EP2350759A2 - Verfahren und vorrichtung zum überwachen der verbrennung eines kraftwerks auf der grundlage zweier realer konzentrationsverteilungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum überwachen der verbrennung eines kraftwerks auf der grundlage zweier realer konzentrationsverteilungen

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EP2350759A2
EP2350759A2 EP09795726A EP09795726A EP2350759A2 EP 2350759 A2 EP2350759 A2 EP 2350759A2 EP 09795726 A EP09795726 A EP 09795726A EP 09795726 A EP09795726 A EP 09795726A EP 2350759 A2 EP2350759 A2 EP 2350759A2
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EP
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planes
combustion
combustion chamber
monitoring
concentration
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EP09795726A
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Inventor
Bernhard Meerbeck
Rainer Speh
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for monitoring the combustion in a combustion chamber of a power plant in which a real concentration distribution and / or a real temperature distribution of a substance in at least two levels in the combustion chamber is measured.
  • absorption spectroscopy is known.
  • sonic pyrometry is known. With absorption spectroscopy or sonic pyrometry, only mean values of a line in the boiler room or combustion chamber can be measured.
  • the CAT measuring technique For calculating the temperature and concentration distribution in a plane of a combustion chamber from measured average values at different locations of the combustion chamber of a power plant, the CAT measuring technique, computer aided tomography, is known.
  • the method according to the invention for monitoring the combustion in a combustion space of a power plant comprises in a first embodiment the steps of measuring a real concentration distribution of a substance in at least two planes in the combustion space and mathematically determining the concentration of the substance at at least one lying between the two planes , Place on the basis of the measured real concentration distributions.
  • the method according to the invention for monitoring the combustion in a combustion chamber of a power plant comprises the steps of measuring a real temperature distribution in at least two planes in the combustion chamber and arithmetically determining the temperature at at least one point lying between the two planes Basis of the measured real temperature distributions.
  • the basic idea of the invention is that during combustion in a power plant, a concentration distribution and / or a temperature distribution of a given substance is measured in two planes. Based on the boundary conditions defined therewith, the concentration and / or the temperature at at least one location in the intermediate space between the two levels is furthermore determined by calculation, in particular by means of CAT technology. In this way it is possible with the solution according to the invention to produce a complete picture of the combustion. With this picture, a better control of combustion is possible than before.
  • “substance” generally means any type of combustion educt and / or product, in particular in the form of gas as a component of the exhaust gas.
  • the concentration distribution of the substance or the temperature distribution in at least one plane lying between the two planes is determined during computational determination. In this way, it is possible to produce a further two-dimensional distribution of the concentration and / or the temperature for an arbitrarily lying plane in the intermediate space between the two provided planes. Furthermore, it is possible to create a total of three-dimensional grid for the distribution of concentration (s) (and also for several substances) and / or the temperature.
  • the arithmetical determination takes place at the same time with the measuring. It is therefore not necessarily a sequential procedure for measuring and further determination of concentration / s and the temperature required, but these steps can also be carried out simultaneously, so that particularly fast and particularly meaningful determination results can be generated. Overall, it is thus possible to produce in a simple manner, although in some cases only approximated, but complete, picture of the combustion in a cost-effective, simple and, at the same time, process-reliable manner.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 2 shows an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber 10 of a coal power station (not further illustrated) in which a coal fire burns during operation of the coal power station.
  • Combustion chamber 10 are the fuel coal with associated fuel gases, multiple flames 11 and exhaust gases.
  • each measuring instrument 16 In the combustion chamber 10, two measuring planes 12 and 14 are provided, at the edge of each measuring instruments 16 are located. In each case two of the measuring instruments 16 enable a linear measurement in the associated measuring plane 12 or 14, wherein with the aid of the measuring instruments 16 and an associated evaluation device 18, the concentration of the substances O 2 (oxygen) and C 0 (carbon monoxide) can be measured. Furthermore, with the measuring instruments 16 and the evaluation device 18, the temperature distribution in the associated measurement plane 12 or 14 can be determined. The measurement is based on a combination of absorption spectroscopy and the CAT technique.
  • the evaluation device 18 is operationally coupled via a data bus 20 with an optimizing device 22, an operating device 24 and a guide or control system 26.
  • the real concentration distributions and temperature distributions in the planes 12 and 14 measured by the evaluation device 18 can be used to determine at least one location and in particular several levels between the two levels 12 and 14 with the aid of the distributions Boundary conditions in the optimization device 22 to determine the concentration of the substances mentioned and also the temperature by calculation.
  • the levels in which the concentrations and the temperatures are determined are in particular parallel to the likewise parallel to each other extending levels 12 and 14.
  • the computational determination can also other concentration and temperature values of others
  • Substances include, for example, in order to optimize the burning in the combustion chamber 10 flames, in particular with regard to a low emission of NO x (nitrogen oxide).
  • the optimization device 22 uses interpolation equations and in particular also physical model equations of the diffusion and the kinematics in the combustion space, which were previously created on the basis of a model of the combustion space 10 and stored in the optimization device 22.
