WO2011135081A2 - Verfahren und vorrichtung zur temperaturkontrolle von dampf in einem kessel - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur temperaturkontrolle von dampf in einem kessel Download PDF

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    • Y10T137/0402—Cleaning, repairing, or assembling
    • Y10T137/0419—Fluid cleaning or flushing

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the temperature of steam in a boiler and to a corresponding device
  • a fossil-fired steam generator or boiler of a power plant usually consists of a combustion chamber, an evaporator chamber and a system of heat exchangers that connect to the evaporator chamber.
  • the boiler structures such as drum or Benson boiler.
  • the evaporator chamber consists of a tube arrangement which is in direct thermal contact with the combustion chamber.
  • the feedwater pumped from a feedwater pre-heater is evaporated to the saturated steam temperature.
  • the steam is then fed through the system, also of generally tube-like out ⁇ led heat exchangers, in which the steam temperatures are brought to the required by the turbine inlet temperatures.
  • the system is constructed of varnishtau ⁇ shear from at least one superheater, reheater, economizer and air preheater.
  • soot blowing is performed in a conventional manner is always in front of the background to eliminate the contamination of the boiler possible glo ⁇ bal.
  • carbon black is blown cyclically, wherein the order of the soot blower is adjusted accordingly manually the thermal state of the boiler or in accordance often blown so that no uncontrollable thermal states arise.
  • sootblowing time is calculated according to economic criteria and contamination analyzes.
  • the Siemens system SPPA-P3000 "cost-effective sootblowing" also works according to these criteria, but the pollution and the resulting heat loss are difficult to detect be construed to groups of up to four sootblowers fauxge- adjacent sootblowers. each group is Abla ⁇ delay characteristic responsible for a range of similar.
  • each sootblower is given a weighting factor which corresponds to a percentage of the total number of Rußblasezyklen in which the soot blower in Each sootblower cycle begins with the group of sootblowers located furthest upstream and continues in the direction of the flow of combustion gases
  • the main criterion after which sootblowing is carried out is to increase the boiler at or near near maximum efficiency operate child Criterion is the least possible use of carbon black ⁇ vapor bubble.
  • Displacements of the heat transfer can be partially compensated by an injection control of existing between the heat exchangers steam coolers. In principle, however, only water can be cooled by injection of water into the live steam and only a limited injection quantity can be used. Of particular note is the negative influence of the reheater injection on the heat requirement and the maximum possible output of the steam turbine generator process. Heat demand changes by 0.2% per change by 1% reheater injection rate.
  • the distribution of heat transfer between evaporator and superheater can vary as far as ben, that on the one hand the existing injection capacity is no longer sufficient to keep the steam temperature below a gewünsch th or safety-related value. On the other hand, it can happen that the steam, even with closed injection, the required temperature value is no longer reached.
  • the heat balance within the boiler can also be influenced by the combustion itself. So is the distribution of heat transfer between
  • the live steam injection can only be kept within the control range with selective level Befeue ⁇ tion, which is not always possible. Hardly, however, in this way, the reheater injection rate is sufficient to control. Emerging thermal imbalances are compensated by appropriate safety distances; the optimal temperatures are below this on average, which sometimes leads to increased heat demand of the process or let go to control the steam temperature necessary hot steam injection to zero.
  • the basic idea of the invention is to utilize the contamination, which up to now has been an unpredictable factor in the heat balance and severely limited the thermal controllability of the boiler, in a positive sense by controlling it by means of sootblower devices on the heat exchanger surfaces within the boiler is adjusted and controlled by this adjustment of the heat transfer to these surfaces, the steam temperatures. Sootblowing takes place incrementally.
  • the thermal properties of incremental carbon black blowing can be controlled by varying the operating times of individual sootblowers or individual sootblower groups. Since the sootblower devices are already are the power plant available, therefore no additional measurement instrumentation on ⁇ or machine means is required for steam temperature control. This can save costs.
  • the adjustment of the contamination is always done while ensuring a balanced overall heat balance within the boiler.
  • the entire ver ⁇ drive technical process is optimized beneficial. This is achieved, for example, by cleaning evaporator surfaces and superheater surfaces in such a way that the heat output to evaporator and superheater is distributed so that, taking into account the limited capacity of the steam coolers, on the one hand the steam setpoint temperatures are always reached and, on the other hand, the permissible limit values are not reached be crossed, be exceeded, be passed.
  • Multi-stranded boiler areas should be cleaned in such a way that temperature differences of the steam after division in the heat exchangers at the location of the subsequent consolidation are avoided. Basically, a minimum cleaning of the individual boiler areas should always be guaranteed and as clean recognized boiler areas should not be cleaned unnecessarily. Only in this way can a high efficiency of the whole process be guaranteed.
  • the method according to the invention comprises the following steps: Subgroups of sootblowers are formed which purify, if possible, individually identifiable and balancing parts of the boiler.
  • the injection rate of the live steam and the inlet and outlet temperatures of the superheater must be taken into account.
  • the injection rate of the reheater steam must be taken into account, with the intention of minimizing it.
  • the loss of exhaust gas must be taken into account.
  • the degree of contamination is determined by comparison with previously recorded in a clean state heat transfer coefficient, the effect of relative boiler load is taken into account by a partially linear regres ⁇ sion.
  • the advantage of this embodiment is that here the states "dirty” or "clean” are detected for the first time.
  • theticianüber- plays transfer coefficient on a surface considered a decisive ⁇ role.
  • the heat transfer coefficient is determined from the Wär ⁇ mebilanz of steam and flue gas.
  • the sootblowing advantageously becomes part of the thermal boiler control and supports it. Sootblowing takes place completely automatically, taking into account stable and optimum thermal conditions for the boiler. Even incorrectly dimensioned heat exchanger can be corrected by the inventive controllable Verschmut ⁇ Zung. So-called thermal imbalances of the boiler indentations are automatically compensated. Cleaning-related temperature fluctuations are minimized. The thermal conditions with renewed relative cleanliness are automatically recorded and stored as a measure of the future contamination.
