-
Verfahren und Anordnung zur Uberwachung des Betriebes einer Feuerungsanlage
Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur Überwachung des Betriebes einer
Feuerungsanlage mit Regelung wenigstens eines der an der Verbrennung beteiligten
Medien (Brennstoff und Luft) in Abhängigkeit vom Luftüberschuß.
-
Es ist an und für sich bekannt, Feuerungsanlagen durch Beobachtung
des Luftüberschusses bzw. des CO,- oder 02 Gehaltes der Rauchgase zu überwachen.
Die bisherige Praxis dieser Überwachung litt an dem Umstand, daß die laufende Messung
oder Anzeige des C02 oder 02 Gehaltes unzulänglich war. Der wesentliche Grund hierfür
ist darin zu sehen, daß für die Bestimmung des C02- bzw. 02 Gehaltes eine nur geringe
Rauchgasmenge herangezogen wird, die natürlich nur aus einem ganz bestimmten Teil
des Rauchgasweges entnommen werden kann. Ein weiterer Grund für die Unzulänglichkeit
ist darin zu sehen, daß die im Rauchgasweg angeordneten Instrumente leicht verschmutzen
und allein schon aus diesem Grund leicht Falschwerte anzeigen und jedenfalls unzuverlässig
sind.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber die Besonderheit,
daß die als Leitgröße dienende Luftüberschußzahl n durch Messung der Nutzwärme E2,
der Abgaswärme El, der Rauchgastemperatur t, innerhalb des Nutzwärmeaufnahmebereiches,
z. B. in
den Kesselzügen, und der Kaltlufttemperatur ti -nach der
Beziehung
ermittelt wird', hierin bedeutet ti Temperatur der Kaltluft,
versuchsmäßig bei beliebiger mittlerer Belastung festzustellendes konstantes Verhältnis
der Differenzen zwischen Rauchgastemperatur t" und Rauchgastemperatur t. im Gasabzug
einerseits und ti andererseits, p versuchsmäßig unter Berücksichtigung der hinter
der Meßstelle von tg, übertragenen Nutzwärme EZ nach der Beziehung
ermittelbarer Falschluftfaktor, K = k1 - k2 ' k3, und k1 = Anteil von El -f- E2
an der in Wärme umgesetzten Brennstoffenergie, k2 Quotient aus unterem Heizwert
Hu und der spezifischen Verbrennungsluftmenge Lo, k3 der aus Lo, spezifischem Rauchgasvolumen
V, und mittlerem Luftüberschuß nm gebildeten Beziehung
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf folgender Erwägung: Bezeichnet man mit
n die Luftüberschußzahl, mit L, die zur Verbrennung von i kg des Brennstoffes benötigte
theoretische Luftmenge, mit L die tatsächlich mit Luftüberschuß zugeführte gesamte
Luftmenge und mit E die gesamte im Feuerraum in Wärme umgesetzte Brennstoffenergie
in kcal, so besteht zwischen diesen Größen die Beziehung
Hierin ist n - Lo : Hu das Verhältnis für i kg Brennstoff und L :
E das Verhältnis für die gesamte in Wärme umgesetzte Brennstoffmenge. Setzt man
für E den Wert
ein, wobei k1, z. B. bei 10/, Leitungs- und Strahlungsverlust, gleich o,99
wird, und löst die Gleichung nach ii auf, so erhält man
Für einen bestimmten Brennstoff ist das Verhältnis von Hu : L, konstant.
Setzt man daher für Hu : L, eine Konstante k2, so wird
In dieser Gleichung kann die Luftmenge L in Nm3/s durch die gesamte Rauchgasmeizge
G in Nm3/s ausgedrückt werden. Es besteht hierfür die Beziehung, wenn Y die Rauchgasmenge
bei Luftüberschuß von z kg Brennstoff bezeichnet
Dieser Wert k3 ist nur noch sehr wenig vom Brennstoffheizwert H" abhängig. Man kann
daher k3 als Konstante einführen, wenn man für n einen Mittelwert, z. B. n =
i,5o, einsetzt. Man kann dann schreiben L =k3-G.
-
Die Luftüberschußzahl n wird dann
Diese Gleichung (i) liefert einen Wert für den Luftüberschuß ii, bezogen auf die
Rauchgasmenge an der Meßdüse im Rauchgaskanal.- Da hier jedoch gegenüber der@Verbrennungszone
in den Zügen noch Falschluft vorhanden ist, die keine Verbrennungsluft darstellt,
so ist die gemessene Gasmenge zu groß, und man erhält einen zu großen Luftüberschuß,
der kein Urteil über die Verbrennung selbst zuläßt. Außerdem ist dieser Wert von
Änderungen der Falschluft abhängig. Es ist daher erforderlich, diese Abhängigkeit
von der Falschluft auszuschalten. Die Abgaswärme El an der Meßdüse läßt sich ausdrücken
durch El = G ' (t, - ti) ' Cpm.
