DE102012022221A1

DE102012022221A1 - Steuerung eines Fluidstroms in einer kraftwerkstechnischen Anlage

Info

Publication number: DE102012022221A1
Application number: DE102012022221.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Schreiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2015-09-03
Also published as: WO2014075653A1; EP2920518A1

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms in einer kraftwerkstechnischen Anlage (1). Die Steuerung weist einen Datenspeicher (3) auf, in dem zumindest eine thermodynamische und/oder strömungstechnische Zustandsgröße und/oder ein Betriebsparameter der Anlage (1) sowie für eine Komponente (4) der Anlage (1) wenigstens eine Eigenschaft, eine Kenngröße eines speziellen Betriebszustandes und/oder eine Charakteristik hinterlegt ist. Ferner ist eine Datenverarbeitungseinheit (2) vorgesehen, die auf der Grundlage von aus dem Datenspeicher (3) erhaltenen Daten zumindest eine Steuergröße generiert und ein Stellsignal erzeugt, das an die wenigstens eine Anlagenkomponente (4) zur Initiierung eines Stellvorgangs übertragen wird, so dass wenigstens zeitweise eine Veränderung wenigstens einer Zustandsgröße des Fluids erfolgt Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Datenverarbeitungseinheit (2) für zumindest einen Bereich der Anlage ein hydraulisches Modell (5) hinterlegt ist, in das die Daten aus dem Datenspeicher (3) derart eingefügt werden, dass während eines Betriebs der Anlage (1) mittels des hydraulischen Modells (5) die Steuergröße zur Erzeugung des Stellsignals für wenigstens eine den Fluidstrom beeinflussende Anlagenkomponente (4) generiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Steuerung eines Fluidstroms in einer kraftwerkstechnischen Anlage. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass unter kraftwerkstechnischer Anlage grundsätzlich Anlagen verstanden werden, in denen gezielt thermodynamische Prozesse ablaufen, wie es insbesondere sowohl bei Kraft-, Heiz- oder auch Heizkraftwerksanlagen wie auch bspw. bei Kälte- oder Luftzerlegungsanlagen der Fall ist. Bei dem Fluidstrom kann es sich um einen Luft-, Prozessgas oder Brennstoffstrom handeln. Die beschriebene Steuerung verfügt über einen Datenspeicher, in den zumindest eine thermodynamische Zustandsgröße und/oder ein Betriebsparameter der Anlage sowie für eine Komponente der Anlage wenigstens eine Eigenschaft, eine Kenngroße, ein spezieller Betriebszustand und/oder eine Charakteristik hinterlegt ist. Ferner verfügt die Steuerung Ober eine Datenverarbeitungseinheit, die auf der Grundlage von aus dem Datenspeicher erhaltenen Daten eine Steuergröße generiert und ein Stellsignal erzeugt, das an die wenigstens eine Anlagenkomponente, bei der es sich um ein Stellorgan und/oder eine Druckerhöhungseinheit handelt, übertragen wird, so dass wenigstens zeitweise eine Veränderung einer Zustandsgröße des Fluidstroms realisierbar ist.
Zur Messung thermodynamischer sowie strömungstechnischer Zustandsgrößen in Kraftwerksanlagen ist eine Vielzahl unterschiedlicher Messmethoden bekannt. So erfolgt beispielsweise die Durchfluss- und Mengenmessung von strömender Luft, Brennstoff oder anderer Prozessgase in geschlossenen Rohrleitungen oftmals mit Hilfe von Durchflussmessern oder Mengenmessern, bzw. so genannten Volumenzählern. Eine Zusammenfassung entsprechender Messverfahren kann aus der einschlägigen Literatur, beispielsweise aus „Karl W. Bonfig: Technische Durchflussmessung; Vulkan Verlag; Essen 2002” entnommen werden.
Vielfach kommen in Kraftwerken bei der Messung von Eigenschaften strömender Fluide auf einer Differenzdruckmessung basierende Systeme mit Messblenden, Staudrucksonden oder Venturi-Düsen zum Einsatz. Die entsprechenden Sensorsysteme werden in den Fluid führenden Leitungssystemen installiert, wobei mit Hilfe der Druckmessungen die Strömungsgeschwindigkeit der Fluide in den Leitungen bestimmt und unter Berücksichtigung der Leitungsgeometrie der jeweilige Mengen- bzw. Volumenstrom des Fluids ermittelt. Bei den Fluiden kann es sich um Luft, ein Prozessgas oder sogar einen partikelbeladenen Fluidstrom handeln. In Ergänzung zu den zuvor genannten Methoden sind indirekt arbeitende Messverfahren bekannt, bei denen Korrelationsmessungen an in der Strömung befindlichen oder zugegebenen Partikeln, die vorteilhaft mit einer Markierung versehen sind, vorgenommen und so die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Mengen- bzw. Volumenstrom der Fluide ermittelt werden kann. Ein derartiges Verfahren ist etwa aus der DE 10 2008 030 650 A1 bekannt. Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen Verfahren wird mit Hilfe einer Korrelationsmesseinrichtung das Brennstoff-Luft-Verhältnis bei der Verbrennung gemahlener Kohle in einer Kohlekraftwerkfeuerungsanlage gesteuert.
