Verfahren zur Regelung einer thermodynamischen Anlage und Messvorrichtung hierfür

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Regelung einer thermodynamischen Anlage (1), gemäß dem wenigstens eine Fördereinrichtung (5) jeweils wenigstens zwei ihr zugeordnete Brenner (7) mit Brennstoff beschickt und bei jedem vorhandenen Brenner (7) das Bild einer sich ausbildenden Flamme (11) erfaßt und verarbeitet wird, wird vom Bild der Flamme (11) wenigstens ein interessierendes Gebiet in der Flammenwurzel im Nahfeld des Brenners (7) ausgewählt und dessen Intensität (I) als zeitabhängiges Signal erfaßt und zur Regelung verwendet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer thermodynamischen Anlage, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1, und eine Meßvorrichtung zur Verwendung hierfür mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 5.

[0002] Bei einem bekannten Verfahren dieser Art beschickt jede vorgesehene Fördereinrichtung die ihr zugeordneten Brenner mit einer unbekannten Verteilung der Massenströme und der Kornspektren der als Brennstoff dienenden Kohle, wobei die unbekannten Werte eine exakte Regelung sehr erschweren. Bei jedem vorhandenen Brenner schließt eine Meßvorrichtung aus dem Vorhandensein eines Bildes der Flamme auf das Vorhandensein der Flamme.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art hinsichtlich der Datenmenge zu verbessern und eine geeignete Meßvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0004] Dadurch, daß vom Bild der Flamme wenigstens ein interessierendes Gebiet in der Flammenwurzel im Nahfeld des Brenners ausgewählt und dessen Intensität als zeitabhängiges Signal erfaßt und zur Regelung verwendet wird, kann mit geringem Aufwand eine die Flamme in guter Näherung kennzeichnende kleine Datenmenge erfaßt werden, die für die Regelung wichtige Informationen liefert. Es können auch mehrere interessierende Gebiete beobachtet werden. Aufgrund des beschränkten Umfangs der Datenmenge ist eine schnelle Verarbeitung sichergestellt. Die Anwendung kann bei verschiedenen thermodynamischen Anlagen, wie Kraftwerken, erfolgen, unabhängig vom Brennstoff und seinem Aggregatszustand. Der Brennstoff kann daher beispielsweise Kohle, Öl oder Gas sein.

[0005] Vorzugsweise wird zur Herausarbeitung der Merkmale der Flamme aus dem erfaßten zeitabhängigen Signal ein Spektrum ermittelt, beispielsweise mit einer Fast-Fourier-Transformation oder einem anderen mathematischen Verfahren, aus welchem dann wenigstens ein charakteristischer Wert ermittelt wird, vorzugsweise aber mehrere Werte, beispielsweise fünf. Aus dem oder den charakteristischen Werten kann durch eine multiple Regression oder ein anderes mathematisches Verfahren die bestmögliche Annäherung an eine Kombination bekannter Brennstoffpartikelspektren und/oder Verteilungen der Massenströme pro Brenner jeder Fördereinrichtung (beispielsweise Mühle oder Pumpe), welche zur Initalisierung vorab abzufahren sind, erreicht werden, also das aktuelle Brennstoffpartikelspektrum und/oder die aktuelle Verteilung der Massenströme ermittelt werden. Das Brennstoffpartikelspektrum ist im Falle von Kohle ein Kornspektrum, im Fall von Öl ein Tröpfchenspektrum. Im Falle von Gas wird nur die Verteilung der Massenströme ermittelt.

[0006] Eine geeignete Meßvorrichtung zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welche ein Bild der Flamme erhält, weist wenigstens eine Diode auf, welche jeweils genau ein interessierendes Gebiet aus dem Bild der Flamme erfaßt, also sich auf einen Teil des Bildes beschränkt. Dies verringert die zu erfassende und zu verarbeitende Datenmenge. Bei mehreren interessierenden Gebieten sind entsprechend viele Dioden vorgesehen. Der Diode ist vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung zugeordnet, insbesondere eine eigene Auswerteeinrichtung, welche dann vorzugsweise das Spektrum und den oder die charakteristischen Werte ermittelt. Die weiterzuleitende Datenmenge ist dann minimal. Als Auswerteeinrichtung kann aber auch der Hauptcomputer fungieren, wobei dann allerdings ein - im Vergleich zu den charakteristischen Werten größeres - Feld mit Daten von der Meßvorrichtung an den Hauptcomputer zu übermitteln ist.