  • Selected for the next use of a cleaning cycle are one or a few sootblowers of a subgroup of sootblowers according to the criterion of the maximum operating time between a cleaning and the next cleaning, whereby a predefinable minimum cycle is ensured for each subgroup.
  • Repeated cleaning of still clean areas is prevented by monitoring the average operating time and taking into account the current soiling.
  • the exhaust loss of the boiler can be influenced by the modes ⁇ fication of Rußblasezyklen.
  • the current exhaust gas loss is automatically detected at renewed relative cleanliness of rele ⁇ vant heat exchanger and stored as a measure of a future increase in the exhaust gas loss.
  • 3a shows a profile of the steam temperature in a conventional Rußblasealgorithm
  • 3b shows a profile of the steam temperature according to an embodiment of the invention Rußblaseal- ergormus
  • Fig. 5 is a block diagram of an arrangement for carrying out the Rußblasealgorithmus invention
  • FIG. 1 shows in a greatly simplified form a steam generator.
  • a fossil solid fuel for example coal dust
  • the resulting flue gas RG is passed through the flue gas duct RGK for flue gas cleaning RGR.
  • the evaporation of supplied feedwater SPW takes place in the tube systems of the evaporator chamber and the sautau ⁇ shear.
  • the system is constructed in such a way that the feed water from the feed water tank 1 is supplied to the feed water preheating 2 (ECO).
  • the superheater Ü can also include a reheater ZÜ.
  • the steam temperature is controlled and regulated by means of the sootblower device a certain contamination of the heat exchanger surfaces is set within the boiler.
  • the contamination on the heat exchanger surfaces is determined as follows: Pollution is here to be seen as a synonym for losses in the heat transfer between the combustion chamber / flue gas side and the water / steam side of a boiler.
  • FIG. 2 serves to clarify the determination of the degrees of contamination or heat exchanger losses. Shown is simply a pipe section, wherein steam D flows through the interior of the pipe with a certain mass flow mD and pressure pD. Is the Tempe ⁇ TDein temperature at the inlet of the tube and at the outlet opening of the tube, the temperature TDaus is measured.
  • the pipe is surrounded by flue gas RG with the mass flow mRG and pressure pRG. Again, temperatures TRGein and TRGaus at the points of inlet and outlet openings of the tube can be determined.
  • the heat absorption of the heat exchanger tube can thus be determined by means of the water / steam-soapy variables flow, pressure and inlet / outlet temperature.
  • the flue gas side, the measurement of the mass flow and the input and output sides tempera ⁇ ren is useful, with missing temperatures and lack of flue gas mass flow can be calculated also accounting terms.
  • the heat output of the heat exchanger is newly determined for the clean condition suitable for a short mean Rußblasezyklus and the boiler model used entspre ⁇ accordingly adapted. Changes in the heat transfer behavior caused by permanent deposit formation or by changes in coal quality or operating conditions are automatically compensated in this way.
  • the heat absorbed during the further operation of the plant is then always determined up-to-date. This value is compared with the off ⁇ output value of the clean condition.
  • the specific steam output q (or the heat transfer coefficient) is determined from the steam output Q and the difference between flue gas and steam temperature ⁇ , cf. Fig.2. This is compared with its initial value in the clean state q_s. This results in the equivalent characteristic values:
  • the invention will be clarified with reference to FIG.
  • the example shows the flue gas temperature T as a function of the time t.
  • the flue gas temperature is inversely proportional to the steam temperature.
  • FIG. 3a shows a conventional sootblowing cycle during a travel time t R.
  • a travel time t R is defined as the operating time between a cleaning and the next cleaning for a sootblower or a subset of sootblowers.
  • Rußblasor process R which here 6 Rußblvessern
  • FIG. 3b an incremental quasi-continuous operation of the sootblowers is carried out in FIG. 3b.
  • a number of "smaller" sootblowing operations are now carried out by means of the individual sootblowers R 1 to R 6 after a shorter period of time
  • the travel time t R remains the same for each individual sootblower in this embodiment
  • Rußblä ⁇ ⁇ ser Rl begins at time tl
  • Rusbläser R2 at time t2, etc.
  • Associated with this time distribution of the Rußblä- sens is also a spatial distribution within the technical ⁇ rule system, since the soot blowers are so attached at different locations.
  • sootblower control can be advantageously integrated into the temperature control of the boiler. There is always an automatic activation of individual Rußbläser under consideration process conditions. Finally, the invention allows a very delicate control of steam temperatures in both time and place within the boiler and in the heat exchanger area.
  • FIG. 4 two strands of ST1 and ST2 are sketchy a heat exchanger ⁇ , for example, of the reheater ⁇ represents Darge. Due to the different soot deposits RAI and RA2 on the pipe systems of the individual strands, there is a thermal imbalance, ie at the outlet of the two parallel strands are different temperatures Tl and T2. Sootblowing is now to be carried out where the steam temperature is too low compared to.
  • FIG. 5 an embodiment of a Steue ⁇ tion a Rußbläservorraumraum is illustrated in a block diagram of an example.
  • the overall system of soot blowers stacker cranes is connected to single ⁇ NEN Rußbläser weakness RBG1 to RBGN and controls according to the inventive Rußblasealgorithmus.
  • all the units are connected to a monitoring logic unit, which in turn depends on a software comprising a program optimization ⁇ approximately OP according to any one of the claims.
  • single sootblower or subgroups of soot blowers RBG1 formed to RBGN the total clean a ⁇ individually identifiable heat exchanger and are divided so that a single purification changed only slightly the overall thermal ⁇ transfer of the heat exchanger.
  • the contamination of the single heat exchanger is controlled so that in stationary operation of the boiler, the heat absorption of the individual regions can be controlled in the fine range by detecting the thermal conditions and the travel time of each single blower or any sub-group and by an automatic ⁇ specific cycle control.
