VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ÜBERWACHEN DER VERBRENNUNG EINES KRAFTWERKS MITTELS EINER REALEN KONZENTRATIONSVERTEILUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks, insbesondere eines Kohlekraftwerks, bei dem bzw. der unter anderem eine reale Konzentrationsverteilung eines ersten Stoffes im Verbrennungsraum ermittelt 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] Aus der US 2008/0011109 A1 ist eine Überwachung einer Verbrennung in einem Verbrennungsraum bekannt, bei der verschiedene Sensoren, wie Temperatur-, Sauerstoff-, Stickoxid- und Kohlendioxidsensoren, zur Messung der jeweiligen Zustandsgröße in den Brennerraum eingeführt werden. Unter Schwerkrafteinfluss durchwandern diese Sensoren den Brennerraum und liefern ort- und zeitabhängige Zustandsdaten, welche ausgewertet werden, wobei ein "vierdimensionales" Zustandsbild der jeweiligen Zustandsgröße im Verbrennungsraum ermittelt wird. Dieses kann nach der US 2008/0011109 A1 verwendet werden, um ein Prozessmodell der Verbrennung in einem Verbrennungsraum zu verifizieren, optimale Verbrennungsräume zu designen und/oder die Verbrennung bei einem solchermaßen überwachten Verbrennungsraum optimal zu fahren.

[0006] In der US 4,362,499 ist auch eine Überwachung einer Verbrennung in einem Verbrennungsraum beschrieben, bei der mittels am Gasaustritt des Verbrennungsraums angeordneter, entsprechender Sensoren die Zustandsgrößen, Sauerstoffkonzentration, Kohlenmonoxidkonzentration und Temperatur, kontinuierlich gemessen werden. Diese Sensordaten werden ausgewertet, wobei für verschiedene Zeitpunkte für die Zustandsgrößen, Sauerstoff und Kohlenmonoxid, entsprechende Verbrennungsparameter ermittelt werden. Anhand dieser Verbrennungsparameter wird die Verbrennung über eine Sauerstoffeinspritzung gesteuert.

[0007] Die WO 2008/106056 A1 beschreibt die Überwachung der Verbrennung in einem Verbrennungsraum, wobei hier die Zustandsgrößen, Sauerstoff(-konzentration), Kohlenmonoxid(-konzentration) und Temperatur, für zwei Stellen im Verbrennungsraum mittels (Laser-)Absorptionsspektroskopie ermittelt werden. Anhand der Stauerstoff(-konzentration) und der Kohlenmonoxid(-konzentration) wird dann die Schadstoffemissionen der Verbrennung, wie Stickoxid, bestimmt.

[0008] Dokumente WO97/10473, GB2443551 und DE69923357T2 offenbaren ein Verfahren zur Überwachung einer Verbrennungsraum.

[0009] Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine weitergehende Überwachung der Verbrennung in einem Kraftwerk zu ermöglichen, um damit die Grundlage für die Optimierung des Verbrennungsprozesses zu liefern.

[0010] Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0011] Der Grundgedanke der Erfindung liegt mit anderen Worten darin, dass während der Verbrennung in einem Kraftwerk eine Konzentrationsverteilung eines vorgegebenen Stoffes (dem so genannten zweiten Stoff) aus einer Kombination der bekannten Konzentrationsverteilung eines anderen Stoffes (dem so genannten ersten Stoff) und aus physikalischen Gesetzmäßigkeiten ermittelt werden kann. So ist es möglich, eine bisher nicht mess- bzw. detektierbare Konzentrationsverteilung eines Stoffes, insbesondere eines Gases, anhand dieser Vorgehensweise weitestgehend realitätsnah abzubilden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann nicht nur ein nahezu vollständiges Bild der Verbrennung in einem Kessel eines Kraftwerks erzeugt werden, sondern diese Erzeugung orientiert sich darüber hinaus weitestgehend an der realen Situation des laufenden Betriebs. Es wird von realen Eingangsgrößen ausgegangen und nicht allein auf eine Simulation aufgebaut. Zusätzlich werden physikalische Gesetzmäßigkeiten, wie sie auch im Rahmen einer Simulation genutzt werden bzw. werden könnten, herangezogen, um Konzentrationsverteilungen von Stoffen für die weitere Optimierung der Verbrennung nutzbar zu machen, die bisher nicht gemessen werden konnten.

