[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Bildung von Ansätzen durch
Ablagerungen von Feststoffpartikeln aus einem heißen, staubbeladenen Rauchgas auf
den von einem Kühlmedium durchströmten, aus dicht miteinander verschweißten Rohren
gebildeten Wänden eines rechteckigen Feuerraumes eines Kessels mit den Merkmalen des
Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Bei der Befeuerung von Kesseln mit festem Brennstoff kommt es an den Heizflächen
rauchgasseitig zur Bildung von Ansätzen durch Ablagerungen von Feststoffpartikeln,
wie z. B. Asche. Aufgrund ihrer wärmeisolierenden Wirkung behindern solche Ansätze
auf den Heizflächen die Wärmeübertragung vom Rauchgas auf das Arbeitsmedium (Wasser/Wasserdampf)
in den Rohrwänden der Heizflächen, so dass der Kessel-Wirkungsgrad sinkt.
[0003] Im Bereich des Feuerraumes werden die Ansätze mittels Hochdruck-Wasserstrahlen aus
Wasser- oder Wasserlanzenbläsern abgereinigt. Dabei wird angestrebt, die Ansätze zum
einen möglichst vollständig abzureinigen und zum anderen zu vermeiden, saubere Heizflächenbereiche
mit dem Wasserstrahl zu treffen. Letzteres führt zu einer unnötigen Materialbelastung
der Rohrwände der Heizflächen infolge Thermoschock und daraus resultierend zu Kesselschäden.
Weiterhin wird angestrebt, zur Vermeidung von Leistungsverlusten durch den Reinigungsvorgang
nur so oft wie nötig zu reinigen. Zur Steuerung der Reinigungseinrichtungen in dem
Feuerraum kommen nach derzeitigem stand der Technik folgende Verfahren zur Anwendung:
a) Zeitsteuerung:
[0004] Basierend auf Erfahrungswerten wird der gesamte Feuerraum nach Ablauf fester Zeitintervalle
gereinigt. Dabei werden weder die gebildeten Ansätze gezielt bekämpft, noch sauber
gebliebene Bereiche verschont.
b) Wärmetechnische Diagnose des Wärmeübertragungsvermögens der Heizflächen:
[0005] Über eine Messung von Ein- und Austrittsparametern des Arbeitsmediums wird die Verminderung
der Wärmeübertragung der Heizfläche diagnostiziert und der Reinigungsvorgang ausgelöst.
Die in dem Feuerraum angeordneten Heizflächen gehören zum größten Teil zum Verdampfer,
der wärmetechnisch nur als Ganzes zu diagnostizieren ist. Somit wird immer die Reinigung
der gesamten verdampferheizfläche ausgelöst, ohne saubere Bereiche zu verschonen.
c) Lokalisierung von Ansätzen mittels in die Heizflächen eingeschweißter Wärmestromdichtesonden:
[0006] Der Wärmestrom vom Rauchgas zum Arbeitsmedium wird punktuell gemessen, und die Heizflächen
werden abschnittsweise auf der Basis der Messwerte gereinigt. Das ermöglicht, gezielt
verschmutzte Bereiche zu reinigen und saubere Bereiche zu verschonen. Die Installation
und Wartung der Wärmestromdichtesonden sind sehr aufwendig. Daher werden nur wenige
Messstellen installiert, so dass jedem Messpunkt mehrere hundert Quadratmeter Heizfläche
zugeordnet sind. Es ist somit nicht sichergestellt, dass die punktuelle Messung repräsentativ
für den zugeordneten Heizflächenbereich ist, d. h. der überwiegende Teil des Bereiches
kann z. B. sauber sein, während die Punktmessung Verschmutzung anzeigt.
d) Lokalisierung von Ansätzen mit Infrarotkamerasystemen:
[0007] Es ist bekannt, Infrarotkamerasysteme zur Beurteilung des Verschmutzungsgrades von
Heizflächen einzusetzen und durch rechnergestützte Auswertung der Infrarotaufnahmen
die geometrischen Ausmaße der Ansätze zu ermitteln (
DE 195 47 269 A1). Nach Maßgabe einer Auswertung werden die Ansätze durch einen Stoßgenerator entfernt.
Zur Durchführung des bekannten Verfahrens werden die Infrarotkameras in Luken und
Revisionsklappen des dem Feuerraum nachgeschalteten und Berührungsheizflächen aufnehmenden
Rauchgaszuges angeordnet. Über die Ausbildung der Infrarotkameras und die Auswertung
der Messergebnisse wird in der
DE 195 47 269 A1 nichts weiteres ausgeführt.