  • Control variables of the method according to the invention are the times at which the individual sootblowers or subgroups are activated. From this it is possible to determine both the travel times of the individual sootblowers and the average of the sootblower groups which are assigned to a specific heat exchanger.
  • Input variables of the method are the sensor data of the temperatures of the steam and flue gas (see FIG. 2), de ⁇ ren mass flows, and injection rates of cooling water in live steam and superheated steam. From these variables, heat balances, heat transfer coefficients and thus the contamination of the individual boiler areas are determined.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und entsprechende Vorrichtung zur Temperaturkontrolle von Dampf in einem Kessel eines Dampferzeugers, wobei mittels Rußbläservorrichtungen in einem inkrementellen Betrieb eine graduelle Verschmutzung von Wärmetauscheroberflächen innerhalb des Kessels eingestellt wird. Durch die gezielte Beeinflussung des Wärmeübergangs an den Wärmetauscheroberflächen können die Dampftemperaturen kontrolliert und geregelt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturkontrolle von Dampf in einem Kessel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturkontrolle von Dampf in einem Kessel und eine entsprechende Vorrichtung
Ein fossil befeuerter Dampferzeuger oder Kessel einer Kraftwerksanlage besteht in der Regel aus einem Brennraum, einem Verdampferraum und einem System von Wärmetauschern, die sich an den Verdampferraum anschließen. Es existieren viele unter schiedliche Ausführungsformen der Kesselaufbauten, wie z.B. Trommelkessel oder Bensonkessel . In einer Variante besteht der Verdampferraum aus einer Rohranordnung, die in direktem Wärmekontakt mit dem Brennraum steht. Im Verdampferraum wird das aus einem Speisewasservorwärmer geförderte Speisewasser bis zur Sattdampftemperatur verdampft. Anschließend wird der Dampf durch das System von ebenfalls meist rohrartig ausge¬ führten Wärmetauschern geführt, in dem die Dampftemperaturen auf die von den Turbinen geforderten Eintrittstemperaturen gebracht werden. Üblicherweise ist das System von Wärmetau¬ schern aus mindestens einem Überhitzer, Zwischenüberhitzer, Economizer und Luftvorwärmer aufgebaut.
Bei der Verbrennung fester fossiler Brennstoffe wird Flugasche freigesetzt, die im Rauchgasstrom zum Rauchgasauslass transportiert und dann abgeschieden oder rezirkuliert wird. Ein Teil der Asche setzt sich dabei auf den Wärmetauscherroh ren und anderen Kesseleinbauten ab und bildet dort teilweise dicke Ablagerungsschichten, die sich, in Abhängigkeit der Kohlequalität, noch zusätzlich verbacken können. Diese Ablagerungen vermindern einerseits den Wärmeübergang, andererseits blockieren sie den Abgasweg, und nicht zuletzt können sich solch große Konglomerate bilden, die, wenn sie sich irgendwann von ihrer Unterlage lösen, beim Absturz auf Grund ihrer kompakten Masse und hoher Fallgeschwindigkeit erhebli¬ chen mechanischen Schaden verursachen können. Daher wird mit tels Dampfbläsern oder Wasserbläsern dieser Belag von Zeit zu Zeit entfernt. Dieser Vorgang wird „Rußblasen" genannt. Da¬ nach ändern sich der Wärmeübergang und damit die Dampftemperatur in den gereinigten, und auch in den ungereinigten Kes- selbereichen erheblich. Nach Beendigung aller Reinigungsmaßnahmen verschmutzt der Kessel wieder allmählich, was wiederum den Wärmeübergang und die Dampftemperaturen entsprechend verändert . Das Rußblasen erfolgt daher in herkömmlicher Weise stets vor dem Hintergrund, die Verschmutzung des Kessels möglichst glo¬ bal zu beseitigen. Vielfach wird zyklisch Ruß geblasen, wobei die Reihenfolge der Rußbläser dem thermischen Zustand des Kessels entsprechend manuell angepasst wird oder entsprechend häufig geblasen wird, so dass keine unkontrollierbaren thermischen Zustände entstehen.
Wird ein automatisches System zum Rußblasen eingesetzt, wird der Rußblasezeitpunkt nach ökonomischen Kriterien und Ver- schmutzungsanalysen errechnet. Das Siemens-System SPPA-P3000 „kostenoptimiertes Rußblasen" arbeitet ebenfalls nach diesen Kriterien. Dabei sind jedoch gerade die Verschmutzung und der daraus resultierende Wärmeverlust nur schwer zu erfassen. Aus dem US Patent US 4,718,376 ist ein weiteres Verfahren zur Regelung von Rußbläsern bekannt. Dabei werden benachbarte Rußbläser zu Gruppen von maximal vier Rußbläsern zusammenge- fasst. Jede Gruppe ist für einen Bereich mit ähnlicher Abla¬ gerungscharakteristik zuständig. Ferner erhält jeder Rußblä- ser einen Gewichtungsfaktor, der einem Prozentsatz von der Gesamtzahl der Rußblasezyklen entspricht, in denen der Rußbläser in Betrieb ist. Jeder Rußblasezyklus beginnt mit der Gruppe von Rußbläsern, die am weitesten stromaufwärts gelegen ist und wird in Richtung des Flusses der Verbrennungsgase fortgesetzt. Das Hauptkriterium, nach dem Rußblasen durchgeführt wird, besteht darin, den Kessel bei oder zumindest nahe der maximalen Effizienz zu betreiben. Ein untergeordnetes Kriterium stellt eine möglichst geringe Verwendung von Ru߬ blasedampf dar.
Die großen Unterschiede in der Verschmutzung vor und nach dem Rußblasen der einzelnen Kesselbereiche und die stets zunehmende Verschmutzung können die Balance der Wärmeverteilung empfindlich stören und stellen eine große Behinderung der thermischen Regelbarkeit des Kessels dar.
