Bi (24)

Qrm,SH = Qe,tm,SH-f Q.,pm,SH (25)

2.2 Strömungscharakteristiken des Verbrennungsgases (1) Durchsatz des Verbrennungsgases

-T-F₁,i-1 ( i=j ) (26)

F*,i=F«,!+F.»,i-tF^i-i CiNj) (27)

(2) Druck des Verbrennungsgases χ s, i ^=zr s, ι + ι τ - —τ

(28)

<°ΐ,ί— ZTTZ, (29)

Pr,i

R (T₁,i-f 273.2)

Aus den Gleichungen (28) und (29) ergibt sich;

„ _ b + /b²4-4ac
^gyi 2l ^{30)

a -ι - g

R (T₂,i-f 2732)

-(31)

* R(Tr,i+273.2)

,i

Rr ' K R, F

(32)

3. Modell der Wärmeübertragungs-und Strömungscharakteristiken des Metalls und Innenfluids

3.1 Wärmeübertragungscharakteristiken des Metalls und des Innenfluids

(1) Temperatur des Metalls

Cm* Mm, » ~ =Qtm,ni— Qm,,i— Q » tm,i — * (33)

α t

(2) Vom Metall an das Innenfluid und die Atmosphäre übertragene Wärmemenge "

_a ._{= a} .(^{F> >1})°'^s.f, (X._ti ,XsB,i) —(34)

f : Korrekturkoeffizient der Konvektionswärme-Übertragungsrate zwischen dem Metall und dem Innenfluid in Zustand einer Zwei-Phasenströmung.

m ι , ι — ^ubjiI iuiigi lJLm,i X,,iy ' "\OOy

Um,, i = Qmi,i /Am, ,1 (36)

Q* ti, l=ff|tm * Aatm,i (Tm,i—Titm) (37)

(3) Temperatur und Trockenheit des Innenfluids

V.,i · /Ί,ι :— = Wie,,ι—H. _fi-i * ± i.i-

Q t

(38)

X.,i = f.a (H,,ι , Ρ.,ι) ^39)

,,ι , Ρ.,ι) (40)

3.2 Strömungscharakteristiken des Innenfluids (1) Druck des Innenfluids

/0,1-JZ.i (41)

4· Mehrfachcharakteristikmodell· des Ofens
(Ό Luftüberschußrate

Tc₁T= Σ Fcj (43)

i-l

Σ Fi₁] (44)

i-l

2 (F_P.,j+F.*,i-fFt.,j) (45)

CHc- (1-^)+K₃2-(Wh-W-(I

-Fx,r (46)

Fx,f/F.,o (47)

Die Konzentration des Restsauerstoff ist durch folgende Beziehung in Gew.-% gegeben:

ßo = 23.15 (1--) (48).

(2) Durchsatz des Verbrennungsgases am Ofenauslaß

F«_Sh, F = I/ · Fe Γ

P»fc.Px = e"P.._hfP (O^e^ij ₍₅₀₎

Fj₁FX = Fe ,F* ( 1—i/l-i-T? ι τι

^x "^F \i ^v) . i ..hFx-i-F_P

(3) Koeffizienten der Einflüsse, die durch die Zusammensetzung des Verbrennungsgases ausgeübt werden

JW

[Vr-V) (52)

JW

Kr, f=1+K21-(Wr-W-(I-—-) 14-K₂₂-Ur-

(53)

JW

Kl,FX= H-KlI-(Wr-W' (1-— )}+Kl2'{ftr-ß)

l"ri·"] (54)

JW

Κ»,FX= 1+K₂ 1 (Wr-W(I--)}+Ki2 Ur-

(55)

Mit erneuter Bezugnahme auf Figur 7 wird das Vorhersagemodell 4503 für die Ofenauslaß-Stickstoffoxide erläutert. Da es schwierig ist, den Zusammenhang zwischen den am Auslaß des Ofens erzeugten Stickstoffoxiden und den manipulierten Variablen physikalisch zu beschreiben, ist es praktikabel, ein statistisches Verfahren zu verwenden, wie z.B. das Verfahren der mehrfachen Regressionsanalyse. Ein Beispiel des Vorhersagemodells, das gemäß dem Verfahren der mehrfachen Regressionsanalyse aufgebaut ist, wird nachstehend erläutert. Beim Verfahren der mehrfachen Regressionsanalyse werden die Erläuterungsvariablen und die abhängigen Variablen mit x. (i = 1...m) bzw. y bezeichnet, und wenn die Funktion

y = f (X₁, X₂ ... (x_m) (56)

zwischen ihnen gilt, werden sie durch folgende Gleichung ausgedrückt

Υ = P₀₊S₁X₁ + 3₂x₂ + + P_1nX_1n ...(57),

so daß die partiellen Regressionskoeffizienten ß_Q, β..,β in der Weise bestimmt werden können, um die Abweichung von Y gegenüber y minimal zu machen. Bei dem Modell der Ofenauslaß-Stickstoffoxide wird dieses Verfahren verwendet, um die Stickstoffoxide abzuschätzen, die in jeder Stufe erzeugt werden, und zwar gemäß folgenden Gleichungen:

ΝΟχι=Αι+Αι·Χι +

(58)

(59) ■

N0x3=A3+As-Xi+A3 -X₂ + +Aa-x«

(60),=

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: X₁ ... χ : manipulierte Variable

Bq....β . (i = 1...3): partielle Regressionskoeffizienten·

Dann werden die Ofenauslaß-Stickstoffoxide mit der nachstehenden Gleichung abgeschätzt:

Fc,l+Fe,₂+F_e,3

r. /

wobei F , i den Durchsatz an pulverisierter Kohle in der Stufe i bezeichnet.

Die schrittweisen Schätzwerte 1400.-140O₃ der Stickstoffoxide, die vom Funktionsblock 4100 für die schrittweise Schätzung der Stickstoffoxide erzeugt werden, werden als Daten verwendet, um die partiellen Regressionskoeffizienten mit den Gleichungen (58) bis (60) zu bestimmen.

In dem Vorhersagemodell 4504 für die unverbrannte Kohle in der Asche am Ofenauslaß werden die schrittweisen Vorhersagewerte für die unverbrannte Kohle in der Asche mit den nachstehenden Gleichungen erhalten, und zwar mit dem Verfahren der mehrfachen Regressionsanalyse, das in gleicher Weise durchgeführt wird, wie es im Zusammenhang mit dem Vorhersagemodell 4 503 für die Ofenauslaß-Stickstoffoxide erläutert worden ist. Hierfür werden folgende Gleichungen verwendet:

UBC₁ =Aoi-r>^fi)ii· Xi-f Xi-X₂H- -r/ni-Xn,

(62)

(63)

(64) ₍

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind: 2Q ß¹ ....ß¹ . (i = 1-3): partielle Regressionskoeffizienten

Dann wird für die Vorhersage der unverbrannten Kohle in der Asche am Ofenauslaß die folgende Gleichung verwendet:

_TT F.4UBCi+F«,2UbCztF«,3UBC₃

U B Cfx= ■-= j-=, -j-rr « (6o).

F +FF

Die schrittweisen Schätzwerte 1401.-1401₃ für unver 5 brannte Kohle in der Asche, die mit dem Funktionsblock

4200 für die schrittweise Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche erhalten werden, werden als schrittweise Daten für die Kohle in der Asche verwendet/ um die partiellen Regressionskoeffizienten mit den Gleichungen (62) bis (64) zu bestimmten.

Im Hinblick auf den Vorhersageblock 4505 für die Ofenauslaß-Abgaskonzentration ist es möglich, die Konzentration von CO, SO und Asche am Auslaß des Ofens abzuschätzen, indem das Verfahren der mehrfachen Regrssionsanalyse in gleicher Weise verwendet wird wie es im Zusammenhang mit dem Vorhersagemodell 4 504 für die unverbrannte Kohle in der Asche am Ofenauslaß beschrieben worden ist. In diesem Falle ist es jedoch nicht möglich, die Konzentration der Abgase für jede Stufe des Ofens abzuschätzen.

Um somit die partiellen Regressionskoeffizienten für die Konzentration der Abgase zu erhalten, wird die Relation zwischen den Ofenauslaß-Abgaskonzentrations-Schätzwerteri und den manipulierten Variablen in einem mehrfachen Regressionsmodell ermittelt, und die Werte, die durch Berechnung der Konzentrationen der Abgase erhalten werden» werden verwendet.

Eine konstruktive Ausführungsform des Prüfbereiches 4507 für die Be triebsbeschrankungs zustände, der unter Be⁴-zugnahme auf die Figuren 7,8 und 9 angegeben worden ist, 5 wird nachstehend naher erläutert. Der Kürze halber werden die Anforderungen weggelassen, die hinsichtlich der Abgase erfüllt werden sollten.

