EP2446193A2 - Verfahren zur regelung eines verbrennungsprozesses, insbesondere in einem feuerraum eines fossilbefeuerten dampferzeugers, und verbrennungssystem - Google Patents

Verfahren zur regelung eines verbrennungsprozesses, insbesondere in einem feuerraum eines fossilbefeuerten dampferzeugers, und verbrennungssystem

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EP2446193A2
EP2446193A2 EP10729831A EP10729831A EP2446193A2 EP 2446193 A2 EP2446193 A2 EP 2446193A2 EP 10729831 A EP10729831 A EP 10729831A EP 10729831 A EP10729831 A EP 10729831A EP 2446193 A2 EP2446193 A2 EP 2446193A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
control
actuators
variables
fossil
Prior art date
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EP10729831A
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English (en)
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EP2446193B1 (de
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Matthias Behmann
Till SPÄTH
Klaus Wendelberger
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2446193B1 publication Critical patent/EP2446193B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F23D1/02—Vortex burners, e.g. for cyclone-type combustion apparatus
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2900/00—Special features of, or arrangements for controlling combustion
    • F23N2900/05006—Controlling systems using neuronal networks

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a combustion process, in particular in a combustion chamber of a fossil-fired steam generator, in which spatially resolved measured values are determined in the combustion chamber.
  • the invention further relates to a corresponding combustion system.
  • the fuel is first treated (for example, grinding the coal in the coal mill, preheating the fuel oil, or the like) and then supplied with the combustion air controlled by the combustion air according to the current heat demand of the system.
  • the introduction of the fuel into the combustion chamber takes place at various points of the steam generator on the so-called burners. Also, the supply of air takes place at various points. At the burners themselves always takes place an air supply. In addition, there may be feeds of air at locations where no fuel is flowing into the furnace.
  • the fuel mass flow supplied is measured as the speed of the distributor belt, with which the coal is conveyed to the coal mill.
  • the exact distribution of the coal flow to the burners powered by this mill is often not recorded. It is therefore assumed that each burner carries a fixed share of the fuel mass flow and adjusts the combustion air accordingly.
  • there are different measuring systems, with the help of the coal flows of the individual burners can be detected.
  • a more precise air control, in which the air mass flow per burner is adapted to the corresponding coal mass flow, is thus made possible.
  • Oxygen concentration in the flue gas detected by grid measurements at the boiler outlet. To a limited extent, conclusions can be drawn about the spatial distribution of process variables in the combustion process.
  • controllers which then determine necessary manipulated variable changes.
  • controller outputs are distributed to the existing actuators, with an inverse transformation of the controller outputs to the existing actuators, since the result of the controller outputs must be adapted to the system.
  • the invention thus uses an improved detection of the current state of Feuerungsreaen by the use of at least one measurement technique with spatially resolving detection range for the quantitative determination of the combustion products after combustion inside the technical furnace for a differentiated and faster
  • An essential advantage of the invention is that the complex measured value distributions of the spatially resolving measuring technique can be processed by the transformation to simple state or controlled variables using conventional controllers. Furthermore, it is achieved by the inverse transformation that the output signals of the conventional controllers are distributed according to a predetermined optimization target to the existing control variables. Thus, an optimal interaction between the newly defined control concepts and the installed complex measuring technology is achieved. In particular, however, as a result of the so-improved control structures, a combustion process that is as efficient as possible, low-wear and proceeds with the lowest possible emissions is realized.
  • the state variables are determined on the basis of statistical information of the spatially resolved measured values. This has the advantage that here the enormous diversity of information about the existing example, temperature or concentration distributions can be compacted. Weighting can be introduced and other image processing methods used. Another advantage is that in this way process variables are created with which the combustion process can be described and regulated.
  • the distribution of the controller outputs on the actuators is in a variant with the help of a neural
  • control interventions can also be finely adjusted using the neural network. This achieves a particularly intelligent and exact control which is robust against the variation of external influences, e.g. variable fuel quality.
  • FIG. 1 shows a diagram for clarifying the combustion control according to the invention.
  • the combustion chamber FR of a power plant or of another technical installation in which a combustion process takes place is equipped with a spatially resolving measuring system (designated MS in the figure).
