Verfahren und Vorrichtung zum Optimieren der Verbrennung in einem Kraftwerk

Abstract

 Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks wird eine reale Konzentrationsverteilung eines Stoffes und/oder eine reale Temperaturverteilung im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension gemessen, die reale Konzentrationsverteilung und/oder Temperaturverteilung ausgewertet und die Verbrennung des Brennmaterials derart gesteuert, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung und/oder Temperaturverteilung in der mindestens einen Dimension entsteht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks bei dem eine reale Konzentrationsverteilung eines Stoffes und/oder eine reale Temperaturverteilung im Verbrennungsraum gemessen wird.

[0002] Bei Kraftwerken ist es das grundlegende Ziel, die in einem Verbrennungsraum des Kraftwerks, beispielsweise einem Kessel mit einer quadratischen Grundfläche von 10 Meter mal 10 Meter, stattfindende Verbrennung möglichst großflächig zu überwachen, um daraus die notwendigen Größen für die Optimierung des Verbrennungsprozesses ableiten zu können.

[0003] So ist als Verfahren die Absorptionsspektroskopie bekannt. Als alternative Messtechnik ist die Schall-Pyrometrie bekannt. Mit Absorptionsspektroskopie oder Schall-Pyrometrie können nur Mittelwerte einer Linie im Kesselraum bzw. Verbrennungsraum gemessen werden.

[0004] Zum Berechnen der Temperatur- und -Konzentrationsverteilung in einer Ebene eines Verbrennungsraums aus gemessenen Mittelwerten an verschiedenen Stellen des Verbrennungsraumes eines Kraftwerks ist die CAT-Messtechnik, die Computer Aided Tomographie, bekannt.

[0005] Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine weitergehende Optimierung der Verbrennung in einem Kraftwerk zu schaffen.

[0006] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Verfahren gemäß Anspruch 5, einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0007] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks umfasst die Schritte: Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension, Auswerten der realen Konzentrationsverteilung und Steuern der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung des Stoffes in der mindestens einen Dimension entsteht.

[0008] Alternativ oder zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks die Schritt: Messen einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension, Auswerten der realen Temperaturverteilung und Steuern der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Temperaturverteilung in der mindestens einen Dimension entsteht.

[0009] Entsprechend umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks eine Einrichtung zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension, eine Einrichtung zum Auswerten der realen Konzentrationsverteilung und eine Einrichtung zum Steuern der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung des Stoffes in der mindestens einen Dimension entsteht.

[0010] Alternativ oder zusätzlich umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks eine Einrichtung zum Messen einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension, eine Einrichtung zum Auswerten der realen Temperaturverteilung und eine Einrichtung zum Steuern der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Temperaturverteilung in der mindestens einen Dimension entsteht.

[0011] Bei einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Messen zweidimensionale Konzentrationsverteilungen und/oder Temperaturverteilungen gemessen und daraus beim Auswerten mindestens eine eindimensionale Konzentrationsverteilung bzw. Temperaturverteilung errechnet.

[0012] Bei einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Auswerten mindestens eine Kennzahl für die Symmetrie der realen Konzentrationsverteilung und/oder Temperaturverteilung ermittelt und beim Steuern mindestens ein Steuerparameter in Abhängigkeit der mindesten einens Kennzahl verändert.

[0013] Bei einer dritten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Auswerten die reale Konzentrationsverteilung und/oder Temperaturverteilung in mehrere Abschnitte zerlegt und die Verbrennung derart gesteuert, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung bzw. Temperaturverteilung in jedem der Abschnitte entsteht.

[0014] Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß auf der Grundlage bekannter Messtechniken eine mindestens eindimensionale, bevorzugt aber zweidimensionale Verteilung für die Temperatur und/oder Konzentration mindestens eines Stoffes erzeugt. Aus der derart gemessenen Verteilung werden eindimensionale bzw. mathematische Verteilungen oder Kurven entlang einer Achse bzw. entlang eines Achsenabschnitts berechnet. Zu den Verteilungen werden bevorzugt Kennzahlen ermittelt, die die Symmetrie bzw. Asymmetrie (Schiefe) der mathematischen Verteilung erfassen oder beschreiben. In Abhängigkeit der Kennzahlen werden geeignete Stellorgane, wie z.B. Zuteiler für Kohle oder Luftregelklappen derart vertrimmt, dass eine symmetrische Vereilung in jeder Achse entsteht. Wenn entlang einer Achse mehrere mathematische Verteilungen existieren, werden die betrachteten Achsen in geeignete Achsenabschnitte aufgeteilt und es wird dann für jeden der Abschnitte die oben genannte Optimierung vorgenommen.

