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(11) | EP 0 915 297 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Verfahren zur laufenden Optimierung der Luftzufuhr bei Verbrennungsanlagen |
| (57) Aufgabe: Die Luftzufuhr in Feuerungsanlagen soll im laufenden Betrieb automatisch optimiert werden und zwar für jeden einzelnen Brenner und über den ganzen Lastbereich. Bestehende Anlagen sollen leicht nachgerüstet werden können und die Verfügbarkeit der Anlage soll nicht beeinträchtigt werden. Lösung: In einem Computer wird ein lastabhängiges Korrektursignal erzeugt und auf den Luftregler aufgeschaltet. Diese Korrektursignal verändert den Sollwert des Luftreglers so, daß sich ein optimaler Luftdurchfluß einstellt. Wenn die Feuerungsanlage zufällig eine ruhige Phase mit geringer Laständerung durchläuft, wird das Korrektursignal versuchsweise so lange verändert, bis CO im Rauchgas erscheint. Aus diesen Messungen werden die Stützpunkte für das Korrektursignal gewonnen. Die angewandte Methode stellt sicher, daß die Stützpunkte über den ganzen Lastbereich verteilt sind und der Betrieb nicht unnötig durch Versuche beeinträchtigt wird. Anwendungsgebiet: Die Erfindung ist vor allem anwendbar in Industriekraftwerken und in Feuerungsanlagen mit häufigen Lastwechseln. |
[0001] Aus den Offenlegungsschriften DE 3423946 A1 und DE 3100267 A1 sind Verfahren bekannt geworden, bei denen die optimale Verbrennungsluftzufuhr ermittelt wird, indem diese durch einen periodisch oder von Hand ausgelösten Steuereingriff automatisch so lange verringert wird, bis CO im Rauchgas erscheint. Die Verbrennungsluftzufuhr wird dann so eingestellt, daß sie um einen Sicherheitsabstand über dem so gefundenen Wert liegt.
[0002] Diese Verfahren eignen sich auch für Feuerungsanlagen mit mehreren Brennern, weil sich das CO im Rauchgas sehr empfindlich nachweisen läßt und so die Brenner einzeln optimiert werden können.
[0003] Aus der zweiten Offenlegungsschrift ist außerdem bekannt geworden, daß neben dem Auftreten von CO noch andere Kriterien zur Beurteilung der Einstellung herangezogen werden können.
[0004] Diese Verfahren erlauben die Optimierung jedoch nur bei einem ganz bestimmten Brennstoffdurchfluß. Die optimale Verbrennungsluftzufuhr ändert sich aber mit dem Brennstoffdurchfluß und zwar wird im allgemeinen bei großem Brennstoffdurchfluß ein geringerer Luftüberschuß benötigt als bei einem kleinen. Dies ergibt sich global aus dem Massenwirkungsgesetz, die Einzelheiten hängen jedoch auch von der Brennerkonstruktion, der Art des Brennstoffes und vielen weiteren Bedingungen ab.
[0005] Aus der Patentschrift DE 30 39 994 C2 und der europäischen Patentanmeldung EP 02 09 771 A1 ist weiterhin bekannt geworden, daß es möglich ist, bei der Erstinbetriebnahme eines Brenners die optimale Luftzufuhr über den interessierenden Lastbereich punktweise aufnehmen und in einem Computer zu speichern. Diese Verfahren sind jedoch nicht anwendbar im laufenden Betrieb.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das während des Betriebes eine laufende, automatische Optimierung der Verbrennungsluftzufuhr über den ganzen Lastbereich ermöglicht.
[0008] Einem (zweckmäßigerweise auf hohen Luftüberschuß eingestellten) Luftregler (1) wird ein in einem Computer (7) erzeugtes Korrektursignal aufgeschaltet, das dem Sollwert entgegenwirkt.