  • MS spatially resolving measuring system
  • These can be any measuring systems with the aid of which measuring data from the indirect combustion. Examples of such measuring systems are:
  • laser beams are directed through the firebox on photodetectors.
  • the spectral analysis of the laser beam emerging from the combustion chamber again provides information about the combustion itself due to the absorption of certain wavelengths. If the laser beams are sent in lattice form on several paths through the combustion chamber, the measurement information can be spatially resolved.
  • Decisive in the selection of the measurement technique is that it is suitable for determining essential properties of the combustion with spatial resolution. Measurements are carried out, for example, on a cross section of the combustion chamber near the combustion process. The measured values characterize combustion based on properties such as local concentrations (CO, 02, C02, H20, ...) and temperature.
  • these data which are identified by M measured values MW in the figure, are converted in a first step into state variables that can be used in terms of control technology.
  • the spatial information about the combustion chamber is mapped to individual key figures and thus condensed. For the derivation of the different state variables from the spatial measurement information, the following points are typically evaluated:
  • an optimization target can be defined as a setpoint.
  • these state variables characterizing in connection with conventional, process control-available instrumentation and process information the current operating state of the combustion ⁇ process.
  • variable transformation VT converts any desired number of M measured values MW into an arbitrary number of N controlled variables RG, where M and N represent natural numbers and N is usually smaller than M.
  • the control variables RG are state variables which are then used as actual values for individual controllers.
  • the N controlled variables are fed to N regulators R.
  • the control module which contains a subtractor and further control technology components such as a PI controller.
  • This is a conventional control module that may already be present in the technical system to be controlled. It can also be a multi-variable control module, depending on the design variant.
  • the control block considered here also has an input ESW for the desired value of the derived state variable. This is either specified manually, is given constant or load-dependent and should characterize the desired operating behavior.
  • ESW input ESW for the desired value of the derived state variable. This is either specified manually, is given constant or load-dependent and should characterize the desired operating behavior.
  • another input EPG for any other process variables PG which are detected outside of the spatially resolving measuring system.
  • the control difference between see the setpoint and actual value is formed, the control difference by the other process variables varies, for example, to adjust the controller gain as a function of the current load situation, and the existing controller (here PI controller) supplied, the necessary Control value changes are determined.
  • This signal is present at the output ARA of the controller.
  • control outputs RA there are N controllers, there are N values for the control outputs RA (see figure). It is then necessary, in a back transformation RT, to convert these signals RA, designated as control outputs, of the number N such that a certain number of K actuators each receive the actuating signal which is necessary to achieve the control target.
  • the control outputs RA of the N controllers R must now be used to derive control interventions for various actuators with which the combustion process can be favorably influenced. In this case, a control intervention can be made on a plurality of actuators in differentiated strength.
  • Actuators are, for example, the openings of air flaps arranged in the combustion space.
  • Controller outputs to the existing control variables it is particularly advantageous that the distribution of the controller outputs is performed on the actuators in an optimal manner, so that, for example, a minimization of emissions can take place and at the same time the highest possible efficiency of the system is achieved.
  • the optimizer can also obtain measurement results of the spatially resolving measuring devices arranged in the combustion chamber.
  • a number M' of the spatially resolved measured values is converted into any number N 'of state variables which are fed to the optimizer OPT.
  • N 'of state variables which are fed to the optimizer OPT.
  • the optimizer OPT may be connected to a neural network NN.
  • a hybrid control structure of conventional control blocks and neural networks is achieved.
  • the neural network is trained with process measures and serves as a specific model for predicting the behavior of the furnace.
  • An iterative optimization algorithm determines the optimum distribution of the control actions on the actuators as well as correction values for the actuators based on the firing reaction predicted by the neural network. This optimizes the process according to a given target function.
  • the optimization values OW can, for example, also be trim factors.
  • the trimming factors By means of the trimming factors, the results of the inverse transformation RT are weighted, shifted and adjusted in accordance with the optimization process in accordance with the desired control target.
  • a total variable size calculation GSB for the existing K actuators takes place.
  • the different control interventions on different actuators of different identified setpoint deviations are superimposed additively to a total control intervention for each actuator.