Die Messgenauigkeit, vor allem jedoch die Zuverlässigkeit und Robustheit der bestehenden Sensorsysteme, hängen in starkem Maße von der Einbauanlage der jeweiligen Einrichtung und den teilweise erheblichen Fluktuationen unterworfenen Betriebsbedingungen ab. Weiterhin ist stets zu berücksichtigen, dass der Messbereich, in dem vertrauenswürdige Daten ermittelt werden können, bei den bekannten Sensorsystemen physikalisch bedingt eingeschränkt ist. So führen beispielsweise größere Änderungen der Strömungsverhältnisse regelmäßig zu Falschmessungen. Den heutigen Anforderungen eines zunehmend von Lastvariationen geprägten dynamischen Kraftwerksbetriebes genügt dies nicht. Problematisch ist somit, dass die bekannten Systeme nicht zufriedenstellend in der Lage sind, sich an die teilweise kurzfristig veränderten Betriebsbedingungen adaptiv anzupassen.
Ein weiteres Problem bekannter Sensorsysteme in Kraftwerksanlagen besteht insbesondere darin, dass die jeweils benötigten Sensoren vornehmlich innerhalb der fluiddurchströmten Rohrleitungen angeordnet sind. An den jeweiligen Messstellen sind somit entsprechende Öffnungen vorzusehen, die nach Betriebsaufnahme teilweise aufwendig verschlossen und anschließend die Sensoren vor Aufnahme der Messung kalibriert werden müssen. Der Montageaufwand für derartige Sensoren in Kraftwerken ist teilweise erheblich. Darüber hinaus müssen derartige Sensorsysteme in regelmäßigen Abständen gewartet werden, um die dauerhafte Funktionsfähigkeit und Betriebssicherheit der Sensoren zu gewährleisten. Teilweise ist nach erfolgter Wartung eine erneute Kalibration des Sensorsystems erforderlich.
Ausgehend von den bekannten Steuerungen mit Sensorsystemen zur Ermittlung von Eigenschaften von Luft-, Prozessgas- oder Brennstoffströmen in modernen Kraftwerksanlagen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein solches System derart weiterzubilden, dass der Montage-, Wartungs- und Kalibrierungsaufwand für die verwendeten Sensoren zumindest erheblich reduziert werden kann. Das anzugebende System soll hierbei sowohl bei luft- oder gasförmigen Fluiden zuverlässig einsetzbar sein. Auch Zustandsgrößen partikelbeladener Fluidströme sollen mit großer Genauigkeit erfassbar und zur Steuerung dieser Fluidströme verwendbar sein.
Weiterhin soll die anzugebende Steuerung mit einem geeignet ausgeführten Sensorsystem derart ausgebildet sein, dass sich die einzelnen hardware- wie auch softwaretechnischen Systemkomponenten mit verhältnismäßig einfachen Mitteln in bereits bestehende Anlagen integrieren lassen. Auf diese Weise soll es möglich sein, bestehende Anlagen vergleichsweise einfach nachzurüsten, um sowohl im Hinblick auf die Ökonomie als auch die Ökologie Effektivitätssteigerungen zu erreichen.
Insgesamt soll somit eine zuverlässige, insbesondere fehlerminimale, und robuste Bestimmung verschiedener Zustandsgrößen von strömenden Fluiden innerhalb von Anlagen, in denen gezielt thermodynamische Prozesse genutzt werden, gewährleistet werden. Bei bestehenden Anlagen sollen hierbei auf vorteilhaft weise bereits vorhandene Mess- und Betriebsdaten nutzbar sein.