[0008] Bei dem aus der
DE 41 39 738 C2 bekannten Verfahren wird ein Infrarotbild der Wände des Feuerraumes eines Kessels
mit Hilfe einer Infrarotkamera aufgenommen. Die verwendete Infrarotkamera arbeitet
im nahen Infrarot-Bereich bei einer Wellenlänge von 1,5 bis 2,1 µm. Das bekannte Verfahren
ist nur für Ascheansätze mit einem hohen Reflektionsgrad einsetzbar. Das Verfahren
setzt außerdem einen nicht zu reinigenden Bezugsbereich auf der Feuerraumwand voraus.
Das Intensitätsverhältnis zwischen dem zu reinigenden Bereich und dem Bezugsbereich
ist das Maß für die Verschmutzung des zu reinigenden Bereiches. Eine vollständige
Reinigung der gesamten Wand ist damit nicht möglich.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überwachung der Bildung von Ansätzen
auf den Wänden von Feuerräumen mit Hilfe von Infrarotkameras einfacher und universell
einsetzbar zu gestalten.
[0010] Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
ist Gegenstand des Anspruches 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
[0011] Die Heizflächenverschmutzungen weisen aufgrund ihrer wärmeisolierenden Wirkung eine
höhere Oberflächentemperatur auf als unverschmutzte Heizflächen und sind daher in
einem Wärmebild eindeutig zu lokalisieren und qualitativ in ihrer Mächtigkeit zu bewerten.
Bei einer im mittleren Infrarotbereich liegenden bevorzugten Wellenlänge von 3,9 µm
weist die Feuerraumatmosphäre, die durch Feststoffpartikel getrübt ist und vor allem
Infrarotstrahlung absorbierende Bestandteile wie H
2O und CO
2 enthält, ihre maximal mögliche Transparenz auf, die es ermöglicht, die Feuerraumwände
zu erkennen.
[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch die Seitenansicht eines Feuerraumes und
Fig. 2 die Abwicklung des Feuerraumes nach Fig. 1.
[0013] Der Feuerraum eines mit Kohlenstaub befeuerten Kraftwerkskessels ist durch Wände
1 begrenzt, in denen Brenneröffnungen 2 zur Aufnahme von Brennern sowie Öffnungen
3 für den Austritt der Sekundärluft ausgespart sind. Die Wände 1 des Feuerraumes sind
aus Rohre aufgebaut, die durch Stege gasdicht miteinander verschweißt sind. Der Feuerraum
weist einen rechteckigen Querschnitt auf und endet in einem Trichter 4 mit einem Austrittsschlitz
5 für den Abzug von Asche. Am oberen Ende geht der Feuerraum in einen nicht gezeigten
Rauchgaszug über. Die Rohre der Wände 1 des Feuerraumes sind als Verdampfer geschaltet
und von Wasser und Wasserdampf als Arbeits- oder Kühlmedium durchströmt.
[0014] Ein Teil der bei der Verbrennung des Kohlenstaubes zurückbleibenden Feststoffpartikel
wird von dem in dem Feuerraum aufsteigenden Rauchgas mitgeführt. Je nach Menge und
Zusammensetzung der Feststoffpartikel bilden sich auf der Innenseite der Wände 1 mehr
oder weniger große Flächen von Ansätzen 6 durch Ablagerung von Feststoffpartikeln
aus dem Rauchgas. Da solche Ansätze 6 wärmeisolierend wirken und den Wärmeübergang
von dem Rauchgas auf das in den Rohren der Wände 1 strömende Kühlmedium beeinträchtigen,
werden die Wände 1 mit Hilfe von Wasser- oder Wasserlanzenbläsern oder durch andere
Reinigungssysteme abgereinigt und dadurch von den Ansätzen 6 befreit. Um zum Schutz
der Wände 1 die Ansätze 6 gezielt zu entfernen, wird das nachfolgend beschriebene
Infrarotkamerasystem eingesetzt.
[0015] In zwei benachbarten, also im rechten Winkel zueinander angeordneten Wänden 1 des
rechteckigen Feuerraumes ist je eine Infrarotkamera 7 installiert. Die beiden Infrarotkameras
7 sind zu einer Baugruppe zusammengefasst. Die Infrarotkameras 7 arbeiten im mittleren
Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 3 bis 5 µm. Vorzugsweise wird eine Wellenlänge
von 3,9 µm gewählt, weil für die Infrarotstrahlung mit dieser Wellenlänge die optimale
Transparenz in der Feuerraumatmosphäre erreicht wird.