[0015] Mit der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorgehensweise und der zugehörigen Vorrichtung wird eine weitergehend homogene und damit schadstoffarme Verbrennung unter automatischer Anpassung der Regelungsparameter möglich. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 3 graphische Darstellungen mittels Graustufen der Verteilungen von CO und O₂ in einer Messebene der Vorrichtung gemäß Fig. 1 vor und nach einer erfindungsgemäßen Optimierung.

[0016] In Fig. 1 ist ein Verbrennungsraum 10 eines weiter nicht veranschaulichten Kohlekraftwerks dargestellt, in dem beim Betrieb des Kohlekraftwerks ein Kohlefeuer brennt. In dem Verbrennungsraum 10 befinden sich dabei das Brennmaterial Kohle mit zugehörigen Brenngasen, Flammen 11 sowie Abgase.

[0017] Im Verbrennungsraum 10 sind zwei Messebenen 12 und 14 vorgesehen, an deren Rand sich jeweils beabstandet von einander Messinstrumente 16 befinden. Jeweils zwei der Messinstrumente 16 ermöglichen eine linienförmige Messung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14, wobei mit Hilfe der Messinstrumente 16 und einer zugehörigen Auswerteeinrichtung 18 z. B. die Konzentration der Stoffe O₂ (Sauerstoff) und CO (Kohlenmonoxid) gemessen werden können.

[0018] Ferner kann mit den Messinstrumenten 16 und der Auswerteeinrichtung 18 die Temperaturverteilung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14 ermittelt werden. Die Messung beruht dabei auf einer Kombination von Messtechnik und CAT-Berechnung.

[0019] Die Auswerteeinrichtung 18 ist über einen Datenbus 20 mit einer Optimierungseinrichtung 22, einer Bedieneinrichtung 24 und einer Leiteinrichtung bzw. Leittechnik 26 betrieblich gekoppelt. Über die Bedieneinrichtung 24 werden die von der Auswerteeinrichtung 18 ermittelten realen Konzentrationsverteilungen sowie Temperaturverteilungen derart genutzt, dass mit der Optimierungseinrichtung 22 Vorschläge für eine Optimierung der Verbrennung erstellt und diese in der Leiteinrichtung 26 verwandt werden können. Dadurch werden die in dem Verbrennungsraum 10 brennenden Flammen 11 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Ausstoß von NO_x (Stickoxid) optimiert.

[0020] Zur Optimierung wertet die Optimierungseinrichtung 22 die gemessenen realen Konzentrationsverteilungen aus und steuert die Verbrennung derart, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung der Stoffe Sauerstoff und Kohlenmonoxid in mindestens einer Achse bzw. Dimension entsteht.

[0021] Das zugehörige Verfahren ist in Fig. 2 veranschaulicht. Es umfasst den Schritt 28 des Messens der Konzentrationsverteilung zumindest der Stoffe O₂ und CO in den oben genannten Messebenen 12 und 14. Im Schritt 30 wird die Temperaturverteilung in diesen Ebenen ermittelt.

[0022] Diese Eingangsdaten werden im Schritt 32 verwendet, um aus den Konzentrationsverteilungen eindimensionale bzw. mathematische Verteilungen bzw. Kurven sowie zugehörige Kennzahlen für die Symmetrie bzw. Asymmetrie der Verteilungen auszuwerten. Ferner werden die Verteilungen bzw. Kurven im Schritt 32 in mehrere Abschnitte mit eigenen, zugehörigen Verteilungen zerlegt.

[0023] Nachfolgend wird in einem Schritt 34 auf der Grundlage dieser Ermittlungen eine Optimierung der Verbrennung dahingehend vorgenommen, dass symmetrische Konzentrations- und Temperaturverteilungen entstehen. Diese können in den Messebenen 14 und 16 überwacht werden, so dass insgesamt ein geschlossener Regelkreis zum Schritt 28 entsteht.

[0024] Obwohl aus der Messung gemäß den Schritten 28 und 30 tausende von Merkmalen bzw. Informationen der Verbrennung ausgewertet werden könnten, wird bei der beschriebenen Vorgehensweise bewusst nur ein sehr kleiner Ausschnitt bzw. Teil dieser Informationen verarbeitet. Anders wäre ein sinnvolles Verhältnis von Kosten zu Nutzen nicht zu erreichen.