[0009] Dieses Korrektursignal hat zwei Aufgaben:
1. Im Normalbetrieb verringert es, abhängig vom Brennstoffdurchfluß, den Sollwert so weit, daß sich eine optimale Verbrennungsluftzufuhr einstellt.
2. Bei einem Optimierungsversuchen wird es so weit erhöht - und damit der Sollwert verringert - bis CO im Rauchgas erscheint.
[0010] Diese Struktur hat zwei wesentliche Vorteile:
1. Für die Aufschaltung des Korrektursignals wird lediglich ein freier Eingang an einem (eventuell bereits vorhandenen) Luftregler benötigt. Weitere Umbauten sind nicht erforderlich. Das Verfahren eignet sich deshalb auch sehr gut zur Nachrüstung in bereits vorhandenen Anlagen. 2. Bei Ausfall des Computers (7) bleibt die konventionelle Luftregelung wirksam, so daß die Gesamtanlage verfügbar bleibt.
[0011] Bei Anlagen mit mehreren Brennern oder Brennergruppen mit jeweils eigener Luftregelung ist der Luftregler (1) zwar mehrfach vorhanden, der Computer (7) jedoch zweckmäßigerweise nur einmal. Er bedient alle Luftregler gleichzeitig.
[0012] Die Gestaltung der Luftregelung selbst unterliegt keinen Beschränkungen. Abb. 1 zeigt lediglich eine dem Stand der Technik entsprechende gängige Variante als Beispiel.
[0013] Der Luftregler (1) erhält als Istwert den Luftdurchfluß, gemessen im Transmitter (2), und als Sollwert den in einem Rechenbaustein (3) mit einem Faktor bewerteten Brennstoffdurchfluß, gemessen im Transmitter (4). Der Faktor ist meist von der Warte aus verstellbar (Lambda-Steller), was durch den Leitbaustein (5) angedeutet ist. Zusätzlich zum Sollwert wird noch ein konstantes Signal aufgeschaltet, das z.B. am Potentiometer (6) eingestellt wird.
[0014] Diese Schaltung erzeugt im Automatikbetrieb einen Luftdurchfluß gemäß der Linie (9). Bei einem Brennstoffdurchfluß von Null entsteht ein Luftdurchfluß, der dem am Potentiometer (6) eingestellten Wert entspricht. Mit steigendem Brennstoffdurchfluß steigt der Luftdurchfluß an, aber wegen der abnehmenden Bedeutung der Konstanten langsamer als proportional. Damit ist bereits eine gewisse Anpassung der Verbrennungsluftzufuhr an den Brennstoffdurchfluß möglich, die sich jedoch nicht selbst optimiert.
[0015] Der Zusammenhang zwischen Brennstoffdurchfluß und optimaler Verbrennungsluftzufuhr ist im allgemeinen reproduzierbar. Deshalb kann für jeden Luftregler im Computer (7) eine Kurve hinterlegt werden, wie sie unter (11) dargestellt ist. Sie wird durch lineare Interpolation aus mehreren Stützpunkten berechnet, die ihrerseits durch Optimierungsversuche ermittelt worden sind. Entlang dieser Kurve (11) entsteht gerade so viel CO im Rauchgas, daß die Messung eben anspricht. Das Korrektursignal im Normalbetrieb entspricht dann Kurve (10), die um einen Sicherheitsabstand s oberhalb von Kurve (11) liegt.
[0016] Bei der Ermittlung der Stützpunkte besteht die Schwierigkeit, daß während eines Optimierungsversuches wegen der Trägheit der CO-Messung der Brennstoffdurchfluß möglichst konstant sein muß. Nun gibt es auch in Betrieben mit häufigem Lastwechsel, z.B. Industriekraftwerken, immer wieder auch Phasen in denen die Last relativ konstant ist, aber es ist nicht vorhersehbar, wann und an welchen Stellen dies eintritt.