[0012] Bei der obigen Definition der Erfindung wird unter "Stoff" allgemein jede Art von Verbrennungsedukt und/oder -produkt verstanden, insbesondere in Form von Gas als Bestandteil des Abgases.

[0013] Die Diffusion ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit vollständigen Durchmischung zweier Stoffe führt. Diffusion beruht (im Gegensatz zur Strömung) auf der thermischen Eigenbewegung von Teilchen. Bei den Teilchen kann es sich um Atome, Moleküle oder Ladungsträger handeln. Bei ungleichmäßiger Verteilung bewegen sich statistisch mehr Teilchen aus Bereichen hoher in Bereiche geringer Konzentration bzw. Teilchendichte als umgekehrt. Dadurch wird netto ein makroskopischer Stofftransport bewirkt.

[0014] Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die reale Konzentrationsverteilung des ersten Stoffes in mindestens einer Ebene ermittelt. Es wird also auf mindestens eine zweidimensionale bzw. 2D-Verteilung der Konzentration des ersten Stoffes aufgebaut, um die Konzentrationsverteilung weiterer Stoffe unter Berücksichtigung physikalischer Gesetzmäßigkeiten im Kessel abzubilden. Derartige 2D-Verteilungen können mit den oben erläuterten, bereits bekannten Messverfahren mit hoher Messgenauigkeit abgebildet werden.

[0015] Bei einer vierten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Temperaturverteilung im Verbrennungsraum ermittelt. Die Temperaturverteilung wird für die Ermittlung der Konzentrationsverteilung des ersten Stoffes mitverwendet, als auch bei der Festlegung der erfindungsgemäß berücksichtigten physikalischen Gesetzmäßigkeiten sowie deren Parametrisierung.

[0016] Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Konzentrationsverteilung des zweiten Stoffes in mindestens einer Ebene ermittelt. Die 2D-Ermittelung kann mit vertretbarem computertechnischem Aufwand realisiert werden. Ferner ermöglichst sie es mittels einer Schichtung der 2D-Ebenen eine gute näherungsweise Abbildung der zugehörigen Konzentrationen im dreidimensionalen Verbrennungsraum zu erzeugen.

[0017] Bei einer nicht beanspruchten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Konzentration des zweiten Stoffes an einer Stelle im Verbrennungsraum als eine Funktion von der Temperatur bzw. der Temperaturverteilung an anderen Stellen und von der Konzentration bzw. Konzentrationsverteilung des ersten Stoffes an anderen Stellen ermittelt. Die derartige Funktion kann beispielsweise wie folgt lauten:

c(NO_x) an der Stelle x, y, z
= f(Temperaturverteilung an allen anderen Stellen,

c(O₂)-Verteilung an allen anderen Stellen),

wobei c(NO_x) die Konzentration von NO_x (Stickoxid) darstellt, f für die Funktion selbst steht und c(O₂) die Konzentration von O₂ (Sauerstoff) darstellt.

[0018] Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es möglich ein nahezu vollständiges Bild einer Verbrennung zu erhalten und diese Verbrennung damit besser regeln zu können. Physikalische Zusammenhänge werden erfindungsgemäß genutzt, um zusätzlich zu realen Messergebnissen weitere Informationen zu erzeugen. So kann beispielsweise ermittelt werden, wie sich Stickoxid-Gase im Verbrennungsraum verteilen, um genauere Aussagen über den Verbrennungsprozess zu generieren und diesen situationsbezogener regeln zu können. Als Eingangswerte für das erfindungsgemäße Verfahren werden insbesondere bevorzugt die Konzentrationen von O₂ (Sauerstoff), CO (Kohlenmonoxid) und CO₂ (Kohlendioxid) real gemessen.

[0019] Die genannten vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bevorzugt in Gestalt entsprechend angepasster Einrichtungen auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert.

[0020] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2

ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0021] 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.

[0022] Im Verbrennungsraum 10 sind zwei Messebenen 12 und 14 vorgesehen, an deren Rand sich jeweils 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 die Konzentrationen der Stoffe O₂ (Sauerstoff) und CO (Kohlenmonoxid) gemessen werden können. 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 der Absorptionsspektroskopie und der CAT-Technik.