N 0 x L ^ N 0 x Fx ^ N 0 x (66)

X₂=UBCfX^UBCo (67)

X₃ =-T_e, FX^-Tr₁FX₁. (68)

(69)

X9 =Urm, SH^S Urm, SHu (70)

wobei folgende Beziehungen verwendet sind:

N0x__v : Konzentration der Stickstoffoxide am Ofenauslaß

Γ Ä

UBC__V : unverbrannte Kohle in der Asche am Ofenauslaß

NOx_n : oberer Grenzwert der Konzentration der Stickstoff-

oxide am Ofenauslaß

. N0x_ : unterer Grenzwert der Konzentration der Stickstoff-

Xj

oxide am Ofenauslaß

UBC_n : oberer Grenzwert der unverbrannten Kohle in der Asche am Ofenauslaß
Tg,FX : Gastemperatur am Ofenauslaß Tg,FX_n : oberer Grenzwert der Gastemperatur am Ofenauslaß

Ugm/ i : Rate der Wärmeströmung des Kühlrohrmetalls im Bereich i

Ugm,i_n :.oberer Grenzwert der Rate der Wärmeströmung des Kühlrohrmetalls im Bereich i

Ugm,SH : Rate der Wärmeströmung des Strahlungsüberhitzungsmetalls im Bereich i

Ugm,SH_n: oberer Grenzwert der Rate der Wärmeströmung des Strahlungsüberhitzungsmetalls im Bereich i.

Wenn die Lufttemperatur am Einlaß der Denitrierungseinrichtung zu niedrig wird, besteht die Tendenz, daß eine Tieftemperaturkorrosion im Metall der Denitrierungseinrichtung stattfindet. Die Bedingung zur Vermeidung dieses Effektes wird mit der Gleichung (68) in die Ofenauslaß-Gastemperatur umgewandelt. Die Gleichungen (69) und (70) dienen zur Angabe von Bedingungen zur Vermeidung des Brennens des Metalls.

Ein Beispiel der Anfordernungen, die erfüllt werden sollten, wenn die Erprobungsoperation 1602, die unter Bezugnahme auf Figur 7 bis 9 angegeben worden ist, durchgeführt wird, um die optimal manipulierten Variablen zu bestimmen, ist nachstehend angegeben:

Fp», IL^X₁₃ (=Pp.,l)^F_f., In

■(71)

•(72)

Ft», Ft», Fta,

— F t *,2)ää Fs >,2U

^X₂O (=Ft»,2)^F

t»,2tI

■(73)

(74) (75λ

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

F c, i : Durchsatz an pulverisierter Kohle im Bereich i Fpa, i : Durchsatz an Primärluft im Bereich i : Durchsatz an Sekundärluft im Bereich i : Durchsatz an Tertiärluft im Bereich i : obere Grenze des Durchsatzes an pulverisierter Kohle im Bereich i

Fsa, i Fta_r i Fc, i

Fc, X₁

Fpa, i

unterer Grenzwert des Durchsatzes an pulverisiör· ter Kohle im Bereich i oberer Grenzwert des Durchsatzes an Primärluft im Bereich i

Fpa, i : unterer Grenzwert des Durchsatzes in Primärluft

im Bereich i Fse, i : oberer Grenzwert des Durchsatzes an Sekundärluft im Bereich i Fse, i_T : unterer Grenzwert des Durchsatzes an Sekundärluft

J-I

im Bereich i Fta, i : oberer Grenzwert des Durchsatzes an Tertiärluft

im Bereich i

Fta, i_T : unterer Grenzwert des Durchsatzes an Tertiärluft im Bereich i.

Im Rechenbereich 4508 für den thermischen Wirkungsgrad gemäß Figru 7 und 8 wird der thermische Wirkungsgrad η definiert als das Verhältnis der Gesamtwärme im gesamten Bereich des Ofens einschließlich der erzeugten Wärme und der zugeführten Wärme, zu einem Anteil der Gesamtwärme, die durch das Innenfluid durch das Kühlrohrmetall absorbiert wird; die Berechnung erfolgt durch nachstehende Gleichung

Σ Qms, i4-Qnu, SH i1

$-1

XlOO 55

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

Qms, i : Wärmemenge, die durch das Kühlrohrmetall im Bereich i an das Innenfluid übertragen wird

Qms, SH : Wärmemenge, die durch das Strahlungsüberhitzungs-

metall an das Innenfluid übertragen wird Qf, i : Wärmemenge, die durch die Verbrennung der pulverisierten Kohle und den Zündungsölbrennstoff erzeugt wird

Qc, i : Wärmemenge, die in der pulverisierten Kohle im Bereich i enthalten ist

Ql, i : Wärmemenge, die in dem Zündungsöl enthalten ist Qpa, i : Wärmemenge, die in der Primärluft im Bereich i

ist

Qsa, i : Wärmemenge, die in der Sekundärluft im Bereich i enthalten ist

Qta, i : Wärmemenge, die in der Tertiärluft im Bereich i

enthalten ist.

Wenn der thermische Wirkungsgrad η definiert wird als das Verhältnis der Gesamtwärme im gesamten Bereich des Ofens, einschließlich der erzeugten Wärme und der zugeführten Wärme, zu einem Teil der Gesamtwärme, die von dem Metall absorbiert wird, dann erfolgt die Berechnung des thermischen Wirkungsgrades durch die nachstehende Gleichung (77):

5 5

■" ^οιίπ,ίΤ·" v4« , tm»in"T" Qe , pm, SH i-1 i«l

X 100 ^ 177),

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

Qc, gm, i : Wärmemenge,,die durch Konvektion vom Verbrennungsgas im Bereich i an das Kühlrohr-'

metall übertragen wird (kJ/s).

Qc, gm, in : Wärmemenge, die durch Strahlung vom Verbrennungs¹-gas im Bereich i an das Metall des Kühlrohres und des Strahlungsüberhitzers im gesamten Bereich des Ofens übertragen wird (kJ/s).

Qc, gm, SH : Wärmemenge, die durch Konvektion vom Verbrennungsgas im Bereich i an das Strahlungsüberhitzungsmetall übertragen wird (kJ/s).

Ein Beispiel des Rechenverfahrens, das vom Rechenbereich durchgeführt wird, um die optimal manipulierten Variablen zu berechnen, wie es in Figur 9 angegeben ist, wird nachstehend näher erläutert.

Figur 11 zeigt ein Flußdiagramm eines Algorithmus zur Bestimmung von optimal manipulierten Variablen, der unter Verwendung eines komplexen Verfahrens durchgeführt wird, das ein nicht-lineares Planungsverfahren darstellt. Dieser Algorithmus dient zum Suchen von manipulierten Variablen, welche den thermischen Wirkungsgrad η gemäß der vorstehenden Definition unter den Betriebsbedingungen der Anlage maximal· machen, welche durch die Gleichungen (66) bis (75) ausgedrückt sind. Dieser Algorithmus wird unter Bezugnahme auf Figur 11 näher erläutert.

(1) Schritt 1: Bildung eines Anfangssimplex

Ein Anfangssimplex wird gebildet, indem man einen Anfangserprobungspunkt xj mit i = 10 ... 22 verwendet, der sämtliche Bedingungen für den Betrieb der Anlage erfüllt, die durch die Gleichungen (71) bis (75) ausgedrückt sind, und in einem durch einen Operationsvektor X definierten Raum einen Polygonzug bildet, der eine Anzahl von K Winkeln oder Ecken aufweist. In Figur 11 ist der Einfachheit halber ein Wert von K = 6 gewählt, jedoch hat K vorzugsweise die doppelte Anzahl von Ecken des Operationsvektors. Bei der Bildung des Anfangssimplex wird ein Punkt als Anfangserprobungspunkt X? gewählt, und der Rest der Punkte, deren Anzahl (K - 1) beträgt, wird durch die folgende Gleichung bestimmt, indem man eine gleichmäßige willkürliche Zahl r. mit j = 2...K verwendet:

X? = Ximin + r³ (Ximax - Ximin) ... (78).

Dabei gilt 0 = r-⁵ = 1 , und Ximin und Ximax sind der untere Grenzwert bzw. der obere Grenzwert der manipulierten Variablen gemäß den Gleichungen (71) bis (75). Der Anfangserprobungspunkt X. erfüllt die Bedingungen für den Betrieb der Anlage, die durch die Gleichungen (71) bis (75) ausgedrückt sind, erfüllt jedoch nicht notwenigerweise die

Bedingungen, die mit den Gleichungen (66) bis (7O) ausgedrückt sind. Wenn dies der Fall ist, wird der Erprobungspunkt zum Schwerpunkt eines Punktes verschoben, der bereits bestimmt ist für einen Ort auf halbem Wege zwischen dem Erprobungspunkt und dem Schwerpunkt. Auf diese Weise werden schließlich alle Punkte bestimmt.

