SE511901C2 - Metod för maximering av effektuttaget med hänsyn till bränslekvaliteten vid eldning av fasta bränslen - Google Patents

Description

511 901 Förgasarens produktion av bränngas (dvs förgasareffekten) reg- leras på så sätt att förgasningsluftflödet ökas eller minskas.

Vid minskningen av detta luftflöde sjunker produktionen av bränngas och vice versa. En alltför stor ökning av förgas- ningsluftflödet ger emellertid inte upphov till motsvarande ök- ning av gasproduktionen. Beroende på bränslekvaliteten (bränsletyp, andel flyktiga beståndsdelar, exponerad bränsleyta samt fukthalt) existerar en kemisk,reaktionsbegränsning.

Denna reaktionsbegränsning innebär att när förgasningsluftflö- det ökar utöver en viss gräns, mer luft tillförs än vad gaspro- duktionsprocessen kan tillgodogöra sig. Den överskottsluft, som på detta sätt tillförs processen, deltar inte i någon kemisk reaktion utan verkar enbart kylande. Kylningen av förgasarpro- cessen medför att förgasareffekten sjunker, och vid ytterligare ökning av förgasningsluftflödet närmar sig processtatus mer och mer släckningstillstånd.

Primärluftens kylande inverkan medför således att reaktionstem- peraturen sjunker, vilket kan noteras genom att mäta temperatu- ren i eller i närheten av reaktionsomràdet. När det gäller fastbäddsförgasare kopplad i medström (medströmsförgasare) kan den sjunkande temperaturen i reaktionszonen avläsas i en lika- ledes sjunkande temperatur i gasflödet ovanför bränslebädden (dvs i fribordet). Genom att begränsa förgasningsluftflödet så att denna temperatur alltid maximeras, kan en relativt bränslet maximal effekt alltid tas ut ur förgasaren (gasproducenten) oavsett bränslekvaliteten.

Det med hänsyn till bränslekvaliteten vid varje tidpunkt maxi- malt möjliga effektuttaget kan då upprätthàllas genom att be- gränsa (styra) förgasningsluftflödet så att detta alltid är det flöde som (inom ramen för anläggningens maximalt möjliga effektuttag) ger det för tillfället högsta möjliga effektutta- get. Denna reglering kan utformas så att nämnda temperatur re- gistreras som funktion av tiden (tidpunkten). För det antal tidsrelaterade mätvärden som på detta sätt erhålls, bildas där- efter en förstagradsfunktion som approximativt ersätter samban- 511 901 den temperaturmätvärden/tid (t ex med hjälp av minsta kvadrat- metoden). Riktningskoefficienten för denna funktion kan då vara noll, positiv eller negativ. Om koefficienten är positiv (temperaturen har i genomsnitt ökat med tiden) eller noll (temperaturen har i genomsnitt varit konstant), tolkas detta som att processen tillåter högre effektuttag, medan negativ ko- efficient tolkas som att förgasningsluftflödet är för högt, dvs effekten är lägre än vad den skulle kunna vara om förgas- ningsluftflödet vore lägre. Vid ökande effektbehov tillåts där- för förgasningsluftflödet öka endast om riktningskoefficienten är positiv eller noll. Om däremot riktningskoefficienten är ne- gativ, måste förgasningsluftflödet minska, eftersom förgasar- effekten då inte är maximal.

För att en sådan reglering skall kunna vara stabil, måste den approximativa förstagradsfunktionen för temperaturen som funk- tion av tiden baseras på ett antal i tiden jämnt fördelade tem- peraturregistreringar. Exempelvis baseras funktionen i det här givna exemplet på 21 temperaturmätvärden med tre minuters mel- lanrum. Av detta följer att regleringen av max.-begränsningen i ifrågavarande exempel baseras på ett timmedelvärde. För varje nytt temperaturmätvärde som tillkommer, tas det äldsta bort. På så sätt kommer antalet inneliggande mätvärden alltid att vara konstant. Antalet inneliggande mätvärden kommer därför i det här exemplet alltid att vara 21.