  • K manipulated variable changes ST are forwarded to the individual actuators, such as air dampers or fuel supply devices.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere in einem Feuerraum (FR) eines fossilbefeuerten Dampferzeugers, bei dem räumlich aufgelöste Messwerte (MW) in dem Feuerraum ermittelt werden. Räumlich aufgelöste Messwerte werden in regelungstechnisch verwertbare Zustandsgrößen (RG) transformiert und anschließend als Istwerte Regelkreisen (R) zugeführt. Die in den Regelkreisen ermittelten Stellgrößenänderungen (RA) werden in einer Rücktransformation (RT) unter Berücksichtigung eines Optimierungsziels auf eine Vielzahl von Stellgliedern verteilt. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verbrennungssystem.

Description

Beschreibung / Description
Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere in einem Feuerraum eines fossilbefeuerten Dampferzeu- gers, und Verbrennungssystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere in einem Feuerraum eines fossilbefeuerten Dampferzeugers, bei dem räumlich aufgelöste Messwerte im Feuerraum ermittelt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verbrennungssystem.
Beim Verbrennungsprozess eines Dampferzeugers wird der Brennstoff zunächst aufbereitet (z.B. Mahlen der Kohle in der Kohlemühle, Vorwärmen des Heizöls oder ähnliches) und dann kontrolliert mit der Verbrennungsluft dem Verbrennungsraum entsprechend des aktuellen Wärmebedarfs der Anlage zugeführt. Das Einbringen des Brennstoffs in den Feuerraum erfolgt dabei an verschiedenen Stellen des Dampferzeugers an den so genann- ten Brennern. Auch das Zuführen der Luft erfolgt an verschiedenen Stellen. An den Brennern selbst findet stets auch eine Luftzuführung statt. Zusätzlich kann es Zuführungen von Luft geben an Stellen, an denen kein Brennstoff in den Feuerraum strömt .
Es besteht nun die Aufgabe, den Verbrennungsprozess so zu führen, dass er möglichst effizient, verschleißarm und/oder mit möglichst geringen Emissionen abläuft. Die typischen wesentlichen Einflussparameter für den Verbrennungsprozess eines Dampferzeugers sind:
• Verteilung des Brennstoffes auf die einzelnen Brenner
• Verteilung der Verbrennungslüfte auf die verschiedenen Feuerungsbereiche • Gesamtmassenstrom der Verbrennungsluft
• Qualität der Brennstoffaufbereitung (z.B. Mahlkraft, Sichterdrehzahl, Sichtertemperatur der Kohlemühlen) • Rauchgasrückführung
• Position von Schwenkbrennern
Diese Einflussgrößen werden in der Regel zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Dampferzeugers eingestellt. Dabei werden je nach betrieblichen Randbedingungen verschiedene Optimierungsziele in den Vordergrund gestellt, wie maximaler Anlagenwirkungsgrad, minimale Emissionen (NOx, CO, ... ) , minimaler Kohlenstoffgehalt in der Asche (Vollständigkeit der Verbrennung) . Durch die zeitliche Variabilität der Prozessparameter - insbesondere die schwankenden Eigenschaften des Brennstoffes (Heizwert, Luftbedarf, Zündverhalten usw.) - ist jedoch eine ständige Überwachung und Anpassung des Verbrennungsprozesses notwendig. In technischen Anlagen wird die Verbrennung daher durch messtechnische Einrichtungen überwacht und die zur Verfügung stehenden Einflussgrößen werden durch Regeleingriffe gemäß der aktuell erfassten Verbrennungssituation modifiziert.
Die Variation der Einflussparameter während des Anlagenbetriebs wird jedoch nur in sehr begrenztem Maße durchgeführt. Der Grund hierfür ist, dass durch die hohen Temperaturen, sowie die chemisch und mechanisch verschleißreiche Umgebung, nur wenige bis gar keine Messergebnisse in hin- reichender Qualität aus der verbrennungsnahen Umgebung zur Verfügung stehen. Es können daher nur Messdaten, die im Rauchgasweg weit weg von der Verbrennung aufgenommen werden, zur Verbrennungsregelung herangezogen werden. Die Prozessdaten stehen somit nur verzögert und ohne spezifischen Bezug zu den einzelnen Stellgliedern für regelungstechnische Optimierungen zur Verfügung. Durch die großen Abmessungen von technischen Großfeuerungen sind die verfügbaren Punktmessungen außerdem oft nicht repräsentativ und geben kein differenziertes Bild der realen räumlichen Prozesssituation wieder.