Je nach Verschmutzung tritt demnach eine Verlagerung des Wärmetransfers im Bereich der einzelnen Verdampfer-Wärmetau¬ scher, der einzelnen Überhitzer und der einzelnen Zwischenüberhitzer auf. So genannte „thermische Schieflagen" treten dann auf, wenn Temperaturunterschiede an Strängen der Wärme¬ tauscher auftreten, die nach Aufteilung der Dampfmengen wieder zusammengeführt werden. Die Temperaturunterschiede kommen durch ungleichmäßige Aufteilung und ungleichmäßige Wärmeüber¬ gänge, bedingt durch Unterschiede im Rauchgas-Strom und - Temperatur, zu Stande. Auch hat sich gezeigt, dass Verschmut¬ zungen vorgelagerter Wärmetauscher zu erhöhter Wärmeaufnahme der nachgelagerten Wärmetauscher führen und somit nur einen geringen Anteil an einem erhöhten Abgasverlust des Kessels darstellen. Dieser wird wesentlich durch die Verschmutzung im Eco-Bereich definiert.
Verlagerungen des Wärmetransfers können teilweise durch eine Einspritzregelung von zwischen den Wärmetauschern vorhandenen Dampfkühlern kompensiert werden. Dabei kann jedoch durch Einspritzung von Wasser in den Frischdampf prinzipiell nur gekühlt werden und nur eine begrenzte Einspritzmenge verwendet werden. Zu beachten ist dabei besonders der negative Einfluss der Zwischenüberhitzer-Einspritzung auf den Wärmebedarf und die maximal mögliche Leistung des Dampf-Turbine-Generator- Prozesses. Der Wärmebedarf ändert sich um 0,2% pro Änderung um 1% Zwischenüberhitzer-Einspritzrate.
Verschmutzungsbedingt kann sich die Verteilung der Wärmeübertragung zwischen Verdampfer und Überhitzer soweit verschie- ben, dass einerseits die vorhandene Emspritzkapazität nicht mehr ausreicht, die Dampftemperatur unterhalb eines gewünsch ten oder sicherheitsbedingten Wertes zu halten. Andererseits kann es dazu kommen, dass der Dampf, auch bei geschlossener Einspritzung, den erforderlichen Temperaturwert nicht mehr erreicht .
Einzelwärmetauscher ohne nachgeschaltete Einspritzkühlungen, wie Verdampferbereiche und Endüberhitzer können jedoch ther- misch nicht abgeglichen werden.
Neben der Beeinflussung der Dampftemperaturen durch aktive Kühlung an einzelnen Stellen kann die Wärmebilanz innerhalb des Kessels auch durch die Verbrennung selbst beeinflusst werden. So ist die Verteilung der Wärmeübertragung zwischen
Verdampfer und Überhitzer im Trommelkessel durch unterschied¬ liche Ebenenbefeuerung, oder durch eine aufwendige Schwenkbrennereinrichtung oder Rauchgasrezirkulation zu beeinflussen; beim Bensonkessel besteht zusätzlich die Möglichkeit, die Speisewassermenge zu variieren und damit die Frischdampf- einspritzmenge zu beeinflussen.
Wo keine Schwenkbrennereinrichtung oder Rauchgasrezirkulati eingesetzt wird, kann nur noch mit selektiver Ebenenbefeue¬ rung die Frischdampfeinspritzung im Regelbereich gehalten werden, was nicht immer gelingt. Kaum jedoch ist auf diese Weise die Zwischenüberhitzer-Einspritzrate hinreichend zu kontrollieren. Auftretende thermische Schieflagen werden durch entsprechende Sicherheitsabstände kompensiert; die optimalen Temperaturen werden dabei im Mittel unterschritten, was teilweise zu erhöhtem Wärmebedarf des Prozesses führt oder die zur Kontrolle der Dampftemperatur notwendige Heißdampf-Einspritzung auf Null gehen lässt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine thermische Regelbarkeit des Kessels unter der Vorgabe stabiler und opti- maier thermischer Bedingungen des Kessels allein durch die Befeuerung und punktuelle Einspritzkühlung sich als sehr aufwendig und komplex gestaltet. Nachteilig ist insbesondere, dass stets thermische Schieflagen auftreten können. Zusätzli- che Probleme treten aufgrund der Verschmutzung im Kesselbe¬ reich auf, welche die Wärmeübergänge an den Wärmetauscherroh¬ ren stets beeinflusst und den Regelungsprozess negativ über¬ lagert . Aus der DE 10 2006 006 597 AI ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Dampftemperatursteuerung bekannt. Hierbei ist ein System zur Analyse der Wirkung des Be¬ triebs von Rußbläsern in einem Wärmeübergangsbereich eines Kraftwerks vorgesehen. Dieses System bestimmt eine Dampftem- peratur-Beeinflussungssequenz und berechnet ein Vorwärtssteuersignal, mit dem ein Dampftemperatursteuerungssystem für den Wärmeübergangsbereich zu beaufschlagen ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbes- sertes Verfahren zur Dampftemperaturkontrolle in einem Kessel anzugeben .
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Pa¬ tentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind je- weils in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die Verschmutzung, die ja bisher einen unwägbaren Faktor bei der Wärmebilanz darstellte und die thermische Regelbarkeit des Kessels stark einschränk- te, nun im positiven Sinne zu nutzen, indem sie kontrolliert mittels Rußbläservorrichtungen an den Wärmetauscheroberflä¬ chen innerhalb des Kessels eingestellt wird und durch diese Einstellung des Wärmeübergangs an diesen Flächen die Dampftemperaturen geregelt werden. Das Rußblasen erfolgt dabei in- krementeil. Die thermischen Eigenschaften können beim inkre- mentellen Rußblasen durch die Veränderung der Betriebszeiten von einzelnen Rußbläsern oder einzelnen Rußbläsergruppen gesteuert werden. Da die Rußbläservorrichtungen bereits in je- der Kraftwerksanlage vorhanden sind, wird demnach keine zu¬ sätzliche Messinstrumentierung bzw. Maschineneinrichtung zur Dampftemperaturkontrolle erforderlich. Dadurch können Kosten gespart werden.