  • the associated method is illustrated in FIG. It comprises the step 28 of measuring the concentration distribution development z. As the substances O 2 and CO and the temperature distribution in the plane 12.
  • the concentration distribution and the temperature distribution in a plurality of planes between the planes 12 and 14 are determined by calculation.
  • an optimization of the combustion then takes place in a step 34, for example by a change in the air stratification and / or a section-wise change of the excess air.

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung eines Kraftwerks wird eine reale Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum gemessen und die Konzentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen rechnerisch ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung eines Kraftwerks auf der Grundlage zweier realer Konzentra- tionsverteilungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks bei denen eine reale Konzentrationsverteilung und/oder eine reale Temperaturverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum gemessen wird.
Bei Kraftwerken ist es das grundlegende Ziel, die in einem Verbrennungsraum des Kraftwerks, beispielsweise einem Kessel mit einer quadratischen Grundfläche von 10 Meter mal 10 Meter, stattfindende Verbrennung möglichst großflächig zu überwachen, um daraus die notwendigen Größen für die Optimierung des Verbrennungsprozesses ableiten zu können.
So ist als Verfahren die Absorptionsspektroskopie bekannt. Als alternative Messtechnik ist die Schall-Pyrometrie bekannt. Mit Absorptionsspektroskopie oder Schall-Pyrometrie können nur Mittelwerte einer Linie im Kesselraum bzw. Verbrennungsraum gemessen werden.
Zum Berechnen der Temperatur- und Konzentrationsverteilung in einer Ebene eines Verbrennungsraums aus gemessenen Mittelwerten an verschiedenen Stellen des Verbrennungsraumes eines Kraftwerks ist die CAT-Messtechnik, die Computer Aided Tomo- graphie, bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine weitergehende Überwachung der Verbrennung in einem Kraftwerk zu ermöglichen, um damit die Grundlage für die Optimierung des Verbrennungspro- zesses zu liefern.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine weitergehende Überwachung der Verbrennung in einem Kraftwerk zu ermöglichen, um damit die Grundlage für die Optimierung des Verbrennungsprozesses zu liefern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß An- spruch 1, einem Verfahren gemäß Anspruch 3, einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks umfasst in einer ersten Ausführungsform die Schritte: Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und rechnerisches Ermitteln der Konzen- tration des Stoffes an mindestens einer, zwischen den beiden Ebenen liegenden, Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen. In einer zweiten, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks die Schritte: Messen einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und rechnerisches Ermitteln der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturver- teilungen.
Entsprechend umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks in einer ersten Ausführungsform eine Einrichtung zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und eine Einrichtung zum rechnerischen Ermitteln der Konzentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Kon- zentrationsverteilungen . In einer zweiten, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks eine Einrichtung zum Messen einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und eine Einrichtung zum rechnerischen Ermitteln der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilungen.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt mit anderen Worten darin, dass während der Verbrennung in einem Kraftwerk eine Konzentrationsverteilung und/oder eine Temperaturverteilung ei- nes vorgegebenen Stoffes in zwei Ebenen gemessen wird. Basierend auf den damit festgelegten Randbedingungen wird ferner, insbesondere mittels CAT-Technik, die Konzentration und/oder die Temperatur an mindestens einer Stelle im Zwischenraum zwischen den beiden Ebenen rechnerisch ermittelt. Auf diese Weise ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, ein vollständiges Bild der Verbrennung zu erzeugen. Mit diesem Bild ist eine bessere Regelung der Verbrennung möglich, als bisher .
Bei der obigen Definition der Erfindung wird unter "Stoff" allgemein jede Art von Verbrennungsedukt und/oder -produkt verstanden, insbesondere in Form von Gas als Bestandteil des Abgases .
Bei einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird beim rechnerischen Ermitteln die Konzentrationsverteilung des Stoffes bzw. die Temperaturverteilung in mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Ebene ermittelt. Es kann auf diese Weise eine weitere zweidimen- sionale Verteilung der Konzentration und/oder der Temperatur für eine beliebig liegende Ebene in dem Zwischenraum zwischen den beiden vorgesehenen Ebenen erzeugt werden. Ferner ist es möglich insgesamt ein dreidimensionales Gitter für die Verteilung von Konzentration/en (auch für mehrere Stoffe) und/oder die Temperatur zu erstellen.
Bei einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt das rechnerische Ermitteln zeitgleich mit dem Messen. Es ist also nicht zwingend ein sequentielles Vorgehen beim Messen und weiteren Ermitteln von Konzentra- tion/en und der Temperatur erforderlich, sondern es können diese Schritte auch simultan erfolgen, so dass besonders schnell und besonders aussagekräftige Ermittelungsergebnisse erzeugt werden können. Insgesamt kann so auf einfache Weise ein zwar teilweise nur genähertes, dafür aber vollständiges Bild der Verbrennung auf kostengünstige, einfache und zugleich prozesssichere Art erzeugt werden.
