DE4426280A1

DE4426280A1 - Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines Gasstroms mit Feststoffanteilen

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Publication number: DE4426280A1
Application number: DE19944426280
Authority: DE
Original assignee: REICH ERNST 79410 BADENWEILER DE
Current assignee: REICH ERNST 79410 BADENWEILER DE
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1994-07-25
Publication date: 1996-02-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines Gasstroms mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk, sowie eine Vorrichtung hierfür.

In vielen Bereichen der Industrie ist es notwendig, Feststoffanteile mittels einem Gasstrom zu transportieren. Im vorliegenden Fall geht es vor allem darum, die Versorgung von Kessel eines Kohlekraftwerkes mittels Kohlestaub zu messen und zu regeln. Dies soll jedoch nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sein.

In den heute bekannten Kohlekraftwerken wird Kohlestaub durch Trägerluft entsprechenden Brennern, zugeführt, die in unterschiedlichen Ebenen in einem Kessel angeordnet sind. Ferner gelangt in den Kessel auch Verbrennungsluft, welche die Verbrennung des Kohlestaubs in dem Kessel unterstützt.

Zur Einstellung der zugeführten Menge an Kohlenstaubpartikeln sind in einer entsprechenden Förderleitung Klappen, Verteiler oder dergleichen Stellglieder eingesetzt, welche einmal, nämlich bei Inbetriebnahme des Kohlekraftwerkes, eingestellt werden und dann über einen längeren Zeitraum in dieser Stellung verbleiben.

In bestimmten Zeiträumen erfolgt dann eine Probeentnahme aus dem Förderstrom, zur neuen Einstellung der Feuerung. Eine falsche Einstellung der Feuerung wird deshalb nicht erkannt, weil z. Z. die Menge an Kohlenstaubpartikeln nur diskontinuierlich gemessen werden kann. Die Zufuhr einer falschen Menge an Kohlestaubpartikeln zum Kessel wirkt sich aber sehr nachteilig aus. Zum einen wird der Wirkungsgrad wesentlich erniedrigt, zum anderen die Abgaswerte erhöht. Ferner unterliegen der Kessel und auch der Brenner infolge einer falschen Menge an Kohlestaubpartikeln einem erhöhten Verschleiß.

Denkbar wäre auch der Einsatz von Meßgeräten in dem Förderstrom selbst, was aber den Nachteil hat, daß der Förderstrom im Bereich des Meßgerätes eingeschnürt wird, so daß es hier zu Druckverlusten oder Abrasion kommt. Beides ist unerwünscht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben genannten Art zu entwickeln, mit denen auf einfache Art und Weise eine kontinuierliche Ermittlung der Feststoffanteile in einem Gasstrom möglich wird, ohne daß dieser Gasstrom in irgend einer Weise beeinträchtigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß durch den Gasstrom mit den Feststoffanteilen elektromagnetische Wellen von einem Sender zu einem Empfänger geschickt werden und die Dämpfung dieser elektromagnetischen Wellen infolge der Absorption eines Teils von ihnen an den Feststoffanteilen ermittelt wird.

Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt zum einen darin, daß es kontinuierlich möglich ist, den Gasstrom mit den Feststoffanteilen mit den elektromagnetischen Wellen zu beaufschlagen. Dementsprechend kann eine kontinuierliche Messung der Feststoffanteile erfolgen. Des weiteren erübrigen sich mechanische Einbauten in beispielsweise einem Sensorrohr, die zu der oben erwähnten Störung des Gasstromes führen.

Die Erfindung macht sich den Vorteil der elektromagnetischen Wellen zunutze, daß Teile dieser elektromagnetischen Wellen an Feststoffanteilen reflektiert und absorbiert werden. D. h., diese Teile gelangen nicht zum Empfänger, so daß ein erheblicher Unterschied zwischen den abgesandten elektromagnetischen Wellen und den empfangenen festgestellt wird. Aus diesem Unterschied kann auf die Beladung des Gasstromes mit Feststoffanteilen zurückgeschlossen werden, wobei dies anfänglich sicherlich nur ein Relativwert ist. Durch Bewertung der Relativmessung mit einem Korrekturfaktor ergibt sich eine Absolutmessung.