[0025] Die Auswertung erfolgt bezogen auf drei Grundannahmen bzw. drei Grundvereinfachungen: Es werden nur direkte Messwerte, Momente und Gradienten der Messungen verwendet. So wird insbesondere die Verteilungstomographie der gemessenen Konzentrationen und Temperaturen auf der Basis von insbesondere 20 bis 25 Kreuzungspunkten der Messungen rekonstruiert. Diese direkten Messwerte werden als Merkmalsvektoren beschrieben. Es werden ferner die grundlegenden Differenzwerte zwischen diese direkten Messwerten verwendet und es können, wenn gewünscht, aufgrund von Interpolation Zwischenwerte ermittelt werden.

[0026] Um Verteilungen in jeder gewünschten Richtung zu erhalten, werden das erste bis vierte Moment entlang der Horizontalen, der Vertikalen und der beiden Diagonalen eines jeden Messfeldes, also jedes Feldes zwischen den Kreuzungspunkten ermittelt. Die Momente werden basierend auf den Profilen bzw. Verteilungen längs jeder Messrichtung bzw. Dimension ermittelt. Das erste und zweite Moment repräsentieren den Durchschnittswert und die Varianz bzw. Streuung einer Verteilung. Das dritte und vierte Moment repräsentieren die Schiefe und die Wölbung einer Verteilung. Die Schiefe ist ein Maß für die Symmetrie bzw. den Mangel an Symmetrie. Die Wölbung ist ein Maß, ob die Verteilung im Vergleich zu einer normalen Verteilung bzw. Normverteilung spitz oder flach ist.

[0027] In jedem Messfeld wird ferner der Gradient des Durchschnittswertes ermittelt. Die Magnitude bzw. der Wert des Gradienten gibt (z.B. dargestellt als ein Pfeil im jeweiligen Messfeld) Auskunft darüber, wo sich in der Verteilung Spitzen bzw. Konzentrationen befinden. Fig. 3 zeigt das Ergebnis der derart vorgenommenen Optimierung der Verbrennung. Es ist aus der Fig. 3 deutlich die weitestgehend symmetrische Verteilung von CO und O₂ in der Messebene 12 nach der Optimierung zu erkennen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks mit den Schritten:

- Messen (28) einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension,

- Auswerten (32) der realen Konzentrationsverteilung und

- Steuern (34) der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung des Stoffes in der mindestens einen Dimension entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem beim Messen (28) zweidimensionale Konzentrationsverteilungen gemessen und daraus beim Auswerten (32) mindestens eine eindimensionale Konzentrationsverteilung errechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem beim Auswerten (32) mindestens eine Kennzahl für die Symmetrie der realen Konzentrationsverteilung ermittelt und beim Steuern (34) mindestens ein Steuerparameter in Abhängigkeit der mindestens einen Kennzahl verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem beim Auswerten (32) die reale Konzentrationsverteilung in mehrere Abschnitte zerlegt und die Verbrennung derart gesteuert wird, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung in jedem der Abschnitte entsteht.

5. Verfahren zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit den Schritten:

- Messen (30) einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension,

- Auswerten (32) der realen Temperaturverteilung und

- Steuern (34) der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Temperaturverteilung in der mindestens einen Dimension entsteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem beim Messen (30) zweidimensionale Temperaturverteilungen gemessen und daraus beim Auswerten (32) mindestens eine eindimensionale Temperaturverteilung errechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
bei dem beim Auswerten (32) mindestens eine Kennzahl für die Symmetrie der realen Temperaturverteilung ermittelt und beim Steuern (34) mindestens ein Steuerparameter in Abhängigkeit der mindestens einen Kennzahl verändert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
bei dem beim Auswerten (32) die reale Temperaturverteilung in mehrere Abschnitte zerlegt und die Verbrennung derart gesteuert wird, dass eine symmetrische Temperaturverteilung in jedem der Abschnitte entsteht.

9. Vorrichtung zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks mit

- einer Einrichtung (16) zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension,

- einer Einrichtung (18) zum Auswerten der realen Konzentrationsverteilung und

- einer Einrichtung (22, 26) zum Steuern der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Konzentrationsverteilung des Stoffes in der mindestens einen Dimension entsteht.

10. Vorrichtung zum Optimieren der Verbrennung von Brennmaterial in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks, insbesondere nach Anspruch 9, mit

- einer Einrichtung (16) zum Messen einer realen Temperaturverteilung im Verbrennungsraum in mindestens einer Dimension,

- einer Einrichtung (18) zum Auswerten der realen Temperaturverteilung und

- einer Einrichtung (22, 26) zum Steuern der Verbrennung des Brennmaterials derart, dass eine symmetrische Temperaturverteilung in der mindestens einen Dimension entsteht.

Zeichnung