Die genannten vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bevorzugt in Gestalt entsprechend ange- passter Einrichtungen auch in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen realisiert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens .
In Fig. 1 ist ein Verbrennungsraum 10 eines weiter nicht veranschaulichten Kohlekraftwerks dargestellt, in dem beim Be- trieb des Kohlekraftwerks ein Kohlefeuer brennt. In dem
Verbrennungsraum 10 befinden sich dabei das Brennmaterial Kohle mit zugehörigen Brenngasen, mehreren Flammen 11 sowie Abgase .
Im Verbrennungsraum 10 sind zwei Messebenen 12 und 14 vorgesehen, an deren Rand sich jeweils Messinstrumente 16 befinden. Jeweils zwei der Messinstrumente 16 ermöglichen eine Ii- nienförmige Messung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14, wobei mit Hilfe der Messinstrumente 16 und einer zugehörigen Auswerteeinrichtung 18 die Konzentration der Stoffe O2 (Sauerstoff) und C0 (Kohlenmonoxid) gemessen werden können. Ferner kann mit den Messinstrumenten 16 und der Auswerteein- richtung 18 die Temperaturverteilung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14 ermittelt werden. Die Messung beruht dabei auf einer Kombination der Absorptionsspektroskopie und der CAT-Technik.
Die Auswerteeinrichtung 18 ist über einen Datenbus 20 mit einer Optimierungseinrichtung 22, einer Bedieneinrichtung 24 und einer Leiteinrichtung bzw. Leittechnik 26 betrieblich derart gekoppelt. Über die Bedieneinrichtung 24 können die von der Auswerteeinrichtung 18 gemessenen realen Konzentra- tionsverteilungen sowie Temperaturverteilungen in den Ebenen 12 und 14 dazu genutzt werden, um an mindestens einer Stelle und insbesondere mehreren Ebenen zwischen den beiden Ebenen 12 und 14 mit Hilfe der aus den Verteilungen ermittelten Randbedingungen in der Optimierungseinrichtung 22 die Kon- zentration der genannten Stoffe und auch die Temperatur rechnerisch zu ermitteln. Die Ebenen, in denen die Konzentrationen und die Temperaturen ermittelt werden, liegen dabei insbesondere parallel zu den ebenfalls parallel zu einander verlaufenden Ebenen 12 und 14. Die rechnerische Ermittlung kann auch weiterer Konzentrations- und Temperaturwerte anderer
Stoffe umfassen, etwa um die in dem Verbrennungsraum 10 brennenden Flammen insbesondere im Hinblick auf einen geringen Ausstoß von NOx (Stickoxid) zu optimieren.
Zur rechnerischen Ermittelung verwendet die Optimierungseinrichtung 22 Interpolationsgleichungen sowie insbesondere auch physikalische Modellgleichungen der Diffusion und der Kinematik im Verbrennungsraum, die zuvor anhand eines Modells des Verbrennungsraums 10 erstellt und in der Optimierungseinrich- tung 22 gespeichert worden sind.
Das zugehörige Verfahren ist in Fig. 2 veranschaulicht. Es umfasst den Schritt 28 des Messens der Konzentrationsvertei- lung z. B. der Stoffe O2 und CO und der Temperaturverteilung in der Ebene 12. In einem Schritt 30 wird zeitgleich die Konzentrationsverteilung z. B. der Stoffe O2 und CO in der Ebene 14 sowie die dortige Temperaturverteilung gemessen. Ferner wird in einem Schritt 32, wie oben erläutert, die Konzentrationsverteilung sowie die Temperaturverteilung in mehreren Ebenen zwischen den Ebenen 12 und 14 rechnerisch ermittelt.
Auf der Grundlage dieser Ermittlung erfolgt dann in einem Schritt 34 eine Optimierung der Verbrennung, beispielsweise durch eine Änderung der Luftschichtung und/oder ein abschnittsweises Ändern des Luftüberschusses.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks mit den Schritten: - Messen (28, 30) einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum (10) und
- rechnerisches Ermitteln (32) der Konzentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) lie- genden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen KonzentrationsVerteilungen .
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim rechnerischen Ermitteln (32) die Konzentrations- Verteilung des Stoffes in mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Ebene ermittelt wird.
3. Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, mit den Schritten:
- Messen (28, 30) einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum und
- rechnerisches Ermitteln (32) der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilungen .
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem beim rechnerischen Ermitteln (32) die Temperaturver- teilung in mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Ebene ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das rechnerische Ermitteln (32) zeitgleich mit dem Messen (28, 30) erfolgt.
6. Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks mit - einer Einrichtung (16, 18) zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum (10) und
- einer Einrichtung (22) zum rechnerischen Ermitteln der Kon- zentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen.
7. Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere nach Anspruch 6, mit
- einer Einrichtung (16, 18) zum Messen einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum und - einer Einrichtung (22) zum rechnerischen Ermitteln der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilungen .
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