(2) Schritt 2: Berechnung des thermischen Wirkungsgrades η

Der thermische Wirkungsgrad wird unter Verwendung der entsprechenden Gleichung in Bezug auf sämtliche Punkte des Simplex berechnet, der von den manipulierten Variablen X^ gebildet wird, wobei i = 10...22 und j = 1...K.

(3) Schritt 3: Berechnung der Schwerpunkte

Der Schwerpunkt des Simplex ist definiert durch die Punkte mit der Anzahl (K-1) mit Ausnahme des Punktes, bei dem der thermische Wirkungsgrad am niedrigsten ist. Wenn der Punkt für den niedrigsten Wirkungsgrad j = 1 ist, dann kann X_r. durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Σ -η' Xl

i-2

J-2

(79).

Der Abstand AX„. vom Punkt des niedrigsten Wirkungsgrades zum Schwerpunkt kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

^XGi = XGi-Xi (80).

(4) Schritt 4: Bestimmung eines neuen Erprobungspunktes Die neu auszuprobierende Richtung wird vom Punkt des niedrigsten Wirkungsgrades in Richtung des Schwerpunktes festgelegt, und ein neuer Erprobungspunkt wird auf eine '. Position gesetzt, die sich in einer Entfernung vom Schwerpunkt

befindet, die das ou-fache des Abstandes ΔΧ^. zwischen dem Punkt des niedrigsten Wirkungsgrades und dem Schwerpunkt

k+1

ausmacht. Der neue Erprobungspunkt wird durch X. bezeichnet. Wenn der neue Erprobungspunkt so gewählt worden ist, wird empirisch der Wert von α. in geeigneter Weise so bestimmt, daß die nachstehende Gleichung einen Wert von 1,3 hat:

(81)

Wenn beim neuen Erprobungspunkt festgestellt wird, daß er nicht die Gleichungen (71) bis (75) erfüllt, welche die Bedingungen der manipulierten Variablen angeben (mit τ- in der Figur bezeichnet), wird der Erprobungspunkt in eine Position verschoben, welche die Bedingungen für den Betrieb der Anlage erfüllt (mit τ^ in der Zeichnung angegeben).

(5) Schritt 5: Bestätigung der Bedingungen für den Betrieb der Anlage

Wenn der neue Erprobungspunkt oder Versuchspunkt die Bedingungen für den Betrieb der Anlage gemäß den Gleichungen (66) bis (70) nicht erfüllt, werden sämtliche Infor-

k+1 mationen hinsichtlich des Erprobungspunktes X. zu Null gemacht, und die Prozedur kehrt zum Schritt 4 zurück, um einen neuen Erprobungspunkt zu bestimmen. In diesem Falle kehrt die Operation zum Schritt 4 zurück, nachdem α. ersetzt, worden ist durch α./2.

(6) Schritt 6: Berechnung des thermischen Wirkungsgrades η

k+1
Der Wirkungsgrad η , der dem neuen Erprobungspunkt

k+1
X. entspricht, wird unter Verwendung von Gleichung (14) berechnet.

(7) Schritt 7: Beurteilung der Maximierung des thermischen Wirkungsgrades η

Die höchsten und niedrigsten Werte des thermischen Wirkungsgrades für den neuen Erprobungspunkt und die Punkte, welche den ursprünglichen Simplex bilden, werden mit η

bzw. η · bezeichne^ und der vorgeschriebene Wert wird auf ε gesetzt. Ob der Wirkungsgrad maximal gemacht worden ist oder nichi; wird mit der folgenden Gleichung beurteilt:

V ta »x 7 oit ., ,

<^eV (82).

7.BlX

Wenn der Wirkungsgrad den höchsten Wert erreicht hat, geht die Operation zum Schritt 9 weiter. Wenn nicht, geht die Operation zum Schritt 8

(8) Schritt 8: Bildung eines neuen Simplex

Ein neuer Simplex wird mit Punkten gebildet, deren Anzahl K beträgt, wobei der Punkt des minimalen Wirkungsgrades aus den den ursprünglichen Simplex bildenden Punkten ausgenommen wird und der neue Erprobungspunkt hinzugefügt wird. Dann kehrt die Operation zum Schritt 3 zurück.

(9) Schritt 9: Entscheidung der opimalen manipulierten Variablen

Wenn beim Schritt 7 festgestellt wird, daß der thermische Wirkungsgrad den höchsten Wert erreicht hat, werden die manipulierten Variablen, die dem maximalen Wirkungsgrad η entsprechen, als optimale manipulierte Variable vermax

wendet.

Figur 12 zeigt ein anderes Beispiel eines Algorithmus zum Aufsuchen der optimalen manipulierten Variablen, um den maximalen thermischen Wirkungsgrad zu erhalten. Diese Operationen werden nachstehend unter Bezugnahme auf Figur¹ näher erläutert.

(1) Schritt 1

Es wird beurteilt, ob die Suche zum ersten Mal durchgeführt werden soll. Wenn dies die erste Suche ist, dann geht die Operation zum Schritt 3 weiter, wobei die derzeitigen Werte der Brennstoffmenge für sämtliche Bereiche der manipulierten Variablen beibehalten werden. Wenn dies nicht die erste Suche ist, geht die Operation zum Schritt

- ⁵⁶ - 3S20728

(2) Schritt 2

Das Verhältnis der Brennstoffmengen für sämtliche Bereiche wird variiert, während die Bedingungen für den Betrieb der Anlage gemäß Gleichung (6) erfüllt sind, vorausgesetzt, daß die Gesamtmenge der Brennstoffmengen für sämtliche Bereiche die Brennstoffvolumenanforderung erfüllt.

(3) Schritt 3

Die Luftmengen für sämtliche Bereiche werden gemäß einem vorgegebenen Schritt variiert, während die Anforderungen für den Betrieb der Anlage gemäß den Gleichungen (71) bis (75) erfüllt werden, und die Werte, welche den thermischen Wirkungsgrad gemäß Gleichung (76) maximal machen, während die Bedingungen für den Betrieb der Anlage gemäß den Gleichungen (66) bis (70) erfüllt werden, werden gesucht. Die Werte des thermischen Wirkungsgrades und die Mengen an Brennstoff und Luft werden in einem Speicher gespeichert.

(4) Schritt 4

Wenn die Operation der Änderung des Verhältnisses der Brennstoffmengen noch nicht für sämtliche Bedingungen für den Betrieb der Anlage gemäß Gleichung (6) beendet ist, kehrt die Operation zum Schritt 1 zurück. Wenn die Operation für sämtliche Bedingungen beendet ist, geht die Operation zum Schritt 5 weiter.

(5) Schritt 5

Von sämtlichen Sätzen des thermischen Wirkungsgrades und der Mengen an Brennstoff und Luft werden die Mengen an Brennstoff und Luft des Satzes, bei dem der thermische Wirkungsgrad maximal gemacht worden ist, als optimale manipulierte Variable gewählt.

Figur 13 zeigt ein Beispiel des Algorithmus für Schritt 3 gemäß Figur 12. Es hat sich herausgestellt, daß dann, wenn drei Verbrennungsbetriebsarten oder eine regelmäßige Verbrennungsbetriebsart, eine Zweistufen-Verbrennungs-

Betriebsart und eine Denitirierungsverbrennungsbetriebsart untersucht werden, indem man die Luftverhältnisse der Brennerstufen und den NO-Auslaß als Parameter verwendet, die reguläre Verbrennungsbetriebsart den höchsten thermisehen Wirkungsgrad zeigt, gefolgt von der Zweistufen-Verbrennungsbetriebsart und der Denitrierungs-Verbrennungsbetriebsart in der angegebenen Reihenfolge, und die Denitrierungs-Verbrennungsbetriebsart zeigt die niedrigste Stickstoffoxidkonzentration, gefolgt von der Zweistufen-Verbrennungsbetriebsart und der regulären Verbrennungsbetriebsart in der angegebenen Reihenfolge.

Das Beispiel gemäß Figur 13 schlägt auf der Basis der obigen Erkenntnisse vor, durch Erprobung die Luftverhältnisse oder Luftanteile zu manipulieren, indem man ein Verfahren verwendet, das am besten zu einer herrschenden Verbrennungsbetriebsart paßt, um dadurch den thermischen Wirkungsgrad maximal zu machen, während die Bedingungen für den Betrieb der Anlage, einschließlich der Ofenauslaß-Stickstoffoxidkonzentration und anderer Faktoren erfüllt werden. Die dementsprechend durchgeführten Operationen werden nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 13 näher erläutert.