Beispielsweise könnte dies folgendermaßen geschehen:

- Auf einem Plattenband, mit welchem Kohle einer Mühle zur Herstellung eines Kohlestaubs zugeführt wird, erfolgt eine Erfassung der Durchsatzleistung und/oder der Menge. Dies kann mit handelsüblichen Meßsystemen erfolgen, z. B. mit einer radiometrischen Bandwaage.
- Aus den Einzelmessungen des Kohlestaubstromes in den Brennerleistungen bzw. den Sensorrohren wird die Summe gebildet, um so die Gesamtdurchsatzleistung und/oder Menge zu ermitteln.
- Der Korrekturfaktor, um aus der Relativmessung des Kohlestaubstromes eine Absolutmessung zu machen, errechnet sich aus:

Mit diesem Korrekturfaktor wird jeder Meßwert aus den Einzelmessungen bewertet.

Für die Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk genügen aber in der Regel die Relativwerte, wobei die Relativwerte von den einzelnen Zuleitungen zu den einzelnen Brennern miteinander verglichen werden.

Sowohl Sender als auch Empfänger für elektromagnetische Wellen sind handelsüblich. Nur als Beispiel wird hier erwähnt, daß es sich bei dem Sender um einen Gunn-Oszillator handeln kann. Für den Empfänger kann dagegen beispielsweise eine Schottky-Diode in einem Hohlraumresonator verwendet werden. Dies sind aber nur Ausführungsbeispiele.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die elektromagnetischen Wellen auf ihrem Weg zwischen Sender und Empfänger mehrfach reflektiert. Beispielsweise geschieht dies in einem Sensorrohr für Kohlestaubpartikel durch die Metallwände dieses Rohres. Dementsprechend ist vorgesehen, daß der Sender und auch Empfänger für elektromagnetische Wellen in bzw. gegen die Stromrichtung geneigt sind. Bei einem bestimmten Neigungswinkel und bei einer bestimmten Entfernung von Sender und Empfänger zueinander kann beispielsweise eine dreimalige Reflexion in dem Sensorrohr erfolgen, wodurch die Dämpfungswirkung wesentlich erhöht wird, so daß die Differenz der ausgesandten und der empfangenen Wellen erhöht und damit klarer dargestellt werden kann. Die dreimalige Reflexion ist damit nur als Beispiel zu werten, selbstverständlich kann auch in Einzelfällen eine nur einmalige Reflexion, ein gerader Durchgang oder auch eine mehrfache Reflexion genügen.

Als elektromagnetische Wellen werden bevorzugt Mikrowellen mit einer Frequenz von über 1 GHz verwendet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nicht nur die Beladung des Gasstromes mit Feststoffanteilen ermittelt, sondern auch deren Geschwindigkeit. Aus der Verknüpfung der beiden Signale entsteht das Durchsatzsignal. Dies geschieht dadurch, daß der Sender gleichzeitig auch als Empfänger ausgestaltet ist. Dieser Empfänger empfängt die von den einzelnen Kohlestaubpartikeln direkt zurückreflektierten Wellen, wobei infolge des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung erzeugt wird. Beide Frequenzen, d. h. die ausgesandte wie auch die reflektierte, unterscheiden sich nur geringfügig. Aus der Frequenzdifferenz läßt sich die Geschwindigkeit ermitteln.

Es ist ferner bekannt, daß durch die trichterförmige Ausgestaltung der Antenne auch die elektromagnetischen Wellen kegelförmig in das Sensorrohr eindringen. Das bedeutet aber, daß links und rechts von diesem Kegel Toträume entstehen, in denen keine Wellen absorbiert werden. Gerade in diesen Toträumen könnte aber eine Beladung des Gasstromes mit einem unterschiedlichen Feststoffanteil gegeben sein.

Um auch den Feststoffanteil in diesen Toträumen zu ermitteln, soll in der Öffnung des Sensorrohres, durch welche der elektromagnetische Wellenkegel in das Sensorrohr eindringt, ein Einsatz eingesetzt sein, der einen Linseneffekt mit sich bringt. D. h., dieser Einsatz streut die elektromagnetischen Wellen auch zur Seite hin, so daß die Toträume eliminiert werden.