Da in vielen Fällen keine Regelung bzw. Optimierung des Verbrennungsprozesses möglich ist, werden die Prozessparameter (z.B. Luftüberschuss) in hinreichendem Abstand zu den technischen Prozessgrenzen eingestellt. Dies verursacht Verluste durch einen Betrieb mit reduzierter Prozesseffizienz, höherem Verschleiß und/oder höheren Emissionen.
Eine ggf. vorhandene Regelung und Optimierung des Verbrennungsprozesses wird nach dem momentanen Stand der Technik mit unterschiedlichen Ansätzen durchgeführt:
- Regelung des Gesamtluftmassenstromes auf Basis einer Messung des Sauerstoffgehaltes im Rauchgasstrom.
- Regelung des Verhältnisses zwischen Verbrennungs- und Oberluft auf Basis einer NOx- und ggf. CO-Messung im Rauch- gasstrom.
- Bei Kohlekesseln wird der zugeführte Brennstoffmassenstrom als Drehzahl des Zuteilerbandes, mit dem die Kohle in die Kohlemühle gefördert wird, gemessen. Die genaue Aufteilung des Kohlestroms auf die durch diese Mühle versorgten Brenner wird dabei oft nicht erfasst. Es wird daher angenommen, dass jeder Brenner einen festen Anteil am Brennstoffmassenstrom trägt und die Verbrennungsluft entsprechend einstellt. Es existieren jedoch verschiedene Messsysteme, mit deren Hilfe die Kohleströme der einzelnen Brenner erfasst werden können. Eine genauere Luftregelung, bei der der Luftmassenstrom pro Brenner an den entsprechenden Kohlemassenstrom angepasst wird, wird somit ermöglicht.
- Bei Kesseln, die mit einer Windbox ausgerüstet sind, ist zunächst auch der Luftmassenstrom pro Luftzuführung unbekannt. Um eine Luftregelung pro Luftzuführung dennoch durchführen zu können, werden die Druckdifferenzen über die einzelnen Luftklappen messtechnisch erfasst und die Luftmassen- ströme aus diesen Messdaten errechnet. Somit ist wiederum eine genauere, auf den Brennstoff abgestimmte Regelung der Luftmassenströme möglich. - Neuronale Netze werden dazu verwendet, den Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Einflussgrößen und den Prozessmessdaten zu lernen. Auf Basis des so entstehenden Neuronalen Modells des Dampferzeugers wird dann eine Opti- mierung des Verbrennungsprozesses durchgeführt.
- In der Patentanmeldung EP 1 850 069 Bl ist ein "Verfahren und Regelkreis zur Regelung eines Verbrennungsprozesses" definiert, bei dem eine bildliche Erfassung des Verbrennungs- prozesses an den Brennern dazu verwendet wird, Neuronale
Netze zu trainieren, mit deren Hilfe dann eine Optimierung der Verbrennung durchgeführt wird.
- Um der großen räumlichen Ausdehnungen der Großfeuerungen zu begegnen, werden teilweise wichtige Prozessgrößen, wie die
Sauerstoffkonzentration im Rauchgas, durch Gittermessungen am Kesselaustritt erfasst. In begrenztem Maße lassen sich somit Rückschlüsse auf die räumliche Verteilung der Prozessgrößen im Verbrennungsprozess ziehen.
Eine noch weitergehende Optimierung der Verbrennung wird möglich, wenn man ein räumlich auflösendes Messsystem einsetzt, mit dessen Hilfe Messdaten aus der unmittelbaren Nähe der Verbrennung zur Verfügung gestellt werden können.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses anzugeben, bei dem räumlich aufgelöste Messwerte im Feuerraum verwendet werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes Verbrennungssystem anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden: - Räumliche Messinformationen werden in regelungstechnisch verwertbare Zustandsgrößen transformiert.