Beim Schritt 1 in Figur 13 wird bestimmt, ob die Ofenauslaß-Stickstoffoxidkonzentration NOx den oberen Grenzwert N0x„ überschreitet oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß erstere die letztere überschreitet, schließt sich die Prozedur zur Reduzierung der Stickstoffoxidkonzentration und des thermischen Wirkungsgrades an, wobei die Operation zum Schritt 2 und folgenden weitergeht. Wenn festgestellt wird, daß erstere die letztere nicht überschreitet, wird die herrschende Ofenauslaß-Stickstoffoxidkonzentration NOx mit dem unteren Grenzwert NOx₃. beim Schritt 22 verglichen. Wenn festgestellt wird, daß erstere kleiner ist als letztere, geht die Operation zum Schritt 23 und den folgenden weiter, wobei die Stickstoffoxidkonzentration NOx vergrößert und der thermische Wirkungsgrad verbessert wird. Wenn die Stickstoffoxidkonzentration NOx zwischen dem oberen Grenzwert

und dem unteren Grenzwert NOx_T1 bzw. NOx_T liegt, wird

U .Li

die Manipulation beendet, indem man die manipulierten Variablen auf den laufenden Werten festhält.

In dem Falle, wo die herrschende Stickstoffoxidkonzentration NOx den oberen Grenzwert NOx_n der Stickstoffoxidkonzentration überschreitet, wird zuerst beschrieben.

Beim Schritt 2 wird der Typ der herrschenden Verbrennungsbetriebsart bestimmt als eine der regulären Verbrennungsbetriebsart, der Zweistufen-Verbrennungsbetriebsart und der Denitrierungs-Verbrennungsbetriebsart. Auf der Basis dieser Bestimmunt geht die Operation zum entsprechenden Kanal weiter. Nehmen wir an, daß die reguläre Verbrennungsbetriebsart als herrschende Verbrennungsbetriebsart bestimmt wird.

(1) Schritte 3, 4 und 5

Die Mengen an reduzierten Stickstoffoxiden für separate Brennerstufen werden gesteuert, indem man das Verhältnis der Tertiärluft zur Sekundärluft variiert, ohne das stufenweise Brennerluftverhältnis zu variieren. Dann wird geprüft, ob die Bedingungen für den Betrieb der Anlage, einscließlich der Ofenauslaß-Stickstoffoxidkonzentration NOx erfüllt sind oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß die Bedingungen nicht erfüllt sind, werden die Schritte 3 bis wiederholt durchgeführt, bis die Bedingungen erfüllt sind, wenn die Operation zum Schritt 6 weitergeht.

(2) Schritte 6, 7 und 8

Der thermische Wirkungsgrad η wird berechnet, und seine Werte und die manipulierten Variablen, die während dieser Periode erhalten werden, werden im Speicher gespeichert. Wenn Erprobungsoperationen für das Verhältnis der Tertiärluft zur Sekundärluft für sämtliche Bereiche nicht beendet worden sind, kehrt die Operation zum Schritt 3 zurück, um die Schritte 3 bis 7 wiederholt durchzuführen. Wenn sie beendet worden sind, geht die Operation zum Schritt 8 weiter, bei dem der hächste Wert η von sämtlichen Werten des

max

thermischen Wirkungsgrades, die bei den mit dem Schritt 7 endenden Schritten berechnet werden, und die manipulierten Variablen u , die dann erhalten werden, wenn der höchste Wert des thermischen Wirkungsgrades bestimmt wird, werden in dem Speicher gespeichert, bevor die Operation zum Schritt 9 weitergeht.

(3) Schritte 9, 10 und 11

Bei diesen Schritten wirdgeprüft, ob die Bedingungen für den Betrieb der Anlage erfüllt sind oder nicht, indem man das stufenweise Brennerluftverhältnxs auf dieselbe Rate reduziert und gleichzeitig die Nachluft erhöht, während die Menge an Luft im Ofen konstant gehalten wird. Wenn diese Bedingungen als nicht zufriedenstellend ermittelt werden, werden die Schritte 9 bis 11 wiederholt durchgeführt. Wenn sie erfüllt sind, geht die Operation zum Schritt 12 weiter.

(4) Schritte 12, 13 und 14

Bei diesen Schritten wird der thermische Wirkungsgrad η berechnet, und seine Werte und die manipulierten Variablen, die zu diesem Zeitpunkt erhalten werden, werden in dem Speicher gespeichert. Wenn die Versuchsoperationen für das Brennerluitverhältnis für sämtliche Bereiche noch nicht beendet worden sind, geht die Operation zum Schritt weiter, um die Schritte 9 bis 13 wiederholt durchzuführen.

Wenn sie beendet worden sind, geht die Operation zum

Schritt 14 weiter, bei dem der höchste Wert π _ von

max

sämtlichen Werten des thermischen Wirkungsgrades, die bei den mit dem Schritt 13 endenden Schritten berechnet werden, und die manipulierten Variablen u , die dann erhalten werden, wenn der höchste Werte des thermischen Wirkungsgrades bestimmt wird, im Speicher gespeichert werden, bevor die Operation zum Schritt 15 weitergeht.

(5) Schritte 15, 16 und 17

Es wird geprüft, ob die Bedingungen für den Betrieb der Anlage erfüllt sind oder nicht, indem man das Luftverhältnis einer Brennerstufe M vergrößert und das Luft-

verhältnis einer Brennerstufe P reduziert, wie es Figur 5 zeigt. Wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind, werden die Schritte 15 bis 17 wiederholt durchgeführt. Wenn sie erfüllt sind, geht die Operation zum Schritt 18 weiter.

(6) Schritte 18, 19 und 20

Der thermische Wirkungsgrad η wird berechnet, und seine Werte und die manipulierten Variablen, die während dieses Zeitraumes erhalten werden, werden im Speicher gespeichert. Wenn die Erprobungsoperationen für das Brennerluftverhältnis für sämtliche Bereiche nicht beendet worden sind, geht die Operation zum Schritt 15 weiter, um die Schritte 15 bis 19 wiederholt durchzuführen. Wenn sie beendet sind, geht die Operation zum Schritt 20 weiter, bei dem der höchste Wert η von sämtlichen Werten des thermisehen Wirkungsgrades, die bei dem mit dem Schritt 19 endenden Schritten berechnet werden, und die manipulierten Variablen u , die dann erhalten werden, wenn der höchste Wert des thermischen Wirkungsgrades bestimmt wird, im Speicher gespeichert werden, bevor die Operation zum Schritt weitergeht.

(7) Schritt 21

Die manipulierten Variablen, die dem Wert des thermischen Wirkungsgrades η bei den höchsten Werten von η bis _ max

η entsprechen, werden als optimale manipulierte Variable verwendet.

Wenn der Typ der Verbrennungsbetriebsart beim Schritt 2 als Zweistufen-Verbrennungsbetriebsart bestimmt wird, werden die Prozeduren einschließlich der Schritte 9 bis 21 durchgeführt, um die optimalen manipulierten Variablen für die Zweistufen- und Denitrierungs-Verbrennungsverfahren zu suchen. Wenn zwischenzeitlich die laufende Verbrennungsbetriebsart als Denitrierungs-Verbrennungsbetriebsart ermittelt wird, werden die Versuchsoperationen für die Luftverhältnisse in der Denitrierungs-Verbrennungsbetriebsart durchgeführt, um die optimalen manipulierten Variablen

in den Schritten 15 bis 21 zu ermitteln.

Die durchzuführenden Operationen, wenn die herrschende Stickstoffoxidkonzentration den oberen Grenzwert überschreitet, sowie die durchzuführenden Operationen, wenn die herrschende Stickstoffoxidkonzentration unter den unteren Grenzwert abfällt,verden nachstehend erläutert.

Beim Schritt 23 wird der Typ der Verbrennungsart bestimmt, und geeignete Operationen werden durchgeführt, die den vorgegebenen Prozeduren folgen, und zwar aufgrund des Bestimmungsergebnisses. Die durchzuführenden Operationen, wenn die herrschende Verbrennungsbetriebsart als Denitrierungs-Verbrennungsbetriebsart ermittelt wird, wird zuerst bschrieben.

(1) Schritte 24, 25 und 26

Es werden Erprobungsoperationen durchgeführt, indem man die Luftverhältnisse des Brenners insgesamt konstant hält, indem man die Luftverhältnisse des Brenners P vergrößert und die Luftverhältnisse des Brenners M reduziert, um zu prüfen, ob die Bedingungen für den Betrieb der Anlage efüllt sind oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß die Bedingungen nicht erfüllt sind, werden die Schritte 24 bis 26 wiederholt durchgeführt. Wenn festgestellt wird, daß sie erfüllt sind, geht die Operation zum Schritt 27 weiter.

