JP2014525024A - 石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための装置及び方法 - Google Patents

石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
従来技術における欠点を解消する、石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼において空燃比の制御のための装置及び方法を提供すること。
【解決手段】
石炭のバーナへの空圧的な搬送のための手段と、燃焼空気の供給のための手段とを備え、外気ブロワ、粉砕機ブロワ、空気予熱器、空気量制御装置、空気量制御装置、計測装置12並びに配量供給装置が配置されており、2つのセンサ11における静電誘導によって生じた信号を評価する相関計測装置12が設けられている、石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための装置において、センサ11の前方に、1×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパン<l<10×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパンのセンサ11の範囲の間隔lをもって、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する電極輪郭を有する電極が空気を案内する通路の流れ断面に配置されている。

Description

本発明は、石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための装置であって、粉砕された石炭の前記石炭発電設備燃焼装置のバーナへの空圧的な搬送のための手段と、前記石炭発電設備燃焼装置の前記バーナあるいは燃焼室への燃焼空気の供給のための手段とを備え、空気の流れ方向において、少なくとも以下の装置、周囲から外気を吸入するための外気ブロワ、吸入された外気の一部を粉砕された石炭との混合のための搬送空気として搬送する粉砕機ブロワ、吸入された外気及び搬送空気の一部を石炭発電設備燃焼装置の排ガス熱を利用して予熱するための空気予熱器、前記燃焼室へ導入される燃焼空気量の制御のための空気量制御装置、粉砕された石炭の空圧的な搬送のために使用される搬送空気量の制御のための空気量制御装置、前記燃焼室へ導入された燃焼空気量及び前記粉砕された石炭の空圧的な搬送のために使用される搬送空気量の計測のための計測装置並びに前記粉砕された石炭についてのあらかじめ選択された量の前記バーナへの配量された供給のための装置が配置されている前記装置に関するものである。
さらに、本発明は、少なくとも上述の特徴を有する石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための方法に関するものでもある。
石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時における空燃比の制御は、本質的に、供給された燃料の完全な燃焼の達成あるいはあらかじめ設定された燃料プロセスの化学量論の維持、したがって、高いエネルギー効率の達成及びより低いエミッション値の維持のために特別な意味をもつ。したがって、石炭発電設備における燃焼装置は、要求される負荷に応じた、あらかじめ選択された燃料量のバーナへの配量された供給のために適した装置のほかに、複数の制御装置を備えている。これら制御装置により、バーナあるいは燃焼室へ供給される空気量が供給される燃料量に依存して制御される。加えて、燃焼室へ導入された空気量、しかも燃焼空気量及び搬送空気量をできる限り正確に計測技術的に検出することが可能な計測装置も必要である。両者は、負荷に応じて燃焼プロセスを最適に制御するために必要なものであり、燃料量及びこれに伴う搬送空気は、必要な負荷に応じてあらかじめ選択されるとともに、あらかじめ設定された燃焼の化学量論の達成のために制御される。
各現場においては、各バーナ又はバーナのグループにあらかじめ選択された量の粉砕された石炭が供給され、このあらかじめ設定された量の粉砕された石炭に応じて、バーナ又はバーナのグループに供給された空気量があらかじめ設定された燃焼の化学量論の達成のために制御される石炭発電設備制御装置においても、また、ボイラーの全てのバーナに供給された粉砕された石炭の総量のみがあらかじめ選択され、これに応じてこのボイラーの全てのバーナあるいはボイラーに供給された全体の空気量が制御される燃焼装置においても直面することがある。
いずれの場合でも、燃焼空気量の適当な制御を実現し、燃焼プロセスを制御するために、ボイラーに供給された空気量を、個々のバーナ若しくはバーナのグループに関して、又はボイラーの全てのバーナあるいはボイラーに関して、全体的に計測技術的に検出することが必要である。
さらに、粉砕された石炭のバーナへの空圧的な搬送を伴う発電設備制御装置においては、空圧的な石炭の搬送のための搬送空気量が制御される。この制御も、搬送空気量の計測技術的な検出を必要とするものである。
主に、石炭発電設備燃焼装置では、空気量計測が圧力計測プローブの利用の下で差圧計測により行われる。これに加えて、燃焼空気を案内するパイプシステムあるいは通路システムへ及び搬送空気を案内するパイプシステムあるいは通路システムにそれぞれ圧力計測プローブが組み込まれている。計測された圧力に基づき、通路における流速が特定され、通路の形状を含めてそれぞれの流量が算出される。好ましくは、圧力計測プローブは、通路断面に直接配置されずに、いわゆるインパルス通路を介して空気を案内する通路に接続されている。
発電設備制御装置のエネルギー効率を向上させるために、外気を予熱することが通常行われている。これについて、しばしば再生空気予熱器が使用される。再生空気予熱器においては、多くは平滑な、又は波状の薄板である貯蔵物が交互にまずは高温の排気によって加熱され、つづいて外気によって冷却される。この結果、排ガスから外気への伝熱がなされる。これについて、浮遊灰粒子の外気への混合が関連している。発電設備燃焼装置の運転時には、これにより、規則的に圧力計測プローブあるはインパルス通路の汚染にいたってしまう。継続的な洗浄作業及びメンテナンス作業が結末である。問題なのは、圧力計測プローブの汚染の度合いが計測された差圧に基づき一義的に特定され得ず、したがって、進行する動作において計測結果が著しいエラーの危険性をはらんでいることである。高いコストによってのみ確認することが可能な空気量計測のドリフトが結末である。最後には、このドリフトが空燃比の不正確な制御を引き起こし、低下した効率及び高められた有害物質のエミッションにつながる。