- Zu diesen Zustandsgrößen werden anschließend Sollwerte definiert, die das gewünschte Betriebsverhalten beschreiben. - Diese Zustandsgrößen werden dann als Istwerte für insbesondere konventionelle Regelkreise verwendet und dort mit den vorgegebenen Sollwerten verglichen.
- Die so gebildeten Regeldifferenzen werden Reglern zugeführt, die dann notwendige Stellgrößenänderungen ermitteln. - Die Reglerausgänge werden auf die vorhandenen Stellglieder verteilt, wobei eine Rücktransformation der Reglerausgänge auf die vorhandenen Stellglieder stattfindet, da das Ergebnis der Reglerausgänge an die Anlage angepasst werden muss.
Die Erfindung nutzt somit eine verbesserte Erfassung des aktuellen Zustands von Feuerungsprozessen durch den Einsatz mindestens einer Messtechnik mit räumlich auflösendem Erfassungsbereich zur quantitativen Bestimmung der Verbrennungsprodukte nach der Verbrennung im Innern der technischen Feuerungsanlage für eine differenziertere und schnellere
Prozessregelung. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die komplexen Messwertverteilungen der räumlich auflösenden Messtechnik durch die Transformation auf einfache Zustands- oder Regelgrößen anhand konventioneller Regler ver- arbeitet werden können. Ferner wird durch die Rücktransformation erreicht, dass die Ausgangssignale der herkömmlichen Regler gemäß einem vorgegebenen Optimierungsziel auf die vorhandenen Stellgrößen verteilt werden. Es wird somit ein optimales Zusammenspiel zwischen den neu definierten Regel- konzepten und der installierten komplexen Messtechnik erreicht. Insbesondere wird aber durch die derart verbesserten Regelstrukturen ein möglichst effizienter, verschleißarmer und mit möglichst geringen Emissionen ablaufender Verbren- nungsprozess realisiert.
In einer ersten Ausführungsvariante werden die Zustandsgrößen anhand statistischer Informationen der räumlich aufgelösten Messwerte ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass hier die enorme Vielfalt der Informationen über die vorhandenen beispielsweise Temperatur- oder Konzentrationsverteilungen verdichtet werden können. Es können Wichtungen eingeführt werden und andere Methoden der Bildverarbeitung zur Anwendung kommen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf diese Art und Weise Prozessgrößen entstehen, mit denen der Ver- brennungsprozess beschrieben und geregelt werden kann.
Weitere Ausführungsvarianten betreffen die Sollwertermitt- lung. Der Vorteil bei der Vorgabe der Sollwerte liegt darin, dass ein Optimierungsziel konkret und allgemeinverständlich vorgegeben werden kann. Dadurch wird das gewünschte optimale Anlagenverhalten eindeutig und nachvollziehbar beschrieben. Der Anlagenbetreiber hat dann jederzeit die Möglichkeit durch Variation der Sollwerte den optimalen Arbeitspunkt neu zu definieren, z.B. ein höheres Gewicht auf minimale Emissionen zu legen auf Kosten eines etwas schlechteren Wirkungsgrades.
Die Verteilung der Reglerausgänge auf die Stellglieder wird in einer Ausführungsvariante mit Hilfe eines Neuronalen
Netzes optimiert. Die Stelleingriffe können mit Hilfe des Neuronalen Netzes ferner fein justiert werden. Dadurch wird eine besonders intelligente und exakte Regelung erreicht, die robust gegen die Variation äußerer Einflüsse, z.B. veränder- licher Brennstoffqualität ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die
Figur ein Schema zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Verbrennungsregelung .
Der Feuerraum FR eines Kraftwerks oder einer anderen techni- sehen Anlage, in der ein Verbrennungsprozess stattfindet, ist mit einem räumlich auflösenden Messsystem (in der Figur mit MS bezeichnet) ausgerüstet. Dabei kann es sich um beliebige Messsysteme handeln, mit dessen Hilfe Messdaten aus der un- mittelbaren Nähe der Verbrennung zur Verfügung gestellt werden. Beispiele für solche Messsysteme sind:
- Feuerraumkameras, mit deren Hilfe der Verbrennungsvorgang im Feuerraum erfasst werden kann. Dabei werden durch eine
Spektralanalyse des von den Flammen emittierten Lichts zusätzliche Informationen über die Verbrennung gewonnen.