(2) Schritte 27, 28 und 29

5 Der thermische Wirkungsgrad π wird berechnet, und seine Werte und die manipulierten Variablen, die während dieser Zeit erhalten werden, werden im Speicher gespeichert. Dann werden die Schritte 24 bis 28 wiederholt durchgeführt, bis die Brennerluftverhältnisse für die P-Stufe gleich denen für die M-Stufe werden (Zweistufen-Verbrenmangsbetriebsart), und die Operation geht zum Schritt 29 weiter, wenn sie gleich geworden sind. Beim Schritt 29 wird der höchste

1 *

Wert des thermischen Wirkungsgrades η von sämtlichen

max

Werten des thermischen Wirkungsgrades, die bei den mit dem Schritt 28 endenden Schritten berechnet werden, bestimmt,

1 ' und die manipulierten Variablen u , die dann verwendet werden, wenn der thermische Wirkungsgrad den höchsten Wert

1 '
¹^ erreicht, werden erhalten, bevor die Operation zum Schritt 30 weitergeht.

(3) Schritte 30, 31 und 32

Die Luftverhältnisse der Brenner von sämtlichen Stufen werden mit derselben Rate erhöht, und die Nachluft wird reduziert. Die Operation geht zum Schritt 33 weiter, wenn die Bedingungen zum Betrieb der Anlag erfüllt wird.

(4) Schritte 33, 34 und 35

Der thermische Wirkungsgrad η wird berechnet, und sein Wert und die Werte der manipulierten Variablen, die zu dieser Zeit erhalten werden, werden im Speicher gespeichert. Die Schritte 30 bis 34 werden wiederholt durchgeführt, bis die Nachluft zu Null wird (normale Verbrennungsbetriebsart). Wenn die Nachluft Null geworden ist, wird der höchste Wert

2'

des thermischen Wirkungsgrades η von sämtlichen Werten

max

des Wirkungsgrades, die bei den mit dem Schritt 34 endenden Schritten berechnet werden, bestimmt, und die manipulierten

2'

Variablen u , die dann verwendet werden, wenn der thermi-

2'

sehe Wirkungsgrad den höchsten Wert η erreicht, werden

max

bestimmt. Diese Werte werden im Speicher gespeichert, bevor die Operation zum Schritt 36 weitergeht.

(5) Schritte 36 bis 41
Das Verhältnis der Tertiärluft zur Sekundärluft für jede Stufe wird variiert, und der höchste Wert des thermischen

3' 3 *

Wirkungsgrades η und die manipulierten Variablen u ,

in cix

die dann verwendet werden, wenn der thermische Wirkungsgrad den höchsten Wert erreicht hat, werden in dem Speicher gespeichert, bevor die Operation zum Schritt 42 weitergeht.

(6) Schritt 42

Bei diesem Schritt werden die manipulierten Variablen,

die dem thermischen Wirkunqsgrad bei dem Spitzenvert der höchsten Werte

1 ' 2' 3'

des thermischen Wirkungsqrades η , η und η ent-

- max max max

sprechen, bei den Schritten 29, 35 bzw. 41 erhalten und als optimale manipulierte Variable verwendet.

Bei der obigen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren 9 bis 13 wurde angegeben, daß die mit den Versuchsoperationen erhaltenen Resultate dahingehend überprüft wurde, ob sie die Bedingungen für den Betrieb der Anlage erfüllen oder nicht. Es gibt zwei verfügbare Verfahren zur Prüfung der Resulatate der Versuchsoperationen. Ein Verfahren besteht darin, das Ansprechverhalten auf die Ver-Suchsoperationen zu schätzen, indem man gemäß Figur 7 das stufenweise Schätzungsmodell für die Stickstoffoxide, das Modell für die stufenweise Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche sowie das Schätzungsmodell für die Ofenauslaß-Abgaskonzentration verwendet. Das andere Verfahren verwendet das tatsächliche Ansprechen der Anlage, indem man direkt die manipulierten Variablen verwendet und einsetzt, indem man die Versuchsoperationen durchführt, ohne Modelle zu verwende, wie es Figur 8 zeigt.

Nachstehend wird der Funktionsblock 4400 für die VerbrennungsgastemperatürSchätzung beschrieben. Figur 15 zeigt ein Beispiel dieses Blockes, in welchem ein Bildleiter oder eine Bildführung IG mit dem gleichen Aufbau wie in Figur 5 sich in der Nähe des mittleren Bereiches von einer Seite jeder Stufe des Ofens befindet, um die Helligkeit des Verbrennungsgases durch die Bildfasern IF zu Lichtteilerröhren LDV zu führen, wo das Licht in zwei Anteile aufgespalten wird, die über Einzelfarbfilter FL- und FL₂ unterschiedlicher Wellenlängen dem Bildformungs-Fernsehsystem ITV- und ITV « zugeführt werden, wo die durch die Filter durchgelassene Helligkeitsinformation in Videosignale umgewandelt wird, die mit Analog-Digital-Wandlern A/D. und A/D2 in digitale Daten umgewandelt werden. Die so erhaltenen digitalen Daten werden in Flammenspeichern FM^ und FM₂ als zweidimensional Helligkeitsdichte-Bilddaten gespeichert werden. Dann wird das Helligkeitsverhältnis der entsprechenden Bildelemente von den beiden

Sätzen von Bilddaten berechnet, und zwar mit einem Rechenbereich IRC für das Bildhelligkeitsverhältnis. Unter Verwendung des Helligkeitsverhältnisses werden die Temperaturen an Punkten, die den Bildelementen des zweidimensionalen Bildes entsprechen, und ein Mittelwert für das Bild insgesamt berechnet, und zwar mit einem Zweifarben-Pyrometerverfahren mit einem Temperaturrechenbereich TC. Dieses Rechenverfahren wird nachstehend im einzelnen erläutert.

Das Zweifärben-Pyrometerverfahren wird zunächst beschrieben. In Figur 15 seien die Wellenlängen der Einzelfarbfilter FL₁ und FL₂ gegeben durch A₁(Cm) und A₂(cm), und die zweidimensionalen digitalen Bilder der Helligkeitsdichte, die mit den jeweiligen Filtern erhalten werden, seien mit I₁(I, j) und I₂(i, j) bezeichnet. Der Helligkeitspegel kann beispielsweise 0 bis 255 sein, und der Ausdruck (i, j) bezeichnet die (x, y) Koordinaten der Bildelemente, welche die Bilder bilden. Wenn die Anzahl der Bildelemente, die das jeweilige Bild bilden oder aufbauen, in vertikaler Richtung und in Querrichtung durch M bzw. N bezeichnet wird, dann gilt i = 0...(M - 1) und j = 0...(N - 1). Dann kann die Relation zwischen den Temperaturen T (i, j) an den Koordinaten (i, j) des Bildes und den Helligkeitsdaten gemäß dem Wien'sehen Gesetz durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden:

11. ( i, j )= « · ~T^exP (- 1 (83)

Ci
I₂ (i, j )=£.~-exp(-~^--. λ (84)

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

ε : Strahlungsleistung

T(i, j): Temperaturen (K) bei den Koordinaten (i, j)

C₁ : 3,7403 χ 10~⁵ erg-cm²/s

C₂ : 1 ,4387 cni'K

Ti₁, A₉ : Wellenlängen (cm).

352Ö728

Indem man das Verhältnis von Gleichung (83) zu Gleichung (84) bildet und einige Umformungen vornimmt/ kann die folgende Gleichung erhalten werden:

T(i,i) I₂U, J )

Damit gilt:

k, = 186)

(J ₂ [ λ ι — λ 2 J

k 2 = t u [—-) ⁵ (87)

Λ 2

I8o).

Das Helligkeitsverhältnis I₁(X, 3)/^2 ^' ^ ^der Gleichung (85) wird mit dem in Figur 15 dargestellten Rechenbereich IRC für das Helligkeitsverhältnis berechnet, und das erhaltene Resultat wird verwendet, um die Temperaturen der Punkte der Koordinaten (i, j) zu berechnen, und zwar auf der Basis der Gleichungen (85), bis (87) mit dem Temperaturrechenbereich TC.

Die mittlere Temperatur T ,_T wird durch folgende

Gleichung erhalten:

M-I N-I

Λ A ^{T ( l} -^j}

i»0 \>0
Ta,= (88).

M · N

Unter Verwendung der Gleichung (88) ist es möglich, die Verbrennungsgastemperaturen in separaten Bereichen abzuschätzen.

