NL9400192A - Werkwijze en inrichting voor het besturen van een verbrandingsproces. - Google Patents

Description

WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET BESTUREN VAN EEN VERBRANDINGSPROCES

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het besturen van een verbrandingsproces, zoals dat bijvoorbeeld plaats heeft in een grote verbrandingsinstallatie, zoals een afvalverbrandingsinstallatie, een verwar-mingsinstallatie voor een groot bedrijf of een stad, een energiecentrale en dergelijke. Dergelijke werkwijzen zijn reeds bekend, en worden gebruikt om bepaalde aspecten van de verbranding te optimaliseren, bijvoorbeeld om het brandstofverbruik of de uitstoot van schadelijke gassen te minimaliseren of om de verbrandingstemperatuur zo goed mogelijk constant te houden.

De bekende besturingswijzen maken gebruik van het meten van een aantal grootheden die maatgevend zijn voor het verbrandingsproces. Te denken valt hierbij bijvoorbeeld aan de temperatuur in de vlam, de temperatuur en samenstelling van de verbrandingsgassen, en de massastroom daarvan. Aan de hand van deze gemeten grootheden kan dan, wanneer ook de massastroom en de druk van de voor het instandhouden van het verbrandingsproces benodigde stoffen, dus de brandstoffen en de zuurstof bekend is, de toevoer van deze stoffen aan de brander geregeld worden, teneinde de grootheden die het verbrandingsproces kenmerken zo dicht mogelijk hun gewenste waarden te doen benaderen. De bekende besturingswijze resulteert echter, door de indirecte wijze waarop de grootheden gemeten worden en door het beperkt aantal grootheden dat zo gemeten kan worden, in een relatief onnauwkeurige regeling. Derhalve dienen bij de bekende werkwijzen vaak nog aanvullende maatregelen genomen te worden om te bewerkstelligen dat bijvoorbeeld het brandstofverbruik een bepaalde waarde niet overschrijdt, of de uitstoot van voor mens en milieu schadelijke gassen niet onaanvaardbaar hoog wordt. Dit laatste wordt dan bijvoorbeeld bereikt door het aanbrengen van filters, die een overmaat aan schadelijke stoffen uit de verbrandingsgassen moeten verwijderen. Dit heeft echter het nadeel dat filters kostbaar zijn en bovendien het verbrandingsproces nadelig beïnvloeden, doordat zij de weerstand, welke de uitlaatgassen ondervinden, vergroten. Daarnaast dienen filters regelmatig gereinigd te worden, waardoor de verbrandingsinstallatie van tijd tot tijd buiten gebruik gesteld moet worden.

Teneinde tot een nauwkeuriger besturing van het verbrandingsproces te komen, wordt daarom reeds gebruik gemaakt van een stoker, die het verbrandingsproces bekijkt en aan de hand van zijn waarneming en op basis van zijn ervaring een handmatige fijnregeling van de toevoer van verbrandingstoffen uitvoert. Deze bekende wijze van fijnre-gelen heeft echter als nadeel dat hij de inzet van een extra werknemer vergt, en dus relatief kostbaar is. Daarnaast kan dergelijk visuele waarneming slechts gedurende korte tijd en met relatief grote tussenpozen plaatshebben, daar dit een relatief geestdodende bezigheid is, en het gevaar van verslapping van de concentratie en derhalve vermindering van de nauwkeurigheid van de regeling relatief groot is.

De uitvinding heeft derhalve tot doel te voorzien in een werkwijze van de hiervoor beschreven soort, waarbij de genoemde nadelen zich niet voordoen. Dit wordt volgens de uitvinding bereikt, door het automatisch visueel waarnemen van tenminste één vlam in het verbrandingsproces, het uit het waargenomen beeld van de vlam afleiden van de waarde van tenminste één het verbrandingsproces kenmerkende grootheid, en het aan de hand van de afgeleide waarde van de kenmerkende grootheid regelen van de toevoer van voor de instandhouding van het verbrandingsproces benodigde stoffen. Doordat de vlam zelf wordt waargenomen in plaats van bijvoorbeeld de samenstelling van zijn verbrandingsprodukten, wordt een relatief directe terugkoppeling verkregen, waardoor een nauwkeurige besturing mogelijk is. Bovendien wordt zo enigerlei menselijke tussenkomst in besturing overbodig, waardoor arbeid en kosten bespaard worden.

Voorkeurswijzen voor het uitvoeren van de bestu-ringswerkwijze volgens de uitvinding worden beschreven in de volgconclusies 2 tot 7.