Under förutsättning att bränslekvaliteten endast varierar obe- tydligt vid tiden för max.-reglertillfället, kan ett stegnings- förfarande användas. Exempelvis kan förgasningsluftflödet delas in i 20 steg mellan noll och maximalt möjligt flöde. Om indel- ningen är jämn (lika stora intervall), skulle detta betyda att varje steg ökar eller minskar förgasningsluftflödet med 5% av det flöde som maximalt kan åstadkommas. För att värdet på max.- begränsningen inte skall variera onödigt mycket, tillåts inget nytt steg förrän efter det att minst tre nya värden har matats in i temperaturbufferten (bestående av de i exemplet angivna 21 värdena). Med det här angivna exemplet erhålls en väntetid av nio minuter, vilket får anses vara tillräckligt lång tid för 511901 att säkerställa reglerriktningen (ökning eller minskning av förgasningsluftflödet).

Ett speciellt problem uppkommer om bränslekvaliteten markant håller på att förändras vid tiden för reglering av det maximala förgasningsluftflödet. En förbättring av kvaliteten medför ingen störning, eftersom effekten då tillåts öka. Däremot är det svårt att hantera en försämring. Med ovanstående exempel erhålls först ett stegs minskning av förgasningsluftflödet.

Efter nio minuter inträffar ytterligare ett stegs minskning (eftersom bränslekvaliteten håller på att försämras) osv. Om omsättningen av bränslebädden tar relativt lång tid (30 - 60 minuter), kommer förgasareffekten att sjunka långt under den maximalt möjliga effekten innan stabilitet inträffar och effek- ten kan börja öka till dess för tillfället maximal effekt er- hålls. Om dessutom tillförsel av olika bränslekvaliteter in- träffar slumpvis (t ex inblandning av snö vintertid), kan effektuttaget tidvis komma att bli avsevärt lägre än det maxi- malt möjliga. I de fall omsättningen av bränslet i processen är betydligt snabbare, får nämnda störning mindre betydelse.

Vid eldning av biobränslen och torv är det uteslutande bränsle- fukthalten som åstadkommer den kvalitetsförsämring som medför behov av att begränsa förgasningsluftflödet. En sådan begräns- ning kan åstadkommas på så sätt att fukthalten för det bränsle som finns i processen bestäms kontinuerligt eller med tillräck- ligt små tidsintervall för att bestämningen (praktiskt sett) skall kunna anses ske kontinuerligt. Genom att för varje speci- fik anläggning bestämma maximalt förgasningsluftflöde för er- hållande av maximal förgasareffekt vid viss fukthalt, kan ett samband mellan bränslefukthalt och maximalt förgasningsluft- flöde eller maximalt totalluftflöde (förgasningsluft och sekun- därluft) fastställas empiriskt. I ifrågavarande anläggning kan sedan förgasningsluftflödet (eller totalluftflödet) automatiskt maximeras med hjälp av kontinuerlig eller diskontinuerlig (med små tidsintervall) fukthaltsmätning. En sådan styrning kommer då att medföra maximalt möjligt effektuttag med hänsyn till den aktuella bränslekvaliteten (bränslefukthalten) samt minimal 511 901 stoftbelastning i rökgasen eftersom gasflödet minskar jämfört med det fall att förgasningsluftflödet inte är max.-begränsat.

Utförandeexempel med styrimpuls från temperaturen i fribordet till en medströmsförgasare: Anläggningen är försedd med en varvtalsreglerad rökgasfläkt, och varvtalet kan (för reglering av max.-luftflödet) ställas in stegvis, varvid varje steg medför en ökning eller minskning av rökgasflödet med 5% av fläktens max.-flöde. Eftersom luftfläk- tar saknas, medför denna reglering att luftflödet ändras pro- portionellt mot rökgasflödet, vilket specifikt medför att för- gasningsluftflödet ändras på samma sätt.

