WO1996024838A1 - Verfahren zum ermitteln der beladung eines gasstroms mit feststoffanteilen - Google Patents

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WO1996024838A1
WO1996024838A1 PCT/EP1996/000564 EP9600564W WO9624838A1 WO 1996024838 A1 WO1996024838 A1 WO 1996024838A1 EP 9600564 W EP9600564 W EP 9600564W WO 9624838 A1 WO9624838 A1 WO 9624838A1
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transmitter
receiver
electromagnetic waves
coal
solids
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PCT/EP1996/000564
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Ernst Reich
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Ernst Reich
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
    • G01N21/534—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke by measuring transmission alone, i.e. determining opacity

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the loading of a gas stream with solids, in particular for controlling the combustion of a boiler with coal dust in a coal-fired power plant, and a device therefor.
  • coal dust is supplied to corresponding burners by carrier air, which are arranged in different levels in a boiler. Combustion air also arrives in the boiler, which supports the combustion of the coal dust in the boiler.
  • distributors or similar actuators are used in a corresponding delivery line, which are set once, namely when the coal-fired power plant is started up, and then remain in this position for a longer period of time.
  • the present invention has for its object to develop a method and an apparatus of the type mentioned above, with which a continuous determination of the solids content in a gas stream is possible in a simple manner, without this gas stream being impaired in any way.
  • Transmitters are sent to a receiver and the attenuation of these electromagnetic waves as a result of absorption part of them is determined on the solid fractions.
  • the great advantage of this process is, on the one hand, that it is continuously possible to apply the electromagnetic waves to the gas flow with the solid components. Accordingly, the solids content can be measured continuously. Furthermore, mechanical installations in, for example, a sensor tube, which lead to the above-mentioned disruption of the gas flow, are unnecessary.
  • the invention makes use of the advantage of electromagnetic waves that parts of these electromagnetic waves are reflected and absorbed in solid parts. That is, these parts do not reach the receiver, so that a significant difference between the electromagnetic waves emitted and those received is found. From this difference, conclusions can be drawn about the loading of the gas stream with solid components, although this is certainly initially only a relative value. By evaluating the relative measurement with a correction factor, an absolute measurement is obtained.
  • the throughput and / or the quantity is recorded on a plate belt with which coal is fed to a mill for producing coal dust. This can be done with commercially available measuring systems, e.g. with a radiometric belt scale.
  • the sum is formed from the individual measurements of the coal dust flow in the burner outputs or the sensor tubes in order to determine the total throughput and / or quantity.
  • the correction factor to make an absolute measurement from the relative measurement of the coal dust flow is calculated from:
  • ⁇ throughput (amount of plate belt. throughput (amount of individual measurement )
  • the relative values are generally sufficient for controlling the firing of a boiler with coal dust in a coal-fired power plant, the relative values from the individual feed lines to the individual burners being compared with one another.
  • Another or additional possibility of measuring the loading of a gas stream with solid particles is done by determining an amplitude change in the emitted electromagnetic waves. This process takes advantage of the effect of the reflection effect.
  • the amplitude of a reflected, frequency-shifted, electromagnetic wave signal, in particular a microwave signal, is also a measure of the loading of the gas stream and can be used as such for signal evaluation.
  • transmitters and receivers for electromagnetic waves are commercially available. It is mentioned here only as an example that the transmitter can be a Gunn oscillator. In contrast, a Schottky diode in a cavity resonator can, for example, be used for the receiver. However, these are only exemplary embodiments.
  • the electromagnetic waves are reflected multiple times on their way between the transmitter and the receiver.
  • this is done in a sensor tube for coal dust particles through the metal walls of this tube.
  • the transmitter and receiver for electromagnetic waves are inclined in or against the current direction.
  • a three-time reflection can take place in the sensor tube, whereby the damping effect is significantly increased, so that the difference between the emitted and the received waves can be increased and thus displayed more clearly.
  • the three-time reflection is thus only to be regarded as an example; of course, a single reflection, a straight pass or a multiple reflection can also suffice in individual cases.
  • Microwaves with a frequency of more than 1 GHz are preferably used as electromagnetic waves.
  • the loading of a gas stream is determined on the basis of the amplitude of the reflected, frequency-shifted microwave signal, it is advisable to integrate the transmitter and receiver in one antenna.
  • This antenna then emits the corresponding electromagnetic waves, preferably perpendicular to the gas flow, so that these waves are reflected on the opposite inner wall of the delivery pipe and are received again by the same antenna. The same applies to those waves that are reflected by the solid parts.