[0016] Für den Einsatz in Feuerräumen geeignete Infrarotkameras sind aus der
EP 1 347 325 A1 bekannt. Sie bestehen aus einem Objektivkörper 8, einem Umkehrsystem und einem in
das Innere des Feuerraumes hineinragenden Objektivkopf 9. Der Objektivkopf 9 ist mit
einem Schrägausblick 10 versehen.
[0017] Der Objektivkopf 9 und das Umkehrsystem enthalten jeweils ein Linsensystem, das je
nach Einsatzort und Verwendungszweck unterschiedliche Bildwinkel (Weitwinkel- oder
Normalobjektiv) aufweisen kann. Wie in Fig. 1 durch die gestrichelten Linien angedeutet
ist, sind der Neigungswinkel des Schrägausblicks 10 und/oder der Bildwinkel des Linsensystems
so gewählt, dass die Infrarotkamera 7 die gesamte Breite einer Wand 1 erfassen kann.
Je nach Größe der Wand 1 können auch mehrere Infrarotkameras 7 über- oder nebeneinander
in einer Wand 1 installiert sein.
[0018] Jede Infrarotkamera 7 ist um 360° um ihre Längsachse 11 drehbar. Bei einer Drehung
der beiden zu einer Baugruppe verbundenen Infrarotkameras 7 können jeweils zwei gegenüberliegende
Wände 1 und damit insgesamt die Innenflächen des Feuerraumes vollständig erfasst werden.
Die beiden Infrarotkameras 7 bilden damit im Verbund ein Wärmebild von allen Wänden
1 des Feuerraumes ab.
[0019] Das beschriebene Infrarotkamerasystem arbeitet auf folgende Weise. Die Infrarotkameras
7 werden schrittweise über eine angeschlossene handelsübliche, nicht dargestellte
Zentraleinheit gesteuert und definiert gedreht. In jeder Position wird über einen
bestimmten Zeitraum ein Infrarot-Film in der angeschlossenen handelsüblichen, nicht
dargestellten Zentraleinheit abgespeichert.
[0020] Aus den Infrarot-Filmen wird durch eine übliche elektronische Bildverarbeitung in
der nicht dargestellten Zentraleinheit ein Wärmebild mit bestmöglicher Abbildungsqualität
der Wände 1 des Feuerraumes gewonnen. Dabei wird der Strahlungseinfluss der im Rauchgas
enthaltenen Feststoffpartikel wie folgt eliminiert:
[0021] Die Öffnungen 3 für den Austritt der Sekundärluft verschmutzen nicht an den Öffnungen
3 und weisen eine bekannte konstante Temperatur auf. Es wird die scheinbare Temperatur
an den Öffnungen 3 für den Austritt der Sekundärluft im Wärmebild gemessen. Aus der
bekannten tatsächlichen Temperatur und der im Wärmebild gemessenen Temperatur wird
die Größe des Strahlungseinflusses der im Rauchgas enthaltenen Feststoffpartikel auf
der Grundlage eines üblichen mathematisch-physikalischen Strahlungsmodells von Feststoffpartikeln
im Rauchgas von der nicht dargestellten Zentraleinheit ermittelt. Anhand des mathematisch-physikalischen
Strahlungsmodells und den ermittelten Parametern wird für jeden Bildpunkt der Strahlungseinfluss
der im Rauchgas enthaltenen Feststoffpartikel bestimmt und über die nicht dargestellte
Zentraleinheit eleminiert.
[0022] Das gewonnene Wärmebild wird in der Zentraleinheit geometrisch entzerrt und in dem
Koordinatensystem XY (Fig. 2) koordinatengenau zu einer Mantelabwicklung der Wände
1 des Feuerraumes zusammengesetzt. Das zusammengesetzte Wärmebild der Mantelabwicklung
ist dann weitgehend frei vom Strahlungseinfluss der Feststoffpartikel im Rauchgas.
[0023] Die Wärmeübertragung zwischen Rauchgas und den Wänden 1 der Heizflächen des Feuerraumes
erfolgt durch Wärmestrahlung. Die Wärmestromdichte in Kilowatt pro Quadratmeter ist
dabei definiert als die auf eine Fläche der Wand des Feuerraumes auftreffende Halbraumstrahlung.
Die Wärmestromdichte hängt von der Temperatur und der Zusammensetzung der Rauchgase
ab. Dabei variiert die Wärmestromdichte über die Höhe des Feuerraumes und bei wechselnden
Betriebszuständen der Feuerung.