In dem Ofenwärmeübertragungsmodell 4506 gemäß Figur_ä8 und 16 ist für den Algorithmus zur Bestimmung der optimal manipulierten Variablen das Verbrennungsverhältnis K..

gemäß Gleichung (1) stark mit den Verbrennungstemperaturen in den Bereichen i und j korreliert, und dieses Verhältnis kann ausgedrückt werden als Funktion f der Verbrennungstemperaturen, und zwar folgendermaßen:

= ^f

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

T. : mittlere Verbrennungstemperatur im Bereich j

T. : mittlere Verbrennungstemperatur im Bereich i

Als einfaches Beispiel für die Gleichung (89) gilt die folgende mehrfache Regressionsgleichung:

K_j± = b_o 4- b_rT. + b₂.T_± + b₃.T_j.T_± ...(90), wobei b . . .b.~ partielle Regressionskoeffizienten sind.

Wenn die Verbrennungstemperaturen als äquivalent zu den Brennerflammentemperaturen im Hinblick auf die Brennerstufen und zu den Verbrennungsgastemperaturen im Hinblick auf die anderen Bereiche als die Brennerstufen angesehen werden, dann können die Brennerflammentemperaturen mit einem Zweifarben-Pyrometerverfahren abgeschätzt werden,das die Erzeugung von Brennerflammenbildern beinhaltet, und die Verbrennungsgastemperaturen können mit dem Zweifarben-Pyrometerverfahren gemäß Figur 15 und den Gleichungen (83) bis (88) abgeschätzt werden. Kurz gesagt, das Verbrennungsverhältnis kann abgeschätzt werden auf der Basis der Brennerflammeninformation und der Verbrennungsgas-Helligkeitsinformation als Resultat von Erprobungsoperationen, die bei der Anlage Anwendung finden. In dem Falle des Algorithmus zur Bestimmung der optimal manipulierten Variablen gemäß Figur 7 wird jedoch das Ansprechverhalten von der Anlage auf die Erprobungsoperationen mit einem Modell abgeschätzt, so daß das oben erwähnte Zweifarben-Pyrometerverfahren ersetzt werden soll durch ein Modell zur Abschätzung der Flairanentemperatur und der Verbrennungsgastemperatur. Das Schätzungsverfahren, aas am praktikabelsten erscheint, besteht darin, jederzeit die Tabellen der

Flammen- und Verbrennungsgastemperaturen, die den Mengen an Brennstoff und Luft entsprechen, als Ergebnis der Untersuchungen des Betriebes der Anlage zu erneuern, so daß die Tabellen jederzeit verwendet werden können, wenn es erwünscht ist.

Figur 16 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 8, wobei die tatsächlichen Ansprechresultate der Verbrennungsgastemperatur und der Ofenwandmetalltemperatur in Bezug auf eine Erprobungsoperation 1602 berechnet werden und die erhaltenen Werte als Resultate der Berechnung verwendet werden, um den thermischen Wirkungsgrad mit dem Ofenwärmeübertragungsmodell 4506 zu berechnen. Dies eliminiert das Erfordernis der Verwendung eines Modells zur Berechnung der Verbrennungsgastemperatur und der Kühlrohrmetalltemperatur für das Ofenwärmeübertragungsmodell 4506, so daß die Modelle vereinfacht werden können.

Im Hinblick auf den Funktionsblock 4300 gemäß Figur für die schrittweise Schätzung der Verbrennungssicherheit können andere konstruktive Ausführungsformen verwendet werden, und zwar in Abhängigkeit von dem Verfahren, das zur Ermittlung der Sicherheit verwendet wird. Wenn ein Sicherheitsermittlungsverfahren verwendet wird, kann die Funktion zur Abschätzung des Flammenbereiches in Bezug auf die Erprobungsoperation 1602 gemäß Figur 7 zu dem Block hinzuaddiert werden, und die Sicherheit der Verbrennung kann ermittelt werden auf der Basis der durch diese Funktion gelieferten Schätzung. Wenn das erhaltene Resultat eine Anormalität anzeigt, dann wird der Erprobungsbetrieb als ungeeignet beurteilt und annuliert. Die Funktion zur Schätzung der Gestalt oder Form der Flamme in Bezug auf Erprobungsoperation 1602 gemäß Figur 7 kann zu dem Block hinzuaddiert werden, und die Sicherheit der Verbrennung kann ausgewertet werden auf der Basis einer durch diese Funktion gelieferten Schätzung. Wenn das erhaltene Resultat eine Anormalität anzeigt, dann wird der Erprobungsbetrieb als ungeeignet beurteilt und annuliert. Somit ist es möglich,

jegliche Störungen zu vermeiden, welche die Verbrennung im Kessel unstabil machen könnten.

Das Prüfungsverfahren, ob die Bedingungen für den Betrieb der Anlage erfüllt sind oder nicht, wenn die Nachluft in ihrer Menge erhöht oder verringert wird, wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 7 bis 20 näher erläutert.

Figur 17 zeigt die Verteilung der Oxidationsbereiche einer Flamme, die mit einem zweidimensionalen Bildsignal hoher und niedriger Dichte erhalten wird, das von dem Flammenbildmessungs-Funktionsblock 4000 erzeugt wird.

Die folgenden Werte werden aus Figur 17 als charakteristische Parameter der Oxidationsbereiche der Flamme erhalten:
Abstand vom vorderen Ende des Brenners zu den Oxidationsbereichen .... X = dz/dB ... (91)

Abstand zwischen den Oxidationsbereichen

Y = dX/dB ... (92)

Dicke-Koeffizient der Oxidationsbereiche

Z = a/b (93),

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

a : radiale Dicke der Oxidationsbereiche der

Flamme

b : axiale Dicke der Oxidationsbereiche der Flamme

G1, G~: Positionen der Schwerpunkte.

In den Gleichungen (91) und (92) werden die Verhältnisse der Abstände dz und dx zum Durchmesser des Brenners dB verwendet. Dies ist jedoch nicht einschränkend aufzufassen und die Werte von dZ und dX können auch so wie sie sind verwendet werden.

Somit kann der Schätzungsindex I_UBC der unverbrannten Kohle in der Asche unter Verwendung der Gleichungen (91) und (92) beispielsweise wie folgt definiert werden:

I_UBC = k · X"¹ · Y"¹ · Z ... (94),

wobei 1 der Primärkoeffizient ist.

Dabei können die folgenden Daten als charakteristische Parameter der Oxidationsbereiche einer Flamme zusätzlich zu den oben beschriebenen Parametern verwendet werden.

Die Werte G- und G₂ , die X und Y in Figur 17 angeben, können folgendermaßen definiert werden (1) Die Werte G₁ und G₂ gemäß Figur 17 bilden die Zentren

der Oxidationsbereiche der Flamme. (2) Die Werte G- und G₂ bilden die Positionen, die den

Oxidationsbereichen der Flamme am nächsten gelegen sind, wenn man die Anordnung in Bezug auf X vom vorderen Ende des Brenners betrachtet.

(3) Die Werte G- udn G₂ bilden die Positionen, an denen die Flammentemperatur am höchsten ist.

(4) Die Oxidationsbereiche werden durch Temperaturverteilung erhalten, und die Werte G- und G₂ bilden ihre Schwerpunkte.

Z kann verwendet werden, um die Dicke einer Flamme zu bezeichnen, wenn man den Brenner radial betrachtet.Alle diese Parameter bezeichnen jedoch die Positionen der Oxidationsbereiche einer Flamme vom vorderen' Ende des Brenners oder ihre Größe. In diesem Zusammenhang müssen sie nicht notwendigerweise die Schwerpunkte oder die Dicke bezeichnen. Die Helligkeiten (oder die Temperaturen) der Oxidationsbereiche einer Flamme sind jedoch längs einer Konturlinie verteilt, und die Fläche der Oxidationsbereiche unterliegt einer Änderung in Abhängigkeit von den Werten, welche die Separierung der Zone vor Helligkeit beschränken. Die Position des Schwerpunktes ist jedoch durch diese Werte nicht beeinflußt.Somit wird die Verwendung des Schwerpunktes als charakteristischer Parameter für den Oxidationsbereich als geeignet angesehen.

Ein Beispiel des Verfahrens zur Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche in der Nähe des Brenners

welches die Form oder Gestalt einer Flamme verwendet, ist oben beschrieben worden.

Nachluft wird in die Flamme an ihrer stromabwärtigen Seite eingeleitet. Wenn dies der Fall ist, gilt die ReIation zwischen der unverbrannten Kohle in der Asche UBC und ihrem Schätzwert I_UBC/ wie es Figur 18 zeigt. Figur 18 macht deutlich, daß aufgrund des Einflusses der Nachluft die unverbrannte Kohle in der Asche UBC einen durch eine Kurve A angegebenen Bereich von zwei Werten in Bezug auf den Schätzindex I_TTT,„ besitzt.