  • the throughput signal arises from the combination of the two signals. This happens because the transmitter is also designed as a receiver. This receiver receives those directly reflected back by the individual coal dust particles Waves, where a frequency shift is generated due to the Doppler effect. Both frequencies, ie the emitted as well as the reflected, differ only slightly. The speed can be determined from the frequency difference.
  • an insert is to be used in the opening of the sensor tube through which the electromagnetic wave cone penetrates into the sensor tube, which brings about a lens effect. This means that this insert also scatters the electromagnetic waves to the side, so that dead spaces are eliminated.
  • the insert preferably consists of two layers.
  • One layer consists of a material through which electromagnetic waves are not damped, this layer being curved on the tube side, which creates the lens effect.
  • This layer preferably consists of a low-loss plastic.
  • this layer is still covered with a weakly damping layer, for which melted basalt is preferably used, which protects the plastic lens from abrasion.
  • a one-piece ceramic lens can also be used.
  • the installation location of the antenna plays a decisive role in the function of the measurement.
  • the installation location must be chosen so that the distribution of the solids in the pipe is as homogeneous as possible. This is the case, for example, in the area of a pipe bend or after a diffuser introduced into the pipe.
  • the homogeneity of the solid flow also determines whether measurements can be made with or without the lens insert described above.
  • the entire process can also be carried out in existing coal-fired power plants; the device is easy to integrate.
  • the measuring system is only to be coupled with a controller, which receives the corresponding setpoints from outside. In accordance with the comparison of the actual and the setpoints, the controller can then control corresponding actuators, such as flaps or valves.
  • Figure 1 is a block diagram schematic of a method according to the invention for controlling the firing of a boiler with coal dust in a coal-fired power plant;
  • FIG. 2 shows an enlarged detail from FIG. 1 in the area of a measuring point
  • FIG. 3 shows a cross section through a sensor tube in the area of the measuring point according to FIG. 2;
  • Figure 4 shows a schematically illustrated section through another embodiment of a measuring point.
  • each burner 1 is connected to a coal mill 4 via a delivery line 3.1 to 3.4, an actuator 2.1 to 2.4 being switched on at a suitable point in the line between the coal mill 4 and the burner 1.1 to 1.4.
  • the coal dust is transported with the aid of carrier air through the actuator 2 and the delivery line 3 to the burner 1.
  • the carrier air is generated by a blower 5.
  • a combustion air line 7 branches off from a carrier air line 6, which branches into individual branch lines 8.1 to 8.4, each branch line 8.1 to 8.4 with a nozzle 9.1 to 9.4 is connected.
  • Each nozzle 9.1 to 9.4 is assigned to a burner 1.1 to 1.4 and supplies the burner area with combustion air.
  • each branch line 8.1 to 8.4 an actuator 10.1 to 10.4 is switched on, which is connected to a controller 12.1 to 12.4 via a control line 11.1 to 11.4.
  • This controller receives values from a measuring point 13.1 to 13.4, which determines a flow of combustion air between the actuator 10.1 to 10.4 and the nozzle 9.1 to 9.4.
  • a measuring point 14.1 to 14.4 is provided up to 1.4, which outputs values to a further controller 15.1 to 15.4.
  • Each controller 15.1 to 15.4 is connected to the actuator 2.1 to 2.4 via a further control line 16.1 to 16.4.
  • the corresponding setpoints for controlling the actuators 2.1 to 2.4 and 10.1 to 10.4 are specified by a controller 17 to the controller 12.1 to 12.4 and 15.1 to 15.4.
  • a sensor tube is fitted with a transmitter 20 for a microwave and, on the other hand, with a receiver 21 for this microwave.
  • the transmitter 20 is preferably a Gunn oscillator in a cavity resonator, while the receiver 21 has a Schottky diode arranged in a cavity resonator.
  • the transmitter 20 is also designed as a transmitter and receiver at the same time, as will be described later.
  • a funnel-shaped antenna 24.1 or 24.2 adjoins the Gunn element 22 or the Schottky diode 23 and is placed on an angle housing 25.1 or 25.2.
  • This angle housing 25.1 or 25.2 is connected to the sensor tube 18 via connecting shells 26.1 or 26.2.
  • the sensor tube 18 is cut out in this area so that an opening 27 (see FIG. 3) is created between the interior 28 and the antenna 24.1 or 24.2.
  • the transmitter 20 is set at an angle w of more than 90 ° relative to the sensor tube 18.
  • the angle w causes the electromagnetic wave 29, indicated by the broken line, to fall into the sensor tube 18 for the conveying direction of the coal dust, is reflected three times in this sensor tube 18 on the walls and then falls into the receiver 21, which is set at an angle w against the conveying direction x.
  • the electromagnetic wave is detected by the Schottky diode and a voltage corresponding to this electromagnetic wave is generated in the Schottky diode.