-
Hierin ist G die Gasmenge an der Meßdüse, t, die hier vorhandene Abgastemperatur,
ti die Kaltlufttemperatur und Cpm die mittlere spezifische Wärme der Rauchgase zwischen
o und 300° C in kcal/Nm3.
-
Multipliziert man in der Gleichung von n Zähler und Nenner mit dem
Wert (1g - ti) - Cpm und schreibt für das Produkt k1 - k2
- k3 den Faktor K, so erhält man
In der Gleichung (2) ist nur noch die Größe (t9-ti) an der Meßdüse
von Falschluft abhängig. Dieser Gastemperaturwert an der Meßdüse läßt sich durch
einen von Falschluft unabhängigen Temperaturwert in den Kesselzügen, z. B. vor dem
Luftvorwärmer, ersetzen. Mißt man bei einer beliebigen mittleren Kessellast den
Temperaturwert in den Kesselzügen und bezeichnet diesen dort gemessenen Wert mit
(t91 - ti) m und den gleichzeitig an der Meßdüse gemessenen Temperaturwert
mit (t9 - ti) m, so hat man in dem Verhältnis
einen festen Bezugswert für den bei dieser Belastung vorhandenen Falschluftanteil
zwischen den beiden Querschnitten. Eine Änderung des Falschluftanteils bei anderen
Feuerungsverhältnissen ändert weder die Abgaswärme El an der Meßdüse noch den Temperaturwert
(t91- ti) in den Kesselzügen. Da es für die Messung der beiden Meßwerte
EI und (t91- ti) gleich ist, wie der Falschluftanteil zwischen den beiden
Querschnitten sich bei anderen Feuerungsverhältnissen ändert, da beide Meßgrößen
hiervon nicht beeinflußt werden, so kann man den Falschluftanteil zwischen beiden
Querschnitten auch als Konstante einführen, ohne den Meßwert von ia zu ändern. Damit
bleibt das Verhältnis der Gasmengen zwischen beiden Querschnitten konstant, und
das Verhältnis der beiden in den Rauchgasen enthaltenen Wärmemengen zwischen beiden
Querschnitten wird bei anderen Feuerungsverhältnissen direkt den Temperaturdifferenzen
proportional.
-
Man erhält damit eine Beziehung für diese Temperaturwerte an beiden
Querschnitten
Hieraus ergibt sich die gesuchte Beziehung für den in der Formel für n noch enthaltenen
und von Falschluft abhängigen Temperaturwert
ausgedrückt durch einen von Falschluft unabhängigen Temperaturwert (t91- ti)
Setzt man diesen Wert desTemperaturfaktors in die Gleichung (2) für n ein, so erhält
man
Diese Gleichung liefert den Luftüberschuß n an der Meßdüse bei beliebigem Falschluftanteil.
Der Falschluftanteil selbst zwischen Gasmenge vor Luftvorwärmer und Gasmenge an
der Meßdüse ist durch den Ersatztemperatunvert von t = ti noch nicht beseitigt.
Bezeichnet man die von den Nachheizflächen hinter dem ersten Meßquerschnitt von
den Rauchgasen aufgenommene Wärme En und die Abgaswärme an der Meßdüse mit
El, so ist die gesamte Rauchgaswärme vor dem Luftvorwärmer En 4-
EI oder GI - (t91- ti) - CPyn = En '-,
EI
und die Abgaswärme an der Meßdüse G - (t9 - ti)
- CPm = Ei-.