- Anordnung aus Lasern und entsprechenden Detektoren. Hierbei werden Laserstrahlen durch den Feuerraum auf Photodetektoren geleitet. Die Spektralanalyse, der aus dem Feuerraum wieder austretenden Laserstrahlen liefert aufgrund der Absorption bestimmter Wellenlängen eine Information über die Verbrennung selbst. Werden die Laserstrahlen gitterförmig auf mehreren Wegen durch den Feuerraum geschickt, kann die Messinformation räumlich aufgelöst werden.
Entscheidend bei der Auswahl der Messtechnik ist, dass sie zur Bestimmung von wesentlichen Eigenschaften der Verbrennung mit räumlicher Auflösung geeignet ist. Messungen werden dabei beispielsweise auf einem Querschnitt des Feuerraums nahe des Verbrennungsvorgangs durchgeführt. Die ermittelten Messwerte charakterisieren die Verbrennung anhand von Eigenschaften wie beispielsweise lokale Konzentrationen (CO, 02, C02, H20,...) und Temperatur.
In allen Fällen erhält man eine Vielzahl unterschiedlichster Messwerte in Abhängigkeit von räumlichen Koordinaten. Am Eingang des erfindungsgemäßen Regelungssystems liegen somit nicht einzelne Messwerte, sondern ganze Messwertverteilungen ähnlich einem zwei- oder dreidimensionalen Muster, an.
Im Rahmen einer Variablentransformation VT werden diese in der Figur durch M Messwerte MW gekennzeichneten Daten in einem ersten Schritt in regelungstechnisch verwertbare Zu- standsgrößen umgewandelt. Die räumliche Information über den Brennraum wird hierbei auf einzelne Kennzahlen abgebildet und somit verdichtet. Für die Ableitung der verschiedenen Zustandsgrößen aus der räumlichen Messinformation werden typischerweise folgende Punkte ausgewertet:
a) Gewichtete Mittelwerte mit Betonung bzw. Unterdrückung von Teilen des messtechnisch erfassten Raumes, b) der Mittelwert der Messgröße über den messtechnisch erfassten Raum. c) Räumliche Lage des Schwerpunkts der Messwerte, d) Statistische Kennzahlen für räumliche Verteilungsmuster.
Für die regelungstechnisch verwertbaren Zustandsgrößen kann ein Optimierungsziel als Sollwert definiert werden. Außerdem charakterisieren diese Zustandsgrößen in Verbindung mit her- kömmlichen, leittechnisch verfügbaren Mess- und Prozessinformationen den aktuellen Betriebszustand des Verbrennungs¬ prozesses .
Durch die beschriebene Variablentransformation VT wird dem- nach eine beliebige Anzahl von M Messwerten MW in eine wiederum beliebige Anzahl von N Regelgrößen RG umgewandelt, wobei M und N natürliche Zahlen darstellen und N üblicherweise kleiner als M ist. Bei den Regelgrößen RG handelt es sich um Zustandsgrößen, die anschließend als Istwerte für einzelne Regler verwendet werden.
Die N Regelgrößen werden N Reglern R zugeführt. Dies ist in der Figur anhand des Regelbausteins, der einen Subtrahierer und weitere regelungstechnische Bausteine wie beispielsweise einen PI-Regler enthält, dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen herkömmlichen Regelbaustein, der ggfs. in der zu regelnden technischen Anlage bereits vorhanden ist. Es kann sich auch um einen Mehrgrößenregelbaustein handeln, je nach Ausführungsvariante. Der hier betrachtete Regelbaustein weist ferner einen Eingang ESW für den Sollwert der abgeleiteten Zustandsgröße auf. Dieser wird entweder manuell vorgegeben, ist konstant oder lastabhängig vorgegeben und soll das gewünschte Betriebsverhalten charakterisieren. Weiterhin exis- tiert neben dem Eingang ERG für die Regelgröße RG ein weiterer Eingang EPG für weitere beliebige Prozessmessgrößen PG, die außerhalb des räumlich auflösenden Messsystems erfasst werden. Innerhalb des Reglers wird die Regeldifferenz zwi- sehen dem Soll- und Istwert gebildet, die Regeldifferenz durch die weiteren Prozessmessgrößen variiert, z.B. zur Anpassung der Reglerverstärkung in Abhängigkeit der aktuellen Lastsituation, und dem vorhandenen Regler (hier PI-Regler) zugeführt, der die notwendigen Stellgrößenänderungen ermit- telt. Dieses Signal liegt am Ausgang ARA des Reglers an.
