EP1441177B1 - Verfahren zur Erkennung und Identifikation von Brennzonen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein automatisiertes Verfahren zur Erkennung und Identifikation von Brennzonen eines Brennbetts. Das Verfahren basiert auf einer bildgebenden Messung und der Analyse der von einem Brennbett ausgehenden Infrarotstrahlung und dient hauptsächlich zur Überwachung, Analyse und Online-Optimierung von Verbrennungsprozessen mit Brennstoffen, deren chemisch-physikalische Eigenschaften starken Schwankungen unterliegen, wie das beispielsweise bei Verbrennung von Biomasse und der Müllverbrennung auf einem Rost der Fall ist. Derartige Verfahren sind aus EP 0 897 086 A und aus EP 0 661 500 bekannt.
• Rostverbrennungen sind ein bewährtes Verfahren zur Umsetzung fester Brennstoffe in einem Brennbett. Ein Verbrennungsrost wird an der Aufgabeseite mit Brennstoff beschickt, der über bekannte konstruktionsabhängige Transportmechanismen zum Rostende befördert wird. Der Brennstoff durchläuft dabei eine Trocknungs-, Zündungs- und Pyrolysephase und brennt dann mit Sauerstoffüberschuss ab, wobei sich im Brennbett eine Brennzone oder auch mehrere Brennzonen ausbilden.
• Wenn sich die Brennstoffeigenschaften signifikant über der Zeit verändern, wie z.B. bei Biomasse oder Müll, verändert sich der Prozessablauf und mit ihm auch die Eigenschaften der Brennzonen in oft unerwünschter Weise, so dass zur Sicherung einer optimalen Verbrennung eine laufende korrigierende Anpassung der Stellgrößen erforderlich ist. Diese Anpassungen sind ein Ergebnis von Optimierungsstrategien die u.a. auf einer charakterisierenden Auswertung von Eigenschaften der Brennzonen beruhen. Damit ist die repräsentative und maschinelle Erkennung und Identifikation der Brennzonen eine entscheidende Voraussetzung für die Analyse, die Überwachung und die Optimierung von Verbrennungsprozessen mit einem Brennbett.
• In [1, 2] wird die von einem Brennbett ausgehende Infrarotstrahlung durch eine Infrarotkamera erfasst und bezüglich der Eigenschaften der Brennzonen sowie weiterer Brennbettmerkmale ausgewertet. Die Ergebnisse sind Eingangsgrößen von Optimierungsstrategien, die bei ihrer praktischen Umsetzung erfolgreich zur Minderung der Schadstoffentstehung und zur Steigerung der Effizienz der Brennstoffumsetzung eingesetzt werden.
• Für die Erkennung der Brennzonen wird bisher ein Verfahren [3] genutzt, bei dem:
• zum einen keine explizite Unterdrückung der in den Rohbildern enthaltenen Störungen Partikelflug und Flammen erfolgt, so dass sich diese Störungen verfälschend auf die Brennzonenerkennung und die Identifikation auswirken,
• zum anderen findet keine Anpassung des Erkennungsalgorithmus statt, denn der Schwellwert zur Binarisierung des Analysebilds wird mit Hilfe eines konstanten Parameters α berechnet. Das hat zur Folge, dass bei deutlichen Abweichungen vom nominalen Brennbettzustand, für den der Parameter α bei diesem Verfahren einmalig festgelegt wurde, die Eigenschaften der erkannten Brennzonen physikalisch-technischen Randbedingungen widersprechen. Die erkannten Brennzonen sind dann nicht repräsentativ und folglich nicht für eine Prozessüberwachung, -analyse und - optimierung einsetzbar. Dieses bisherige Verfahren [3] ist dadurch charakterisiert, dass:
  • zyklisch ein bestimmter Spektralbereich der infraroten Brennbettstrahlung in Form von N Rohbildern (F_K, F_K-1, ... F_K-N-1) erfasst wird;
  • die Rohbilder die Temperatur auf dem Brennbett repräsentieren;
  • in jedem Verfahrenszyklus mittels gleitender Mittelung über nicht störungsminimierte Rohbilder eines oder mehrerer Verfahrenszyklen ein Analysebild F_E,K errechnet wird, das zur Brennzonenerkennung herangezogen wird;
  • aus dem Analysebild F_E,K die maximale Brennbettemperatur ϑ_Max bestimmt und mit dem einmalig festgelegten Parameter α der Schwellwert ϑ_Th mit ϑ_Th = (αϑ _Max zur Binarisierung des Analysebilds errechnet wird.