Die Einstellung der Verschmutzung erfolgt dabei stets unter Gewährleistung einer ausgeglichenen Gesamtwärmebilanz innerhalb des Kessels. Dadurch wird vorteilhaft der gesamte ver¬ fahrenstechnischen Prozess optimiert. Dies wird beispielswei- se dadurch erreicht, dass Verdampferflächen und Überhitzerflächen derart gereinigt werden, dass die Wärmeleistung an Verdampfer und an Überhitzer so verteilt wird, dass unter der Berücksichtigung der begrenzten Kapazität der Dampfkühler stets einerseits die Dampf-Sollwerttemperaturen erreicht und andererseits die zulässigen Grenzwerte nicht überschritten werden. Mehrsträngig angelegte Kesselbereiche sollen derart gesäubert werden, dass Temperaturunterschiede des Dampfes nach Aufteilung in den Wärmetauschern am Ort der anschließenden Zusammenführung vermieden werden. Grundsätzlich soll eine Mindestreinigung der einzelnen Kesselbereiche stets gewährleistet sein und als sauber erkannte Kesselbereiche sollen nicht unnötigerweise gereinigt werden. Nur auf diese Weise kann eine hohe Effizienz des gesamten Prozesses gewährleistet sein .
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: Es werden Teilgruppen von Rußbläsern gebildet, die möglichst einzeln identifizierbare und bilanzierbare Teile des Kessels reinigen .
Innerhalb der technischen Anlage werden mindestens folgende Parameter erfasst:
- Einspritzrate des Frischdampfes und des Zwischenüberhitzer¬ dampfes
- Eintrittstemperatur von Dampf und Rauchgas in die Wärmetau- scher
- Austrittstemperatur aus den Wärmetauschern
- Verschmutzungsfaktoren der einzelnen Wärmetauscher - Betriebszeit zwischen einer Reinigung und der nächsten Reinigung für einen oder einzelne Rußbläser einer Teilgruppe. Aus den erfassten Parametern und unter Gewährleistung einer ausgeglichenen Gesamtwärmebilanz innerhalb des Kessels wird für jeden einzelnen Rußbläser der Teilgruppe der Rußbläser der Rußblasezeitpunkt individuell bestimmt und somit die Ver¬ schmutzung durch das Regelsystem im Feinbereich kontrolliert.
Je nachdem, in welchem Bereich des Kessels das Rußblasen ein- gesetzt wird, ergeben sich unterschiedliche Randbedingungen, die in der Regelungstechnik zu berücksichtigen sind:
Im Verdampferbereich und im Überhitzerbereich muss insbesondere die Einspritzrate des Frischdampfes und die Ein- und Austrittstemperaturen des Überhitzers berücksichtigt werden. Im Zwischenüberhitzerbereich muss die Einspritzrate des Zwischenüberhitzerdampfes berücksichtigt werden, mit der Ab¬ sicht, diese zu minimieren. Im Economizer-Bereich muss insbesondere der Abgasverlust berücksichtigt werden. Ergeben sich aus dem Vorgehen für einen Wärmetauscher eine kurze mittlere Betriebzeit über alle Rußbläser des Wärmetau¬ schers seit der jeweiligen letzten Reinigung, wird dieser als sauber definiert. Die Verschmutzung einzelner Wärmetauscher wird ermittelt, indem ein aktueller Wärmeübergangskoeffizient an den betrachte¬ ten Flächen anhand einer aktuellen Wärmebilanz erfasst wird. Für einzelne Wärmetauscher wird der Grad der Verschmutzung durch Vergleich mit zuvor im sauberen Zustand aufgenommenen Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt, wobei der Einfluss der relativen Kessellast durch eine bereichsweise lineare Regres¬ sion berücksichtigt wird. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt darin, dass hier die Zustände „schmutzig" oder „sauber" erstmals erfasst werden. Dabei spielt der Wärmeüber- gangskoeffizient an einer betrachteten Fläche eine entschei¬ dende Rolle. Der Wärmeübergangskoeffizient wird aus der Wär¬ mebilanz von Dampf und Rauchgas bestimmt. Der Grad der Verschmutzung wird durch den Verschmutzungsfaktor V anhand der Formel V=l-q/qo bestimmt, wobei q die spezi¬ fische Wärmeleistung des Dampfes je K Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Dampf und qo die spezifische Dampfleis- tung bei einem als sauber definiertem Zustand darstellt.
Durch diese konkrete Bestimmung der Verschmutzung liegt vorteilhaft ein neues Regelkriterium gemäß der Erfindung vor. Hier wird die Verschmutzung der Wärmetauscherflächen quantitativ gefasst.