Sind nun N Regler vorhanden, so existieren an dieser Stelle N Werte für die Regelausgänge RA (vgl. Figur) . Es gilt nun, in einer Rücktransformation RT diese als Regelausgänge bezeich- neten Signale RA der Anzahl N derart umzuwandeln, dass eine bestimmte Anzahl von K Stellgliedern jeweils das Stellsignal erhält, das zur Erreichung des Regelziels notwendig ist. Mit anderen Worten müssen aus den Regelausgängen RA der N Regler R nun Regeleingriffe für verschiedene Stellglieder abgeleitet werden, mit denen der Verbrennungsprozess günstig beeinflusst werden kann. Hierbei kann ein Regeleingriff auf mehrere Stellglieder in differenzierter Stärke erfolgen.
Stellglieder sind beispielsweise die Öffnungen von im Ver- brennungsraum angeordneten Luftklappen.
In der Berechnungseinheit RT findet die Aufteilung von N Regelausgängen auf K Stellglieder statt (N, K jeweils natürliche Zahlen) . Hierbei werden auch Prozessmessgrößen PG berücksichtigt, die außerhalb des räumlich auflösenden Mess- Systems erfasst werden. Bei der Rücktransformation der
Reglerausgänge auf die vorhandenen Stellgrößen ist es von besonderem Vorteil, dass die Aufteilung der Reglerausgänge auf die Stellglieder auf optimale Art und Weise durchgeführt wird, so dass z.B. eine Minimierung der Emissionswerte stattfinden kann und aber gleichzeitig ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Anlage erreicht wird. Dies wird in diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass der Berechnungseinheit RT auch Optimierungswerte OW aus dem Optimierer OPT zugeführt werden. Der Optimierer erhält Informationen aus unterschiedlichen Bereichen.
Neben Prozessmessgrößen, die außerhalb des räumlich auflösen- den Messsystems erfasst werden, kann der Optimierer ebenfalls Messergebnisse der im Verbrennungsraum angeordneten räumlich auflösenden Messeinrichtungen erhalten. Im Rahmen der Variablentransformation VT' wird eine Anzahl M' der räumlich aufgelösten Messwerte in eine beliebige Anzahl N' von Zustands- großen umgewandelt, welche dem Optimierer OPT zugeführt werden. Es kann sich dabei um die gleichen Messwerte handeln wie weiter oben beschrieben, alternativ können auch andere Messwerte verwendet werden. Optional kann der Optimierer OPT mit einem neuronalen Netz NN verbunden sein. In diesem Fall wird eine hybride Regelstruktur aus herkömmlichen Regelbausteinen sowie neuronalen Netzen erreicht. Das Neuronale Netz wird mit Prozessmessgrößen trainiert und dient als spezifisches Modell zur Vorhersage des Verhaltens der Feuerung. Ein iterativer Optimierungsalgorithmus bestimmt anhand der vom Neuronalen Netz vorhergesagten Feuerungsreaktion die optimale Verteilung der Regeleingriffe auf die Stellglieder sowie Korrekturwerte für die Stellglieder. Dadurch wird der Prozess entsprechend einer vorgegebenen Zielfunktion optimiert.
Bei den Optimierungswerten OW kann es sich beispielsweise auch um Trimmfaktoren handeln. Mittels der Trimmfaktoren werden die Ergebnisse der Rücktransformation RT unter Berücksichtigung des Optimierungsprozesses entsprechend des gewünschten Regelungsziels gewichtet, verschoben und an- gepasst .
