EP0802372A1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method and a device for controlling a combustion process in a boiler according to the preamble of claim 1 and claim 10.
- Interventions on actuators of the combustion process are derived as a function of the measured variables, so that, for example, at a high NOx concentration in the combustion gas, actuators of the burner are actuated in order to supply higher amounts of combustion air globally.
- the fuel supply can be increased by correspondingly actuating actuators.
- a stable control of the combustion process with the known methods is relatively difficult due to several parameters that have to be observed simultaneously.
- the known methods have the disadvantage that they do not record the actual combustion process of the fuel and only control it indirectly.
- the object of the present invention is to provide a method and a device for controlling a combustion process in a boiler according to the preamble of claim 1 and claim 10, respectively, which allows direct detection and control of the combustion.
- the detector advantageously detects the flame by means of a high-resolution and low-spectral resolution sensor and a low-resolution and high-spectral resolution sensor.
- the high-location and low-spectral resolution sensor is preferably designed as a CCD camera. With the CCD camera, the shape and surroundings of the flame can be easily captured. This sensor preferably detects the flow field of the flame. It can also detect a relatively accurate local distribution of the temperature.
- the low-location and high-spectral resolution sensor is preferably formed by glass fiber cables with associated spectral decomposition devices.
- a spectral decomposition device can be designed in a particularly simple manner as a grating, slit or prism.
- the radical and / or temperature field of the flame is preferably detected with the low-resolution and high-spectral resolution sensor. The detection of individual radicals is of particular importance and their precise local assignment is of lesser importance.
- changes in the temperature, flow and / or radical field of the flame are preferably recorded over time.
- Fig. 1 shows schematically a section of a boiler for coal combustion.
- FIG. 2 shows a view of the detector from FIG. 1.
- the boiler 1 for coal combustion shown schematically in FIG. 1 has a burner 2. Fuel and air are introduced into the boiler 1 via the burner 2 and burned to form a flame 3.
- the essentially cylindrical burner 2 comprises an outer air duct 4, an inner air duct 5 and an inlet duct 6 for the introduction of fuel.
- An entry funnel 7 is provided at the end of the burner 2 facing the boiler 1.
- a detector 10 connected to a computing device 9 is received from a wall 8 of the boiler 1.
- the detector 10 is directed towards the flame 3 and comprises a sensor which is designed as a CCD camera 11 and which has a high-location and low-spectral resolution and a sensor which has a low-location and high spectral resolution and is formed by fiber optic cable 12 with associated spectral decomposition devices.
- the glass fiber cables 12 of the sensor are arranged below the lens of the CCD camera 11.
- the computing device 9 is connected to actuators of the burner 2 and a fuel mill (not shown) via signal lines (not shown).
- the glass fiber cables 12 are arranged in a fan-like manner.
- the flame 3 formed in the coal combustion is observed by the detector 10 and its formation is detected.
- the shape and the flow field are detected by the sensor 11 and the radical and temperature field of the flame 3 are detected by the sensor 12.
- the output signals of the detector 10 are forwarded to the computing device 9 and processed there to control signals for the actuators of the burner 2 and the fuel mill for regulating the flame 3.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 10.
- Bei bekannten Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel mit Brennern werden Daten über verschiedene Prozeßparameter erfaßt und zum Ableiten von Eingriffen auf Stellgrößen verarbeitet. So werden zum Beispiel Temperatur und Zusammensetzung von Verbrennungsgasen am Kesselaustritt, Dampfparameter wie Temperatur und Dampfmassenstrom und Temperaturen im Kessel gemessen.
- In Abhängigkeit der gemessenen Größen werden Eingriffe auf Stellglieder des Verbrennungsprozesses abgeleitet, so daß beispielsweise bei einer hohen NOX-Konzentration im Verbrennungsgas Stellglieder des Brenners betätigt werden, um global höhere Mengen an Verbrennungsluft zuzuführen. In einem anderen Fall kann bei einer Messung eines relativ niedrigen Dampfmassenstroms die Brennstoffzufuhr durch entsprechende Ansteuerung von Stellgliedern erhöht werden. Eine stabile Steuerung des Verbrennungsprozesses mit den bekannten Verfahren ist aufgrund mehrerer gleichzeitig einzuhaltender Parameter relativ schwierig.
- Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß sie den eigentlichen Verbrennungsvorgang des Brennstoffs nicht erfassen und nur indirekt steuern.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 anzugeben, das bzw. die eine direkte Erfassung und Steuerung der Verbrennung erlaubt.
- Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 bzw. Anspruch 10 gelöst.
- Durch die Beobachtung und Analyse des Flammenbildungsverhaltens bei dem eigentlichen Verbrennungsvorgang des Brennstoffs in einem Brennernahfeld können Daten zu einer direkten Steuerung bereitgestellt werden. Mit einer Regelung der Flamme werden andere Prozeßparameter gewissermaßen bereits zwangsläufig mitgeregelt. Wird die Flamme mit einer optimalen Ausbildung gehalten, kann praktisch davon ausgegangen werden, daß die üblichen Prozeßparameter zumindest in der Nähe eines optimalen Betriebspunktes liegen. Anhand der verarbeiteten Ausgangssignale des Detektors können die Zufuhr von Primär-Sekundär-und/oder Tertiärluft, die Zufuhr von Brennstoff und strömungstechnische Einstellvorrichtungen des Brenners eingestellt werden. Beispielsweise kann der Drall beim Eintrag des Brennstoffs eingestellt werden. Ferner kann das Brennstoff/Luftverhältnis lokal optimal eingestellt werden. Hierbei wird es ermöglicht, entweder die Menge an Brennstoff oder an Luft gezielt auf einen optimalen Wert einzustellen, um das gewünschte Brennstoff/Luftverhältnis zu erreichen.