Die Vorteile der beschriebenen Erfindung sind vielfältig und weitreichend: In erster Linie wird das Rußblasen vorteilhaft zum Teil der thermischen Kesselregelung und unterstützt diese. Das Rußblasen erfolgt vollständig automatisch unter Be- rücksichtigung stabiler und optimaler thermischer Bedingungen für den Kessel. Selbst falsch dimensionierte Wärmetauscher können durch die erfindungsgemäße kontrollierbare Verschmut¬ zung korrigiert werden. So genannte thermische Schieflagen der Kessel-Einzüge werden automatisch kompensiert. Reini- gungsbedingte Temperaturschwankungen werden minimiert. Die thermischen Verhältnisse bei erneuter relativer Sauberkeit werden automatisch erfasst und als Maß für die zukünftige Verschmutzung hinterlegt. Selektiert für den nächsten Einsatz eines Reinigungszyklus werden ein oder einzelne Rußbläser ei- ner Teilgruppe von Rußbläsern nach dem Kriterium der maximalen Betriebszeit zwischen einer Reinigung und der nächsten Reinigung, wodurch ein vorgebbarer Mindestzyklus für jede Teilgruppe gewährleistet ist. Das wiederholte Reinigen von noch sauberen Bereichen wird durch Überwachung der mittleren Betriebszeit und Berücksichtigung der aktuellen Verschmutzung verhindert. Der Abgasverlust des Kessels kann über die Modi¬ fikation der Rußblasezyklen beeinflusst werden. Der aktuelle Abgasverlust wird bei erneuter relativer Sauberkeit der rele¬ vanten Wärmetauscher automatisch erfasst und als Maß einer zukünftigen Erhöhung des Abgasverlustes hinterlegt. Zusammen¬ fassend kann festgestellt werden, dass die Erfindung stati¬ sche und dynamische Kesselverluste ohne zusätzlichen Aufwand an Maschinentechnik und Personal minimiert. Es wird ferner ein störungsarmes Rußblasen mit voller Verschmutzungskontrol¬ le bei optimalem Nutzen erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnun¬ gen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 ein Schema eines Dampferzeugers,
Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung der Ermittlung des Ver- schmutzungsgrads ,
Fig. 3a einen Verlauf der Dampftemperatur bei einem herkömmlichem Rußblasealgorithmus,
Fig. 3b einen Verlauf der Dampftemperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rußblaseal- gorithmus,
Fig. 4 eine Skizze zur Verdeutlichung einer thermischen
Schieflage innerhalb des Wärmetauschersystems und
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Rußblasealgorithmus
Figur 1 stellt in stark vereinfachter Form einen Dampferzeuger dar. Im Brennraum BR des Kessels K wird ein fossiler fester Brennstoff, beispielsweise handelt es sich hierbei um Kohlestaub, verbrannt. Das dabei entstandene Rauchgas RG wird durch den Rauchgaskanal RGK zur Rauchgasreinigung RGR geführt. Die Verdampfung von zugeführtem Speisewasser SPW findet in den Rohrsystemen des Verdampferraums und der Wärmetau¬ scher statt. Üblicherweise ist das System derart aufgebaut, dass das Speisewasser vom Speisewasserbehälter 1 der Speise- wasservorwärmung 2 (ECO) zugeführt wird. Von da aus gelangt das Wasser-Dampf-Gemisch in die Trommel 3 und wird über die Fallrohre 4, den Verteilersammler 5 und die Steigrohre 6 dem Überhitzer (7 oder Ü) und anschließend zur Turbine 8 zuge¬ führt. Der Überhitzer Ü kann ferner auch einen Zwischenüber- hitzer ZÜ umfassen.
Gemäß der dieser Anmeldung zugrunde liegenden Erfindung wird die Dampftemperatur kontrolliert und geregelt, indem mittels der Rußbläsereinrichtung eine bestimmte Verschmutzung der Wärmetauscheroberflächen innerhalb des Kessels eingestellt wird . Die Verschmutzung auf den Wärmetauscheroberflächen wird folgendermaßen ermittelt: Verschmutzung ist hierbei als Synonym für Verluste beim Wärmeübergang zwischen der Feuerraum- /Rauchgasseite und der Wasser-/Dampfseite eines Kessels zu sehen. Figur 2 dient der Verdeutlichung der Ermittlung der Verschmutzungsgrade oder Wärmetauscherverluste. Dargestellt ist vereinfacht ein Rohrabschnitt, wobei durch das Innere der Rohres Dampf D mit einem bestimmten Massenfluss mD und Druck pD strömt. An der Eintrittsöffnung des Rohres wird die Tempe¬ ratur TDein und an der Austrittsöffnung des Rohres wird die Temperatur TDaus gemessen. Das Rohr wird von Rauchgas RG mit dem Massenfluss mRG und Druck pRG umströmt. Auch hier sind Temperaturen TRGein und TRGaus an den Stellen der Ein- und Austrittsöffnungen des Rohres bestimmbar. Die Wärmeaufnahme des Wärmetauscherrohres ist somit über die wasser-/dampf- seifigen Messgrößen Durchfluss, Druck und Eintritts-/Aus- trittstemperatur bestimmbar. Rauchgasseitig ist die Messung des Massenstroms und der ein- und ausgangsseitigen Temperatu¬ ren hilfreich, wobei fehlende Temperaturen und fehlender Rauchgasmassenstrom auch bilanztechnisch errechnet werden können. Die Wärmeleistung der Wärmetauscher wird für den sauberen Zustand nach einem geeignet kurzen mittleren Rußblasezyklus neu bestimmt und das verwendete Kesselmodell entspre¬ chend adaptiert. Veränderungen des Wärmeübergangsverhaltens, die bedingt durch bleibende Belagbildung oder durch Wechsel der Kohlequalität oder der Betriebsbedingungen entstehen, werden auf diese Art und Weise selbsttätig ausgeglichen.
Für jeden erfassbaren Wärmetauscherbereich des Kessels wird dann die während des weiteren Anlagenbetriebes aufgenommene Wärme stets aktuell bestimmt. Dieser Wert wird mit dem Aus¬ gangswert des sauberen Zustandes verglichen. Hierzu wird aus der Dampfleistung Q und der Differenz zwischen Rauchgas- und Dampftemperatur ΔΤ die spezifische Dampfleistung q (bzw. der Wärmetransferkoeffizient) ermittelt, vgl. Fig.2. Diese wird mit ihrem Ausgangswert im sauberen Zu- stand q_s verglichen. Daraus ergeben sich die gleichwertigen Kennwerte :
Sauberkeitsfaktor CF = q/q_s
Verschmutzungsfaktor V = 1 - q/q_s = 1 - CF
Anhand von Fig. 3 soll die Erfindung verdeutlicht werden. Aufgetragen ist beispielhaft die Rauchgastemperatur T in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Rauchgastemperatur verhält sich umgekehrt proportional zur Dampftemperatur .