[0024] Das gewonnene Wärmebild der Mantelabwicklung gibt die vorhandene Oberflächentemperatur
auf den Wänden 1 des Feuerraumes wieder. Aus der Betriebsweise und der Konstruktion
des Feuerraumes sind die Temperatur des in den Rohren der Wände 1 des Feuerraumes
strömenden Kühlmediums sowie die Wanddicke der Rohre und die Wärmeleitfähigkeit des
Rohrwerkstoffes bekannt. Aus den bekannten vorgegebenen Werten lassen sich bei vorbestimmter
Wärmestromdichte in Kilowatt pro Quadratmeter die Oberflächentemperatur und der unter
Berücksichtigung des Wärmeüberganges an das Kühlmedium übertragene Wärmestrom einer
von Ansätzen 6 freien Wand 1 ermitteln. Die dann an einer beliebigen Stelle auf herkömmliche
Weise gemessene Oberflächentemperatur wird mit der ermittelten Oberflächentemperatur
einer von Ansätzen 6 freien Wand 1 in der nicht dargestellten Zentraleinheit verglichen.
Nach dem erfolgten Vergleich gibt das Wärmebild Auskunft über die Lage der Ansätze
6 auf den Wänden 1 des Feuerraumes und eine qualitative Bewertung der Dicke der festgestellten
Ansätze aufgrund von deren wärmeisolierenden Wirkung.
[0025] Die an einer beliebigen Stelle des Innenmantels der Wand 1 des Feuerraumes gemessene
Oberflächentemperatur wird dazu verwendet, bei vorbestimmter Wärmestromdichte, Temperatur
des in den Rohren der Wände 1 des Feuerraumes strömenden Kühlmediums, Wanddicke der
Rohre und Wärmeleitfähigkeit des Rohrwerkstoffes anhand bekannter physikalischer Gesetze
den an das Kühlmedium übertragenen Wärmestrom mit Hilfe der nicht dargestellten Zentraleinheit
zu ermitteln. Der so ermittelte übertragene Wärmestrom wird ins Verhältnis gesetzt
zu dem Wärmestrom, den die von Ansätzen 6 freie Wand 1 zum selben Zeitpunkt an das
Kühlmedium übertragen würde. Die zueinander ins Verhältnis gesetzten Wärmeströme bilden
die sogenannte Heizflächenwertigkeit, die zwischen Null und Eins liegt. Mit den ermittelten
Heizflächenwertigkeiten ermöglicht die nicht dargestellte Zentraleinheit einem Reinigungssystem,
die Ansätze 6 an den Wänden 1 zielgenau und mit einer an die Stärke der Ansätze angepassten
Intensität abzureinigen.
[0026] Für die Ermittlung der Heizflächenwertigkeiten ist die Kenntnis der Wärmestromdichte
erforderlich, nämlich die auf eine Fläche der Feuerraumwand auftreffende Halbraumstrahlung
in Kilowatt pro Quadratmeter. Die Bestimmung der Wärmestromdichte ist dabei mit zwei
unterschiedlichen Verfahren möglich, welche abhängig vom konstruktiven Aufbau des
Feuerraumes alternativ oder in Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Verfahren 1:
[0027] Für jeden definierten Betriebszustand des Kessels wird die Wärmestromdichte mit einer
bekannten mobilen Messsonde an mehreren Punkten der Feuerraumwand im Zuge der Inbetriebnahme
des Infrarotkamerasystems gemessen. Zwischen den Messpunkten erfolgt eine Interpolation.
Die ermittelte Verteilung der Wärznestromdichte über die Wand 1 des Feuerraumes wird
für jeden Betriebszustand im Auswerterechner der nicht dargestellten Zentraleinheit
hinterlegt. Beim Betrieb des Infrarotkamerasystems werden Daten aus dem Prozessleitsystem
des Kessels elektronisch an den Auswerterechner übertragen. Anhand der übertragenen
Betriebsdaten erfolgt die Identifikation des aktuellen Betriebszustandes. Die für
den aktuellen Betriebszustand hinterlegte Verteilung der Wärmestromdichte über die
Wände 1 des Feuerraumes kommt für die Bestimmung der Heizflächenwertigkeiten zur Anwendung.
Verfahren 2:
[0028] In der Wand 1 des Feuerraumes befinden sich kleinflächige Bereiche, die nicht von
kühlmediumdurchströmten Rohren, sondern von ungekühltem Mauerwerk gebildet werden.
Der in den kleinflächigen Bereichen durch die Wand 1 des Feuerraumes hindurchtretende
Wärmestrom ist vernachlässigbar klein. Aus der beim Betrieb des Infrarotkamerasystems
von einem solchen positionsmäßig bekannten Bereich mittels Infrarotkamera gemessenen
Oberflächentemperatur lässt sich somit anhand bekannter physikalischer Gesetze die
auf diesen Bereich auftreffende Wärmestromdichte ermitteln. Zwischen den kleinflächigen,
als Messpunkte dienenden ungekühlten Bereichen erfolgt eine Interpolation, so dass
die Verteilung der Wärmestromdichte über die Wand 1 des Feuerraumes direkt aus dem
Wärmebild der Mantelabwicklung bestimmt wird und für die Bestimmung der Heizflächenwertigkeiten
zur Anwendung kommt.