  • the basic idea is based on the attenuation of a beam path of an electromagnetic wave by the coal dust.
  • the electromagnetic wave should have a frequency range f> than 1 GHz. This micelle range causes a spinning effect of the ferrimagnetic elements when the waves hit the carbon particles, which results in beam attenuation. This process is called ferromagnetic resonance absorption.
  • Transmitter 20 and receiver 21 of the electromagnetic waves are in the sensor tube 18th directed. The attenuation of the beam path generated by the coal dust is measured.
  • the beam path is multiplied. This results in an increase in the damping effect on a defined route with triple reflection, as in the present case. This results in a significantly higher sensitivity of the measurement.
  • An essential feature of the present invention is, however, that the flight speed of the coal particles is recorded at the same time. This is done using the Doppler effect, whereby, as already mentioned above, the transmitter is also designed as a receiver.
  • a Schottky diode could also be arranged in the transmitter 20 in addition to the Gunn element.
  • other embodiments are also conceivable here, such transmitters / receivers being commercially available.
  • an insert 30 is inserted into the opening 27 formed by the connecting shell 26 in the sensor tube 18, which brings about a lens effect.
  • the aim of this lens effect is to spread the emitted electromagnetic waves within the sensor tube 18 in such a way that as little dead space as possible arises.
  • the insert 30 is preferably constructed in two layers.
  • An inner curved shell 31 is made of a material that slightly damps the electromagnetic waves. Melt basalt is preferably used here.
  • a plastic layer 32 is arranged above it, which does not dampen the electromagnetic waves at all.
  • the embodiment of the method according to FIG. 4 also makes use of the above-mentioned Doppler effect, with which the flight speed of the coal particles is determined.
  • the transmitter and receiver 20/21 are integrated in an antenna 24, this antenna 24 or the electric shaft 29, for example, running perpendicular to the delivery pipe 18. This means that this shaft 29 strikes the opposite inner wall of the conveyor tube 18 and is reflected back vertically again. If this wave hits a carbon particle moving in the conveyor tube 18, it is reflected, whereby on the one hand the above-mentioned frequency shift takes place, but on the other hand the reflected wave also has a different amplitude.
  • the amplitude of the reflected, frequency-shifted microwave signal represents a measure of the loading of the gas stream and can therefore be used as such for signal evaluation.
  • the loading of a gas stream can thus be determined not only via the attenuation of the radiating microwave signal, but also via the amplitude of the directly reflected microwave.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk, sollen durch den Gasstrom mit den Feststoffanteilen elektromagnetische Wellen von einem Sender (20) zu einem Empfänger (21) geschickt werden. Sodann wird die Dämpfung dieser elektromagnetischen Wellen infolge der Absorption eines Teils von ihnen an den Feststoffanteilen ermittelt.

Description

Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines GasStroms mit
Feststoffanteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines Gasstroms mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk, sowie eine Vorrichtung hierfür.
In vielen Bereichen der Industrie ist es notwendig, Feststoffanteile mittels einem Gasstrom zu transportieren. Im vorliegenden Fall geht es vor allem darum, die Versorgung von Kessel eines Kohlekraftwerkes mittels Kohlestaub zu messen und zu regeln. Dies soll jedoch nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sein.
In den heute bekannten Kohlekraftwerken wird Kohlestaub durch Trägerluft entsprechenden Brennern, zugeführt, die in unterschiedlichen Ebenen in einem Kessel angeordnet sind. Ferner gelangt in den Kessel auch Verbrennungsluft, welche die Verbrennung des Kohlestaubs in dem Kessel unterstützt. Zur Einstellung der zugeführten Menge an Kohlenstaubpartikeln sind in einer entsprechenden Förderleitung Klappen, Verteiler oder dergleichen Stellglieder eingesetzt, welche einmal, nämlich bei Inbetriebnahme des Kohlekraftwerkes, eingestellt werden und dann über einen längeren Zeitraum in dieser Stellung verbleiben.
In bestimmten Zeiträumen erfolgt dann eine Probeentnahme aus dem Förderstrom, zur neuen Einstellung der Feuerung. Eine falsche Einstellung der Feuerung wird deshalb nicht erkannt, weil z.Z. die Menge an Kohlenstaubpartikeln nur diskontinuierlich gemessen werden kann. Die Zufuhr einer falschen Menge an Kohlestaubpartikeln zum Kessel wirkt sich aber sehr nachteilig aus. Zum einen wird der Wirkungsgrad wesentlich erniedrigt, zum anderen die Abgaswerte erhöht. Ferner unterliegen der Kessel und auch der Brenner infolge einer falschen Menge an Kohlestaubpartikeln einem erhöhten Verschleiß.