De uitvinding heeft ook betrekking op een inrichting voor het besturen van een verbrandingsproces volgens de hiervoor beschreven werkwijze. Een dergelijke inrichting omvat volgens de uitvinding middelen voor het visueel waarnemen van tenminste één vlam in het verbrandingsproces, signaalvolgend met de waarnemingsmiddelen verbonden middelen voor het uit het waargenomen beeld van de vlam afleiden van de waarde van tenminste één het verbrandingsproces kenmerkende grootheid, en signaalvolgend met de afleidingsmiddelen verbonden middelen voor het aan de hand van de afgeleide waarde van de kenmerkende grootheid regelen van de toevoer van voor de instandhouding van het verbrandingsproces benodigde stoffen.

Voorkeursuitvoeringen van de inrichting volgens de uitvinding vormen de materie van de volgconclusies 9 tot 13.

De uitvinding wordt nu toegelicht aan de hand van een voorbeeld, waarbij verwezen wordt naar de bijgevoegde figuur, die gedeeltelijk schematisch en gedeeltelijk als opengewerkt perspectivisch aanzicht een inrichting toont voor het besturen van een verbrandingsproces volgens de uitvinding.

Een inrichting 1 voor het besturen van een verbrandingsproces dat plaats heeft in een branderbed 2 omvat middelen 3 voor het visueel waarnemen van de vlammen 15 in het branderbed 2. De waarnemingsmiddelen 3 zijn signaalge-vend verbonden met middelen 5 voor het vanuit het waargenomen beeld van de vlammen 15 afleiden van de waarde van één of meer grootheden die kenmerkend zijn voor het verbrandingsproces. Daarbij zijn tussen de waarnemingsmiddelen 3 en deze afleidingsmiddelen 5 middelen 4 geschakeld voor het digitaliseren van het waargenomen beeld. De afleidingsmiddelen 5 zijn op hun beurt signaalgevend verbonden met middelen 6 voor het regelen van de toevoer van brandstoffen en lucht aan het branderbed 2, aan de hand van de door de afleidings- middelen 5 bepaalde vaarde van de kenmerkende grootheid of grootheden.

De regelmiddelen 6 zijn opgenomen in een toevoer-leiding 9, welke uitmondt in een verzamelleiding die zich in een branderhuis 7 bevindt. Op de verzamelleiding is een aantal evenwijdige branderbuizen 13 aangesloten, elk waarvan voorzien is van een aantal op regelmatige afstand van elkaar geplaatste uitstroomopeningen 14, waar verbranding van het toegevoerde brandstof/luchtmengsel plaatsheeft. De daarbij gevormde verbrandingsprodukten verlaten het branderhuis 7 door een uitlaat 8. De bij de verbranding vrijkomende warmte kan gebruikt worden voor verwarmingsdoeleinden, energieopwekking of enigerlei andere toepassing.

De waarnemingsmiddelen 3 omvatten een tweetal videocamera's 16,17. De videocamera 16 heeft een blikveld VI, en levert een beeld waaruit bijvoorbeeld de grootte van de vlammen 15 van het verbrandingsproces of de kleur daarvam eenvoudig bepaald kan worden. Videocamera 17 met zijn blikveld V2 geeft een overzichtsbeeld van de vlammen 15 van het gehele branderbed 2. In het getoonde voorbeeld is voor de videocamera 17 een filter 20 geschakeld, dat slechts voor een bepaald deel van het spectrum van de vlammen 15, bijvoorbeeld het infrarode deelspectrum doorlaatbaar is.

Teneinde een goede werking van de camera's 16,17 in de hete omgeving van het branderbed 2 te waarborgen, kan de besturingsinrichting 1 verder voorzien zijn van (hier niet getoonde) middelen voor het koelen van de camera's. Bijvoorbeeld kan in het huis van elke camera 16,17 een koelvloeistofleiding aangebracht zijn, die verbonden is met een circuit waardoor koelvloeistof rondgepompt wordt. Ook valt te denken aan een met koelribben uitgerust camerahuis, dat onderworpen wordt aan een geforceerde luchtkoeling. Ook andere koelmiddelen zijn denkbaar; van belang is slechts dat de temperatuur van de camera's 16,17 binnen hun bedrijfsbe-reik gehandhaafd wordt.

Daarnaast kunnen nog (hier evenmin getoonde) middelen aanwezig zijn voor het vrijhouden van het blikveld VI,V2 van de camera's 16,17. Deze blikveld-vrijhoudmiddelen kunnen zijn aangebracht tussen het branderbed 2 en de lenzen van de camera's 16,17. Te denken valt hierbij aan een voor elke cameralens langs beweegbare, door een reinigingsbad geleide, hittebestendige en doorzichtige folie. Ook een door een reinigingsbad roterende slingerruit zou bijvoorbeeld denkbaar zijn. Van belang is slechts dat elke camera 16,17 een zo duidelijk mogelijk beeld van het verbrandingsproces kan opnemen.