[0007] Zum Justieren der Diode, d.h. zum Ausrichten derselben auf das interessierende Gebiet, ist vorzugsweise eine Videokamera vorgesehen, die vorzugsweise wahlweise an die Meßvorrichtung anschließbar ist. Nach dem Justieren kann die Videokamera von der Meßvorrichtung entfernt werden, was die Gesamtkosten bei einer größeren Anlage trotz mehrerer Meßvorrichtungen dämpft. Zur Vereinfachung des Justierens benutzen die Diode und die Videokamera vorzugsweise den gleichen optischen Zugang, beispielsweise ein gemeinsames Boroskop, an welches ein Strahlteiler angeschlossen ist.

[0008] Eine entsprechende thermodynamische Anlage, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt wird, weist außer einem Ofen und wenigstens einer Fördereinrichtung, insbesondere einer Mühle oder Pumpe, der wenigstens zwei Brenner zugeordnet sind, wenigstens eine der erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen auf, vorzugsweise jedoch für jeden Brenner eine Meßvorrichtung. Der Brennstoff für ein Kraftwerk ist vorzugsweise Kohle, jedoch können auch andere, insbesondere feste Brennstoffe verwendet werden, auch als Beimischung.

[0009] Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Kraftwerk,

Fig. 2

eine schematische Darstellung einer Meßvorrichtung, und

Fig. 3

ein Spektrum der Intensität in einem ausgewählten Gebiet einer Flamme.

[0010] In einem Kraftwerk 1, welches ein Beispiel einer thermodynamischen Anlage ist, sind mehrere Bunker 3 mit grobkörmigem Kohlekonzentrat, Mittelkorn und Feinkorn vorgesehen, aus welchen eine Mühle 5 als Fördereinrichtung beschickt wird. Statt Kohle könnte im Prinzip auch ein anderer Brennstoff verwendet oder beigemischt werden. Die von der Mühle 5 ausgegebene Kohle K wird zusammen mit der Primärluft L_P einem Brenner 7 in einem Ofen 9 zugeführt, wobei jede Mühle 5 aus Kostengründen mehrere Brenner 7, in der Zeichnung beispielsweise zwei Stück, beschickt. An jedem Brenner 7 bildet sich dann im Ofen 9 eine Flamme 11 aus. Unterhalb der Brenner 7 wird die Sekundärluft L_s in den Ofen 9 geblasen.

[0011] Jede Flamme 11 wird optische von einer Meßvorrichtung 15 erfaßt, welche ein in den Ofen 9 ragendes Boroskop 17 aufweist, das ein Bild der Flamme 11 in das Innere der Meßvorrichtung 15 abbildet. Mittels eines Strahlteilers 19 wird das Bild der Flamme 11 einerseits auf eine wahlweise an die Meßvorrichtung 15 angeschlossene Videokamera 21 und andererseits auf eine Diode 23 gelenkt, welche mit einer Abtastfrequenz von beispielsweise bis zu 2 kHz - und gegebenenfalls angepaßter spektraler Empfindlichkeit - ein hochzeit- oder optional hochspektralaufgelöstes Signal aufnimmt. Dabei ist das Boroskop 17 mit Hilfe der Videokamera 21 so justiert, daß die Diode 23 auf ein interessierendes Gebiet (ROI = Region of interest) in der Flammenwurzel im Nahfeld des Brenners 7 ausgerichtet ist, welche in der Zeichnung schematisch durch ein Kreuz symbolisiert ist. Nach dem Justieren kann die Videokamera 21 entfernt und für die Justierung einer anderen Meßvorrichtung 15 verwendet werden.

[0012] Die Diode 23 gibt das empfangene Signal vorzugsweise an eine eigene Auswerteeinrichtung 25, welche eine nachfolgend beschriebe Auswertung vornimmt und das Ergebnis an einen Computer 31 weitergibt. Dieser Computer 31 dient der Regelung des Kraftwerks 1, d.h. aufgrund der von den Meßvorrichtungen 15 gelieferten Ergebnisse werden zur Erreichung eines Optimierungszieles, beispielsweise minimalem Ausstoß von Stickoxiden, verschiedene Stellgrößen betätigt, beispielsweise die der Mühle 5 zugeführte Kohlemischung und -qualität, welche einen Einfluß auf das Kornspektrum jedes Brenners 7 haben, die Kohlemenge und die Menge der Primärluft und der Sekundärluft. Da verschiedene Brenner 7 jeder Mühle 5 zugeordnet sind, sind die wirksamen Stellgrößen nicht alle bekannt.