  • Alle Punkte des Analysebilds F_E,K, die größer oder gleich dem Schwellwert ϑ_Th sind, zählen zur Brennzone.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das im Unterschied zu bisherigen Verfahren auch bei stark variierenden Brennbetteigenschaften, wie sie durch Brennstoffe mit stark veränderlichen chemisch-physikalischen Eigenschaften und prozessimmanenten Störungen wie Partikelflug und Flammen hervorgerufen werden, eine den physikalisch-technischen Randbedingungen entsprechende und damit repräsentative Erkennung und Identifikation von Brennzonen ermöglicht.
• Es soll also eine Prozessführung ermöglicht werden, die einen effektiven und zugleich schadstoffarmen Verbrennungsablauf bewirkt. Hierbei spielen die Eigenschaften der Brennzonen des Brennbetts, z.B. ihre Lage, Fläche und Temperatur dort, eine maßgebliche Rolle. Die Brennzonen werden einerseits durch vorgebbare Stellgrößen wie: die Primärluftmenge, ihre Verteilung und Temperatur oder den Brennstoffstrom, andererseits aber auch entscheidend durch die chemisch-physikalischen Brennstoffeigenschaften bestimmt. Die Brennstoffeigenschaften stellen oft die wesentlichste Prozessstörung dar, denn sie schwanken signifikant über der Zeit und variierein zudem innerhalb des Brennstoffs.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 mit den darin gekennzeichneten Verfahrensschritten gelöst. Der neue Verfahrensablauf besteht darin, dass:
• durch den Strahlungsempfänger (1) mit einer festen Zykluszeit T_Z die Strahlungsintensität des Brennbetts (5) durch eine Sequenz oder mehrere Sequenzen von M Rohbildern (1.1) F_k,F_k-1, ... , F_k-M-1 mit konstanter Abtastzeit T_A erfasst werden.
• Die Rohbilder repräsentieren entweder die Strahlungsintensität des Brennbetts oder die Temperatur auf dem Brennbett, so dass verallgemeinernd von Grauwerten g gesprochen wird.
• in jedem Verfahrenszyklus aus einer Sequenz von Rohbildern (1.1) über mehrere Zwischenschritte ein Analysebild (2.6) errechnet wird, bei dem der verfälschende Einfluss der Störungen Partikelflug und Flammen eliminiert bzw. minimiert und eine orthogonale Sicht auf das Brennbett (5) dargestellt wird;
• zur Erkennung der Brennzonen aus dem laufend an die veränderlichen Brennbetteigenschaften angepassten Parameter α ein Schwellwert g_Th errechnet wird, der zur Binarisierung des Analysebilds (2.6) F_E,K genutzt wird;
• alle Bildpunkte des jeweils betrachteten Brennbettbereichs des Analysebilds (2.6) F_E,K, die größer oder gleich dem Schwellwert g_Th sind, werden als Brennzone dieses Bereichs betrachtet;
• für jeden betrachteten Brennbettbereich die ausgewählten Eigenschaften der Brennzonen identifiziert werden und anhand von Entscheidungskriterien geprüft wird, ob sie physikalisch-technische Randbedingungen verletzen. Ist dies der Fall, wird der bereichsweise gültige Parameter α so angepasst, d.h. entweder vergrößert oder verkleinert, dass einer Verletzung der Randbedingung entgegengewirkt wird.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung mit dem Blockschaltbild der Verknüpfung der Baugruppen zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert:
• Bei einigen Rostkonstruktionen können bestimmte Rostbereiche, sog. Rostbahnen, separat durch vorgebbare Stellgrößen, wie Primärluftverteilung oder Schürung, angesteuert werden, so dass für eine Analyse/Optimierung des Prozesses die Erkennung und Identifikation von Brennzonen für jede Bahn einzeln und für das gesamte Brennbett, die Hauptbrennzone, sinnvoll ist.
• Im folgenden wird das Beispiel zur infrarotbasierten Erkennung und Identifikation von Brennzonen der Hauptbrennzone betrachtet:
• Durch die Messeinrichtung (1), in diesem Fall eine orthogonal Brennbett (5) angeordneten Infrarotkamera mit einer spektralen Empfindlichkeit bei 3,9 µm, wird mit konstanter Zykluszeit T_z (T_z=5s) die Strahlungsintensität des Brennbetts (5) durch eine Sequenz von M (M = 10) Aufnahmen F_k,F_k-1,... , F_k-M-1 mit konstanter Abtastzeit T_A (T_A=80 ms) erfasst.
• Im aktuellen Verfahrenszyklus K werden aus der Bildsequenz M-1 partikelfreie Zwischenbilder F_Z,NP,k,F_Z,NP,k-1,... , F_Z,NP,k-M-1 errechnet, indem über eine geeignete Binarisierung des Differenzbilds von zwei nacheinander aufgenommenen Rohbildern (1.1) die durch Partikel gestörten Bereiche erkannt, und durch Bildbereiche zurückliegender ungestörter Rohbilder (1.1) ersetzt werden.
