DE4139718C2 - Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung des Verschmutzungsgrades einer Feuerung in bezug auf Asche mit einem hohen Reflexionsgrad - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verwendung von Monitoren für Feuerungen und andere verschmutzte Hochtemperaturumgebun­ gen, mit deren Hilfe die Reinheit einer Feuerungswand, die von Nieder­ schlägen einer stark reflektierenden Asche beaufschlagt wird, kontinuierlich überwacht werden kann.

Brennstoffe aus dem Westen der USA, wie beispielsweise Powder River Basin (PRB)-Kohle weisen einen niedrigen Schwefelgehalt auf, sind aber reich an Kalzium und Silizium. Diese Zusammensetzung führt zu einer dünnen, weißen, zähen Asche auf den Feuerungswänden. Die Asche (Schlacke genannt) kann durch Verwendung herkömmlicher Luft oder Dampf­ reinigungsgeräte nicht leicht entfernt werden.

Eine Reihe von Energieversorgungsunternehmen verbrennen laufend PRB- Kohle, und es wird erwartet, daß mit künftigen Umweltschutzbedingungen weitere Unternehmen auf PRB-Kohle übergehen. Die aus PRB-Kohle stammende niedergeschlagene Asche ist stark reflektierend. Die Asche verringert die Wärmeabsorption des Feuerraumes und verursacht hohe Tem­ peraturen in den Konvektionszügen des Kessels.

Das Abspritzen mit Wasser hat sich als eine wirksame Maßnahme zur Beseitigung der Asche und Wiederherstellung der Wärmeübertragungseigen­ schaften der Feuerung erwiesen. Es wird erwartet, daß weitere Energiever­ sorgungsunternehmen die Wasserabspritzung anwenden, wenn PRB-Kohle verwendet wird.

Der Niederschlag der PRB-Asche ist dünn und fest. Dies steht in starkem Gegensatz zu den schweren Ablagerungen, die sichtbar in Feuerungen auftreten, die andere Kohlesorten verbrennen. Daher kann die Entscheidung über die Reinigung der Feuerungen nicht aufgrund einer Sichtinspektion getroffen werden, wobei eine übermäßige Reinigung (mit Wasser) aus Gründen der Wärmeschockbelastung nicht erwünscht ist.

Da bei Verwendung von Wasser der Feuerungsraum durch einen Wärme­ schock belastet wird, ist es wünschenswert, die Wand nur dann zu säubern, wenn eine Reinigung notwendig ist. Alle Kesselanlagen reinigen üblicher­ weise nach Zeitlablauf. Die meisten Anlagen arbeiten mit einer Reinigungs­ periode von etwa 4 Stunden. Videoaufnahmen, die in einer Anlage durch­ geführt wurden, zeigen, daß bei der heißen Wand 4 Stunden eine geeignete Zeitperiode war. Für die kalte Wand muß jedoch eine wesentlich längere Periode als 4 Stunden veranschlagt werden. Auf der Basis der Videoauf­ zeichnungen war die kalte Wand sogar nach 10 Stunden noch relativ sauber.

Es besteht daher ein Bedarf nach Geräten und Techniken, die in der Lage sind, genau zwischen einem sauberen Zustand der Feuerungswand, die kein sofortiges Abspritzen mit Wasser erfordert, und einem unsauberen Zustand zu unterscheiden, der eine Wasserabspritzung erfordert.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß ein von einer Feuerungswand aufgenommenes Infrarotbild zeigt, daß saubere Oberflächen nahezu schwarz erscheinen, während mit Asche überzogene Oberflächen weiß erscheinen. Im Infrarotbereich (Wellenlänge ungefähr 1,5 bis 2,1 Mikron) ist der schwarze oder dunkle Bereich kühler als die verschmutzten Ober­ flächen, weil die sauberen Oberflächen näher zum inneren Durchmesser der Kühlmittelströmung in der Feuerungswand liegen. Daher sind die kühleren Oberflächen die saubereren und somit dunkleren Oberflächen.