[0017] Zur Lösung dieses Problems macht sieh die Erfindung folgende Tatsachen zunutze:
1. Wie bereits erwähnt ist der Zusammenhang zwischen Brennstoffdurchfluß und optimaler Luftzufuhr reproduzierbar. Änderungen treten im allgemeinen schleichend ein (z.B. wegen Verschmutzung oder Abnutzung). Es ist deshalb nicht erforderlich, die Stützpunkte laufend nachzujustieren. Nachmessung im Abstand von 1 bis 2 Tagen genügen vollkommen. Bei einem Defekt oder einem Brennstoffwechsel muß allerdings sofort nachjustiert werden.
2. Zur Berechnung des Korrektursignals ist nicht erforderlich, daß die Stützpunkte immer an der gleichen Stelle liegen. Auch brauchen sie nicht äquidistant zu sein.
[0018] Erfindungsgemäß wird demnach der infrage kommende Bereich des Brennstoffdurchflusses für jeden Luftregler in eine konstruktiv festzulegende Anzahl (typisch 10) Intervalle eingeteilt. In jedem dieser Intervalle liegt genau ein Stützpunkt. Seine Lage innerhalb des Intervalls ist belanglos und wird vom Zufall bestimmt.
[0019] Wenn durch einen Optimierungsversuch eine neuer Stützpunkt für ein Intervall ermittelt wird, dann wird der alte verworfen. Der neue Stützpunkt wird im allgemeinen innerhalb des Intervalls an einer anderen Stelle liegen.
[0020] Grundvoraussetzung für die Optimierungsversuche ist die ständige Überwachung der Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffdurchflusses. Wenn sie unterhalb eines Grenzwertes (typisch 0.5 bis 1 % pro Minute) liegt, wird die Optimierungsroutine gestartet. Die Überwachung wird während der Routine fortgesetzt und ein eventueller Optimierungsversuch wird sofort abgebrochen, wenn sich der Brennstoffdurchfluß wieder schneller zu ändern beginnt.
[0021] Die einzelnen Luftregler können sich in einer ruhigen Phase durchaus in unterschiedlichen Intervallen befinden, etwa wenn eine "schiefe" Lastverteilung gefahren wird.
[0022] Die Optimierungsroutine beginnt mit einer Überprüfung der Situation in den aktuellen Intervallen:
1. Es wird für jeden Luftregler überprüft, ob der zum aktuellen Intervall gehörende Stützpunkt gültig ist. Beim ersten Luftregler, bei dem dies nicht zutrifft, wird ein Optimierungsversuch eingeleitet. (Zur Bedeutung der Gültigkeit siehe unten.) Wenn die ruhige Phase nach Abschluß des Optimierungsversuches noch anhält, kann der nächste Luftregler mit ungültigem Stützpunkt in Angriff genommen werden usw.
2. Wenn alle Stützpunkte gültig sind, wird das Alter der Stützpunkte überprüft. Ein Optimierungsversuch wird nur eingeleitet, wenn das Alter eines Stützpunktes größer als die Überwachungszeit ist. (Typisch: 24 bis 48 Stunden). Sollte dies für mehrere Stützpunkte zutreffen, wird zuerst der Luftregler mit dem ältesten Stützpunkt, dann der mit dem zweitältesten usw nachjustiert.
3. Sollte keine der genannten Bedingungen zutreffen, wird im Normalbetrieb weitergefahren. Es ist nicht vorteilhaft, den Betrieb durch unnötige Optimierungsversuche zu beeinträchtigen.