従来技術においては、粒子を含む流体上の媒体の流れ方向において連続した配置されたセンサにおいて摩擦電気式の効果を評価する計測装置が知られている。このような計測装置によれば、粒子を含む流体上の媒体の流速の特定及び流体上の媒体の含有を特定することが可能である。例えば、特許文献1には、気体又は粉体から成る体積流れの速度と、体積流れにおける気体及び粉体と流れる粉体スラリーにおける乱流強度との関係とが体積流れ中に配置された2つの開度要素における摩擦電気的な効果の評価によって特製され得る計測システムが記載されている。このような計測システムによれば、空圧で気に搬送される粉体状の固体の量を粉体を含む気体流において特定することが可能である。この計測システムは、例えばプロセスに供給される粉体状の固体量の制御に用いられることができる。
特許文献2にはパイプ管路においてバーナへ空圧的に搬送される石炭粉末量の特定のための方法が開示されており、これにおいても、石炭粉体粒子の摩擦電気的な効果が、流れ方向において連続した配置されたセンサにおいて、空圧的に搬送される石炭粉体量の特定のために評価されるようになっている。
粒子を含む媒体の流れ方向において連続して配置された複数のセンサにおける摩擦電気的な効果の評価における上述の計測システムと、粒子を含んだ流体状の媒体の流速及び含有量の特定のための方法とは、基本的に、流れる媒体において搬送される粒子状の固体の量を特定するのに適している。これらは、更に高い信頼性及び正確さをもって使用される。しかしながら、これらは、配管システムにおいて搬送される粒子を含まない気体の体積流量の特定においては機能しない。
したがって、特許文献3には、外気の予熱のための再生空気予熱器を備えた石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼における空燃比の制御のための方法が提案されている。この方法においては、燃焼空気量計測及び搬送空気量計測が空気の流れ方向において空気流中に配置された複数のセンサにおける相関法に基づく摩擦電気的な効果の評価によって行われ、センサ前方の空気流には、空気1mにつき0.1〜10mgの細粒の粒子が混合されている。好ましくは、細粒の粒子の空気流への混合は、石炭発電設備燃焼装置の始動段階中にのみ、すなわち粉砕された石炭が燃焼しない段階にのみ行われ、そのため、再生空気予熱器を介して浮遊灰粒子が外気に混入されない。石炭発電設備燃焼装置の運転時間全体における細粒の粒子の継続的な混合についてのコストは多大過ぎる。したがって、特許文献3に提案された解決手段も、外気の予熱のための再生空気予熱器を備えた石炭発電設備燃焼装置においてのみ合目的である。
さらに、空気の粒子の含有量及び/又は空気流の流速が限界値を下回る場合には、相関法による、空気の流れ方向における空気流中に配置されたセンサにおける、空気流において案内される摩擦電気的に帯電した粒子の摩擦電気的な効果の評価に基づく石炭発電設備燃焼装置における燃焼空気量計測及び搬送空気量計測はもはや十分な計測精度で使用可能でないことが分かった。上述の限界値は、粒子含有量においては約0.1mgの浮遊灰粒子/空気1m、流速においては10m/sであり、両値は、実現すべき高い計測精度に関して、空気の流速が10m/sよりもはるかに大きい場合に空気の粒子含有量が上記0.1mgの浮遊灰粒子/空気1mよりも小さいことが可能であるか、逆に、空気の粒子含有量が0.1mgの浮遊灰粒子/空気1mよりも大きい場合に空気の流速が10m/sを下回ることが可能なように互いに依存している。
独国特許出願公開第69634249号明細書 米国特許第4512200号明細書 独国特許出願公開第102008030650号明細書
本発明の目的は、上述の欠点を解消する、石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼において空燃比の制御のための装置及び方法である。特に、石炭発電設備燃焼装置における燃焼空気量計測及び搬送空気量計測は、これらが石炭発電設備燃焼装置において、あるいは空気の粒子の含有がないか、若しくは極端に少なく生じ、及び/又は空気の流速が小さい石炭発電設備燃焼装置の運転態様において使用可能なように、石炭発電設備燃焼装置において、空気の流れ方向において空気流中に連続した配置されたセンサによって相関法に基づき得られた信号の評価により更に改善されるべきである。
本発明により、この目的は、請求項1に基づく装置及び請求項9に基づく方法により達成される。請求項1に関する請求項2〜8には、本発明による装置の好ましい形態が記載されており、請求項9に関する請求項9〜16には、本発明による方法の好ましい形態が記載されている。
石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための装置は、粉砕された石炭の前記石炭発電設備燃焼装置のバーナへの空圧的な搬送のための手段と、前記石炭発電設備燃焼装置の前記バーナあるいは燃焼室への燃焼空気の供給のための手段とを備え、空気の流れ方向において、少なくとも以下の装置、周囲から外気を吸入するための外気ブロワ、吸入された外気の一部を粉砕された石炭との混合のための搬送空気として搬送する粉砕機ブロワ、吸入された外気及び搬送空気の一部を石炭発電設備燃焼装置の排ガス熱を利用して予熱するための空気予熱器、前記燃焼室へ導入される燃焼空気量の制御のための空気量制御装置、粉砕された石炭の空圧的な搬送のために使用される搬送空気量の制御のための空気量制御装置、前記燃焼室へ導入された燃焼空気量及び前記粉砕された石炭の空圧的な搬送のために使用される搬送空気量の計測のための計測装置並びに前記粉砕された石炭についてのあらかじめ選択された量の前記バーナへの配量された供給のための装置が配置されており、空気量計測のために、空気の流れ方向において続けて配置された空気流中における2つのセンサにおける静電誘導によって生じた信号を評価する相関計測装置が設けられているものにおいて