Um diese Erkenntnis anzuwenden, wird eine Messung des Helligkeitsverhält­ nisses zwischen einer bekannten gereinigten Fläche der Feuerungswand, wie sie auf einem Monitor erscheint, und einer Fläche durchgeführt, die noch nicht gereinigt worden ist. Diesem Verhältnis wird der Wert 1 zugeordnet, wenn eine Reinigung der Fläche als notwendig angesehen wird, um ein Abspritzen mit Wasser, Dampf oder Luft oder eine Kombination dieser Maßnahmen durch Einschalten von Reinigungsgeräten bekannter Bauart in Betrieb zu setzen. Da diese Geräte nur einen begrenzten Bereich reinigen, kann am Monitor zwischen dem helleren, gereinigten Bereich und dem dunkleren, ungereinigten Bereich (der nie von der Wasserlanze (WL) erreicht wird) leicht unterschieden werden.

Ein Infrarot-Videobild kann beispielsweise anhand des US-Patents 4 539 588 erzeugt werden. Diese Einrichtung bzw. herkömmliche Photozellen können zur Messung der Helligkeit des sauberen Bereiches und eines Bezugsberei­ ches benutzt werden, und es können herkömmliche Rechengeräte zur Ermitt­ lung des Verhältniswertes der Helligkeiten verwendet werden.

In US 4,615,302 ist ein Verfahren zum Überwachen und Steuern der Ascheablagerungen im Konvektionsteil eines Dampferzeugers beschrieben, bei welchem die Ascheablagerung an den Wänden bzw. Rohren eines Konvek­ tionsteiles eines Dampferzeugers über einen Fouling-Faktor R_F ausgedrückt wird. Um diesen Fouling-Faktor zu bestimmen, muß zunächst die Tempera­ turdifferenz zwischen der stromauf- und der stromabwärtigen Seite eines Rohrbündels bzw. einer Rohranordnung eines Dampferzeugers gemessen werden. Das heißt die Temperaturdifferenz bildet die Basis für die Ab­ schätzung der Ascheablagerung. Unterschiedliche Ascheablagerungen, Arten von Ascheablagerungen und Gasgeschwindigkeiten können jedoch zu völlig verschiedenen Ablagerungen führen, weshalb Informationen sowohl bezüglich der Temperaturdifferenz als auch bezüglich einer Kanalbildung erforderlich sind.

Das beschriebene Verfahren geht also von einer indirekten Messung des Ascheaufbaus aus.

In US 4,644, 173 ist ein Analysator für die Flammenqualität auf der Basis eines faseroptischen Detektors beschrieben. Dieser Analysator ist zur Anwendung bei Flammen in Brennern vorgesehen.

Der Analysator bzw. das mit einem derartigen Analysator beschriebene Verfahren setzt gleichfalls die Messung von zwei wesentlichen Parametern voraus, Temperatur und Partikelbeladung des Gasstromes. Dabei wird die Lichtemission von Flammen gemessen. Die Messung erfolgt auf der Basis von prinzipiellen Abhängigkeiten, z. B. der Spektralstrahlungsintensität vom Emissionsvermögen ε, der Anteil f des emittierten Lichtes, das durch die unverbrannten Partikel übertragen wird, die zwischen Strahler und Empfän­ ger liegen, die Planck′sche Funktion W des schwarzen Körpers usw., was mit einem großen meßtechnischen Aufwand verbunden ist.

In US 4,690,634 ist ein indirekt arbeitendes Verfahren zum Messen einer trockenen Substanz (z. B. Ruß) im Rauchgas bei Schwarzlauge-Rückgewin­ nungsanlagen bei der Papierzellstoffherstellung beschrieben. Als Basis für die Messung dient dabei die Strahlung, die von der Verbrennung der Kraft­ stofftröpfchen im Feuerungsraum der Schwarzlaugen-Rückgewinnungsanlage optisch erfaßt wird, wobei die Anzahl der Impulse des Signals bestimmt wird und als ein Maß für die Anzahl von Kraftstoffpartikeln verwendet wird und das Signal selbst zur Steuerung des Betriebs der Anlage verwendet wird. Die Bestimmung der Anzahl von Kraftstoffpartikeln in einer Kraft­ stoffpartikelwolke ist jedoch nur sehr unvollkommen bzw. ungenau möglich und erfordert eine komplizierte Meßtechnik.