Bevorzugt besteht der Einsatz aus zwei Schichten. Die eine Schicht besteht aus einem Werkstoff, durch den elektromagnetische Wellen keine Dämpfung erfahren, wobei diese Schicht rohrseitig gekrümmt ist, wodurch der Linseneffekt entsteht. Bevorzugt besteht diese Schicht aus einem verlustarmen Kunststoff.

Zum Rohr hin ist diese Schicht noch mit einer schwach dämpfenden Schicht belegt, wozu bevorzugt Schmelzbasalt verwendet wird, der die Kunststofflinse vor Abrasion schützt.

Als Alternative zur zweiteiligen Linse kann auch eine Linse einteilig aus Keramik verwendet werden.

Das gesamte Verfahren läßt sich auch bei bereits bestehenden Kohlekraftwerken durchführen, die Vorrichtung ist leicht zu integrieren. Das Meßsystem ist lediglich mit einem Regler zu koppeln, der von extern die entsprechenden Sollwerte erhält. Entsprechend dem Vergleich der Ist- und der Sollwerte kann dann der Regler entsprechende Stellorgane, wie Klappen oder Ventile, ansteuern.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 ein blockschaltbildlich dargestelltes Schema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk;

Fig. 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich einer Meßstelle;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Sensorrohr im Bereich der Meßstelle gemäß Fig. 2.

In einem nicht näher gezeigten Kessel eines Kohlekraftwerkes sind gemäß Fig. 1 in verschiedenen Ebenen jeweils mehrere Brenner hier 1.1 bis 1.4 angeordnet. Jeder Brenner 1 steht über eine Förderleitung 3.1 bis 3.4 mit einer Kohlemühle 4 in Verbindung, wobei in die Leitung zwischen Kohlemühle 4 und Brenner 1.1 bis 1.4 jeweils ein Stellglied 2.1 bis 2.4 an geeigneter Stelle eingeschaltet ist.

Von einem nicht näher gezeigten Austrag der Kohlemühle 4 erfolgt ein Transport des Kohlestaubs mit Hilfe von Trägerluft durch das Stellglied 2 und die Förderleitung 3 zu dem Brenner 1. Dabei wird die Trägerluft von einem Gebläse 5 erzeugt.

Zwischen Gebläse 5 und Kohlemühle 4 zweigt von einer Trägerluftleitung 6 eine Verbrennungsluftleitung 7 ab, die sich in einzelne Zweigleitungen 8.1 bis 8.4 aufzweigt, wobei jede Zweigleitung 8.1 bis 8.4 mit einer Düse 9.1 bis 9.4 verbunden ist. Jede Düse 9.1 bis 9.4 ist jeweils einem Brenner 1.1 bis 1.4 zugeordnet und versorgt den Brennerbereich mit Verbrennungsluft.

In jede Zweigleitung 8.1 bis 8.4 ist ein Stellglied 10.1 bis 10.4 eingeschaltet, welches über eine Steuerleitung 11.1 bis 11.4 mit einem Regler 12.1 bis 12.4 verbunden ist. Dieser Regler erhält Werte von einer Meßstelle 13.1 bis 13.4, welche einen Durchfluß an Verbrennungsluft zwischen dem Stellglied 10.1 bis 10.4 und der Düse 9.1 bis 9.4 ermittelt.

In ähnlicher Weise ist auch zwischen dem Stellglied 2.1 bis 2.4 und dem Brenner 1.1 bis 1.4 eine Meßstelle 14.1 bis 14.4 vorgesehen, die Werte jeweils an einen weiteren Regler 15.1 bis 15.4 abgibt. Jeder Regler 15.1 bis 15.4 ist über eine weitere Steuerleitung 16.1 bis 16.4 mit dem Stellglied 2.1 bis 2.4 verbunden.

Die entsprechenden Sollwerte zur Regelung der Stellglieder 2.1 bis 2.4 und 10.1 bis 10.4 werden von einer Steuerung 17 dem Regler 12.1 bis 12.4 und 15.1 bis 15.4 vorgegeben.