[0023] 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.

[0024] Zur Optimierung verwendet die Optimierungseinrichtung 22 dabei physikalische Modellgleichungen der Diffusion und der Kinetik im Verbrennungsraum, die zuvor anhand eines Modells des Verbrennungsraums 10 erstellt und in der Optimierungseinrichtung 22 gespeichert worden sind.

[0025] Das zugehörige Verfahren ist in Fig. 2 veranschaulicht. Es umfasst den Schritt 28 des Aufstellens von physikalischen Modellgleichungen der Verbrennung im Verbrennungsraum 10 sowie weitere Schritte 30, 32 und 34. Im Schritt 30 wird die Konzentrationsverteilung zumindest der Stoffe O₂ und CO in den oben genannten Messebenen 12 und 14 ermittelt. Im Schritt 32 wird die Temperaturverteilung in diesen Ebenen ermittelt.

[0026] Diese Eingangsdaten werden im Schritt 34 verwendet, um die Konzentrationsverteilung eines weiteren Stoffes, vorliegend insbesondere NO_x, nicht nur in den Messebenen 12 und 14 sondern auch in den restlichen Bereichen des Verbrennungsraums 10 zu ermitteln. Gegebenenfalls können Rückschlüsse in diesem Schritt 34 sowie aus den Schritten 30 und 32 verwendet werden, um die Bildung der physikalischen Modellgleichungen im Schritt 28 weiter zu verbessern.

[0027] Auf der Grundlage dieser Ermittlung erfolgt dann in einem Schritt 36 eine Optimierung der Verbrennung, beispielsweise durch eine Änderung der Luftschichtung und/oder ein abschnittsweises Ändern des Luftüberschusses.

Ansprüche

1. Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere eines Kohlekraftwerks, mit den Schritten:

- Ermitteln (30) einer realen, zweidimensionalen Konzentrationsverteilung eines ersten Stoffes und einer zweidimensionalen Temperaturverteilung in mindestens einer Ebene im Verbrennungsraum mittels einer Kombination von Absorptionsspektroskopie und CAT-Messtechnik und

- Ermitteln (34) der zweidimensionalen Konzentrationsverteilung eines zweiten Stoffes in mindestens einer Ebene im Verbrennungsraum anhand

-- der ermittelten realen, zweidimensionalen Konzentrationsverteilung des ersten Stoffes und der zweidimensionalen Temperaturverteilung in der mindestens einen Ebene im Verbrennungsraum und

-- mindestens einer physikalischen Modellgleichung der Verbrennung im Verbrennungsraum, welche die Kinetik und/oder die Diffusion im Verbrennungsraum (10) abbildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die reale, zweidimensionale Konzentrationsverteilung des ersten Stoffes und die zweidimensionale Temperaturverteilung in zwei Ebenen im Verbrennungsraum ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die zweidimensionale Konzentrationsverteilung des zweiten Stoffes an mehreren, geschichteten Ebenen im Verbrennungsraum ermittelt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem der erste Stoff Sauerstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid ist.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem der zweite Stoff Stickoxid ist.

6. Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere eines Kohlekraftwerks, mit:

- einer Einrichtung (16) zum Ermitteln einer realen, zweidimensionalen Konzentrationsverteilung eines ersten Stoffes und einer zweidimensionalen Temperaturverteilung in mindestens einer Ebene im Verbrennungsraum mittels einer Kombination von Absorptionsspektroskopie und CAT-Messtechnik und

- einer Einrichtung (18) zum Ermitteln der zweidimensionalen Konzentrationsverteilung eines zweiten Stoffes in mindestens einer Ebene im Verbrennungsraum anhand

-- der ermittelten realen, zweidimensionalen Konzentrationsverteilung des ersten Stoffes und der zweidimensionalen Temperaturverteilung in der mindestens einen Ebene im Verbrennungsraum und

-- mindestens einer physikalischen Modellgleichung der Verbrennung im Verbrennungsraum, welche die Kinetik und/oder die Diffusion im Verbrennungsraum (10) abbildet.