[0023] Bei einem Optimierungsversuch wird das Korrektursignal langsam erhöht und damit der Sollwert für den Luftregler abgesenkt. Im Automatikbetrieb - dieser ist Voraussetzung für den Optimierungsversuch - verringert sich die Zufuhr an Verbrennungsluft. Wenn im Rauchgas CO in einer Konzentration knapp oberhalb der Ansprechschwelle des Transmitters (8) nachweisbar wird, werden folgende Werte als neuer gültiger Stützpunkt gespeichert.
| 1. der überprüfte Luftregler | k |
| 1. das zugehörige Intervall | i |
| 2. der Brennstoffdurchfluß bei Aufnahme des Stützpunktes | x ( k, i ) |
| 3. die Größe des Korrekturwertes bei Auftreten von CO | y ( k, i ) |
| 4. der Zeitpunkt des Versuches | t ( k, i ) |
| 5. die Gültigkeit | g ( k, i ) |
[0024] Da der Brennstoffdurchfluß während des Versuches nicht völlig konstant sein wird, kann es vorkommen, daß er während des Versuches in ein benachbartes Intervall hinübergleitet. In diesem Fall werden die Werte für das neue Intervall gespeichert, auch dann, wenn dessen Stützpunkt jünger als die Überwachungszeit ist. Schließlich ist es nicht notwendig ist, einmal gewonnene Informationen wegzuwerfen.
[0025] Am Abstand des neuen Stützpunktes von der Verbindungslinie zwischen seinen (älteren) Nachbarn kann erkannt werden, ob eine wesentliche Veränderung seit der letzten Messung eingetreten ist. In diesem Fall werden alle Stützpunkte dieses Luftreglers ungültig gesetzt und so eine Neumessung bei nächster Gelegenheit erzwungen.
[0026] Ist die Veränderung außerdem in Richtung auf höheren Luftbedarf erfolgt, werden alle Stützpunkte um den entsprechenden Betrag nach unten korrigiert und so eine Parallelverschiebung der Kurve erzeugt, um Luftmangel in jedem Fall zu vermeiden.
[0027] Tritt während des laufenden Betriebes, also außerhalb der Optimierungsversuche, CO im Rauchgas auf, muß angenommen werden, daß ein Defekt vorliegt. In diesem Fall wird das Korrektursignal überall auf Null gesetzt. Der Computer (7) ist dann wirkungslos und die ursprüngliche Luftregelung arbeitet alleine. Sie ist zweckmäßigerweise auf hohen Luftüberschuß eingestellt, so daß CO in jedem Fall vermieden wird. Außerdem werden sämtliche Stützpunkte ungültig gesetzt und so Neumessungen bei der ersten ruhigen Gelegenheit erzwungen. Sobald die erste Messung vorliegt, wird die oben beschriebene Parallelverschiebung der Kurve vorgenommen.
[0028] Bei der Erstinbetriebnahme einer neuen Anlage wird diese aus vielfältigen anderen Gründen langsam hochgefahren. Dabei ist in der Regel die Brennstoffregelung - nicht die Luftregelung - auf Hand. Die Grundvoraussetzung des konstanten Brennstoffdurchflusses ist damit erfüllt, so daß bereits während des ersten Hochfahrens ein Satz Stützpunkte ohne besondere Maßnahmen nebenbei gewonnen werden kann.
[0029] Im Einzelfall kann ein Stützpunkt recht alt werden, sei es, daß das zugehörige Intervall nie mehr, sei es, daß es immer zu schnell durchlaufen wurde. Deshalb wird im laufenden Betrieb für jeden Luftregler das aktuelle Intervall und das Alter und die Gültigkeit des zugehörigen Stützpunktes auf dem Bildschirm des Computers (7) angezeigt. Wenn nach Meinung des Bedienungspersonals in diesem Intervall nachjustiert werden sollte, so genügt es, die Brennstoffregelung für einige Minuten auf Hand zu nehmen. Die Nachjustierung läuft dann automatisch ab. In Industriekraftwerken - dem Hauptanwendungsgebiet der Erfindung - sind in der Regel noch weitere Kessel vorhanden, die für diese Zeit die Lastregelung übernehmen können. Das Verfahren ist also denkbar einfach zu handhaben.