• Anschließend wird die verfälschend Einwirkung von Flammen in den partikelfreien Zwischenbildern durch den Einsatz des Minimumfilters F_Z,K = Min (F_Z,NP,K,F_Z,NP,k-1,..., F_Z,NP,k-M-1) unterdrückt. Das Analysebild (2.6) F_E,K wird erzeugt, indem eine Minimumfilterung über die Zwischenbilder von N (N=12) Verfahrenszyklen erfolgt F_E,K = Min (F_Z,K, F_Z,K-1, ..., F_Z,K,K-N-1), so dass sich die Filterung in diesem Beispiel auf einen Zeitraum von 60 s erstreckt.
  Aufgrund der orthogonalen Anordnung der Kamera entfällt der Verfahrensschritt geometrische Transformation (2.5). Zur Erkennung der Hauptbrennzone wird ein Schwellwert g_Th errechnet, der sich aus dem maximalen Grauwert des gesamten Brennbettbereichs g_Max und dem im Verfahrenszyklus K gültigen Parameter α_K ergibt g_Th =α_Kg_Max. Alle Bildpunkte des Analysebilds F_E,K,die größer oder gleich dem Schwellwert g_Th sind, sind Teil der Hauptbrennzone.
• Zur Anpassung des Parameters α_K an die zeitveränderlichen Brennbetteigenschaften wird die relative Brennzonenfläche A_BZ,Rel herangezogen. Sie ist das Verhältnis aus der Fläche aller Brennzonen zur gesamten Brennbettfläche und liegt in Abhängigkeit von der Strahlungsverteilung des Brennbetts und vom Wert des Parameters α im Bereich 0 < A_BZ,Rel ≤1 .
• Bekannt ist, dass die relative Brennzonenfläche A_BZ,Rel aufgrund physikalisch-technischer Randbedingungen in einem deutlich engeren Bereich A_BZ,Min ≤ A_BZ,Rel ≤ A_BZ,Max schwankt, z. B. 0,1 ≤ A_BZ,Rel ≤ 0,4 . Weist aufgrund stark veränderter Brennbetteigenschaften die erkannte Brennzone eine relative Brennzonenfläche auf, welche die Grenzen A_BZ,Min und A_BZ,Max verletzt, ist davon auszugehen, dass sie nicht repräsentativ ist. Deshalb wird der Parameter α für den nächsten Verfahrenszyklus K+1 so angepasst, dass dieser Verletzung entgegengewirkt wird.
• Im betrachteten Beispiel wird beim Überschreiten von A_Bz,Max der Parameter α um den Wert ε erhöht und beim Unterschreiten von A_BZ,Min um ε verringert. $${\mathrm{\alpha }}_{\mathrm{K}+1}=\{\begin{array}{cc}{\alpha }_{\mathrm{K}}+\mathrm{\epsilon }& {\mathrm{A}}_{\mathrm{BZ},\mathrm{Rel}}<{\mathrm{A}}_{\mathrm{BZ},\mathrm{Rel},\mathrm{Min}}\\ {\alpha }_{\mathrm{K}}-\mathrm{\epsilon }& {\mathrm{A}}_{\mathrm{BZ},\mathrm{Rel}}>{\mathrm{A}}_{\mathrm{BZ},\mathrm{Rel},\mathrm{Max}}\end{array}\mathrm{.}$$

  
• Liegt die relative Brennzonenfläche A_BZ,Rel innerhalb von A_BZ,Min und A_BZ,Max , bleibt der Parameter α unverändert, α_K+1 =α_K .
• Anhand von Infrarotaufnahmen mehrerer industrieller Rostfeuerungen, bei denen Müll mit stark veränderlichen chemisch-physikalischen Eigenschaften eingesetzt wurde, wurde nachgewiesen, dass gegenüber dem bisherigen Verfahren [1] eine deutlich repräsentativere Erkennung und Identifikation der Brennzonen erfolgt. Die IR-Aufnahmen dieser Prozesse weisen typischerweise signifikante Störungen durch Partikelflug und Flammen auf, welche die Brennbettstrahlung partiell und temporär überlagern. Durch die hier verwendete Bildvorverarbeitung gelingt eine deutliche Minimierung der verfälschenden Wirkung dieser Störungen. Mithin vermeidet diese Störunterdrückung auch Messfehler bei der Bestimmung weiterer Brennbetteigenschaften, beispielsweise der mittleren Brennbetttemperatur.
Literaturlegende
1. [1] Walter M.: Untersuchung von Verfahren zur kontinuierlichen Analyse der Müllverbrennung in Rostfeuerungen mit Hilfe der Infrarotthermographie, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1996.