Hieraus ergibt sich der Falschluftfaktor P = G
: GI
aus der Division der beiden Gleichungen und nachfolgender Auflösung
nach P zu
und
Man kann daher den Falschluftfaktor P durch Messung der von den Nachheizflächen
aufgenommenen Wärme En und aus der Abgaswärme EI und den Temperaturwerten
(t91- t,) und (t9 - t,) jederzeit bestimmen. Ist dies aus besonderen Gründen
nicht möglich, so kann man den Falschluftfaktor P auch durch sorgfältig über den
ganzen Querschnitt des Kesselzuges vor dem Luftvorwärmer durchgeführte Orsatanalysen
bei konstanter Last und konstanter Rauchgasmenge ermitteln. Die Beziehung zwischen
der Luftüberschußzahl n und dem CO,-Wert ist bekannt, so daß man damit den Falschluftfaktor
P ermitteln kann. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der Temperaturwert
(t9 - t,) an der Meßdüse mit dem Falschluftfaktor P multipliziert werden
muß, um die Luftüberschußzahl n vor dem Luftvorwärmer zu erhalten. Damit ergibt
sich schließlich die endgültige Formel für den Luftüberschuß n vor dem Luftvorwärmer
Als Meßwert zur Luftüberschußbestimmung sind somit zwei Werte zu
verwenden, der Quotient E2: Ei oder Nutzwärme durch Abgaswärme an der Meßdüse
und der Temperaturwert
gemessen in den Kesselzügen. Da der Temperaturfaktor die ganze Funktion
beeinflußt und das Produkt
sich schlecht durch eine meßtechnische elektrische Anordnung darstellen läßt, empfiehlt
es sich, das Produkt noch etwa umzuwandeln. Der Ausdruck
ist ein Wert, der sich um etwa ± io°/o verändert, wenn der Luftüberschuß und damit
die Rauchgasmenge sich von etwa n = i auf 2 verändert. Der Ausdruck für den Meßwert
läßt sich jedoch mit großer Annäherung umformen in
Bei einer Änderung der Luftüberschußzahl von z. B. IV = 0,83 bis 2,04 ändert
sich das Quotientenverbältnis E,: El beispielsweise von 18 auf 5,33
und der Temperaturquotient von 1,1i auf o,gi. Die Abweichung dieser Näherungsformel
beträgt bei n = o,83 minus o,6°/, und bei 7a = 2,04 plus 1,44°/o, während sie bei
n = i,5o Null wird. Damit ergibt sich für den Luftüberschuß n die meßtechnisch einfache
Formel
oder
wobei KI ebenfalls eine Konstante darstellt.
-
Damit ergibt sich als einziger Meßwert für die Luftüberschußzahl n
die Funktion
Diese Funktion aus den Quotienten von zwei Produkten mit Menge mal Temperaturfaktor
läßt sich zweckmäßig durch zwei Brückenschaltungen, z. B. entsprechend Abb. _, ermitteln.
-
Der der Rauchgasmenge G proportionale Speisestrom fließt durch die
Widerstandsthermometer t8 und t1, während der in der Brückendiagonale fließende
Strom der Meßwerkspule Sl dem Produkt G - (t8 - tz) proportional ist. In
ähnlicher Weise fließt der Strom der Dampfmenge einer zweiten Brückenverzweigung
zu, in welcher die Widerstandsthermometer t81 und tz von der Rauchgastemperatur
in den Kesselzügen und der Lufttemperatur eingesetzt sind. Das Produkt aus dieser
Temperaturdifferenz mit der Dampfmenge wird in dieser zweiten Brückendiagonale gebildet
und hier einer zweiten besonderen Meßwerkspule SZ zugeführt.
-
Das Meßwerk selbst enthält zwei getrennte Meßwerkspulen mit vier Stromzuführungen
auf zwei getrennten Rähmchen, die sich auf einem gemeinsamen Polkern befinden, der
zwischen den beiden Polschuhen eines Hufeisenmagneten drehbar gelagert ist. Die
Division der beiden Werte wird durch dieses zweispulige Quotientenmeßwerk selbsttätig
gebildet. Es kann hierzu zweckmäßig ein T-Spul-Quotientenmeßwerk verwendet werden.
-
Da der Meßwert Abgaswärme El durch Nutzwärme E2 zur Wirkungsgradanzeige
nach der Patentschrift 71q.273 bereits verwendet wird, kann ein solches Anzeigegerät
auch zur Luftüberschußanzeige n verwendet werden, wenn der Meßstrom E,:
E2 oder der reziproke Wert E,: Ei zum Beispiel von Hand umgeschaltet wird auf die
Schaltung für Luftüberschuß, d. h. auf die zusätzliche Multiplikation von E2 mit
dem Temperaturfaktor
Man erhält dann ein Anzeigegerät mit zwei Skalen, eine für den Wirkungsgrad und
eine für den Luftüberschuß. Da der Wert (t" - tz) m für eine bestimmte
Meßanlage konstant ist, kann man zur Umschaltung auch einen von Hand zu betätigenden
Drehwiderstand mit nur einer Skala in Grad Celsius für den Wert (t81- t1) verwenden
und so die zur Luftüberschußanzeige erforderliche Meßschaltung einstellen. Es ist
in diesem Fall noch ein zweiter Temperaturanzeiger für den Rauchgastemperaturwert
(t81 - tz) erforderlich, um die einzustellende Temperatur ablesen zu können.