[0029] Bei der Bestimmung der Heizflächenwertigkeiten geht der mit nur begrenzter Genauigkeit
bekannte und zeitlich veränderliche Emissionsgrad der Ansätze 6 der Wände 1 als Fehlergröße
in die Bestimmung der Heizflächenwertigkeiten ein. Da die zur Bestimmung der Wärmestromdichte
nach Verfahren 2 herangezogenen ungekühlten Bereiche mit Ansätzen 6 gleicher Art und
damit gleichen Emissionsgrades bedeckt sind wie andere Bereiche der Wände 1 des Feuerraumes,
kompensiert sich weitestgehend der emissionsgradbedingte Fehler bei der Bestimmung
der Wärmestromdichte nach Verfahren 2 mit dem emissionsgradbedingten Fehler bei der
Ermittlung der Heizflächenwertigkeiten. Bei Anwendung von Verfahren 2 oder einer Kombination
der Verfahren 1 und 2 zur Bestimmung der Wärmestromdichte ist somit der Fehlereinfluss
des mit nur begrenzter Genauigkeit bekannten und zeitlich veränderlichen Emissionsgrades
der Ansätze 6 der Wände 1 auf die Bestimmung der Heizflächenwertigkeiten sehr gering.
1. Verfahren zur Überwachung der Bildung von Ansätzen (6) durch Ablagerungen von Feststoffpartikeln
aus einem heißen, staubbeladenen Rauchgas auf den von einem Kühlmedium durchströmten,
aus dicht miteinander verschweißten Rohren gebildeten Wänden (1) eines rechteckigen
Feuerraumes eines Kessels durch die Aufnahme eines Infrarotbildes der Wände (1) mit
Hilfe einer Infrarotkamera (7), dadurch gekennzeichnet, dass über die gesamte Fläche der Wände (1) des Feuerraumes die genaue Oberflächentemperatur
mit zwei um 90° zueinander versetzten Infrarotkameras (7) über ein gewonnenes Wärmebild
der Mantelabwicklung des Feuerraumes erfasst wird, dass die erfasste genaue Oberflächentemperatur
mit der an der jeweiligen Messstelle bekannten Temperatur des Kühlmediums unter Berücksichtigung
der Wanddicke und der Wärmeleitfähigkeit der Rohre der Wände (1) des Feuerraums verglichen
wird, dass die von jeder Infrarotkamera (7) aufgenommenen Einzelaufnahmen zu einer
Gesamtabwicklung der Wände (1) des Innenmantels der Feuerraumes zusammengesetzt werden
und dass aus der Gesamtabwicklung die Koordinaten und aus dem Temperaturvergleich
die Dicke der Ansätze (6) auf den Wänden (1) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten und die Dicke der Ansätze (6) auf den Wänden (1) an ein Reinigungssystem
zur zielgenauen und intensitätsgenauen Entfernung der Ansätze (6) weitergeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der genauen Oberflächentemperatur im mittleren Infrarot-Bereich von
3,0 bis 5,0 µm durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der genauen Oberflächentemperatur bei einer Wellenlänge von 3,9 µm
durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungseinfluss der im Rauchgas enthaltenen Feststoffpartikel mit einem mathematisch-physikalischen
Strahlungsmodell und den ermittelten Parametern für jeden Bildpunkt bestimmt und eliminiert
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine auf jeden Punkt der Wände (1) des Feuerraumes auftreffende wärmestromdichte
ermittelt wird
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei benachbarten Wänden (1) eines rechteckigen Feuerraumes eines Kessels jeweils
mindestens eine Infrarotkamera (7) angeordnet ist, dass jede Infrarotkamera (7) um
360° um ihre Längsachse (11) schrittweise drehbar angeordnet und mit einem Schrägausblick
(10) versehen ist, dass die Infrarotkamera (7) einen vorbestimmten Neigungswinkel
des Schrägausblicks (10) in Verbindung mit dem Bildwinkel der Infrarotkamera (7) aufweist
und dass die Infrarotkamera (7) die gesamte Breite einer Wand (1) des Feuerraumes
für eine Bildzusammensetzung, Bildverarbeitung und Bildauswertung erfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotkameras (7) um 90° versetzt zueinander in den Wänden (1) des Feuerraumes
angeordnet sind.