Denkbar wäre auch der Einsatz von Meßgeräten in dem Förderstrom selbst, was aber den Nachteil hat, daß der Förderstrom im Bereich des Meßgerätes eingeschnürt wird, so daß es hier zu Druckverlusten oder Abrasion kommt. Beides ist unerwünscht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben genannten Art zu entwickeln, mit denen auf einfache Art und Weise eine kontinuierliche Ermittlung der Feststoffanteile in einem Gasstrom möglich wird, ohne daß dieser Gasstrom in irgend einer Weise beeinträchtigt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß durch den Gasstrom mit den Feststoffanteilen elektromagnetische Wellen von einem
Sender zu einem Empfänger geschickt werden und die Dämpfung dieser elektromagnetischen Wellen infolge der Absorption eines Teils von ihnen an den Feststoffanteilen ermittelt wird.
Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt zum einen darin, daß es kontinuierlich möglich ist, den Gasstrom mit den Feststoffanteilen mit den elektromagnetischen Wellen zu beaufschlagen. Dementsprechend kann eine kontinuierliche Messung der Feststoffanteile erfolgen. Des weiteren erübrigen sich mechanische Einbauten in beispielsweise einem Sensorrohr, die zu der oben erwähnten Störung des Gasstromes führen.
Die Erfindung macht sich den Vorteil der elektromagnetischen Wellen zunutze, daß Teile dieser elektromagnetischen Wellen an Feststoffanteilen reflektiert und absorbiert werden. D.h., diese Teile gelangen nicht zum Empfänger, so daß ein erheblicher Unterschied zwischen den abgesandten elektromagnetischen Wellen und den empfangenen festgestellt wird. Aus diesem Unterschied kann auf die Beladung des Gasstromes mit Feststoffanteilen zurückgeschlossen werden, wobei dies anfänglich sicherlich nur ein Relativwert ist. Durch Bewertung der Relativmessung mit einem Korrekturfaktor ergibt sich eine Absolutmessung.
Beispielsweise könnte dies folgendermaßen geschehen:
- Auf einem Plattenband, mit welchem Kohle einer Mühle zur Herstellung eines Kohlestaubs zugeführt wird, erfolgt eine Erfassung der Durchsatzleistung und/oder der Menge. Dies kann mit handelsüblichen Meßsystemen erfolgen, z.B. mit einer radiometrischen Bandwaage.
Aus den Einzelmessungen des Kohlestaubstromes in den Brennerleistungen bzw. den Sensorrohren wird die Summe gebildet, um so die Gesamtdurchsatzleistung und/oder Menge zu ermitteln. Der Korrekturfaktor, um aus der Relativmessung des Kohlestaubstromes eine Absolutmessung zu machen, errechnet sich aus:
κ = Durchsatzleistung (Menge Plattenband. Durchsatzleistung (Menge Einzelmessung)
Mit diesem Korrekturfaktor wird jeder Meßwert aus den Einzelmessungen bewertet .
Für die Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk genügen aber in der Regel die Relativwerte, wobei die Relativwerte von den einzelnen Zuleitungen zu den einzelnen Brennern miteinander verglichen werden.
Eine weitere andere oder zusätzliche Möglichkeit der Messung der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffteilchen geschieht durch die Ermittlung einer Amplitudenänderung der ausgesandten elektromagnetischen Wellen. Dieses Verfahren macht sich die Wirkung des Reflektionseffektes zunutze. Auch die Amplitude eines reflektierten, frequenzverschobe¬ nen, elektromagnetischen Wellensignals, insbesondere eines Mikrowellen-signals ist ein Maß für die Beladung des Gasstromes und kann als solches zur Signalauswertung genutzt werden.
Sowohl Sender als auch Empfänger für elektromagnetische Wellen sind handelsüblich. Nur als Beispiel wird hier erwähnt, daß es sich bei dem Sender um einen Gunn-Oszil- lator handeln kann. Für den Empfänger kann dagegen bei¬ spielsweise eine Schottky-Diode in einem Hohlraumresonator verwendet werden. Dies sind aber nur Ausführungsbeispiele.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die elektromagnetischen Wellen auf ihrem Weg zwischen Sender und Empfänger mehrfach reflektiert. Beispielsweise geschieht dies in einem Sensorrohr für Kohlestaubpartikel durch die Metallwände dieses Rohres. Dementsprechend ist vorgesehen, daß der Sender und auch Empfänger für elektromagnetische Wellen in bzw. gegen die Stromrichtung geneigt sind. Bei einem bestimmten Neigungswinkel und bei einer bestimmten Entfernung von Sender und Empfänger zueinander kann beispielsweise eine dreimalige Reflexion in dem Sensorrohr erfolgen, wodurch die Dämpfungswirkung wesentlich erhöht wird, so daß die Differenz der ausgesandten und der empfangenen Wellen erhöht und damit klarer dargestellt werden kann. Die dreimalige Reflexion ist damit nur als Beispiel zu werten, selbstverständlich kann auch in Einzelfällen eine nur einmalige Reflexion, ein gerader Durchgang oder auch eine mehrfache Reflexion genügen.