-
Der vom Luftüberschußanzeiger angezeigte Meßwert n kann gleichzeitig
auch zur Anzeige des Feuerungszustandes F benutzt werden, wenn mit F das jeweilige
Verhältnis der beiden der Feuerung zugeführten Energieträger Luft und Brennstoff
bezeichnet wird. Wird die Luft in Nm3 gemessen und die im Feuerraum in Wärme umgesetzte
Brennstoffenergie in kcal angegeben, so besteht für das Verhältnis F für i kg im
Feuerraum in Wärme umgesetzte Brennstoffenergie die Beziehung
Hierbei ist n - Lo die dem Feuerraum pro kg Brennstoff
zugeführte
Luftmenge und Hu der untere Heizwert des Brennstoffs in kcal/kg.
-
Auf Grund dieser einfachen Beziehung kann man den Luftüberschußanzeiger
direkt mit einer zweiten Skala versehen für den Feuerungszustand F, indem man den
Anzeigewert durch den Faktor k2 dividiert.
-
Da sowohl die Luftüberschußzahl n wie auch, der Feuerungszustand F
sich mit der Kesselbelastung ändern, z. B. ein größeres n für schwache Belastung
und ein kleineres n für höhere Belastung, so ist es an sich gleichgültig, ob man
nur eine n-Skala oder nur eine Skala für F verwendet. Da der CO,-Gehalt in fester
Beziehung zur Luftüberschußzahl n steht; kann auch eine Doppelskala für n und
CO, auf das Anzeigeinstrument gesetzt werden.
-
Es ist noch darauf hinzuweisen, daß eine Heizflächenverschmutzung
keinen Einfluß auf das Meßergebnis ausübt.
-
Nach der Erfindung wird für die Überwachung des Betriebes einer Feuerungsanlage
für den Fall einer laufenden Anzeige des Wirkungsgrades 77 bzw. des Abgasverlustes
Va eine weitere Anordnung empfohlen, die außer dem Anzeiger für 77 bzw.
Va einen Anzeiger für die Temperaturdifferenz (t91- tz) und eine Hilfseinrichtung
in Form eines graphischen Schaubildes enthält, welches mittels eines Koordinatensystems
die Beziehung zwischen VA bzw. r1 und der Temperaturdifferenz (t91- tt) veranschaulicht
und eine durch den Nullpunkt des Koordinatensystems gehende Schar von Linien aufweist,
die jeweils die Punkte gleichen Luftüberschusses bzw. gleichen C 02 Gehaltes angeben.
-
Die Hilfseinrichtung ist in Abb.2 veranschaulicht, und zwar in der
Abwandlung, daß die Linienschar durch einen Meßfaden und eine außerhalb des Schaubildes
liegende Skala, welche die Werte für n bzw. für den CO,-Gehalt angibt, ersetzt ist.
Die Ordinate ist nur in dem praktisch wichtigen Bereich beziffert, der bei einem
Verlust a an Unverbranntem durch Strahlung und Leitung von z. B. zusammen beispielsweise
bei einem Kessel zwischen Va = 8 bis 12%, entsprechend 97 = 87 bis 830/0
liegt; aus dem gleichen Grund ist die Abszisse auf die Angabe der Werte von 30o
bis 60o° C für (t91- tz) beschränkt.
-
Die Ermittlung an Hand der Hilfseinrichtung beruht auf folgender Überlegung:
Für den Luftüberschuß n ergibt sich nach Gleichung (q.) die Beziehung
Der Abgasverlust Va des Kessels ist der Quotient aus Abgaswärme E2 durch
die zugeführte Brennstoffwärme E = B - H,u.
-
Es ist also
und da
ist, folgt
oder
Damit wird der Wert
Setzt man diesen Wert in die Formel (6) ein, so erhält man
wie es der Bestimmung mit Hilfe des Meßfadens entspricht. Die Anordnung mit dem
Schaubild nach Abb.2 kann noch verschiedene zweckdienliche Ergänzungen erhalten.
Dazu gehört, daß ein besonderer Anzeiger für die Nutzwärme (Dampfmenge) vorgesehen
ist und daß das Schaubild eine Kennlinie aufweist, welche die optimalen Werte für
den Luftüberschuß bei den verschiedenen Belastungen angibt. An Hand dieser Kennlinie
läßt sich dann sofort nachprüfen, ob der mit Hilfe des Meßfadens festgestellte Wert
für n mit dem Sollwert übereinstimmt. Eine weitere zweckmäßige Ergänzung besteht
in der Aufnahme einer zweiten Kennlinie, welche bei optimalem Luftüberschuß die
Beziehung zwischen optimalem Wirkungsgrad bzw. Abgasverlust und Belastung angibt.
-
Abweichungen der festgestellten Werte von den Sollwerten der Kennlinien
besagen, daß der Zustand der Anlage sich verschlechtert hat und der Überprüfung
bedarf.