、空気の流れ方向における前記相関計測装置の前記センサの前方に、1×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパン<l<10×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパンの前記センサの範囲の間隔l、好ましくは3×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパン<l<5×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパンの前記センサの範囲における間隔lをもって、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する電極輪郭を有する電極が空気を案内する通路の流れ断面に配置されており、前記間隔lが、前記電極と連続した配置された前記両センサのうち空気の流れ方向における第1のセンサとの間の間隔であること、前記電極に対して電気的に作用するカウンタ電極が少なくとも部分的に空気の流れ方向において前記センサの前方に配置されていること、及び前記電極及び前記カウンタ電極が12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの電圧Uを有する高電圧電源の異なる極に接続されていることを特徴としている。
このとき、ボイラーに供給された燃焼空気の量の計測及び粉砕された石炭の空圧的な搬送に必要な搬送空気の量の計測は、空気を案内する通路の流れ断面において流れ方向に連続して位置決めされた複数のセンサにおいて静電誘導によって生じる信号を評価する相関計測装置によって行われる。加えて、燃焼空気を案内する通路システム及び搬送空気を案内する通路システムにおいて、複数の適当なセンサが配置されており、これらセンサは、相関計測装置に電気的に接続されている。
好ましくは、空気を案内する前記通路の流れ断面において間隔lでセンサの前夫に配置されつつ高電圧電源に電気的に接続された前記電極が、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する輪郭を備えた1つ又は複数の尖端部又はカット部を備えるか、又は0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する導線として形成されることが可能である。特に好ましくは、空気を案内する前記通路の流れ断面に配置された前記電極が、前記流れ断面へ突出するバーとして形成されているとともに、前記電極における前記流れ断面に突出する端部が、前記流れ断面のほぼ中央まで突出するとともに、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する尖端部又はカット部を備えている。
空気を案内する通路の内壁が導電性に形成されていれば、この内壁は、本発明の好ましい形成において、空気を案内する通路の流れ断面に配置された電極に対するカウンタ電極として電気的に接続され得る。
本発明の他の形成においては、カウンタ電極が導電性のバー又は導線として形成されており、このバー又は導線は、通路断面の少なくとも半分まで横切っているとともに、空気の流れ方向における電極の後方かつセンサの前方に、すなわち空気の流れ方向における電極とセンサの間に配置されている。当然、空気の流れ方向における電極とセンサの間に複数のバー又は導線を配置し、カウンタ電極として電気的に接続されていてもよい。
しかしながら、通路断面を完全に横切るバー又は導線が空気の流れ方向における電極とセンサの間に配置され、カウンタ電極として電気的に接続されているのが好ましい。
電極は、好ましくは空気を案内する通路の内壁に対して絶縁されて配置されている。この電極は、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する輪郭を備えた1つ又は複数の尖端部又はカット部を備えるか、又は0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する導線として形成され得る。この電極は、好ましくは陰極として電気的に接続されている。カウンタ電極は、好ましくはアース電位に電気的に接続されている。通路の内壁が導電的に形成されているとともにカウンタ電極として機能する場合には、後者が特に合目的である。
センサと絶縁された空気分子の間の直接的な荷電交換による障害を防止するために、センサは、通路を案内される空気に対して電気的に絶縁されて形成されることができる。
空気の流れ方向における、空気を案内する通路の流れ断面に配置されつつ12kV≦U≦20kVの電圧Uを有する高電圧電源に接続された前記電極の後方に、空気流中において空気の流れ方向へ連続して配置された2つのセンサで静電誘導によって生成される複数の信号を評価する相関計測装置を設けることができる。12kV≦U20kV、好ましくは15kV≦U17kVの電圧を有する高電圧電源に接続された電極が流れ方向において分岐部の手前で空気を案内する通路の流れ断面に配置されている場合には、複数の前記相関計測装置は、空気を案内する通路システムの異なる分岐路に配置されることが可能である。重要なことは、空気の流れに沿って計測された、センサの前記電極に対する間隔lが、センサの範囲において、<10×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパンであることである。
本発明による方法は、空気量計測、しかも燃焼空気量計測と、搬送空気量計測とに基づくものであり、相関計測法により、空気の流れ方向において空気を案内する前記通路の流れ断面において連続して配置された複数のセンサにおいて静電誘導により生成される信号の評価に基づいてなされる。この方法は、空気の流れ方向における前記センサの前方において、空気流の一部が、12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの電圧Uを導電する、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する電極輪郭を備えた電極の作用にさらされるとともに、これによりイオン化され、前記センサが、電圧Uによって誘起される、前記電極とカウンタ電極の間を流れるイオン流の直接的でない作用にさらされることを特徴としている。