Anhand der Ausgabewerte der Rücktransformation und gegebenenfalls unter weiterer Berücksichtigung der Ergebnisse aus dem Optimierungsprozess findet abschließend eine Gesamt- stellgrößenberechnung GSB für die vorhandenen K Stellglieder statt. Die unterschiedlichen Regeleingriffe auf verschiedene Stellglieder von verschiedenen identifizierten Sollwert- abweichungen überlagern sich additiv zu einem Gesamtregeleingriff für jedes Stellglied. Am Ende des Algorithmus werden K Stellgrößenänderungen ST an die einzelnen Stellglieder wie Luftklappen oder Brennstoffzufuhreinrichtungen weitergelei- tet .
Während des gesamten Regelungsverfahrens werden Geschwindigkeit und Größe der einzelnen Regeleingriffe an die gegebenen technischen Randbedingungen und Grenzen der technischen An- läge angepasst. Vom Prozess vorgegebene Grenzen werden nicht überschritten .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsprozesses, insbesondere in einem Feuerraum eines fossilbefeuerten Dampf- erzeugers, bei dem räumlich aufgelöste Messwerte (MW) in dem Feuerraum (FR) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet,
- dass die räumlich aufgelösten Messwerte (MW) in regelungstechnisch verwertbare Zustandsgrößen (RG) transformiert wer- den, die anschließend als Istwerte Regelkreisen (R) zugeführt werden,
- dass die in den Regelkreisen (R) ermittelten Stellgrößenänderungen (RA) in einer Rücktransformation (RT) unter Berücksichtigung eines Optimierungsziels auf Stellglieder verteilt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der verschiedenen Zustandsgrößen aus den räumlichen Messwerten (MW) Referenzgrößen ausgewertet werden aus der Gruppe folgender Referenzgrößen a) Gewichtete Mittelwerte mit Betonung bzw. Unterdrückung von Teilen des messtechnisch erfassten Raumes, und/oder b) der Mittelwert der Messgröße über den messtechnisch erfassten Raum, und/oder c) Räumliche Lage des Schwerpunkts der Messwerte, und/oder d) Statistische Kennzahlen für räumliche Verteilungsmuster.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zustandsgrößen ein Optimierungsziel als Sollwert (SW) definierbar ist, wobei die Zustandsgrößen in Verbindung mit herkömmlich verfügbaren Mess- und Prozessinformationen den aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsprozesses charakterisieren.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sollwerte (SW) für die abgeleiteten Zustandsgrößen zur Vorgabe des gewünschten Betriebsverhaltens definiert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Regeleingriffe für verschiedene Stellgrößen abgeleitet werden, mit denen der Verbrennungs- prozess gezielt beeinflusst wird, wobei insbesondere ein Regeleingriff auf mehrere Stellglieder in differenzierter Stärke einwirkt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sollwertabweichungen zur Iden- tifikation von Abweichungen für regelungstechnische Korrektureingriffe in den Prozess berechnet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Regeleingriffe auf verschiedene Stellglieder von verschiedenen identifizierten Sollwertabweichungen additiv zu einem Gesamtregeleingriff für jedes Stellglied überlagert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zur Erreichung des Optimierungsziels ein Neuronales Netz mit Prozessmessgrößen trainiert wird und als spezifisches Modell zur Vorhersage des Verhaltens der Feuerung verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem mittels eines iterativen Optimierungsalgorithmus anhand der vom Neuronalen Netz vorhergesagten Feuerungsreaktion eine günstige Verteilung der Regeleingriffe auf die Stellglieder sowie Korrekturwerte für die Stellglieder be- stimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung auf einem Querschnitt des Feuerraums nahe der Verbrennungszone durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als charakteristische Eigenschaften der Verbrennung die lokalen Konzentrationen von CO, O2, CO2, H2O und der Temperatur oder Untergruppen dieser oder vergleichbarer Messgrößen bestimmt werden.
12. Verbrennungssystem mit einem Feuerraum, insbesondere für einen fossilbefeuerten Dampferzeuger, umfassend ein Regelungssystem mit einer Verbrennungsdiagnoseeinheit, wobei die Verbrennungsdiagnoseeinheit mit einem räumlich auflösenden
Messsystem im Feuerraum ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
13. Fossilbefeuerte Kraftwerksanlage mit einem Verbrennungssystem nach Anspruch 12.
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