- Der Detektor erfaßt die Flamme vorteilhaft mittels eines hochorts- und geringspektralauflösenden Sensors sowie eines geringorts-und hochspektralauflösenden Sensors.
- Der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor ist bevorzugt als CCD-Kamera ausgebildet. Mit der CCD-Kamera kann auf einfache Weise die Form und das Umfeld der Flamme erfaßt werden. Dieser Sensor erfaßt bevorzugt das Strömungsfeld der Flamme. Er kann auch eine relativ genaue örtliche Verteilung der Temperatur erfassen.
- Der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor ist bevorzugt durch Glasfaserkabel mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildet. Eine Spektralzerlegungsvorrichtung kann in besonders einfacher Weise als Gitter, Spalt oder Prisma ausgebildet sein. Mit dem geringorts- und hochspektralauflösenden Sensor wird bevorzugt das Radikalen- und/oder Temperaturfeld der Flamme erfaßt. Hierbei ist die Erfassung einzelner Radikale von besonderer und deren genaue örtliche Zuordnung eher von geringerer Bedeutung.
- Um eine relativ stabile Steuerung des Verbrennungsprozesses zu ermöglichen, werden bevorzugt zeitliche Veränderungen des Temperatur-, Strömungs- und/oder Radikalenfelds der Flamme erfaßt.
- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Abbildungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Kessels zur Kohleverfeuerung.
- Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Detektors aus Fig. 1.
- Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Kessel 1 zur Kohleverfeuerung weist einen Brenner 2 auf. Über den Brenner 2 wird Brennstoff und Luft in den Kessel 1 eingetragen und unter Bildung einer Flamme 3 verbrannt.
- Der im wesentlichen zylinderförmig ausgebildete Brenner 2 umfaßt einen äußeren Luftkanal 4, einen inneren Luftkanal 5 und einen Eintragskanal 6 zum Brennstoffeintrag. An dem dem Kessel 1 zugewandten Ende des Brenners 2 ist ein Eintragstrichter 7 vorgesehen.
- Von einer Wandung 8 des Kessels 1 ist ein mit einer Recheneinrichtung 9 verbundener Detektor 10 aufgenommen. Der Detektor 10 ist auf die Flamme 3 gerichtet und umfaßt einen als CCD-Kamera 11 ausgebildeten hochorts- und geringspektralauflösenden Sensor und einen durch Glasfaserkabel 12 mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildeten geringorts- und hochspektralauflösenden Sensor.
- Wie in der in Fig. 2 schematisch dargestellten Frontansicht des Detektors 10 gezeigt, sind die Glasfaserkabel 12 des Sensors unterhalb des Objektivs der CCD-Kamera 11 angeordnet.
- Die Recheneinrichtung 9 ist über weiter nicht dargestellte Signalleitungen mit Stellgliedern des Brenners 2 und einer nichtdargestellten Brennstoffmühle verbunden.
- Um einen im wesentlichen gleichgroßen Blickwinkel wie die CCD-Kamera 11 zu ermöglichen, sind die Glasfaserkabel 12 fächerartig angeordnet.
- Zur Steuerung des Verbrennungsprozesses in dem Kessel 1 wird die bei der Kohleverbrennung gebildete Flamme 3 durch den Detektor 10 beobachtet und deren Ausbildung erfaßt. Hierbei werden über den Sensor 11 die Form und das Strömungsfeld und über den Sensor 12 das Radikalen- und Temperaturfeld der Flamme 3 erfaßt.
- Die Ausgangssignale des Detektors 10 werden an die Recheneinrichtung 9 weitergeleitet und dort zu Steuersignalen für die Stellglieder des Brenners 2 und der Brennstoffmühle zur Regelung der Flamme 3 verarbeitet.
Claims (14)
- Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel mit einem Brenner, über den Brennstoff in den Kessel eingetragen und unter Bildung einer Flamme verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Flamme durch einen Detektor erfaßt wird und die Flamme in Abhängigkeit der in einer Recheneinrichtung verarbeiteten Ausgangssignale des Detektors durch Stellgrößeneingriffe auf den Brenner und/oder eine dem Brenner vorgeschaltete Vorrichtung geregelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor die Flamme mittels eines hochorts- und geringspektralauflösenden Sensors sowie eines geringorts-und hochspektralauflösenden Sensors erfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor als CCD-Kamera ausgebildet ist.
- Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor durch Glasfaserkabel mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildet ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfeld der Flamme erfaßt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsfeld der Flamme erfaßt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Radikalenfeld der Flamme erfaßt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zeitliche Veränderungen des Temperatur-, Strömungs- und/oder Radikalenfelds der Flamme erfaßt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Stellgrößeneingriffe auf eine dem Brenner vorgeschaltete Brennstoffmühle vorgenommen werden.
- Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel (1) mit einem Brenner (2), über den Brennstoff in den Kessel (2) eingetragen und unter Bildung einer Flamme (3) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Wandung (8) des Kessels (1) ein mit einer Recheneinrichtung (9) verbundener Detektor (10) aufgenommen wird, der auf die Flamme (3) gerichtet ist und die Recheneinrichtung (9) mit Stellvorrichtungen des Brenners (2) und/oder einer dem Brenner (2) vorgeschaltete Vorrichtung zur Regelung der Flamme verbunden ist.
- Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (10) einen hochorts- und geringspektralauflösenden Sensor (11) sowie einen geringorts-und hochspektralauflösenden Sensor (12) umfaßt.
- Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor (11) als CCD-Kamera ausgebildet ist.
- Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor (12) durch Glasfaserkabel mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildet ist.
- Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserkabel fächerartig angeordnet sind.
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