Als elektromagnetische Wellen werden bevorzugt Mikrowellen mit einer Frequenz von über 1GHz verwendet.
Wird die Beladung eines Gasstromes anhand der Amplitude des reflektierten, frequenzverschobenen Mikrowellensignals ermittelt, so bietet es sich an, Sender und Empfänger in einer Antenne zu integrieren. Diese Antenne sendet dann die entsprechenden elektromagnetischen Wellen bevorzugt senkrecht zum Gasstrom aus, so daß diese Wellen an der gegenüberlie-genden Innenwand des Förderrohres reflektiert und von der gleichen Antenne wieder empfangen werden. Das gleiche gilt auch für diejenigen Wellen, die von den Feststoffteilen reflektiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nicht nur die Beladung des Gasstromes mit Feststoffanteilen ermittelt, sondern auch deren Geschwindigkeit. Aus der Verknüpfung der beiden Signale entsteht das Durchsatzsignal . Dies geschieht dadurch, daß der Sender gleichzeitig auch als Empfänger ausgestaltet ist. Dieser Empfänger empfängt die von den einzelnen Kohlestaubpartikeln direkt zurückreflektierten Wellen, wobei infolge des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung erzeugt wird. Beide Frequenzen, d.h. die ausgesandte wie auch die reflektierte, unterscheiden sich nur geringfügig. Aus der Frequenzdifferenz läßt sich die Geschwindigkeit ermitteln.
Es ist ferner bekannt, daß durch die trichterförmige Ausgestaltung der Antenne auch die elektromagnetischen Wellen kegelförmig in das Sensorrohr eindringen. Das bedeutet aber, daß links und rechts von diesem Kegel Toträume entstehen, in denen keine Wellen absorbiert oder reflektiert werden. Gerade in diesen Toträumen könnte aber eine Beladung des Gasstromes mit einem unterschiedlichen Feststoffanteil gegeben sein.
Um auch den Feststoffanteil in diesen Toträumen zu ermitteln, soll in der Öffnung des Sensorrohres, durch welche der elektromagnetische Wellenkegel in das Sensorrohr eindringt, ein Einsatz eingesetzt sein, der einen Linseneffekt mit sich bringt. D.h., dieser Einsatz streut die elektromagnetischen Wellen auch zur Seite hin, so daß die Toträume eliminiert werden.
Bevorzugt besteht der Einsatz aus zwei Schichten. Die eine Schicht besteht aus einem Werkstoff, durch den elektromagnetische Wellen keine Dämpfung erfahren, wobei diese Schicht rohrseitig gekrümmt ist, wodurch der Linseneffekt entsteht. Bevorzugt besteht diese Schicht aus einem verlustarmen Kunststoff.
Zum Rohr hin ist diese Schicht noch mit einer schwach dämpfenden Schicht belegt, wozu bevorzugt Schmelzbasalt verwendet wird, der die Kunststofflinse vor Abrasion schützt.
Als Alternative zur zweiteiligen Linse kann auch eine Linse einteilig aus Keramik verwendet werden. Bei der Anwendung der Reflektionsmethode zur Beladungsmes¬ sung spielt der Einbauort der Antenne eine entscheidende Rolle für die Funktion der Messung. Der Einbauort muß dabei so gewählt werden, daß dort die Verteilung der Feststoffe im Rohr möglichst homogen ist. Dies ist z.B. im Bereich einer Rohrkrümmung oder nach einem in das Rohr eingebrachten Diffusor gegeben.
Von der Homogenität der FeststoffStrömung hängt auch ab, ob mit oder ohne dem oben beschriebenen Linseneinsatz gemessen werden kann.
Das gesamte Verfahren läßt sich auch bei bereits bestehenden Kohlekraftwerken durchführen, die Vorrichtung ist leicht zu integrieren. Das Meßsystem ist lediglich mit einem Regler zu koppeln, der von extern die entsprechenden Sollwerte erhält. Entsprechend dem Vergleich der Ist- und der Sollwerte kann dann der Regler entsprechende Stellorgane, wie Klappen oder Ventile, ansteuern.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Figur 1 ein blockschaltbildlich dargestelltes Schema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk;
Figur 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus Figur 1 im Bereich einer Meßstelle;
Figur 3 einen Querschnitt durch ein Sensorrohr im Bereich der Meßstelle gemäß Figur 2;
Figur 4 einen schematisch dargestellten Ausschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Meßstelle.