Während sich der reine Verbrennungsluftdurchsatz an den Meßstellen 13.1 bis 13.4 auf beliebige bekannte Art ermitteln läßt, wird die Messung des Kohlestaubs in den Meßstellen 14.1 bis 14.4 auf eine neue, erfinderische Weise ermittelt. Eine dieser Meßstellen 14 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt.

Einem Sensorrohr ist einerseits ein Sender 20 für eine Mikrowelle und andererseits ein Empfänger 21 für diese Mikrowelle aufgesetzt. Bei dem Sender 20 handelt es sich bevorzugt um einen Gunn-Oszillator in einem Hohlraumresonator, während bei dem Empfänger 21 eine Schottky-Diode in einem Hohlraumresonator angeordnet ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im übrigen der Sender 20 gleichzeitig als Sender und Empfänger ausgebildet, wie dies später noch beschrieben wird.

An das Gunn-Element 22 bzw. die Schottky-Diode 23 schließt sich eine trichterförmige Antenne 24.1 bzw. 24.2 an, die einem Winkelgehäuse 25.1 bzw. 25.2 aufgesetzt ist. Dieses Winkelgehäuse 25.1 bzw. 25.2 ist über Verbindungsschalen 26.1 bzw. 26.2 mit dem Sensorrohr 18 verbunden. Das Sensorrohr 18 ist in diesem Bereich ausgeschnitten, so daß eine Öffnung 27 (siehe Fig. 3) zwischen dem Inneren 28 und der Antenne 24.1 bzw. 24.2 entsteht.

Durch die Ausgestaltung des Winkelgehäuses 25.1 bzw. 25.2 wird der Sender 20 gegenüber dem Sensorrohr 18 in einem Winkel w von über 90° angestellt. Der Winkel w bewirkt, daß die gestrichelt angedeutete elektromagnetische Welle 29 zur Förderrichtung des Kohlestaubs in das Sensorrohr 18 einfällt, in diesem Sensorrohr 18 an den Wänden dreimal reflektiert wird und dann in den im Winkel w gegen die Förderrichtung x angestellten Empfänger 21 einfällt. Dort wird die elektromagnetische Welle von der Schottky-Diode erfaßt und in der Schottky-Diode eine Spannung entsprechend dieser elektromagnetischen Welle erzeugt.

Die Funktionsweise dieser Meßstelle 14 ist folgende:
Der Grundgedanke basiert auf der Dämpfung eines Strahlenganges einer elektromagnetischen Welle durch den Kohlestaub. Die elektromagnetische Welle soll einen Frequenzbereich f < als 1 GHz aufweisen. Dieser Mikrowellenbereich bewirkt beim Auftreffen der Wellen auf den Kohlepartikeln einen Spinneffekt der ferromagnetischen Elemente, woraus eine Strahldämpfung resultiert. Dieser Vorgang wird als ferromagnetische Resonanzabsorption bezeichnet. Sender 20 und Empfänger 21 der elektromagnetischen Wellen werden in das Sensorrohr 18 gerichtet. Dabei erfolgt eine Messung der durch den Kohlestaub erzeugten Dämpfung des Strahlenganges.

Durch die Anstellung von Sender 20 und Empfänger 21 in einem Winkel w wird eine Vervielfachung der Strahlenstrecke erreicht. Dadurch wird auf einer definierten Strecke bei dreifacher Reflexion, wie im vorliegenden Fall, eine Erhöhung der Dämpfungswirkung erzielt. Daraus resultiert eine wesentlich höhere Empfindlichkeit der Messung.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist aber auch, daß gleichzeitig die Fluggeschwindigkeit der Kohlepartikel erfaßt wird. Dies geschieht unter Ausnutzung des Dopplereffektes, wobei, wie oben bereits erwähnt, der Sender auch gleichzeitig als Empfänger ausgebildet ist. Beispielsweise könnte in dem Sender 20 neben dem Gunn-Element auch gleichzeitig eine Schottky-Diode angeordnet sein. Hier sind jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, wobei derartige Sender/Empfänger im Handel erhältlich sind.