好ましくは、前記電極がの負の電圧Uを導電する、すなわち陰極に接続されている。
電場
Figure 2014525024
のイオン流として電極からカウンタ電極へ流れるオン化された空気分子は、空気流の他の分子との相互作用にさらされ、これにより、空気流の分子が、センサにおける空気流の通過時に電気的に影響を受けた空気流の分子からセンサにおける静電誘導によって、相関計測装置によって確実に評価され得る電気的な信号が生成されるよう、空気流の分子が電気的に影響を受ける。
このとき、センサが電極とカウンタ電極の間のイオン流の直接的な作用にさらされないことが特に重要である。これらセンサは、電極に対して、電極とカウンタ電極の間で形成される電場
Figure 2014525024
の作用がまだささいなもの、すなわち電場の強さが<0.3V/mである距離に位置決めされている。
空気流は、電極において、一定の負の電圧Uの作用にさらされ得るか、又は最大値が12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの時間的に変化する電圧Uにさらされ得る。
特に合目的には、12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの間の最大値及び約1msのインパルス継続時間を有する、パルス化された電圧Uである。
変化する電圧U、特にパルス化された電圧Uの場合には、相関計測が、センサにおける静電誘導によって生成された電気的な信号の推計学上の分類の解析に基づき実行され得るのみならず、そのほか、電圧Uの変化の時間関数及びこれに伴う空気流の分子についてのこの電圧Uの作用の時間変化も、空気の流速の特定及びこれに伴う空気量計測のために評価されることができる。
方法の特に好ましい形態においては、周期的に繰り返されるインパルスセットの空気流が、2kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの最大値を有する電圧Uのnの数量のインパルス及び約1msのインパルス継続時間にさらされ、このとき、2≦n≦10であり、数量nのインパルスのインパルスセットが0.2〜3.0s、好ましくは1.0〜1.5sの間の周期継続時間で繰り返される。
電極とカウンタ電極の間のパルス化された電圧を伴う方法の特に合目的な形態は、空気の流れ方向において空気を案内する前記通路の流れ断面に連続して配置された前記センサにおいて静電誘導により生成された信号の評価が、相関計測法により、前記電極が導電する電圧Uのインパルスに対して時間的にずらして実行されることにある。好ましくは、この時間的なずれは、5〜150ms、特に好ましくは8〜70msである。これにより、電圧インパルスによって生じる迅速に変化する電場によってセンサにおいて生成される信号(妨害信号)が、センサにおける空気流によって静電誘導により生成される信号の評価に導入されない。
本発明による方法によれば、2〜10m/sの比較的小さな空気の流速においても、非常に正確な空気量計測が可能である。
前記石炭発電設備燃焼装置が再生空気予熱器を備えているときには、粉砕された石炭の搬送空気への混合がなされず、したがって前記再生空気予熱器を介して浮遊灰粒子が外気へ混合されない場合、又は燃焼空気若しくは搬送空気の流速が比較的小さい場合にのみ、前記電極が電圧を導電する。この場合、粉砕された石炭による、高い空気の流速における石炭発電設備燃焼装置の燃焼中のセンサの範囲における空気量計測は、相関計測法に基づき、空気流に混合された浮遊灰粒子において生じる電気的な電荷キャリアにおける摩擦電気的な効果によって生じる信号の分類の評価により行われる。空気流中に浮遊灰粒子が存在しないか、若しくは非常にわずかに存在する場合、及び/又は空気の流速が10m/sより小さい場合にのみ、上記の電極が上述のような電圧Uを導電する必要がある。
上述のような場合には、電極が上述のように電圧Uを時々導電することにより得られる空気計測の結果を、相関計測法に基づく空気流に混合された浮遊灰粒子において生じる電気的な電荷キャリアにおける摩擦電気的な効果によって生じる信号の分類の評価により実行された空気量計測のチェックのために使用するために、電極が上述のように電圧Uを時々導電するのが合目的である。
本発明の特別な利点は、相関計測法に基づき直接空気流の流速が計測されることにもある。なぜなら、センサにおける信号の生成が静電誘導により空気流の分子によって直接生じる一方、従来技術の比較可能な方法における、空気流によって案内される粒子、すなわち浮遊灰粒子によって得られる信号の分類が相関計測法によって評価されるためである。必然的に、粒子の運動速度は粒子を案内する空気流の流速に対してすべりを備えており、このすべりは、計測結果の誤りを招くものである。上記すべりは、空気流の流速が小さくなり、かつ、粒子が大きくなるほど大きくなり得るものである。
本発明による装置及び本発明による方法によれば、石炭発電設備燃焼装置及びこれに伴う高い信頼性、正確性及び空気量計測の正確性の長期間の不変性を有する燃焼プロセスにおける障害のない、及びメンテナンス不要の空燃比の制御が可能である。
石炭発電設備燃焼装置の簡易化されたブロック図である。 高電圧電源に接続された電極及び燃焼空気を案内する通路における相関計測装置に接続されたセンサの配置を示す図である。 高電圧電源に接続された電極の電極尖端部の形成を示す図である。 電極に接続された高電圧の時間変化を示す図である。 電極に接続された高電圧の他の変化を示す図である。 高電圧電源に接続されつつバーとして形成された対応するカウンタ電極を有する電極と、相関計測装置に接続された、燃焼空気を案内する通路におけるセンサの他の配置を示す図である。 高電圧電源に接続された電極の電極尖端部の他の形成を示す図である。 高電圧電源に接続された電極及び燃焼空気を案内する通路の分岐部の後方における2つの相関計測装置の配置を示す図である。 発電設備燃焼装置における空気量計測の時間経過を示す図である。