In einem nicht näher gezeigten Kessel eines Kohlekraftwerkes sind gemäß Figur 1 in verschiedenen Ebenen jeweils mehrere Brenner hier 1.1 bis 1.4 angeordnet. Jeder Brenner 1 steht über eine Förderleitung 3.1 bis 3.4 mit einer Kohlemühle 4 in Verbindung, wobei in die Leitung zwischen Kohlemühle 4 und Brenner 1.1 bis 1.4 jeweils ein Stellglied 2.1 bis 2.4 an geeigneter Stelle eingeschaltet ist.
Von einem nicht näher gezeigten Austrag der Kohlemühle 4 erfolgt ein Transport des Kohlestaubs mit Hilfe von Trägerluft durch das Stellglied 2 und die Förderleitung 3 zu dem Brenner 1. Dabei wird die Trägerluft von einem Gebläse 5 erzeug .
Zwischen Gebläse 5 und Kohlemühle 4 zweigt von einer Trägerluftleitung 6 eine Verbrennungsluftleitung 7 ab, die sich in einzelne Zweigleitungen 8.1 bis 8.4 aufzweigt, wobei jede Zweigleitung 8.1 bis 8.4 mit einer Düse 9.1 bis 9.4 verbunden ist. Jede Düse 9.1 bis 9.4 ist jeweils einem Brenner 1.1 bis 1.4 zugeordnet und versorgt den Brennerbereich mit Verbrennungsluft .
In jede Zweigleitung 8.1 bis 8.4 ist ein Stellglied 10.1 bis 10.4 eingeschaltet, welches über eine Steuerleitung 11.1 bis 11.4 mit einem Regler 12.1 bis 12.4 verbunden ist. Dieser Regler erhält Werte von einer Meßstelle 13.1 bis 13.4, welche einen Durchfluß an Verbrennungsluft zwischen dem Stellglied 10.1 bis 10.4 und der Düse 9.1 bis 9.4 ermittelt.
In ähnlicher Weise ist auch zwischen dem Stellglied 2.1 bis 2.4 und dem Brenner 1.1. bis 1.4 eine Meßstelle 14.1 bis 14.4 vorgesehen, die Werte jeweils an einen weiteren Regler 15.1 bis 15.4 abgibt. Jeder Regler 15.1 bis 15.4 ist über eine weitere Steuerleitung 16.1 bis 16.4 mit dem Stellglied 2.1 bis 2.4 verbunden.
Die entsprechenden Sollwerte zur Regelung der Stellglieder 2.1 bis 2.4 und 10.1 bis 10.4 werden von einer Steuerung 17 dem Regler 12.1 bis 12.4 und 15.1 bis 15.4 vorgegeben.
Während sich der reine Verbrennungsluftdurchsatz an den Meßstellen 13.1 bis 13.4 auf beliebige bekannte Art ermitteln läßt, wird die Messung des Kohlestaubs in den Meßstellen 14.1 bis 14.4 auf eine neue, erfinderische Weise ermittelt . Eine dieser Meßstellen 14 ist in Figur 2 vergrößert dargestellt.
Einem Sensorrohr ist einerseits ein Sender 20 für eine Mikrowelle und andererseits ein Empfänger 21 für diese Mikrowelle aufgesetzt. Bei dem Sender 20 handelt es sich bevorzugt um einen Gunn-Oszillator in einem Hohlraumresonator, während bei dem Empfänger 21 eine Schottky-Diode in einem Hohlraumresonator angeordnet ist . In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist im übrigen der Sender 20 gleichzeitig als Sender und Empfänger ausgebildet, wie dies später noch beschrieben wird.
An das Gunn-Element 22 bzw. die Schottky-Diode 23 schließt sich eine trichterförmige Antenne 24.1 bzw. 24.2 an, die einem Winkelgehäuse 25.1 bzw. 25.2 aufgesetzt ist. Dieses Winkelgehäuse 25.1 bzw. 25.2 ist über Verbindungsschalen 26.1 bzw. 26.2 mit dem Sensorrohr 18 verbunden. Das Sensorrohr 18 ist in diesem Bereich ausgeschnitten, so daß eine Öffnung 27 (siehe Figur 3) zwischen dem Inneren 28 und der Antenne 24.1 bzw. 24.2 entsteht.