U-dC

Figur 18 zeigt ferner, daß dann, wenn Nachluft in großen Mengen durch eine Nachluftöffnung gmeäß Figur 4A eingeleitet wird, die Relation zwischen der unverbrannten Kohle in der Asche UBC und ihrem Schätzindex I_TTnr, linear

UJdC

ist, wie es mit der gestrichelten Linie B in Figur 18 dargestellt ist.

Dies zeigt, daß die Einflüsse, die durch die Einführung von Nachluft auf die unverbrannte Kohle in der Asche UBC ausgeübt werden, ausgedrückt werden können als Funktion, insbesondere als Exponentialfunktion, der Position, an der Messungen gemacht werden, oder der Menge der Nachluft, so daß es möglich wird, die unverbrannte Kohle in der Asche mit einem hohen Grad an Genauigkeit in Bezug auf die Position abzuschätzen, an der die Messungen erfolgen.

Die vorstehende Beschreibung betrifft die unverbrannte Kohle in der Asche. Andere Abgaskomponenten, wie z.B. Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Staub, Asche.usw. zeigen jedoch die gleiche Tendenz wie unverbrannte Kohle in der Asche UBC. Ein Beispiel des Betriebes zur Bestimmung der Einflüsse, die durch die Einleitung von Nachluft auf die unverbrannte Kohle in der Asche UBC ausgeübt werden, wird nachstehend erläutert.

Ein Schätzungterm wird zu der Gleichung (94) addiert, um eine Gleichung (95) zu bilden, um die unverbrannte Kohle in der Asche UBC wie folgt abzuschätzen:

P (UBC) = K₁ · I_UBC + K₂ · exp (α) + C ... (95)_; wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

P (UBC) : Schätzwert der unverbrannten Kohle in der Asche I_T1„„ : Schätzindex der unverbrannten Kohle in der Asche

UBC

α : Koeffizient der durch Nachluft ausgeübten Einflüsse
K₁,K₂,C : Konstanten (K₂ ist eine Konstante, die die Zeit berücksichtigt, welche für die Nachluft erforderlicht ist, um die Entfernung zwischen der Position, in der sie in den Ofen eingeleitet wird, und der

Position, in der sie abgetastet wird, zurückzulegen) .

Der Ausdruck α, der die Einflüsse bezeichnet, die durch die Nachluft in Gleichung (95) ausgeübt werden, wird als Funktion der Menge der Nachluft in Gleichung (96) ausgedrückt:

wobei G-, die Menge an Nachluft bezeichnet.

Die Menge an Nachluft gemäß Gleichung (96) kann ausgedrückt werden, indem man ein Luftverhältnis verwendet, das in Gleichung (97) angegeben ist:

α = giu - λ BNR), .. j* (97)_;

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind

λ : Gesamtluftverhältnis
^λ _ΒΝΏ ^: Brennerluftverhältnis.

Der Wert G_Ä7. kann ausgedrückt werden, indem man die Gesamtmenge an Luft und die Menge an Tertiärluft verwendet.

Die Gleichung (95) hat einen Term zur Abschätzung der Einflüsse, die durch die Einführung von Nachluft auf die unverbrannte Kohle in der Asche ausgeübt werden, indem man eine Exponentialfunktion verwendet. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen, und es können auch andere Funktionen verwendet werden, wie sich aus den nachstehenden Gleichungen ergibt:

P (UBC)=Ki · Iübc+K₂ -f { g (Gaa), -} +C

(98>. P (UBC) =Ki · I0BC + K2 «f {g(^-^BNs),···} +C

Die Prozeßoperationen, die auf der Basis der oben beschriebenen Prozeduren durchgeführt werden, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Flußdiagramme in Figur 2OA und 2OB beschrieben.

Die Prozeßverarbeitung, die gemäß Figur 2OA durchgeführt wird, verläuft folgendermaßen:

(1) Schritt 100: Eingabe der Flammenbilddaten

Flammenbilddaten IM (i, j) werden in einen Prozessor eingegeben (i = 1...I, j = 1...J).

(2) Schritt 110: Mittelwertbildung der Flammenbilddaten

Eine Flammenkonfiguration mit der höchsten Wahrscheinlichkeit, die der Verbrennungszustand zeigt, wird erhalten. Ein Beispiel sieht folgendermaßen aus:

I, JM

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

IM (i, j) : durchschnittliches Flammenbild K : Anzahl von Proben für die Durchschnittsbildung (K = 1...N)

(3) Schritt 120: Trennung der Wesensmerkmale der Flammen

konfiguration

Die hohe Helligkeit und die Hochtemperaturbereiche

(Oxidationsbereiche der Flamme) werden separiert, indem man das Bild verarbeitet, und die Relation zwischen dem Brenner und den separierten Bereichen (ihren Schwerpunkten) wird berechnet.

(4) Schritt 130: Berechnung der unverbrannten Kohle in der Asche, Schätzungsindes I_T,_n„

UxJv-

Der Schätzungsindex I_UBC für die unverbrannte Kohle in der Asche wird erhalten, indem man die Gleichung (100) verwendet:

⁽¹⁰⁰⁾/

wobei folgende Beziehungen gelten:

K, C, : Konstanten

Z = a/b . (101)

mit folgenden Werten:

b: Dicke der Oxidationsbereiche der Flamme bei radialer Betrachtung des Brenners

a: Dicke der Oxidationsbereiche der Flamme bei axialer Betrachtung des Brenners

(5) Schritt 140: Wird Nachluft eingeleitet?

Es wird festgestellt, ob es erforderlich ist oder nicht, den Einfluß von Nachluft zu berücksichtigen.

ferforderlich (ja): G_Äa > 5 Beurteilung -<

/ nicht erforderl. (nein) :G,- =

wobei G^ die Menge an Nachluft ist.

(6) Schritt 150: Schätzung einer Reduzierung der Menge an unverbrannter Kohle in der Asche, die durch die Einleitung von Nachluft hervorgerufen wird Die Menge an unverbrannter Kohle in der Asche, die eine Reduzierung zeigt, während die Verbrennung stattfindet, nachdem Nachluft eingeleitet worden ist, wird abgeschätzt.

P = f (g (G_AA, )) + C₂ (102)_/

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:

G₂ : Konstante

P : geschätzte Reduzierung ^GAA ^{: Men}9^{e an} Nachluft

In Gleichung (102) ist die Funktion g (G₇.,, ...) angegeben, die zumindest G_n enthält.

(7) Schritt 160: Schätzung der unverbrannten Kohle in der Asche

Die unverbrannte Kohle in der Asche wird mit Gleichung (103) abgeschätzt, indem man die vorher erhaltenen Werte l_rror, und P verwendet.

P(UBC) = K₁-I^₀ + K₂-P + C ... (103)

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind

P(UBC) : geschätzte unverbrannte Kohle in der Asche

P : geschätzte Reduzierung in der Menge

¹UBC ^{: Sch}-ätzungsindex der unverbrannten Kohle in der Asche

K.,,K₂,C: Konstanten.

(8) Schritt 170: Ausgabe der Schätzwerte Ein Schätzwert P(UBC) von unverbrannter Kohle in der Asche wird an eine Ausgabeeinrichtung ausgegeben.

Die Prozeßverarbeitung, die in Figur 2OB durchgeführt wird, läuft folgendermaßen ab:

(1) Schritt 121: Trennung der Bereiche hoher Helligkeit und hoher Temperatur (Semi-Schwellwert-Verfahren)

Die Bereiche hoher Helligkeit und hoher Temperatur (Oxidationsbereiche einer Flamme) werden als Charakteristika der Flamme verwendet. Somit werden diese Bereiche mit einem Semi-Schwellwert-Verfahren separiert. Das Semi-Schwellwert-5 Verfahren bezieht sich auf die Verarbeitung einer Bildgleichung (104) hoher und niedriger Dichte:

wenn 114 (i, ;}) > TH, IM (i, j) = IM (i, j)

wenn IM (i, j) C TH, IM (i, j) = 0 (104),

wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind IM (i,j): durchschnittliches oder mittleres Flammenbild

(Bild hoher und niedriger Dichte) TH : Semi-Schwellwert-Pegel

(2) Schritt 122: Berechnung der Schwepunkte der Bereiche hoher Helligkeit und hoher Temperatur

Die Schwerpunkte der Bereiche hoher Helligkeit und hoher Temperatur (Oxidationsbereiche der Flamme), die durch die Semi-Schwellwert-Behandlung separiert werden, -werden erhalten. Bei diesem Beispiel werden die Schwerpunkte der Bereiche als typische Punkte verwendet. Es können jedoch ähnliche Resultate erhalten werden, indem man die Punkte höchster Helligkeit und höchster Temperatur als typische Punkte der Bereiche verwendet.