以下に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に示された簡易化された石炭発電設備燃焼装置のブロック図は、最初に、空気の流れ方向sにおいて外気ブロワ2の前方にある外気の吸入を伴う外気バルブ1を示している。外気ブロワ2の後方では、搬送空気が吸入された外気から分岐されている。この搬送吸気は、粉砕機ブロワ3によって更に送られ、その一部が再生空気予熱器4へ送られる。この再生空気予熱器4では、石炭発電設備燃焼装置の通常運転時に搬送空気の一部が加熱される。搬送空気の他の部分は、低温で更に案内される。搬送空気の両部分は、高温空気バルブ5及び低温空気バルブ6を介して配量され、搬送空気−石炭−混合物の温度が細かく粉砕された石炭の供給後にあらかじめ選択された限界値内にあるような量割合で合流する。搬送空気の温度は、石炭粉砕機7の後方に配置された温度計測装置8で検出される。石炭粉砕機7の前方には、搬送空気を案内する通路の流れ断面において、高電圧電源9に接続された電極10と、搬送空気の流れ方向sにおいて後続して、搬送空気量計測装置12に接続された2つのセンサ11とが配置されている。これらセンサ11は、搬送空気の流れ方向sにおいて搬送空気流へ突出する対のゲージとして構成されている。
搬送空気量計測装置12は相関計測装置として構成されており、この相関計測装置は、センサ11において通過して流れる帯電された粒子による静電誘導によって生じる信号を評価し、搬送空気の流れ速度を計測するものである。搬送空気を案内する、配置されたセンサ11の範囲における通路の断面と、搬送空気の温度と、配置されたセンサ11の範囲における搬送空気の静圧とに基づき、搬送空気量が特定される。センサ11は、搬送空気の流れ方向sにおいて、電極10に対してl≒4×内のりスパンの間隔lをもって配置されている。搬送空気を案内する通路の内壁13は、導電的に形成されているとともに、アース電位に接続されている。電極10及びセンサ11は、通路の内壁13に対して電気的に絶縁されて配置されている。石炭粉砕機7には、石炭発電設備燃焼装置によって要求される負荷に応じて、配量装置14を介して配量されて石炭が供給される。粉砕された石炭を有する搬送空気は、燃焼室15に配置されたバーナ16へ供給される。これは、石炭発電設備燃焼装置の構成に応じて、単一バーナに関連して、又はバーナ群で、あるいは燃焼室15のすべてのバーナに共通に行われ得る。再生空気予熱器4の後方の搬送空気の流れ方向sにおいては、搬送空気の静圧を検出するための圧力計測装置17が配置されている。そのほか、搬送空気流内には複数の安全バルブ18が配置されており、これら安全バルブは、石炭発電設備燃焼装置の始動段階、すなわち粉砕された石炭がバーナ16へ供給されない場合には、閉鎖されている。
吸入された外気の主要部分は、外気ブロワ2の後方で燃焼空気として再生空気予熱器4へ供給される。加熱された燃焼空気の静圧は、静圧計測装置19によって検出される。圧力計測装置17及び静圧計測装置19によって、外気ブロワ2の制御が行われる。加熱された燃焼空気は、一部がバーナ16へ直接供給され、他の部分が燃焼室へ案内される。燃焼空気の両部分は、燃焼空気量計測装置20,21によって検出される。加えて、燃焼空気を案内する各通路には複数のセンサ11が配置されており、これらセンサ11は、それぞれ燃焼空気量計測装置20,21に接続されている。燃焼空気量計測装置20,21のセンサ11の前方には、燃焼空気を案内する通路の流れ断面において、それぞれ1つの高電圧電源9に接続された電極10が配置されている。これらセンサ11は、電極10に対して、搬送空気量計測と同様に、燃焼空気の流れ方向sにおいて、l=20×センサ11の範囲における通路の流れ断面の内のりスパンの間隔lをもって配置されている。
燃焼空気量計測装置20,21は搬送空気量計測装置12と同様に相関計測装置として構成されており、この相関計測装置は、センサ11において通過して流れる帯電された粒子による静電誘導によって生じる信号を評価し、搬送空気の流れ速度を計測するものである。燃焼空気を案内する通路の断面と、燃焼空気の温度と、配置されたセンサ11の範囲における燃焼空気の静圧とを含めて、燃焼空気量が検出される。
発電設備制御装置によって要求される負荷に応じてあらかじめ設定された、バーナ16へ供給される粉砕された石炭についての量における、あらかじめ設定された燃焼の化学量論に対して必要な空燃比達成のための、バーナ16及び燃焼室15へ供給される燃焼空気量の制御は、燃焼空気制御バルブ22,23によって行われる。
石炭発電設備燃焼装置の大きさあるいは出力に応じて、存在する全てのアセンブリ及び装置が複式に設けられ、並行して動作することが可能である。簡易化されたブロック図の見やすさのために、アセンブリ及び装置は、それぞれ簡易的にのみ示されている。石炭発電設備燃焼装置の原理的な機能は、本発明に関連する限り、言及されない。
図2には、高電圧電源9に接続された電極10と、相関計測装置12に接続された2つのセンサ11を燃焼空気の流れ断面において案内する通路の配置が示されている。搬送空気量計測のために、電極10及びセンサ11の配置は、搬送空気を案内する通路の流れ断面において同様に行われる。
電極10は、電極10に対して電気的にカウンタ電極として機能しつつ導電性かつアース電位に接続された、燃焼空気を案内する通路の内壁13に対して電気的に絶縁されて配置されている。この電極は、流れ断面のほぼ中心まで通路に突出しつつ約12mmのロッド直径を有する金属のロッドとして形成されている。流れ断面のほぼ中心に配置された電極10の端部には、図3に示されているように、平均半径r=0.4mmを有する金属の尖端部24が配置されている。この尖端部は、1mmの厚さの鋼板で製作されているとともに、前記ロッドに加工されたスリットにはめ込まれて、このロッドと導電的に接続されている。この電極は、高電圧電源9に電気的に接続されている。この電極は、カウンタ電極として機能する通路の内壁13に対して陰極として接続されている。電極10のこの配置及び形成並びにカウンタ電極として機能する通路の内壁13においては、両電極間における電場
Figure 2014525024
が図示の形成を有している。
燃焼空気の流れ方向sにおいて、2つのセンサ11が電極10の位置に対してl=4×内のりスパンの間隔lで流れ方向に続けて配置されている。これらセンサ11は、流れ断面において、この流れ断面のほぼ中心まで突出したゲージとして構成されている。このとき、間隔lは、電極と、空気の流れ方向sにおいて、続けて配置された両センサ11の内の第1のセンサ11との間の間隔についてのものである。両センサ11は、空気の流れ方向において、互いに約350mmの間隔をもって配置されている。両センサ11の空気の流れ方向sにおける間隔は、200〜1000mmであり得る。