Durch die Ausgestaltung des Winkelgehäuses 25.1 bzw. 25.2 wird der Sender 20 gegenüber dem Sensorrohr 18 in einem Winkel w von über 90° angestellt. Der Winkel w bewirkt, daß die gestrichelt angedeutete elektromagnetische Welle 29 zur Förderrichtung des Kohlestaubs in das Sensorrohr 18 einfällt, in diesem Sensorrohr 18 an den Wänden dreimal reflektiert wird und dann in den im Winkel w gegen die Förderrichtung x angestellten Empfänger 21 einfällt. Dort wird die elektromagnetische Welle von der Schottky-Diode erfaßt und in der Schottky-Diode eine Spannung entsprechend dieser elektromagnetischen Welle erzeugt.
Die Funktionsweise dieser Meßstelle 14 ist folgende:
Der Grundgedanke basiert auf der Dämpfung eines Strahlenganges einer elektromagnetischen Welle durch den Kohlestaub. Die elektromagnetische Welle soll einen Frequenzbereich f > als 1 GHz aufweisen. Dieser Mikro ellenbereich bewirkt beim Auftreffen der Wellen auf den Kohlepartikeln einen Spinneffekt der ferrimagnetischen Elemente, woraus eine Strahldämpfung resultiert. Dieser Vorgang wird als ferromagnetische Resonanzabsorption bezeichnet. Sender 20 und Empfänger 21 der elektromagnetischen Wellen werden in das Sensorrohr 18 gerichtet . Dabei erfolgt eine Messung der durch den Kohlestaub erzeugten Dämpfung des Strahlenganges.
Durch die Anstellung von Sender 20 und Empfänger 21 in einem Winkel w wird eine Vervielfachung der Strahlenstrecke erreicht . Dadurch wird auf einer definierten Strecke bei dreifacher Reflexion, wie im vorliegenden Fall, eine Erhöhung der Dämpfungswirkung erzielt. Daraus resultiert eine wesentlich höhere Empfindlichkeit der Messung.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist aber auch, daß gleichzeitig die Fluggeschwindigkeit der Kohlepartikel erfaßt wird. Dies geschieht unter Ausnutzung des Dopplereffektes, wobei, wie oben bereits erwähnt, der Sender auch gleichzeitig als Empfänger ausgebildet ist. Beispielsweise könnte in dem Sender 20 neben dem Gunn- Element auch gleichzeitig eine Schottky-Diode angeordnet sein. Hier sind jedoch auch andere Ausführungsformen denkbar, wobei derartige Sender/Empfänger im Handel erhältlich sind.
Durch die geneigte Anordung des Senders 20 treffen Mikrowellen auf einzelne Kohlenstaubpartikel. Dort werden sie reflektiert, so daß ein Teil der ausgesandten Wellen wieder vom Empfängerteil des Senders 20 empfangen werden kann. Diese Reflexion der mit einer konstanten Frequenz von beispielsweise 24,125 GHz ausgesandten Welle erzeugt infolge des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung. Da beide Frequenzen sich nur gering unterscheiden (ungefähr 1 bis 2 kHz) , entsteht ein Differenzsignal, das sich am Sender auskoppeln läßt. Diese ausgekoppelte Frequenz läßt sich folgendermaßen bestimmen: Δf , 2 ücosα c wobei v = Materialgeschwindigkeit α = Anstellwinkel fo ausgestrahlte Frequenz Δf = Frequenzverschiebung c = Lichtgeschwindigkeit
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist in die von der Verbindungsschale 26 gebildete Öffnung 27 im Sensorrohr 18 ein Einsatz 30 eingesetzt, der einen Linseneffekt mit sich bringt. Ziel dieses Linseneffektes ist es, die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen innerhalb des Sensorrohres 18 so aufzuspreizen, daß möglichst wenig Toträume entstehen.
Der Einsatz 30 ist bevorzugt zweischichtig aufgebaut. Eine innere gewölbte Schale 31 besteht aus einem die elektromagnetischen Wellen gering dämpfenden Material . Bevorzugt wird hier Schmelzbasalt verwendet. Darüber ist eine KunststoffSchicht 32 angeordnet, welche die elektromagnetischen Wellen überhaupt nicht dämpft.