Het beeld dat elke camera 16,17 opneemt, wordt doorgegeven aan de bijbehorende digitaliseringsmiddelen 4. Daarin wordt de analoge beeldinformatie uit de camera's 16,17, zoals bijvoorbeeld de helderheid en kleur van elk beeldpunt van de camera, vertaald in een reeks digitale signalen. Bijvoorbeeld kunnen aan elk beeldpunt twee bytes (van elk 8 bits) digitale informatie worden toegekend, bijvoorbeeld 1 byte voor de helderheid en 1 byte voor de kleur. Daarbij is het mogelijk het gehele kleurenspectrum in 256 (is 28) kleuren te verdelen, maar indien dat voor een nauwkeurige besturing gewenst is, kan ook een deel van het spectrum rond een voor de besturing van belang zijnde vlamkleur in 256 gradaties verdeeld worden, waardoor de bestu-ringsprecisie sterk verbeterd kan worden.

Het digitale beeldsignaal wordt doorgegeven aan de afleidingsmiddelen 5, die in het getoonde geval de gedaante hebben van een zogeheten personal computer. In de computer 5 wordt het binnenkomende digitale beeldsignaal geanalyseerd, en worden daaruit één of meer grootheden bepaald die kenmerkend zijn voor het verbrandingsproces. Zo kan bijvoorbeeld de kleur van in de verschillende beeldpunten vergeleken worden met een gewenste vlamkleur, welke een maat is voor de zuiverheid en constantheid van de verbranding. In plaats van de kleur van de vlammen 15 kan ook bijvoorbeeld het oppervlak van de vlammen 15 beschouwd worden, die een maat vormt voor de totale gegenereerde warmte. Wanneer het beeld beschouwd wordt dat opgenomen wordt door de foltermiddelen 20, en dat bijvoorbeeld het infrarode deel van het spectrum van de vlammen 15 weergeeft, kan daaruit de temperatuur van de vlammen 15 afgeleid worden. Op deze wijze kan dus uit de opgenomen beeldinformatie op snelle en directe wijze een volledige analyse van de vlammen van het verbrandingsproces gemaakt worden, waardoor een directe en nauwkeurige besturing van de verbranding mogelijk is.

Teneinde een stabiele besturing mogelijk te maken, wordt niet de momentane waarde van een kenmerkende grootheid als besturingsvariabele gebruikt, maar wordt daarvan een voortschrijdend gemiddelde genomen. Hiertoe wordt de waarde van de kenmerkende grootheid bepaald uit een aantal opeenvolgende waarnemingen of opnames, en worden de zo bepaalde waarden opgeslagen in een buffer, waarbij telkens de het langst in een buffer aanwezige waarde uit de buffer verwijderd wordt, wanneer een nieuwe waarde toegevoegd wordt (het zogeheten first in-first out of FIFO-principe). Van de in de buffer opgeslagen waarden wordt dan telkens het gemiddelde bepaald, dat als besturingsvariabele voor de toevoerrege-lingsmiddelen 6 dienst doet. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk bij een opname frequentie van 25 beelden gedurende 1 minuut op te slaan. De buffer bevat dan 1500 waarden, waaruit telkens een gemiddelde bepaald wordt. Dit levert in de praktijk een voldoende stabiliteit van de besturing.

Het besturingsprogramma, dat uit de digitale beeldsignalen de waarde van de voor het verbrandingsproces kenmerkende grootheden bepaald, en aan de hand daarvan besturingssignalen doorgeeft aan de regelingsmiddelen 6 kan opgenomen zijn in een slechts uitleesbaar (ROM) geheugen in de verwerkingseenheid 10 van de computer 5. Ook kan eventueel het besturingsprogramma van tijd tot tijd aangepast worden door de invoer van gegevens via het toetsenbord 12 van de computer. De door de camera's 16,17 opgenomen beelden kunnen zichtbaar gemaakt worden op het beeldscherm 11 van de computer 5 voor tussentijdse controle door een lid van het bedienend personeel.