留意すべきは、センサ11が、電極10に対する、電極10とカウンタ電極として機能する通路の内壁13の間に形成された電場
Figure 2014525024
がまだ取るに足りないもの、すなわち電場の強さが<0.3V/mである間隔において位置決めされていることである。
センサ11も、同様に、アース電位に接続されつつ、燃焼空気を案内する通路の、カウンタ電極として機能する内壁13に対して電気的に絶縁されて配置されている。これらセンサ11は、相関計測装置12に電気的に接続されている。
図4及び図5には、高電圧電源9から提供される電圧Uの生じ得る時間経過が例示的に示されている。これは、図4においては、約−16kVの直流電圧、約−16kVの最大値を有する可変電圧、あるいは約300msの時間間隔において約1msのインパルス継続時間の電圧インパルスを有するパルス化された電圧であり、図5においては、約1msの継続時間及び1.0sの電圧インパルスのセットの継続時間並びに約−16kVの最大値を有する電圧Uの5つのインパルスの周期的に繰り返されるセットである。このとき、セット内の5つのインパルスの間隔は、一定ではなく、まずは、1番目と2番目の電圧インパルスの間で0.1s、2番目と3番目の電圧インパルスの間で0.15s、3番目と4番目の電圧インパルスの間で0.2s、最後に4番目と5番目の電圧インパルスの間で0.25sに上昇する。
このように周期的に繰り返された電圧インパルスのセットにより特に良好な計測結果が得られることが分かった。
図6には、電極10、この電極10に電気的に対応する棒状に形成されたカウンタ電極25及び相関計測装置12に接続された2つのセンサ11が燃焼空気を案内する通路の流れ断面において示されている。カウンタ電極25は、燃焼空気を案内する通路の流れ断面を完全に横切るように形成及び配置されている。このカウンタ電極は、燃焼空気の流れ方向sにおいて、電極10とセンサ11の間、より正確には電極10と燃焼空気の流れ方向sにおける両センサのうち第1のセンサ11の間に位置決めされているとともに、燃焼空気を案内する通路の内壁13に対して電気的に絶縁されて配置されている。電極10及びカウンタ電極25は、高電圧電源9の両極に電気的に接続されている。電圧あるいは電圧インパルスの接続時には、図6に示すように、電極10とカウンタ電極25の間に電場
Figure 2014525024
が形成される。センサ11は、電極10とカウンタ電極25の間に形成される電場
Figure 2014525024
の作用が取るに足りないものである、すなわち電場の強さが<0.3V/mであるような間隔を電極10に対して有するよう位置決めされている。
図7には、流れ断面のほぼ中心に位置する電極10の端部の形成が示されている。電極10のこの端部には、カウンタ電極25の方向へ向いた複数の尖端部24が形成されている。
図8には、燃焼空気を案内する通路の分岐後における、高電圧電源9に接続された電極10と、それぞれ相関計測装置12.1,12.2に電気的に接続された、それぞれ2つのセンサ11で構成されたセンサグループの配置が示されている。図2あるいは図6に記載された電極10及びセンサ11の特徴が同様に当てはまるが、電極10の後方での燃焼空気の流れ方向sにおいて燃焼空気を案内する通路の分岐がなされている点と、各分岐通路においてそれぞれ1つの、相関計測装置12.1あるいは12.2に電気的に接続された、それぞれ2つのセンサのグループが配置されている点で異なっている。燃焼空気の流れ方向sにおいて、電極10のセンサ11に対する間隔lは、相関計測装置12.1に電気的に接続されたセンサ11においてl≒4×センサ11の範囲における通路断面の内のりスパンであり、相関計測装置12.2に電気的に接続されたセンサ11においてはl≒8×センサ11の範囲における通路断面の内のりスパンである。
図9には、石炭発電設備燃焼装置の始動段階中にバーナ16又はバーナ16のグループに供給される燃焼空気量の時間変化が示されている。
まず、燃焼室16の通過送風がなされる。燃焼空気制御バルブ22,23が完全に開弁される一方、搬送空気案内部における安全バルブ18は閉弁されている。燃焼空気のみが燃焼室15へ案内される。外気ブロワ2の制御は、静圧計測装置19によって計測された燃焼空気の圧力に依存して行われる。まず、燃料の残りを燃焼室15から除去するとともに突燃を防止するために、燃料室15における空気量の多重の(少なくとも3重の)交換が行われる程度の燃焼空気が燃焼室15へ吹き込まれる。燃焼室15における空気量の多重の交換の後、図1において不図示の、燃焼室15に配置されたオイルバーナ又はガスバーナのための点火準備が形成される。点火準備の開始に伴い、点火過程のために供給される燃料量(オイル又はガス)に依存して燃焼空気量の制御が行われる。高電圧電源9は、電極10へ負荷される高電圧インパルスのセットを生成し、電極10は、カウンタ電極として機能する、燃焼空気を案内する通路の内壁13に対して陰極的に接続されている。高電圧インパルスは、1msのインパルス幅と、U=−16kVの電圧Uの最大値を有している。燃焼空気量計測装置20,21により燃焼空気量が計測され、燃焼空気制御バルブ22,23を介して、バーナ16あるいは燃焼室15へ供給された燃焼空気量が制御される。石炭発電設備燃焼装置のオイル燃焼あるいはガス燃焼は、燃焼室16及び再生空気予熱器4の十分な予熱が達成されるまで継続される。オイル燃焼あるいはガス燃焼の時間中には、イオン化された空気分子の煙霧を燃焼空気流中に生成するために、電極10が高電圧インパルスによって負荷される。このイオン化された空気分子の煙霧は、電極10とカウンタ電極の間で形成される電場
Figure 2014525024
において、特にイオン流としてカウンタ電極へ案内される。このとき、上述のイオン化された空気分子と燃焼空気流の他の分子の間の相互作用が生じる。この相互作用により、燃焼空気流の分子が、当該信号によって相関計測法に基づく評価により燃焼空気の各流れ速度が検出され得る信号がセンサ11におけるその通過時に静電誘導により生成されるよう影響を受ける。そして、燃焼空気の流れ速度に基づき、燃焼空気を案内する通路の断面、燃焼空気の温度及び配置されたセンサの範囲における燃焼空気の静圧を含めて、各燃焼空気量が算出される。重要なことは、電場