Den oben erwähnten Dopplereffekt, mit dem die Fluggeschwin- digkeit der Kohlepartikel ermittelt wird, macht sich auch das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Figur 4 zunutze. Dort sind Sender und Empfänger 20/21 in einer Antenne 24 integriert, wobei diese Antenne 24 bzw. die elektrische Welle 29 z.B. senkrecht zum Förderrohr 18 verläuft. D.h., diese Welle 29 trifft auf die gegenüber¬ liegende Innenwand des Förderrohres 18 und wird senkrecht wieder zurückreflektiert. Trifft diese Welle auf einen in dem Fδrderrohr 18 bewegten Kohlepartikel, so wird sie reflektiert, wobei zum einen die oben erwähnte Frequenz- Verschiebung stattfindet, zum anderen aber auch die reflektierte Welle eine andere Amplitude hat. Die Amplitude des reflektierten, frequenzverschobenen Mikrowellensignals stellt ein Maß für die Beladung des Gasstromes dar und kann somit als solches zur Signalauswertung benutzt werden. Die Beladung eines Gasstromes kann damit nicht nur über die Dämpfung des durchstrahlenden Mikrowellensignals, sondern auch über die Amplitude der direkt reflektierten Mikro¬ welle ermittelt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch den Gasstrom mit den Feststoffanteilen elektromagnetische Wellen von einem Sender zu einem Empfänger geschickt werden und die Dämpfung dieser elektromagnetischen Wellen infolge der Absorption eines Teils von ihnen an den Feststoffanteilen ermittelt wird.
2. Verfahren zum Ermitteln der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Gasstrom mit den Feststoffanteilen elektromagnetische Wellen von einem Spender zu einem Empfänger geschickt werden und die Amplitude der frequenzverschobenen, elektromagnetischen Wellen ermittelt und daraus auf die Beladung des Gasstromes mit Feststoffanteilen geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen auf ihrem Weg zwischen Sender und Empfänger nur einmal oder mehrfach reflektiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromagnetische Wellen
Mikrowellen verwendet werden.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absolutwert der Menge des Kohlestaubs durch eine Korrekturfaktor aus einer Durchsatzleistung der Menge an zugeführter Kohle bzw. Kohlestaub vor oder nach beispielsweise einer Mühle und der Durchsatzleistung entsprechend den Einzelmessungen ermittelt wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Reflexion der elektromagnetischen Wellen auch die Geschwindigkeit der Feststoffanteile ermittelt wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sender auch ein
Empfänger für elektromagnetische Wellen integriert wird, wobei es durch die Reflexion der elektromagnetischen Wellen zu einem Dopplereffekt kommt, der zu einer Frequenzver¬ schiebung und Amplitudenänderung führt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Frequenzverschiebung bzw. Amplitudenänderung ein Differenzsignal entsteht, das am Sender ausgekoppelt wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung des Gasstromes und/oder die Geschwindigkeit der Feststoffanteile mit Sollwerten verglichen und danach Ventile bzw. Klappen zur Regelung des Gasstromes und/oder Verbrennungsluft betätigt werden.
10. Vorrichtung zum Ermitteln der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in einem Kohlekraftwerk, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Sensorrohr (18) od.dgl., durch welches der Gasstrom mit den Feststoffanteilen fließt, ein Sender (20) für elektromagnetische Wellen aufsitzt, dem ein Empfänger (21) zugeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (20) über eine Antenne (24.1) , ein Winkelgehäuse (25.1) und eine Verbindungsschale (26.1) mit dem Sensorrohr (18) verbunden ist, wobei die Verbindungsschale (26.1) eine Öffnung (27) in dem Sensorrohr (18) umschließt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Empfänger (21) über eine Antenne (24.2) , ein Winkelgehäuse (25.2) und eine Verbindungsschale (26.2) mit dem Sensorrohr (18) verbunden ist, wobei die Verbindungsschale (26.2) eine Öffnung (27) in dem Sensorrohr (18) umschließt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (20) und Empfänger (21) in einem Winkel (w) geneigt zueinander angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 13 , dadurch gekennzeichnet, daß in der Öffnung (27) ein Einsatz (30) zur Erzeugung eines Linseneffektes angeordnet ist .
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30) aus einer Schale (31) aus einer die elektromagnetischen Wellen gering dämpfenden Schicht (31) und einer die elektromagnetischen Wellen ungehindert durchlassenden Schicht (32) besteht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die geringdämpfende Schicht (31) aus Schmelzbasalt und die nichtdämpfende Schicht (32) aus Kunststoff besteht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30) einstückig aus Keramik hergestellt ist.
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sender (20) auch ein Empfänger (21) für elektromagnetische Wellen integriert ist bzw. eine Antenne sowohl einen Sender (20) als auch einen Empfänger (21) beinhaltet.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender/Empfangseinheit (20, 21) so angeordnet sind, daß eine ausgesandte und reflektierte elektromagnetische Welle (29) senkrecht zum Gasstrom verläuft.
20. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (20) bzw. Empfänger (21) dort an einem Förderrohr (18) angeordnet sind, wo die Verteilung der Feststoffe im Rohr möglichst homogen ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (20) bzw. Empfänger (21) im Bereich einer Rohrkrümmung eingesetzt sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (20) bzw. Empfänger (21) nach einem in das Rohr eingebrachten Diffusor eingesetzt sind.
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