[0013] Um daher das Kornspektrum an jedem Brenner 7 sowie die Verteilung der Kohlemassenströme auf die verschiedenen Brenner 7 einer Mühle 5 zu ermitteln, wird in der Auswerteeinrichtung 25 jeder Diode 23 oder optional im Computer 31 das aufgenommene zeitabhängige Signal einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen und ein Spektrum bis etwa 1000 Hz erhalten (Sampling-Theorem). Das Spektrum weist in einem Bereich von etwa 100 bis 1000 Hz einen exponentiellen Abfall der Intensität I auf und kann in guter Näherung durch fünf charakteristische Werte beschrieben werden.

[0014] Diese fünf charakteristischen Werte sind der frequenzunabhängige, konstante Intensitätsanteil M1, welcher der Intensität I bei der Frequenz f=0 entspricht, der mittlere Frequenzwert M2 im Bereich des Intensitätsabfalls, d.h. der Abstand des Bereichs des Intensitätsabfalls von der Frequenz f=0, die Lage und Breite M3 (alternativ Minimal- und Maximalwert) des Bereichs des Intensitätsabfalls, der Regressionskoeffizienz M4, d.h. die Steigung im Bereich des Intensitätsabfalls und die Streuung M5, d.h. die Bandbreite der Intensität im Bereich des Intensitätsabfalls. Ein anfängliches Abfahren bekannter Kornspektren und bekannter Kohlemassenstromverteilungen dient der Initialisierung und Bestimmung der absoluten Werte. Aus einer multiplen Regression oder einem anderen Annäherungsverfahren mit den genannten fünf Werten von allen Brennern 7 über die Zeit hinweg kann eine bestmögliche Annäherung an eine Kombination der bekannten Kornspektren und bekannten Kohlemassenströme erreicht werden, aus der die für die Regelung erwünschten Größen ermittelt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Regelung einer thermodynamsichen Anlage ( 1 ), gemäß dem wenigstens eine Fördereinrichtung (5) jeweils wenigstens zwei ihr zugeordnete Brenner (7) mit Brennstoff beschickt und bei jedem vorhandenen Brenner (7) das Bild einer sich ausbildenden Flamme (11) erfaßt und verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vom Bild der Flamme (11) wenigstens ein interessierendes Gebiet in der Flammenwurzel im Nahfeld des Brenners (7) ausgewählt und dessen Intensität (I) als zeitabhängiges Signal erfaßt und zur Regelung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem erfaßten zeitabhängigen Signal ein Spektrum ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Spektrum wenigstens ein charakteristischer Wert (M1, M2, M3, M4, M5) ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem oder den charakteristischen Werten (M1, M2, M3, M4, M5) durch eine Regression das Kornspektrum und/oder die Verteilung der Massenströme pro Brenner (7) jeder Fördereinrichtung (5) ermittelt wird.

5. Meßvorrichtung (15) zur Verwendung bei einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche ein Bild der Flamme (11) erhält, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Diode (23) vorgesehen ist, welche genau ein interessierendes Gebiet aus dem Bild der Flamme (19) erfaßt.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Diode (23) eine Auswerteeinrichtung (25) zugeordnet ist.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (25) das Spektrum und den oder die charakteristischen Werte (M1, M2, M3, M4, M5) ermittelt.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein wahlweise an die Meßvorrichtung (15) anschließbare Videokamera (21) vorgesehen ist, mittels welcher die Diode (23) auf das ihr zugeordnete, interessierende Gebiet justierbar ist, wobei die Videokamera (21) nach dem Justieren von der Meßvorrichtung (15) entfernbar ist.

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (23) und die Videokamera (21) den gleichen optischen Zugang (17) benutzen.

10. Thermodynamische Anlage ( 1 ), welche mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 geregelt wird, mit einem Ofen (9), wenigstens einer Fördereinrichtung (5), der wenigstens zwei Brenner (7) zugeordnet sind, und wenigstens einer Meßvorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 5 bis 9.

Zeichnung