Zoals weergegeven kan het beeld 18 bijvoorbeeld verdeeld zijn in sectoren 19, die overeenkomen met delen van het branderbed 2. Zo kan voor elk deel van het branderbed 2 de waarde van een kenmerkende grootheid afgeleid worden, en aan de hand daarvan de verbranding in dat specifieke deel van het branderbed 2 geregeld worden. Zo kan een constante verbranding over het gehele branderbed bewerkstelligd worden, hetgeen bijvoorbeeld van belang is indien het branderbed deel uitmaakt van bijvoorbeeld een industriële oven, waarin produkten aan een warmtebehandeling worden onderworpen. In plaats van een enkele camera 17, waarvan het beeld 18 in sectoren 19 verdeeld wordt, kan natuurlijk ook gebruik gemaakt worden van verschillende camera's voor het maken van opnamen van verschillende delen van het branderbed 3.

Met het systeem volgens de uitvinding kan zoals hiervoor toegelicht, een zeer nauwkeurige besturing van het verbrandingsproces in een branderbed 2 plaatsvinden, ongeacht de samenstelling van de brandstoffen (van groot belang bij bijvoorbeeld afvalverbrandingsinstallaties), waardoor bepaalde ingestelde grenswaarden van bijvoorbeeld het brandstofverbruik, de uitstoot van schadelijk verbrandingsgassen of de verdeling van de verbrandingstemperatuur (bijvoorbeeld van groot belang in het geval van stikstofinjectie in de vlam ter verlaging van het NOx-gehalte van de verbrandingsgassen) nauwkeurig kunnen worden aangehouden, zonder menselijke tussenkomst en zonder dat daarvoor verder technische voorzieningen getroffen hoeven te worden.

Claims (13)

1. Werkwijze voor het besturen van een verbrandingsproces, door het automatisch visueel waarnemen van ten minste één vlam (15) in het verbrandingsproces, het uit het waargenomen beeld (18) van de vlam (15) afleiden van de waarde van ten minste één het verbrandingsproces kenmerkende grootheid, en het aan de hand van de afgeleide waarde van de kenmerkende grootheid regelen van de toevoer van voor de instandhouding van het verbrandingsproces benodigde stoffen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het waargenomen beeld (18) gedigitaliseerd wordt, en de kenmerkende grootheid uit de gedigitaliseerde beeldgegevens wordt afgeleid.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een aantal elkaar met regelmatige tussenpozen opeenvolgende waarnemingen wordt verricht, en van de uit de waarnemingen afgeleide kenmerkende grootheid een voortschrijdend gemiddelde wordt bepaald, aan de hand waarvan de toevoer wordt geregeld.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het waargenomen beeld (18) in een aantal sectoren (19) verdeeld wordt, en voor elke beeldsec-tor (19) afzonderlijk de waarde van de kenmerkende grootheid afgeleid wordt.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat slechts een bepaald deel van het spectrum van de vlam (15) waargenomen wordt.

6. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de uit het waargenomen beeld (18) afgeleide grootheid de temperatuur van de vlam (15) is.

7. Werkwijze volgens één der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de uit het waargenomen beeld afgeleide grootheid de grootte van de vlam (15) is.

8. Inrichting (1) voor het besturen van een verbrandingsproces, omvattende middelen (3) voor het visueel waarnemen van ten minste één vlam (15) in het verbrandingsproces, signaalvolgend met de waarnemingsmiddelen (3) ver- bonden middelen (5) voor het uit het waargenomen beeld (18) van de vlam (15) afleiden van de waarde van ten minste één het verbrandingsproces kenmerkende grootheid, en signaalvol-gend met de afleidingsmiddelen (5) verbonden middelen (6) voor het aan de hand van de afgeleide waarde van de kenmerkende grootheid regelen van de toevoer van voor de instandhouding van het verbrandingsproces benodigde stoffen.

9. Inrichting (1) volgens conclusie 8, gekenmerkt door tussen de waamemingsmiddelen (3) en de afleidingsmiddelen (5) geschakelde middelen (4) voor het digitaliseren van het waargenomen beeld (18).

10. Inrichting (1) volgens conclusie 8 of 9, gekenmerkt door voor de waamemingsmiddelen (3) geschakelde, slechts voor een bepaald deel van het spectrum van de waar te nemen vlam (15) doorlaatbare filtermiddelen (20).

11. Inrichting (1) volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de waamemingsmiddelen (3) een aantal camera's (16,17) omvatten, ten minste één (17) waarvan wel, en ten minste één (16) waarvan niet voorzien is van voorgeschakelde filtermiddelen (20).

12. Inrichting (1) volgens één der conclusies 8- 11, gekenmerkt door middelen voor het koelen van de waamemingsmiddelen .

13. Inrichting (1) volgens één der conclusies 8- 12, gekenmerkt door tussen de vlam (15) en de waamemingsmiddelen (3) aangebrachte middelen voor het vrijhouden van het blikveld (V1,V2) van de waamemingsmiddelen (3).