[0030] Im Normalbetrieb erfolgt die Berechnung des Korrektursignals für jeden Luftregler ( k ) in folgenden Schritten:
1. Ermittlung des Brennstoffdurchflusses. Er sei x( k ).
2. Feststellen des Intervalls. Es sei i
3. Feststellen, ob der aktuelle Brennstoffdurchfluß links oder rechts vom Stützpunkt des Intervalls i liegt
4. Errechnen des Korrekturwertes y durch Interpolation
falls links von dem Stützpunktfalls rechts vom Stützpunkt:
[0031] An den Rändern, d.h. oberhalb des obersten und unterhalb des untersten Stützpunktes wird entsprechend extrapoliert und zwar für Brennstoffdurchflüsse unterhalb des untersten Stützpunktes:
und oberhalb des obersten (n-ten) Stützpunktes:
[0032] In den obigen Formeln ist s der Sicherheitsabstand, der notwendig ist, um CO zu vermeiden. Seine Größe muß individuell für jede Anlage bestimmt werden. Er hängt u.a. vom dynamischen Verhalten der Luftregelung ab oder davon, ob eine Luftvorhaltregelung installiert ist oder nicht.
[0034] Das Korrektursignal verhindert CO-Bildung bei gleichzeitiger Vermeidung unnötig hoher Luftüberschüsse genau dann, wenn der Computer (7) die Echtzeitbedingungen einhalten kann. Da der Algorithmus zur Ermittlung der Stützpunkte einfach gehalten werden konnte und insbesondere rechenaufwendige statistische Methoden vermieden wurden, ist dies auch mit einfachen Rechnern möglich.
a) der Zusammenhang zwischen Brennstoffdurchfluß und Luftbedarf in Form einer durch Stützpunkte repräsentierten Kurve in einem Computer hinterlegt ist und
b) die Verbrennungsluftzufuhr durch einen Steuereingriff so lange vermindert wird bis ein Kriterium, insbesondere das Auftreten einer nachweisbaren Konzentration von CO im Rauchgas, die minimal notwendige Luftzufuhr anzeigt und
c) die Luftzufuhr dann auf einen um einen Sicherheitsabstand erhöhten Wert eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daßa) der infrage kommende Bereich des Brennstoffdurchflusses in eine konstruktiv zu bestimmende Anzahl von Intervallen eingeteilt wird und
b) jedem dieser Intervalle genau ein Stützpunkt zugeordnet wird und
c) dieser im laufenden Betrieb dann durch einen Optimierungsversuch ermittelt wird, wenn die Gesamtanlage zufällig innerhalb dieses Intervalls eine Phase mit konstantem oder nahezu konstantem Brennstoffdurchfluß durchläuft.
ein Optimierungsversuch nur eingeleitet wird, wenn seit dem letzten Versuch eine gewisse Zeit verstrichen ist oder der zugehörige Stützpunkt ungültig geworden ist.
alle Stützpunkte als ungültig angesehen werden, wenn im laufenden Betrieb CO im Rauchgas aufgetreten ist oder ein Optimierungsversuch ergibt, daß eine erhebliche Änderung in der Feuerungsanlage eingetreten ist.
eine Parallelverschiebung der ganzen Kurve vorgenommen wird, sobald nach einer Veränderung in Richtung auf höheren Luftbedarf und ungültigwerden der Stützpunkte die erste neue Messung vorliegt.
der Computer aus den Stützpunkten ein zum jeweiligen Brennstoffdurchfluß gehörendes Korrektursignal berechnet, das dem Luftregler derart aufgeschaltet wird, daß es dem Sollwert entgegenwirkt und das
a) im Normalbetrieb den Luftregler veranlaßt, die optimale Luftzufuhr sicherzustellen und
b) den im Oberbegriff unter b) erwähnte Steuereingriff ermöglicht, indem es bei einem Optimierungsversuch so lange und so weit vergrößert wird, bis das dort genannte Kriterium eintritt.