In US 4,539,588 ist eine Infrarot-Vidicon-Kameraanordnung zur Erzeugung von Bildern eines Schmelzebettes von anorganischen Chemikalien beschrie­ ben, die am Boden eines Kraft-Zellstoffwiedergewinnungs-Kessels gesammelt sind. Das Verfahren, mit welchem die beschriebene Vorrichtung arbeitet, basiert darauf, daß einerseits die Spektralempfindlichkeit des Systems auf spezifische Infrarot-Wellenlängen durch geeignete Filter begrenzt wird und daß andererseits die Spektralempfindlichkeit des Systems begrenzt wird, um Absorptionen und Strahlungsemissionen von den Hauptbestandteilen der Gase über einem Schmelzebett zu vermeiden bzw. zu eliminieren. Dabei wird das Lichtsignal, das auf die Oberfläche des Schmelzebettes einfällt, durch Rauch und Staubpartikel verdunkelt, weshalb das Meßergebnis der IR-Licht­ emittierenden Oberflächen nachteilig beeinflußt wird.

Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kontinuierliches Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der auf einer Feuerungs­ wand abgelagerten Asche mit hohem Reflexionsgrad zu schaffen, wobei nicht nur der Energieverbrauch und die Abnutzung des WL-Systems vermindert wird, sondern auch die thermische Schockeinwirkung auf die Wände des Feuerraumes.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Ver­ fahrens und einer Vorrichtung zur Überwachung der Feuerungswand, wobei das Gerät in der Struktur einfach, im Aufbau robust und in der Herstellung wirtschaftlich ist.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 erreicht. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

Die einzige Figur der beigefügten Zeichnung ist eine schematische Dar­ stellung des Gerätes gemäß der Erfindung.

Bezugnehmend auf die Zeichnung weist der Erfindungsgegenstand eine Infrarotkamera 4 zur Betrachtung eines Infrarotbildes der Feuerungswand 2 auf, die periodisch mit Hilfe einer Wasserlanze 6 gesäubert wird. Die Videokamera ist an einen Monitor 10 mit Bildschirm 12 angeschlossen, der in seiner unteren Hälfte die Feuerungswand darstellt, welche einen mit der Wasserlanze 6 zu reinigenden Bereich 22 sowie einen verbleibenden Bezugs­ bereich um den gesäuberten Bereich 22 aufweist, wobei letzterer für die Reinigung durch Wasserabspritzung nicht vorgesehen ist. Eine erste Photo­ zelle 20 ist an einer Stelle des ungereinigten Bezugsbereiches angeordnet, während eine zweite Photozelle 24 an einer Stelle im gesäuberten Bereich 22 plaziert ist. Alternativ kann eine einzelne Infrarotkamera zur Überwa­ chung beider Stellen verwendet werden. Es wird erwartet, daß unmittelbar nach der Reinigungsoperation der gereinigte Bereich 22 dunkel oder schwarz ist, während der ungereinigte Umgebungsbereich weiß bzw. hoch reflektie­ rend sein wird. Die Intensitäten der beiden Bereiche werden als Signale an einen elektronischen Rechner 14 geliefert, der das Verhältnis zwischen der Helligkeit I_C des gereinigtes Bereiches und der Helligkeit I_R des Bezugs­ bereiches ermittelt, um einen Anzeigegenerator 16 anzusteuern, der eine Darstellung 26 auf der oberen Hälfte des Bildschirmes 12 erzeugt. Die Darstellung 26 hat die Form eines Diagramms, bei dem das Verhältnis I_C/I_R über der Zeit aufgetragen ist. Die allmählich ansteigende Flanke des Wiederholungsmusters stellt die langsame Ablagerung reflektierender Asche auf der Feuerungswand 2 dar. Da die Strahlungsintensität des Bereiches 22 anfänglich sehr niedrig ist, während die entsprechende Intensität des ver­ schmutzten Bereiches an der Stelle 20 im wesentlichen konstant und relativ groß ist, nimmt der Wert in der Anzeige 26 von nahe 0 bis nahe 1 in dem Maße zu, wie Asche abgelagert wird. Wenn der gereinigte Bereich nahezu ebenso reflektierend wie der ungereinigte Bereich ist, weist dies auf einen Zeitpunkt hin, in welchem die Wasserabspritzung eingeleitet werden muß. In diesem Zeitpunkt beginnt eine rasche Säuberung, die in einer schnellen Abnahme des in der Darstellung 26 wiedergegebenen Verhältnisses endet.