Figure 2014525024
によって案内されるイオン流によってセンサ11において生成される信号が、相関計測法に基づき、同様にセンサ11において生じる、後述するようにセンサを通過する摩擦電気的な効果により帯電した粒子によって静電誘導の結果生成される信号の評価のために評価可能でないため、センサ11が、電極10とカウンタ電極13,25の間のイオン流の直接的な作用にさらされないことである。
燃焼室15の十分な予熱の達成に伴い、粉砕された石炭の燃焼室15への取入れが開始される。加えて、粉砕機ブロワ3と、安全バルブ18の開弁とによって搬送空気の流通が開始され、石炭粉砕機7が、配量しつつ石炭を送り込む。搬送空気は、粉砕された石炭を含んでいる。この粉砕された石炭は、まだ動作中のオイルバーナあるいはガスバーナにおいて発火する。
燃焼室15への石炭の取入れ及び石炭燃焼の開始に伴い、高電圧インパルスによる電極10の負荷が終了され得る。なぜなら、摩擦電気的な効果によって帯電され、センサ11における通過時に静電誘導により、相関計測法によって評価可能な信号を生成する灰粒子についての十分な量が再生空気予熱器4を介して燃焼空気及び搬送空気へ混合されるためである。これにもかかわらず、装置の計測精度のチェックのために、センサ11において通過する摩擦電気的な効果によって帯電した灰粒子及びイオン化された空気分子に基づいて静電誘導によって生じる信号に基づき計測を行うために、約30分の間隔において、必要な場合にはより短い間隔で電極を高電圧インパルスによって負荷することができる。これにより、燃焼空気あるいは搬送空気の流れ速度の著しく正確な計測が可能となり、これに基づき、著しく正確な燃焼空気量及び搬送空気量の計測が得られ、これにより、最終的には、石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼において、著しく精緻な空燃比の制御を行うことが可能である。
しかしながら、燃焼空気又は搬送空気の流れ速度が10m/sの値を下回ると、電極10に適当な高電圧インパルスが負荷される必要がある。なぜなら、相関計測法に基づく燃焼空気量あるいは搬送空気量の計測の計測精度が、摩擦電気的な効果によってのみ帯電した粒子によってセンサ11において生成される信号の評価によって著しく低下するためである。
1 外気バルブ
2 外気ブロワ
3 粉砕機ブロワ
4 再生空気予熱器
5 高温空気バルブ
6 低温空気バルブ
7 石炭粉砕機
8 温度計測装置
9 高電圧電源
10 電極
11 センサ
12 相関計測装置
12.1 相関計測装置
12.2 相関計測装置
13 通路の内壁
14 配量装置
15 燃焼室
16 バーナ
17 搬送空気の静圧の計測のための圧力計測装置
18 搬送空気流における安全バルブ
19 燃焼空気の静圧の計測のための圧力計測装置
20 燃焼空気量計測装置
21 燃料空気量計測装置
22 燃焼空気制御バルブ
23 燃焼空気制御バルブ
24 電極10における尖端部
25 カウンタ電極
l 間隔
n 電圧Uのインパルスの数
尖端部の平均半径
s 流れ方向
U 電圧

Claims (16)

  1. 石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための装置であって、粉砕された石炭の前記石炭発電設備燃焼装置のバーナへの空圧的な搬送のための手段と、前記石炭発電設備燃焼装置の前記バーナ(16)あるいは燃焼室(15)への燃焼空気の供給のための手段とを備え、空気の流れ方向において、少なくとも以下の装置、周囲から外気を吸入するための外気ブロワ(2)、吸入された外気の一部を粉砕された石炭との混合のための搬送空気として搬送する粉砕機ブロワ(3)、吸入された外気及び搬送空気の一部を石炭発電設備燃焼装置の排ガス熱を利用して予熱するための空気予熱器(4)、前記燃焼室(15)へ導入される燃焼空気量の制御のための空気量制御装置、粉砕された石炭の空圧的な搬送のために使用される搬送空気量の制御のための空気量制御装置、前記燃焼室(15)へ導入された燃焼空気量及び前記粉砕された石炭の空圧的な搬送のために使用される搬送空気量の計測のための計測装置(12,20,21)並びに前記粉砕された石炭についてのあらかじめ選択された量の前記バーナ(16)への配量された供給のための装置(7,14)が配置されており、空気量計測(12,20,21)のために、空気の流れ方向(s)において続けて配置された空気流中における2つのセンサ(11)における静電誘導によって生じた信号を評価する相関計測装置(12)が設けられている、前記装置において、
    空気の流れ方向(s)における前記相関計測装置(12)の前記センサ(11)の前方に、1×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパン<l<10×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパンの前記センサ(11)の範囲の間隔l、好ましくは3×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパン<l<5×空気を案内する通路の流れ断面の内のりスパンの前記センサ(11)の範囲における間隔lをもって、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する電極輪郭を有する電極(10)が空気を案内する通路の流れ断面に配置されており、前記間隔lが、前記電極(10)と連続した配置された前記両センサ(11)のうち空気の流れ方向(s)における第1のセンサ(11)との間の間隔であること、前記電極(10)に対して電気的に作用するカウンタ電極(13,25)が少なくとも部分的に空気の流れ方向(s)において前記センサ(11)の前方に配置されていること、及び前記電極(10)及び前記カウンタ電極(13,25)が12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの電圧Uを有する高電圧電源(9)の異なる極に接続されていることを特徴とする装置。