In Fig. 3a ist ein herkömmlicher Rußblasezyklus während einer Reisezeit tR dargestellt . Eine Reisezeit tR ist definiert als Betriebszeit zwischen einer Reinigung und der nächsten Reinigung für einen Rußbläser oder eine Teilgruppe von Rußbläsern. Nach einem Rußblasevorgang R, welcher hier aus 6 Rußbläsern
Rl bis R6 besteht, fällt die Rauchgastemperatur stark ab, und steigt anschließend mit zunehmender Verschmutzung der Rohrleitungen wieder kontinuierlich an. Schließlich wird erneut rußgeblasen, was in Fig. 3a durch den Rußblasevorgang Rnext verdeutlicht wird. Bei jedem Rußblasevorgang R oder Rnext sind alle Rußbläser (hier sind es beispielhaft sechs Rußblä¬ ser Rl bis R6) gleichzeitig in Betrieb.
In Fig. 3b wird erfindungsgemäß ein inkrementeller quasikon- tinuierlicher Betrieb der Rußbläser durchgeführt. Anstatt des einen Rußblasevorgangs R werden nun nach kürzeren Zeitspannen mehrere „kleinere" Rußblasevorgänge mittels der einzelnen Rußbläser Rl bis R6 durchgeführt. Die Reisezeit tR hingegen bleibt in diesem Ausführungsbeispiel für jeden einzelnen Ruß- bläser gleich. Innerhalb eines Rußblasezyklusses findet somit eine zeitliche Verteilung des Rußblasevorgangs statt. Rußblä¬ ser Rl beginnt zum Zeitpunkt tl, Rusbläser R2 zu Zeitpunkt t2 usw. Verbunden mit dieser zeitlichen Verteilung des Rußbla- sens ist auch eine räumliche Verteilung innerhalb der techni¬ schen Anlage, da die Rußbläser j a an unterschiedlichen Orten angebracht sind.
Die Auswirkungen des inkrementellen Rußblasens auf die Rauchgastemperatur wird ebenfalls anhand von Fig. 3b deutlich. Die Rauchgastemperatur T schwankt nun innerhalb eines wesentlich kleineren Intervalls [Tmax, Tmin] . Eine weitere Verkürzung der Zeitspannen zwischen dem Betrieb der einzelnen Rußbläser würde somit zu einem quasi-kontinuierlichen Betrieb der Rußbläser und somit auch zu einem quasikontinuierlichen Verlauf der Rauchgas- bzw. Dampftemperatur führen. Eine inkrementelle Reinigung der Wärmetauscheroberflächen reduziert somit das Ausmaß der thermischen Veränderungen im Dampferzeuger. Das Rußblasen erfolgt häufiger mittels der einzelnen Rußbläser oder auch Rußbläsergruppen und je nach Bedarf nicht mehr so lange wie vorher. Bei kleinen Stufen wird ein quasikontinu¬ ierlicher Betrieb der Rußbläser erreicht. Ist stets ein einzelner Rußbläser der Gesamtheit aller Rußbläser der Anlage in Betrieb, kann auch von einem kontinuierlichen Betrieb gesprochen werden. Die Rußbläserregelung kann vorteilhaft in die Temperaturregelung des Kessels integriert werden. Es erfolgt stets eine automatische Aktivierung einzelner Rußbläser unter Beachtung prozesstechnischer Bedingungen. Letztendlich erlaubt die Erfindung eine sehr feingliedrige Kontrolle der Dampftemperaturen sowohl in zeitlicher als auch örtlicher Hinsicht innerhalb des Kessels und im Wärmetauscherbereich.
Durch eine Rußbläseroptimierung können thermische Schieflagen innerhalb des Wärmetauschersystems ausgeglichen werden. In Fig. 4 sind skizzenhaft zwei Stränge ST1 und ST2 eines Wärme¬ tauschers, beispielsweise des Zwischenüberhitzers darge¬ stellt. Durch die unterschiedlichen Rußablagerungen RAI und RA2 auf den Rohrsystemen der einzelnen Strängen kommt es zu einer thermischen Schieflage, d.h. am Ausgang der beiden parallelen Stränge liegen unterschiedliche Temperaturen Tl und T2 vor. Das Rußblasen ist nun dort durchzuführen, wo die Dampftemperatur im Vergleich zu niedrig ist. In Fig. 5 ist beispielhaft eine Ausführungsform einer Steue¬ rung einer Rußbläservorrichtung in einem Blockschaltbild dargestellt. Das Gesamtsystem der Rußbläser RBGS ist mit einzel¬ nen Rußbläsergruppen RBG1 bis RBGN verbunden und steuert diese gemäß dem erfindungsgemäßen Rußblasealgorithmus. Dazu sind alle Einheiten mit einem Überwachungslogikbaustein verbunden, welcher wiederum an einer Software hängt, welche ein Optimie¬ rungsprogramm OP gemäß einem der Ansprüche umfasst.
Gemäß der Erfindung werden einzelne Rußbläser oder Teilgruppen von Rußbläsern RBG1 bis RBGN gebildet, die insgesamt ein¬ zeln identifizierbare Wärmetauscher reinigen und so unterteilt sind, dass eine einzelne Reinigung den Gesamtwärme¬ transfer des Wärmetauschers nur geringfügig verändert. Durch Erfassung der thermischen Zustände und der Reisezeit jedes Einzelbläsers oder jeder Teilgruppe und durch eine automati¬ sche Zyklussteuerung wird die Verschmutzung der Einzelwärmetauscher so kontrolliert, dass im stationären Betrieb des Kessels die Wärmeaufnahme der Einzelbereiche im Feinbereich geregelt werden kann.
Steuerungsgrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Zeitpunkte, an denen die einzelnen Rußbläser oder Teilgruppen aktiviert werden. Daraus lassen sich sowohl die Reisezeiten der einzelne Rußbläser als auch die mittlere der Rußbläsergruppen, die einem bestimmten Wärmetauscher zugeordnet sind, bestimmen .
