EP0802372B1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel Download PDF

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EP0802372B1
EP0802372B1 EP97710009A EP97710009A EP0802372B1 EP 0802372 B1 EP0802372 B1 EP 0802372B1 EP 97710009 A EP97710009 A EP 97710009A EP 97710009 A EP97710009 A EP 97710009A EP 0802372 B1 EP0802372 B1 EP 0802372B1
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flame
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    • F23N2229/16—Flame sensors using two or more of the same types of flame sensor
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    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/20—Camera viewing

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a Combustion process in a boiler according to the preamble of claim 1 or Claim 10.
  • Burners collect data on various process parameters and use them to derive Interventions on manipulated variables processed. For example, temperature and Composition of combustion gases at the boiler outlet, steam parameters such as Temperature and steam mass flow and temperatures measured in the boiler.
  • interventions on the actuators of the Combustion process derived so that, for example, at a high NOX concentration in the combustion gas actuators of the burner to be operated globally supply higher amounts of combustion air.
  • a Measurement of a relatively low steam mass flow through the fuel supply appropriate control of actuators can be increased. Stable control of the The combustion process with the known methods is due to several at the same time Parameters to be observed are relatively difficult.
  • EP-A-0 616 200 describes a device for control and evaluation a combustion process in which a CCD camera has a high spatial resolution captured the fields of a flame.
  • a CCD camera has a high spatial resolution captured the fields of a flame.
  • nine pixels of the CCD camera filtered such that they are adjacent spectral bands of the detect visible light, the resulting curve of each nine Pixel is added to a total.
  • the spectral resolution is roughly tripled, nevertheless is a high spatial resolution and low spectral resolution, since all radiators (radical radiators) falling in one area are added together and taking into account the temperature dependent basis as well also a precise determination of the exact wavelength of one or more Do not allow peaks in the spectrum. Due to peaks due to contamination the fuel, e.g. by salts, the evaluation is falsified and the Regulation misguided accordingly.
  • EP-A-0 581 451 describes a method for controlling a combustion process, in which the time course of the various fields of the Process are recorded.
  • the flame formation behavior in the actual Combustion process of the fuel in a burner number can provide data on a direct control can be provided.
  • others will Process parameters are already automatically regulated. Will the flame come with an optimal training, it can be assumed that the usual process parameters are at least in the vicinity of an optimal operating point.
  • the supply of primary-secondary and / or Tertiary air the supply of fuel and fluidic Adjustment devices of the burner can be set.
  • the swirl at Entry of the fuel can be set.
  • the fuel / air ratio can be local can be optimally adjusted. This enables either the amount of fuel or set to an optimal value in air to achieve the desired value Achieve fuel / air ratio.
  • the high location and low spectral resolution sensor is preferred as a CCD camera educated. With the CCD camera, the shape and the environment of the Flame can be detected. This sensor preferably detects the flow field of the flame. It can also detect a relatively accurate local distribution of the temperature.
  • the sensor with low local and high spectral resolution is preferred as a glass fiber cable assigned spectral decomposition devices.
  • a spectral decomposition device can easily be designed as a grid, slit or prism his. This is preferred with the low-location and high-spectral resolution sensor Radical and / or temperature field of the flame detected. Here is the registration of individual Radicals of special and their exact localization rather less Importance.,
  • Fig. 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 on. Via the burner 2, fuel and air are introduced into the boiler 1 and under Formation of a flame 3 burned.
  • the essentially cylindrical burner 2 comprises an outer air duct 4, an inner air duct 5 and an entry duct 6 for fuel entry. On that An inlet funnel 7 is provided for the boiler 1 facing the end of the burner 2.
  • a wall 8 of the boiler 1 is connected to a computing device 9 Detector 10 added.
  • the detector 10 is directed towards the flame 3 and comprises a sensor which is designed as a CCD camera 11 and has a high local and low spectral resolution and one through fiber optic cable 12 with associated spectral decomposition devices trained low-location and high-spectral resolution sensor.
  • the fiber optic cables 12 of the sensor below the lens of the CCD camera 11 arranged.
  • the computing device 9 is connected to actuators via signal lines (not shown) of the burner 2 and a fuel mill, not shown.
  • the fiber optic cables 12 are arranged like a fan.
  • the shape and the flow field are determined by the sensor 11 and detects the radical and temperature field of the flame 3 via the sensor 12.
  • the output signals of the detector 10 are forwarded to the computing device 9 and there to control signals for the actuators of the burner 2 and the fuel mill Control of flame 3 processed.