  2. 空気を案内する前記通路の内壁(13)が導電性である場合に、該内壁(13)が空気を案内する前記通路の流れ断面において配置された前記電極(10)に対するカウンタ電極として接続されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 空気の流れ方向(s)において前記電極(10)の後方かつ前記センサ(11)の前方に、少なくとも1つの、通路断面を少なくとも半分まで横切る導電性のバー(25)又は導線が電気的に前記電極(10)に対するカウンタ電極として接続されていることを特徴とする請求項1記載の装置。
  4. 空気を案内する通路の流れ断面において配置された前記電極(10)が陰極として接続され、前記カウンタ電極(13,25)がアース電位に接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
  5. 空気を案内する前記通路の流れ断面において配置された前記電極(10)が、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する輪郭を備えた1つ又は複数の尖端部(24)又はカット部を備えるか、又は0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する導線として形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。
  6. 空気を案内する前記通路の流れ断面に配置された前記電極(10)が、前記流れ断面へ突出するバーとして形成されているとともに、空気を案内する前記通路の内壁(13)に対して絶縁して配置されており、前記電極(10)における前記流れ断面に突出する端部が、前記流れ断面のほぼ中央まで突出するとともに、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する尖端部(24)又はカット部を備えていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の装置。
  7. 空気の流れ方向(s)における、空気を案内する前記通路の流れ断面において配置された前記電極(10)の後方において、空気流中において空気の流れ方向(s)へ連続して配置された2つのセンサ(11)で静電誘導によって生成される複数の信号を評価する複数の相関計測装置(12.1,12.2)が設けられていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置。
  8. 空気の流れ方向(s)における、空気を案内する前記通路の流れ断面において配置された前記電極の後方、かつ、空気の流れ方向において前記電極の配置箇所に続く、空気を案内する前記通路の分岐部の後方に、空気流内で空気の流れ方向(s)において連続して配置された2つのセンサにおいて個々の分岐通路内で静電誘導により生成される信号を評価する複数の前記相関計測装置(12.1,12.2)が設けられていることを特徴とする請求項7記載の装置。
  9. 石炭発電設備燃焼装置における粉砕された石炭の燃焼時の空燃比の制御のための方法であって、請求項1〜7のいずれかに記載の、粉砕された石炭の前記石炭発電設備燃焼装置のバーナ(16)へ供給するための手段と、前記石炭発電設備燃焼装置の前記バーナ(16)あるいは燃焼室(15)への燃焼空気の供給するための手段とを備え、燃焼空気量計測及び搬送空気量計測が、相関計測法により、空気の流れ方向(s)において空気を案内する前記通路の流れ断面において連続して配置された複数のセンサ(11)において静電誘導により生成される信号の評価に基づいてなされる、前記方法において、
    空気の流れ方向(s)における前記センサ(11)の前方において、空気流の一部が、12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの電圧Uを導電する、0.1mm≦r≦1.2mmの平均半径rを有する電極輪郭を備えた電極(10)の作用にさらされるとともに、これによりイオン化され、前記センサ(11)が、電圧Uによって誘起される、前記電極(10)とカウンタ電極(13,25)の間を流れるイオン流の直接的でない作用にさらされることを特徴とする方法。
  10. 前記電極(10)が一定の負の電圧Uを導電することを特徴とする請求項9記載の方法。
  11. 前記電極(10)が、12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U17kVの間の最大値を有する、時間的に変化する電圧Uを導電することを特徴とする請求項9記載の方法。
  12. 前記電極(10)が、12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの間の最大値及び約1msのインパルス継続時間を有する、パルス化された電圧Uを導電することを特徴とする請求項9記載の方法。
  13. 前記電極(10)が、12kV≦U≦20kV、好ましくは15kV≦U≦17kVの最大値を有する電圧Uのnの数量のインパルスを周期的に導電し、このとき、2≦n≦10であるとともに約1msのインパルス継続時間であること、及び数量nのインパルスの周期継続時間が、0.2〜3.0s、好ましくは1.0〜1.5sの間にあることを特徴とする請求項12記載の方法。
  14. 空気の流れ方向(s)において空気を案内する前記通路の流れ断面に連続して配置された前記センサ(11)において静電誘導により生成された信号の評価が、相関計測法により、前記電極(10)が導電する電圧Uのインパルスに対して時間的にずらして行われることを特徴とする請求項12又は13記載の方法。
  15. 電圧Uのインパルスと前記センサ(11)における静電誘導により相関計測法に基づき生成された信号との間の時間的なずれが5〜150ms、好ましくは8〜70msであることを特徴とする請求項14記載の方法。
  16. 前記石炭発電設備燃焼装置が再生空気予熱器(4)を備えているときには、粉砕された石炭の搬送空気への混合がなされず、したがって前記再生空気予熱器(4)を介して浮遊灰粒子が外気へ混合されない場合、又は燃焼空気若しくは搬送空気の流速が10m/sの値を下回る場合、又は通常の発電設備の運転中における空燃比の制御の確認が行われるべき場合にのみ、前記電極(10)が電圧を導電することを特徴とする請求項9〜15のいずれか1項に記載の方法。
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