Eingangsgrößen des Verfahrens sind die Sensordaten der Temperaturen des Wasserdampfes und Rauchgases (siehe Fig. 2), de¬ ren Massenströme, ferner Einspritzraten von Kühlwasser in Frischdampf und zwischenüberhitzten Dampf. Aus diesen Größen werden Wärmebilanzen, Wärmeübergangskoeffizienten und damit die Verschmutzung der einzelnen Kesselbereiche bestimmt.
Zur Kontrolle der mittleren Reisezeit der einzelnen Bläsergruppen werden einerseits die Verschmutzung, andererseits die Dampftemperaturen, thermische Schieflagen und ebenso Einspritzraten des Frischdampfes und des Zwischenüberhitzerdampfes erfasst. Mittels Erfassung der Reisezeit der einzelnen Rußbläser werden gezielt Teilgruppen selektiert für den nächsten Reinigungszyklus und dafür der Rußblasezeitpunkt be¬ stimmt. Für alle Wärmetauscher gilt, dass durch das Rußblasen thermische Schieflagen stets ausgeglichen werden. Für den Verdampferbereich spielt vor allem die Steuerung der Einspritzrate des Frischdampfes eine große Rolle. Es soll darauf geachtet werden, dass beim Überhitzer die Einspritzventil¬ stellung des Frischdampfes im Regelbereich ist und die Soll¬ temperatur des Dampfes erreicht wird. Im Zwischenüberhitzerbereich soll die Einspritzrate des Frischdampfes zu Null ge¬ hen. Beim Economizer ist zu berücksichtigen, dass Abgasver- lust und Blaseaufwand ausgeglichen sind. Eine Verschmutzung des regenerativen Luftvorwärmers wird die Wärmebilanz nur unwesentlich beeinflussen. Wichtig ist hier die Vermeidung einer Ablagerung zwischen den Oberflächen, die durch Dampfbläser nicht erreicht und beseitigt werden können. Daher wird in diesem Bereich zyklisch gereinigt und der Druckverlust beo¬ bachtet, wobei bei beginnender Druckverlusterhöhung sofort rußgeblasen wird.
In jedem Falle wird für alle Rußbläser die Einhaltung einer Mindestreinigung überwacht. Dies soll die Bildung nicht mehr entfernbarer oder gefährlich großer Konglomerate verhindern. Wenn andererseits der mittlere Reinigungszyklus eines Wärme¬ tauschers sehr kurz wird, wird der Bereich als „sauber" defi¬ niert. Ein weiteres Rußblasen erfolgt dann erst wieder, wenn eine neue relevante Verschmutzung erkannt wird. So wird eine wiederholte und Oberflächen schädigende Reinigung sauberer Bereiche wirkungsvoll unterbunden. Gleichzeitig kann der ak¬ tuelle Wärmeübergang für den momentan sauberen Zustand immer wieder neu definiert (gelernt) und daraus ein entsprechender Verschmutzungsgrad für den laufenden Betrieb ermittelt wer¬ den .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Temperaturkontrolle von Dampf in einem Kessel (K) einer technischen Anlage (TA) , in der durch Verbren- nung eines Asche bildenden Brennstoffs Rauchgas und Dampf er¬ zeugt werden,
wobei der Kessel (K) mindestens einen Verdampfer (V) , und mindestens einen Wärmetauscher (Ü, ZÜ, ECO) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass mittels Rußbläservorrichtungen inkrementell eine gradu¬ elle Verschmutzung von Wärmetauscheroberflächen innerhalb des Kessels eingestellt wird und durch diese Einstellung des Wär¬ meübergangs an diesen Flächen die Dampftemperaturen geregelt werden .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass Teilgruppen von Rußbläsern gebildet werden, die möglichst einzeln identifizierbare Teile des Kessels reinigen, dass innerhalb der technischen Anlage (TA) mindestens folgen¬ de Parameter erfasst werden
- Einspritzrate des Frischdampfes und des Zwischenüberhitzer¬ dampfes
- Eintrittstemperatur von Dampf und Rauchgas in die Wärmetau- scher
- Austrittstemperatur aus den Wärmetauschern
- Verschmutzungsfaktoren einzelner Wärmetauscher
- Betriebszeit zwischen einer Reinigung und der nächsten Reinigung für einen Rußbläser oder eine Teilgruppe,
dass aus den erfassten Parametern und unter Gewährleistung einer ausgeglichenen Gesamtwärmebilanz innerhalb des Kessels für einzelne Rußbläser oder eine Teilgruppe der Rußbläser der Rußblasezeitpunkt ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass für das Rußblasen
- im Verdampferbereich und im Überhitzerbereich insbesondere die Einspritzrate des Frischdampfes und die Ein- und Aus¬ trittstemperaturen des Überhitzers berücksichtigt werden,
- im Zwischenüberhitzerbereich die Einspritzrate des Zwischenüberhitzerdampfes berücksichtigt wird, mit der Absicht, diese zu minimieren,
- im Economizer-Bereich insbesondere der Abgasverlust berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass bei sich daraus ergebenden kurzen Betriebzeiten seit einer letzten Reinigung aller Rußbläser eines Wärmetauschers dieser als sauber definiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Verschmutzung einzelner Wärmetauscher ermittelt wird, indem ein aktueller Wärmeübergangskoeffizient (HTC) an den betrachteten Flächen anhand einer aktuellen Wärmebilanz erfasst wird,
dass für einzelne Wärmetauscher der Grad der Verschmutzung durch Vergleich mit zuvor im sauberen Zustand aufgenommenen Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt wird, wobei der Ein- fluss der relativen Kessellast durch eine bereichsweise line- are Regression berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Grad der Verschmutzung durch den Verschmutzungsfak- tor V anhand der Formel V=l-q/qo bestimmt wird, wobei
q die spezifische Wärmeleistung des Dampfes je K Temperatur¬ differenz zwischen Rauchgas und Dampf und qo die spezifische Dampfleistung bei einem als sauber definiertem Zustand darstellt .
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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