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Description

Die 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.
EP-A-0 616 200 beschreibt eine Einrichtung zur Steuerung und Bewertung eines Verbrennungsprozesses, bei der eine CCD-Kamera hochortsauflösend die Felder einer Flamme erfaßt. Hierbei sind jeweils neun Pixel der CCD-Kamera derart gefiltert, daß sie zueinander benachbarte Spektralbanden des sichtbaren Lichts erfassen, wobei die resultierende Kurve der jeweils neun Pixel zu einem Gesamtwert aufaddiert wird. Durch die Unterteilung in neun Bereiche anstelle der von Videokameras bekannten drei Bereiche Rot, Grün und Blau wird zwar die spektrale Auflösung in etwa verdreifacht, dennoch handelt es sich um eine hohe Ortsauflösung und geringe spektrale Auflösung, da alle in einen Bereich fallenden Strahler (Radikalenstrahler) aufaddiert werden und sowohl eine Berücksichtigung der temperaturabhängigen Basis als auch eine präzise Ermittlung von genauer Wellenlänge eines oder mehrerer Peaks im Spektrum nicht zulassen. Durch Peaks aufgrund von Verunreinigung des Brenstoffs, z.B. durch Salze, wird die Auswertung verfälscht und die Regelung entsprechend fehlgeleitet.
EP-A-0 581 451 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses, bei dem der zeitliche Verlauf der verschiedenen Felder des Prozesses aufgezeichnet werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 anzugeben, mit dem bzw. der eine günstige Erfassung und Regelung der Verbrennung möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Verfahren bzw. bei der eingangs genannten Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10 gelöst.
Durch die Beobachtung und Analyse des Flammenbildungsverhaltens bei dem eigentlichen Verbrennungsvorgang des Brennstoffs in einem Brennernahleld können Daten zu einer direkten Steuerung bereitgestellt werden. Mit einer Regelung der Flamme werden andere Prozeßparameter bereits zwangsläufig mitgeregelt. Wird die Flamme mit einer optimalen Ausbildung gehalten, kann 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 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 als Glasfaserkabel mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen ausgebildet. Eine Spektralzerlegungsvorrichtung kann in 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 Radikaie 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 abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Abbildungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 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)

  1. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel (1) mit einem Brenner (2), über den Brennstoff in den Kessel (1) eingetragen und unter Bildung einer Flamme (3) verbrannt wird, bei dem ein Temperaturfeld, ein Strömungsfeld und ein Radikalenfeld der Flamme (3) durch einen Detektor (10) erfaßt wird und die Flamme (3) in Abhängigkeit der in einer Recheneinrichtung (9) verarbeiteten Ausgangssignale des Detektors (10) durch Stellgrößeneingriffe auf den Brenner (2) und/oder eine dem Brenner (2) vorgeschaltete Vorrichtung geregelt wird, wobei der Detektor (10) die Felder der Flamme (3) mittels eines hochorts- und geringspektralauflösenden Sensors (11) erfaßt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Detektor (10) einzelne Punkte der Flamme (3) mittels eines weiteren geringorts- und hochspektralauflösenden Sensors (12) erfaßt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zeitliche Veränderungen des Temperaturfelds, des Strömungsfelds und/oder des Radikalenfelds der Flamme (3) erfaßt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfeld und das Strömungsfeld der Flamme (3) durch den hochorts- und geringspektralauflösenden Sensor (11) erfaßt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Radikalenfeld der Flamme (3) durch den geringorts- und hochspektralauflösenden Sensor (12) erfaßt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor wenigstens ein auf die Flamme gerichtetes Glasfaserkabel (12) mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen umfaßt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor mehrere fächerförmig angeordnete Glasfaserkabel (12) umfaßt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor als CCD-Kamera (11) ausgebildet ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Stellgrößeneingriffe auf eine dem Brenner (2) vorgeschaltete Brennstoffmühle vorgenommen werden.
  9. , Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Stellgrößeneingriffe auf eine dem Brenner (2) vorgeschaltete Verbrennungsluftzufuhr vorgenommen werden
  10. Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel (1) mit einem Brenner (2), über den Brennstoff in den Kessel (1) eingetragen und unter Bildung einer Flamme (3) verbrannt wird, wobei ein Temperaturfeld, ein Strömungsfeld und ein Radikalenfeld der Flamme durch einen von einem an einer Wandung (8) des Kessels (2) angeordneten und auf die Flamme (3) gerichteten und mit einer Recheneinrichtung (9) verbundenen Detektor (10) aufnehmbar ist, wobei der Brenner (2) und/oder eine dem Brenner (2) vorgeschaltete Vorrichtung mittels von der Recheneinrichtung (9) verarbeiteten Ausgangssignalen des Detektors (10) durch Stellgrößeneingriffe regelbar ist, wobei der Detektor (10) die Ausbildung der Flamme (3) mittels eines hochorts- und geringspektralauflösenden Sensors (11) erfaßt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Detektor (10) einzelne Punkte der Flamme (3) mittels eines weiteren geringorts- und hochspektralauflösenden Sensors (12) erfaßt
  11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor wenigstens ein auf die Flamme gerichtetes Glasfaserkabel (12) mit zugeordneten Spektralzerlegungsvorrichtungen umfaßt.
  12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der hochorts- und geringspektralauflösende Sensor als CCD-Kamera (11) ausgebildet ist.
  13. Einrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaserkabel (12) unterhalb des Objektivs der CCD-Kamera (11) angeordnet sind.
  14. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der geringorts- und hochspektralauflösende Sensor mehrere fächerförmig angeordnete Glasfaserkabel (12) umfaßt.
EP97710009A 1996-04-17 1997-04-15 Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses in einem Kessel Expired - Lifetime EP0802372B1 (de)

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