(3) Schritt 123: Berechnung der Positionen der Schwerpunkte in Bezug auf den Brenner (X)

X (Abstand zwischen dem Brenner und den Schwerpunkten der Oxidationsbereiche der Flamme) wird als einer der charakteristischen Parameter zur Bestimmung des Schätzungsindex I_rra-, der unverbrannten Kohle in der Asche erhalten.

U13U

Die Bereiche hoher Helligkeit und hoher Temperatur werden nachstehend als Oxidationsbereiche einer Flamme bezeichnet.

(4) Schritt 124: Berechnung des Abstandes zwischen den Schwerpunkten (Y)

Y (Abstand zwischen den Schwerpunkten der Oxidationsbereiche der Flamme) wird als einer der charakteristischen Parameter zur Bestimmung des Schätzungsindex I_Tirir, der unverbrannten Kohle in der Asche erhalten.

(5) Schritt 125: Berechnung der Dicke der Bereiche hoher Helligkeit und hoher Temperatur (Z)

Die Dicken der Oxidationsbereiche der Flamme bei radialer und axialer Betrachtung des Brenners werden erhalten, und der Koeffizient der Dicke der Oxidationsbereiche in axialer Richtung wird unter Verwendung von Gleichung (101) berechnet.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß es gemäß der Erfindung möglich ist, Schätzwerte von unverbrannter Kohle in der Asche sowie eine Reduzierung der Menge an unverbrannter Kohle in der Asche auf der Basis

eines Bildes einer Flamme zu liefern, um dadurch die unverbrannte Kohle in der Asche an einer Position, an der die Messungen erfolgen, mit einem hohen Grad an Genauigkeit abzuschätzen oder vorherzusagen.

- Leerseite -

Claims (15)

1. PATENTANWÄLTE

   STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ

   WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22 3520728

   HITACHI, LTD. 10. Juni 1985

   DEA-2 7-.190

   Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Verbrennung in Öfen

   PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Verbrennungssteuerung, bei dem mani- *

   pulierte Variable oder die Mengen an Brennstoff und Luft *·

   in zumindest einer Verbrennungszone eines Kessels so reguliert werden, daß sowohl die Menge an Stickstoffoxiden als auch die Menge an unverbrannter Kohle in der Asche am Auslaß eines Brennerofens oder zumindest ein Wert von ihnen die vorgeschriebenen Standardwerte erfüllt und den Anforderungen zum Betrieb einer Anlage genügt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

   es werden die Mengen an Brennstoff und Luft bei der Durchführung von Erprobungsoperationen hinsichtlich der manipulierten Variablen variiert, um die Stickstoffoxide am Ofenauslaß, die unverbrannte Kohle in der Asche am Ofenauslaß und die Stabilität der Verbrennung zu ermitteln;

   als optimal manipulierte Variable werden diejenigen /%.

   Werte vom Brennstoff und Luft erklärt, die zur Durch-

   BAD ORIGINAL

   führung der Erprobungsoperationen verwendet werden, und die solche Resultate erzielen, daß die Verbrennung sich als stabilisiert erweist, zumindest die Stickstoffoxide am Ofenauslaß den Anforderungen genügen und der thermisehe Wirkungsgrad des Kessels mit einem Beurteilungsbereich des thermischen Wirkungsgrades für den Kessel als auf dem höchsten Wert befindlich beurteilt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt der Korrektur eines Vorhersagemodells, um die Ofenauslaß-Stickstoffoxide auf der Basis der Mengen an Brennstoff und Luft vorherzusagen, die für die Durchführung von Erprobungsoperationen hinsichtlich der manipulierten Variablen durchgeführt werden, wobei eine Schätzung der Ofenauslaß-Stickstoffoxide, die auf der Basis einer Flammenbildinfonnation und der Mengen an Brennstoff und Luft erhalten werden, die zur Durchführung der Erprobungsoperationen hinsichtlich der manipulierten Variablen verwendet werden, zur Korrektur des Vorhersagemodells verwendet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Ofenauslaß-Stickstoffoxide erhalten wird mit einem Schätzungsmodell, das zumindest eine der Positionen der Schwerpunkte der Oxidationsbereiche einer Flamme verwendet, die als Bereiche hoher Helligkeit der Flamme im Brenner definiert sind, wobei

   der Abstand zwischen den Schwerpunkten der Oxidationsbereiche der Flamme durch die Mittelachse des Brenners und die Länge der Oxidationsbereiche der Flamme voneinander getrennt sind.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt der Korrektur eines Vorhersagemodells für die unverbrannte Kohle in der Asche am Ofenauslaß zur Vorhersage der unverbrannten Kohle in der Asche am Ofenauslaß unter Verwendung eines Schätzwertes der unverbrannten Kohle in der Asche

   e am Ofenauslaß, der auf der Basis eines Flammenbildes und der Mengen an Brennstoff und Luft erhalten wird, die zur Durchführung von Erprobungsoperationen hinsichtlich der manipulierten Variablen verwendet werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert für die unverbrannte Kohle in der Asche am Ofenauslaß mit einem Vorhersagemodell erhalten wird, das zumindest eine der Positionen der Schwerpunkte der Oxidationsbereiche einer Flamme verwendet, die als Bereiche hoher Helligkeit der Flamme im Brenner definiert sind, wobei der Abstand zwischen den Schwerpunkten der Oxidationsbereiche durch die Mittelachse des Brenners, die Gestalt der Oxidationsbereiche der Flamme und die Menge an Primärluft im Brenner voneinander separiert sind.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt der Ermittlung der Sicherheit der Verbrennung auf der Basis des Verhältnisses des Bereiches einer Flamme im Brenner zum Bereich der Bereiche hoher Helligkeit der Flamme im Brenner.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Sicherheit der Verbrennung ermittelt wird, indem man zumindest eine der Positionen der Schwerpunkte der Oxidationsbereiche einer Flamme verwendet, die als Bereiche hoher Helligkeit der Flamme im Brenner definiert sind, wobei der Abstand zwischen den Schwerpunkten der Oxidationsbereiche der Flamme voneinander durch die Mittelachse des Brenners, die Dicke der Oxidationsbereiche der Flamme, die mittlere Helligkeit der Oxidationsbereiche der Flamme und die im Laufe der Zeit auftretenden Schwankungen dieser Parameter getrennt sind.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Berechnung des thermischen Wirkungsgrades des Kessels unter Verwendung eines Ofenwärmeübertragungsmodells zur Abschätzung der Temperatur des Verbrennungsgases im Ofen, der Temperatur des Wärmeübertragungsrohrmetalls und der Temperatur des Innenfluids des Wärmeübertragungsrohrmetalls, wobei der höchste Wert des thermischen Wirkungsgrades des Kessels bestimmt wird, indem man die Mengen an Brenn-

   stoff und Luft als manipulierte Variable verwendet.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofenwärmeübertragungsmodell korrigiert wird auf der Basis der Differenzen zwischen einer Schätzung der Temperatur des Verbrennungsgases, der durch Messung erhaltenen Temperatur des Kühlrohrmetalls und der Temperatur des Innenfluids am Auslaß des Kühlrohres einerseits und den Werten, die durch Berechnung in der jeweiligen Betriebsart erhalten werden, andererseits.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Schätzung der Temperatur des Verbrennungsgases auf der Basis einer Verbrennungsgas-Helligkeitsinformation berechnet wird.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Wirkungsgrad des Kessels berechnet wird als das Verhältnis der Wärme, die vom Wärmeübertragungsrohrmetall absorbiert wird, zur Gesamtmenge an in den Ofen eingeführter Wärme und der durch Verbrennung im Ofen erzeugten Wärme.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn ze i chnet, daß der thermische Wirkungsgrad des Kessels berechnet wird als das Verhältnis der Wärme, die vom Innenfluid des Wärmeübertragungsmetalls

    absorbiert wird, zur Gesamtmenge von in den Ofen eingeführter Wärme und durch Verbrennung im Ofen erzeugten Wärme.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofenwärmeübertragungsmodell das Verhältnis von Brennstoff, der in den Ofen eingeführt und dort verbrannt wird, als Funktion der Temperatur einer Flamme berechnet, die auf der Basis von Flammenbildinformation abgeschätzt wird.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, g e kennzeichnet durch den weiteren Schritt der Berechnung des thermischen Wirkungsgrades des Kessels mit einem Ofenwärmeübertragungsmodell zur Abschätzung der Temperatur des Innenfluids des Wärmeübertragungsrohrmetalls aus der Temperatur des Verbrennungsgases und der Temperatur des Wärmeübertragungsrohrmetalls im Inneren des Ofens, und zwar auf der Basis der Resultate der Berechnung mit dem Modell und den Mengen an Brennstoff und Luft.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des Verbrennungsgases auf der Basis der Helligkeit des Verbrennungsgases abgeschätzt wird.