Das vom elektronischen Rechner 14 gelieferte Signal kann auch zum An­ steuern eines automatischen Wasserlanzen-Aktivierungssystems 18 dienen, das die Wasserlanze 16 in Betrieb nimmt, wenn die gewählten Spitzenwerte des Verhältnisses (nahe 1) im Zuge eines periodischen Betriebes erhalten werden.

Obwohl nur ein einzelner gereinigter Bereich 22 dargestellt ist, können auch mehrere Wasserlanzen in Verbindung mit einem Muster eingesetzt werden, bei dem sich die Bereiche vorzugsweise nicht überlappen. Ein Muster ohne Überlappung, das allgemein kreisförmig ist, wird deswegen gewählt, weil die einander überlappenden Bereiche (die mit zwei Wasserlanzen gereinigt wer­ den) übermäßigen Wärmeschocks ausgesetzt wären.

Obwohl in der Zeichnung ein Echtzeit-Videomonitor 10 dargestellt ist, können unter Verwendung der Videokamera 4 auch Schnappschüsse oder stillstehende Bilder aufgenommen werden. Alternativ kann eine Gruppe von Infrarotsensoren für die Erzeugung des Bildes verwendet werden, aber auch jedes andere Infrarotbildsystem kann eingesetzt werden.

Die Photozellen 20 und 24 können durch jedes andere Gerät ersetzt werden, mit dessen Hilfe die Helligkeit des Bildes erfaßt werden kann.

Praktisch durchgeführte Tests in mindestens einer Kraftwerksstation haben die Nützlichkeit und Verwendbarkeit der vorliegenden Erfindung zur Überwa­ chung und Steuerung der Wasserabspritzoperationen nachgewiesen.

Claims (6)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung der auf einer Wand (2) eines Feuerungsraums niedergeschlagenen Asche mit hohem Reflexions­ grad, wobei die Wand mindestens einen zu reinigenden Bereich auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Aufnehmen eines Infrarotbildes der Wand mit einem gereinigten Bereich (22) und einem ungereinigt verbleibenden Bezugsbereich und Darstellen des Bildes auf einem Monitor;
Messen der Bildhelligkeit an einer Stelle des gereinigten Bereiches (22);
Messen der Bildhelligkeit an einer Stelle des Bezugsbereiches; und
Bestimmen des Verhältnisses der Bildhelligkeiten des gereinigten Berei­ ches (22) und des Bezugsbereiches als Maß für den Verschmutzungsgrad der Feuerungswand (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hellig­ keitsverhältnis als Funktion der Zeit am Monitor dargestellt wird, um die Zunahme des Reflexionsgrades im gereinigten Bereich entsprechend eines laufend anwachsenden Niederschlages der Asche anzuzeigen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vorbestimmten Wert der Helligkeit die Einleitung einer Wasserabspritz­ operation zwecks Reinigung des verschmutzten Bereiches eingeleitet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarotbild von einer Infrarot-Kamera erzeugt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildhel­ ligkeit mit Photozellen erfaßt wird, die über den entsprechenden Stellen des Infrarotbildes angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reini­ gungsvorgang von einem elektronischen System gesteuert wird.