2. [2] Meile, E. Schreiner R. : Gezielte Prozessbeeinflussung durch Aufschalten einer Infrarotkamera am Beispiel der MVA Winterthur, Entsorgungspraxis 5/2000, S. 26-30, 2000
3. [3] Schreiner R., Janssen, A.: Infrared cameras guide combustion control, Modern Power Systems, Band 17, Heft 9, S. 45-49,1997

Claims (4)

1. Verfahren zur Erkennung und Identifikation von Brennzonen eines Brennbetts,
   wobei ein Strahlungsempfänger (1), der auf das Brennbett (5) gerichtet ist, die Strahlung vom Brennbett (5) erfasst und die dabei entstehenden Signale an ein angeschlossenes Bildverarbeitungssystem (2) überträgt, wo sie als zweidimensionale Datensätze, Rohbilder (1.1), gespeichert und verarbeitet werden,
   und
   die Identifikationsergebnisse (2.12) der Bildverarbeitung an eine Auswerteeinheit (3) und entweder an weitere angeschlossene Einheiten, wie eine Regelungs- und Steuerungseinheit (4.1), zur direkten Beeinflussung des Brennbetts (5) oder aber an eine angeschlossene Visualisierungs- oder Archivierungseinheit (4.2) weitergegeben werden,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   das Bildverarbeitungssystem (2) ausgewählte Störungen in den Rohbildern (1.1) mindestens aber Störungen durch Partikelflug und Flammen weitgehend oder vollständig eliminiert, indem in jedem Verfahrenszyklus eine äquidistant oder nahezu äquidistant abgetastete Sequenz von mindestens zwei Rohbildern (1.1) eingelesen wird,
   wobei der Verfahrenszyklus darin besteht, dass alle Teilschritte vom Einlesen der Rohbilder (1.1) bis zum Ausgeben der Identifikationsergebnisse (2.12) an die Auswerteeinheit (3) einmal durchlaufen werden,
   zuerst die verfälschende Wirkung des Partikelflugs eliminiert wird (2.1), so dass partikelfreie Zwischenbilder (2.2) entstehen,
   anschließend zur Minimierung des Einflusses von Flammen eine Minimumfilterung (2.3) über die partikelfreien Zwischenbilder (2.2) von mindestens einem Verfahrenszyklus erfolgt, deren Ergebnis ein Zwischenbild (2.4) ist, bei dem der Einfluss von Partikelflug und Flammen minimiert ist,
   auf das Zwischenbild (2.4) eine geometrische Transformation (2.5) angewandt wird, wenn dies nicht bereits durch die Anordnung des Strahlungsempfängers (1) gegeben ist, so dass der dann entstehende zweidimensionale Datensatz, das Analysebild (2.6), eine von der verfälschenden Wirkung der Störungen weitgehend freie und flächengetreue, d.h. orthogonale Abbildung der Brennbettstrahlung ist,
   anschließend das Analysebild (2.6) mit einem Schwellwert errechnet wird, der mit einem Parameter α, dessen Startwert α₀ (2.12) für den ersten Verfahrenszyklus innerhalb der Grenzen von 0≤α₀≤1 festzulegen ist,
   eine Erkennung der Brennzonen durch eine Binärisierung (2.7) des Analysebilds (2.6) erfolgt,
   anschließend in einem Identifikationsschritt (2.8) ausgewählte Eigenschaften von Brennzonen, wie deren Fläche, deren Ausrichtung oder deren Temperatur, identifiziert werden,
   in einem Validitierungsschritt (2.9) anhand von mindestens einem Entscheidungskriterium geprüft wird, ob und/oder wie die Identifikationsergebnisse (2.13) vorgegebene oder plausible physikalisch-technische Randbedingungen (2.10) verletzen, die als Datensatz im Bildverarbeitungssystem (2) gespeichert vorliegen,
   und wenn eine solche Verletzung vorliegt, im Anpassungsschritt (2.11) der Parameter α entweder so verkleinert oder vergrößert wird, dass er in jedem Fall einer Verletzung der physikalisch-technischen Randbedingungen (2.10) entgegenwirkt,
   und wenn keine Randbedingung verletzt ist, der Parameter α unverändert bleibt und mit der Weitergabe der Identifikationsergebnisse (2.13) an die Auswerteeinheit (3) die Erkennung und Identifikation der Brennzonen abgeschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Strahlungsempfänger (1) entweder die absolute oder die relative Infrarotstrahlung des Brennbetts in mindestens einem Teilspektrum erfasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Verfahrenszyklus mindestens eine Sequenz von Rohbildern (1.1) ausgewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass bei der Brennzonenidentifikation für mehrere, auch überlappende Bereiche des Brennbetts, eine bereichsbezogene Erkennung und Identifikation der Brennzonen mit einem bereichsweise gültigen Parameter α durchgeführt wird.

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