Under drift noteras följande temperaturer (C) i gasflödet från bränslebädden (dvs gasflödet i fribordet) med tre minuters mel- lanrum: Nr. 1 2 3 4 5 6 7 6 9 10 11 °c 763 763 763 764 766 767 766 766 769 769 769 Nr. 12 13 14 15 16 17 16 19 20 21 22 °c 770 770 770 769 769 769 769 766 767 766 764 Nr. 23 24 25 26 27 26 29 30 31 32 33 °c 762 760 757 755 755 766 766 766 767 767 767 Nr. 34 35 36 37 36 °c 766 768 766 770 770 Värde nr. l till och med värde nr. 21 approximeras nu till en tidsberoende funktion av första graden ur vilken riktningskoef- ficienten (närmare bestämt tecknet för riktningskoefficienten) löses ut. Om tecknet för riktningskoefficienten betecknas tk erhålls tk ur tecknet för differensen mellan två på varandra följande värden pà den enligt ovan framtagna funktionen: 511901 tk = tecknet för (Ttmt - Ty T; är temperaturen enligt förstagradsfunktionen vid tidpunkten t THA; är temperaturen enligt förstagradsfunktionen vid tidpunkten t+At At > O Eftersom det enligt förutsättningen i exemplet inte är tillåtet att andra max.-flödesbegränsningen med mindre än att tre mätpe- rioder (9 minuter) har förflutit, är det endast intressant att ta fram tk vid följande tidpunkter: Nr. 21 24 27 30 33 36 o s v. tk + - - - - + Att den första tidpunkten är nr. 21 beror på att vi förutsatt att registreringen börjat vid tidpunkt l och att det behövs 21 värden för att bygga upp bufferten, som sedan alltid skall in- nehålla 21 värden. Om vi t ex hade valt att bufferten skall in- nehålla 36 värden, måste den fortsatt innehålla 36 värden ända till dess att vi bestämmer oss för att andra buffertens stor- lek.

Om ytterligare effektbehov föreligger, tillåts fläktens varvtal öka så att förgasningsluftflödet ökar med 5% av det maximala flödet vid tidpunkt nr. 21. Vid tidpunkt nr. 24 är emellertid tk negativt, varför flödet måste minska lika mycket som det ökade strax före. Vid tidpunkt 27 måste flödet minska ytterli- gare 5% av det maximala flödet. Samma sak gäller för tidpunk- terna 30 och 33. Vid tidpunkt 36 tillåts emellertid flödet öka med 5% av det maximala flödet. Under förutsättning att effekt- behov föreligger, kommer anläggningen att ligga och balansera på maximalt möjligt effektuttag så länge som bränslekvaliteten är så låg att den för anläggningen högsta möjliga effekten inte tas ut.

Claims (5)

511901 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för maximering av effektuttaget i en förbrän- nings- eller förgasningsanläggning med hänsyn till bränslets kvalitet, särskilt dess fukthalt, vid eldning av fasta bräns- len, speciellt biobränslen och torv, varvid anläggningen omfat- tar en förgasare för omvandling av fast bränsle till bränngas, och varvid maximeringen sker genom styrning av luftflödet till förgasaren, k ä n n e t e c k n a t a v - att man mäter temperaturen i eller i närheten av förgasaren, särskilt i gasflödet ovanför bränslebädden; - att man registrerar temperaturen som en funktion av tiden; - att man efter förutbestämd tidsrymd för varje nytillkommet tidsberoende mätvärde som registreras avlägsnar det äldsta re- gistrerade mätvärdet; - att man med hjälp av någon vedertagen metod, såsom minsta kvadrat-metoden, bildar en förstagradsfunktion, som så nära som möjligt approximerar de för tillfället registrerade tempera- turvärdena som funktion av tiden; - att man med förutbestämt tidsintervall beräknar riktningsko- efficienten för nämnda förstagradsfunktion; och - att man om nämnda riktningskoefficient är noll eller positiv tillåter att luftflödet till förgasaren ökar, medan man om riktningskoefficienten är negativ minskar luftflödet till för- gasaren.

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t a v att man mäter och registrerar temperaturen kontinuerligt.

3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v att man mäter temperaturen och registrerar densamma som funk- tion av tiden efter bestämda tidsintervall inom intervallet för bildning av förstagradsfunktionen.

4. Förfarande enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a t a v att man ökar eller minskar luft- flödet stegvis. 511901

5. Förfarande enligt något av kraven l - 4, k ä n n e t e c k n a t a v att förändring av luftflödet för- hindras tills minst tre nya temperaturregistreringar skett se- dan föregående förändring av luftflödet.