Claims

1. Method for monitoring the combustion in a combustion chamber (10) of a power plant, in particular a coal-fired power plant, comprising the steps of:

- determination (30) of a real, two-dimensional concentration distribution of a first substance and a two-dimensional temperature distribution in at least one plane in the combustion chamber by means of a combination of absorption spectroscopy and CAT measurement technology and

- determination (34) of the two-dimensional concentration distribution of a second substance in at least one plane in the combustion chamber based on

-- the determined real, two-dimensional concentration distribution of the first substance and the two-dimensional temperature distribution in the at least one plane in the combustion chamber and

-- at least one physical model equation of the combustion in the combustion chamber, which maps the kinetics and/or the diffusion in the combustion chamber (10).

2. Method according to claim 1,
wherein the real, two-dimensional concentration distribution of the first substance and the two-dimensional temperature distribution are determined in two planes in the combustion chamber.

3. Method according to claim 1 or 2,
wherein the two-dimensional concentration distribution of the second substance is determined at multiple, layered planes in the combustion chamber.

4. Method according to one of claims 1 to 3,
wherein the first substance is oxygen, carbon monoxide or carbon dioxide.

5. Method according to one of claims 1 to 4,
wherein the second substance is nitrogen oxide.

6. Apparatus for monitoring the combustion in a combustion chamber (10) of a power plant, in particular a coal-fired power plant, having:

- a device (16) for the determination of a real, two-dimensional concentration distribution of a first substance and a two-dimensional temperature distribution in at least one plane in the combustion chamber by means of a combination of absorption spectroscopy and CAT measurement technology and

- a device (18) for the determination of the two-dimensional concentration distribution of a second substance in at least one plane in the combustion chamber based on

-- the determined real, two-dimensional concentration distribution of the first substance and the two-dimensional temperature distribution in the at least one plane in the combustion chamber and

-- at least one physical model equation of the combustion in the combustion chamber, which maps the kinetics and/or the diffusion in the combustion chamber (10).

Revendications

1. Procédé de contrôle de la combustion dans un espace (10) de combustion d'une centrale électrique, notamment d'une centrale à charbon, comprenant les stades :

- détermination (30) d'une répartition réelle en deux dimensions de la concentration d'une première substance et d'une répartition en deux dimensions de la température dans au moins un plan de l'espace de combustion, au moyen d'une combinaison d'une spectroscopie d'absorption et d'une technique de mesure CAT et

- détermination (34) de la répartition en deux dimensions de la concentration d'une deuxième substance dans au moins un plan de l'espace de combustion à l'aide

-- de la répartition réelle en deux dimensions de la concentration qui a été déterminée de la première substance et de la répartition en deux dimensions de la température dans le au moins un plan de l'espace de combustion et

-- d'au moins une équation modèle physique de la combustion dans l'espace de combustion qui reproduit la cinétique et/ou la diffusion dans l'espace (10) de combustion.

2. Procédé suivant la revendication 1,
dans lequel on détermine la répartition réelle en deux dimensions de la concentration de la première substance et la répartition en deux dimensions de la température dans deux plans de l'espace de combustion.

3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2,
dans lequel on détermine la répartition en deux dimensions de la concentration de la deuxième substance sur plusieurs plans stratifiés de l'espace de combustion.

4. Procédé suivant au moins l'une des revendications 1 à 3,
dans lequel la première substance est l'oxygène, le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone.

5. Procédé suivant au moins l'une des revendications 1 à 4,
dans lequel la deuxième substance est un oxyde d'azote.

6. Système de contrôle de la combustion dans un espace (10) de combustion d'une centrale électrique, notamment d'une centrale à charbon, comprenant :

- un dispositif (16) de détermination d'une répartition réelle en deux dimensions de la concentration d'une première substance et d'une répartition en deux dimensions de la température dans au moins un plan de l'espace de combustion, au moyen d'une combinaison d'une spectroscopie d'absorption et d'une technique de mesure CAT et

- un dispositif (18) de détermination de la répartition en deux dimensions de la concentration d'une deuxième substance dans au moins un plan de l'espace de combustion à l'aide

-- de la répartition réelle en deux dimensions de la concentration qui a été déterminée de la première substance et de la répartition en deux dimensions de la température dans le au moins un plan de l'espace de combustion et

-- d'au moins une équation physique modèle de la combustion dans l'espace de combustion qui reproduit la cinétique et/ou la diffusion dans l'espace (10) de combustion.

Zeichnung