Durch die geneigte Anordnung des Senders 20 treffen Mikrowellen auf einzelne Kohlenstaubpartikel. Dort werden sie reflektiert, so daß ein Teil der ausgesandten Wellen wieder vom Empfängerteil des Senders 20 empfangen werden kann. Diese Reflexion der mit einer konstanten Frequenz von beispielsweise 24,125 GHz ausgesandten Welle erzeugt infolge des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung. Da beide Frequenzen sich nur gering unterscheiden (ungefähr 1 bis 2 kHz), entsteht ein Differenzsignal, das sich am Sender auskoppeln läßt. Diese ausgekoppelte Frequenz läßt sich folgendermaßen bestimmen:

wobei
v = Materialgeschwindigkeit
α = Anstellwinkel
f₀ = ausgestrahlte Frequenz
Δf = Frequenzverschiebung
c = Lichtgeschwindigkeit

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist in die von der Verbindungsschale 26 gebildete Öffnung 27 im Sensorrohr 18 ein Einsatz 30 eingesetzt, der einen Linseneffekt mit sich bringt. Ziel dieses Linseneffektes ist es, die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen innerhalb des Sensorrohres 18 so aufzuspreizen, daß möglichst wenig Toträume entstehen.

Der Einsatz 30 ist bevorzugt zweischichtig aufgebaut. Eine innere gewölbte Schale 31 besteht aus einem die elektromagnetischen Wellen gering dämpfenden Material. Bevorzugt wird hier Schmelzbasalt verwendet. Darüber ist eine Kunststoffschicht 32 angeordnet, welche die elektromagnetischen Wellen überhaupt nicht dämpft.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Gasstrom mit den Feststoffanteilen elektromagnetische Wellen von einem Sender zu einem Empfänger geschickt werden und die Dämpfung dieser elektromagnetischen Wellen infolge der Absorption eines Teils von ihnen an den Feststoffanteilen ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen auf ihrem Weg zwischen Sender und Empfänger mehrfach reflektiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Wellen Mikrowellen verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absolutwert der Menge des Kohlestaubs durch einen Korrekturfaktor aus einer Durchsatzleistung der Menge an zugeführter Kohle bzw. Kohlestaub vor oder nach beispielsweise einer Mühle und der Durchsatzleistung entsprechend den Einzelmessungen ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Reflexion der elektromagnetischen Wellen auch die Geschwindigkeit der Feststoffanteile ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sender auch ein Empfänger für elektromagnetische Wellen integriert wird, wobei es durch die Reflexion der elektromagnetischen Wellen zu einem Dopplereffekt kommt, der zu einer Frequenzverschiebung führt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Frequenzverschiebung ein Differenzsignal entsteht, das am Sender ausgekoppelt wird.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung des Gasstromes und/oder die Geschwindigkeit der Feststoffanteile mit Sollwerten verglichen und danach Ventile bzw. Klappen zur Regelung des Gasstromes und/oder Verbrennungsluft betätigt werden.

9. Vorrichtung zum Ermitteln der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Sensorrohr (18) od. dgl., durch welches der Gasstrom mit den Feststoffanteilen fließt, ein Sender (20) für elektromagnetische Wellen aufsitzt, dem ein Empfänger (21) zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (20) über eine Antenne (24.1), ein Winkelgehäuse (25.1) und eine Verbindungsschale (26.1) mit dem Sensorrohr (18) verbunden ist, wobei die Verbindungsschale (26.1) eine Öffnung (27) in dem Sensorrohr (18) umschließt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Empfänger (21) über eine Antenne (24.2), ein Winkelgehäuse (25.2) und eine Verbindungsschale (26.2) mit dem Sensorrohr (18) verbunden ist, wobei die Verbindungsschale (26.2) eine Öffnung (27) in dem Sensorrohr (18) umschließt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (20) und Empfänger (21) in einem Winkel (w) geneigt zueinander angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Öffnung (27) ein Einsatz (30) zur Erzeugung eines Linseneffektes angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30) aus einer Schale (31) aus einer die elektromagnetischen Wellen gering dämpfenden Schicht (31) und einer die elektromagnetischen Wellen ungehindert durchlassenden Schicht (32) besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die geringdämpfende Schicht (31) aus Schmelzbasalt und die nichtdämpfende Schicht (32) aus Kunststoff besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30) einstückig aus Keramik hergestellt ist.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9-16, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sender (20) auch ein Empfänger für elektromagnetische Wellen integriert ist.