Die vorstehend erläuterte Aufgabe wird mit Hilfe einer Steuerung gemäß Anspruch 1 sowie eines Verfahrens gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Steuerung eines Fluidstroms in einer kraftwerkstechnischen Anlage vorgesehen. Die Steuerung weist einen Datenspeicher auf, in dem zumindest eine thermodynamische und/oder strömungstechnische Zustandsgröße und/oder ein Betriebsparameter der Anlage sowie für eine Komponente der Anlage wenigstens eine Eigenschaft, eine Kenngröße eines speziellen Betriebszustandes und/oder eine Charakteristik hinterlegt ist. Ferner ist eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen, die auf der Grundlage von aus dem Datenspeicher erhaltenen Daten zumindest eine Steuergröße generiert und ein Stellsignal erzeugt, das an die wenigstens eine Anlagenkomponente zur Initiierung eines Stellvorgangs übertragen wird, so dass wenigstens zeitweise eine Veränderung zumindest einer Zustandsgröße des Fluids erfolgt. Erfindungsgemäß ist die Steuerung derart weitergebildet worden, dass in der Datenverarbeitungseinheit für zumindest einen Bereich der Anlage ein hydraulisches Modell hinterlegt ist, in das die Daten aus dem Datenspeicher derart eingefügt werden, dass während eines Betriebs der Anlage mittels des hydraulischen Modells die Steuergröße zur Erzeugung des Stellsignals für wenigstens eine den Fluidstrom beeinflussende Anlagenkomponente generiert wird. Erfindungswesentlich hierbei ist, dass der Steuerung des Fluidstroms einer kraftwerkstechnischen Anlage wenigstens teilweise Daten zugrunde gelegt werden, die nicht im klassischen Sinne gemessen wurden sondern die mit Hilfe des hydraulischen Modells erzeugt worden sind. Derartige Sensorsysteme werden daher auch als virtuelle Sensoren oder als Softwaresensoren bezeichnet. Die Erfindung beruht somit auf einer Bereitstellung von Daten, die mit Hilfe wenigstens eines solchen virtuellen Sensors bzw. Softwaresensors generiert worden sind.
Eine erfindungsgemäß ausgeführte Steuerung zeichnet sich somit vor allem durch die Verwendung eines sogenannten virtuellen Sensors oder Softwaresensors aus, über den ein Fluidstrom innerhalb einer kraftwerkstechnischen Anlage gezielt gesteuert wird. In diesem Zusammenhang ist es wesentlich, dass wenigstens eine Zustandsgröße, insbesondere eine strömungstechnische Zustandsgröße, eines strömenden Fluidstroms, bspw. eines Luft-, Gas- oder Brennstoffstroms, aufgrund der Daten, die durch ein vergleichsweise einfaches hydraulisches Modell zumindest eines Teilbereichs der Anlage gewonnen werden, gesteuert wird.
Zur Steuerung einer kraftwerkstechnischen Anlage werden somit bekannte Strukturinformationen, also technische Informationen in Bezug auf die Fluid durchströmten Rohrleitungen eines Kraftwerks, in einem hydraulischen Streckmodell hinterlegt. Bei den im Modell berücksichtigten Daten handelt es sich um Anlagenparameter, die bekannt sind oder vor Inbetriebnahme der Anlage rechnerisch oder anhand von Messungen ermittelt worden sind. Auf der Basis des erfindungsgemäß zur Steuerung von Zustandsgrößen eines Fluidstroms verwendeten hydraulischen Streckenmodells, dem vergleichsweise einfache strömungstechnische Berechnungen zu Grunde liegen, ist es möglich, die in der Anlage herrschenden Strömungsbedingungen in Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsparameter, insbesondere einer Kraft-, Heiz-, oder Heizkraftanlage zu ermitteln. Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird der beschriebene virtuelle Sensor zur Steuerung eines Fluidstromes, der einer Brennereinheit zugeleitet wird, verwendet. Auf diese Weise lässt sich durch eine geeignete Steuerung des Verbrennungsluft- und/oder Brennstoffstromes, insbesondere eines Kohlenstaubstromes, eine im Hinblick auf wirtschaftliche und ökologische Randbedingungen besonders effektive Verbrennung realisieren.
In einer besonderen Ausführungsform erfolgt die Ermittlung der für das hydraulische Streckenmodell benötigten Daten auf der Grundlage bekannter Anlagendaten. Hierbei werden insbesondere Informationen über die Dimensionierung und Führung der einzelnen Rohrleitungen als auch andererseits bekannte Charakteristiken der verschiedenen im Strömungssystem eingebauten Stellorgane, insbesondere Armaturen, Verdichter und/oder Ventilatoren bzw. Pumpen, verwendet. Gemäß einer speziellen Weiterbildung ist es ferner denkbar, die für das hydraulische Modell benötigten Parameter einmalig mit historischen Daten zu identifizieren und sie dann laufend während des Betriebs einer Kraftwerksanlage adaptiv anzupassen. Auf besonders vorteilhafte Weise können, insbesondere bei Nachrüstung der erfindungsgemäßen Steuerung in bestehenden Anlagen, ergänzend Daten, die von einzelnen in der Kraftwerksanlage verbauten Sensoren generiert werden, als Parameter im Modell, zur Anpassung der im Datenspeicher hinterlegten Werte oder zum Vergleich und/oder der Anpassung der durch das Modell erzeugten Werte verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Steuerung, die auf dem Einsatz eines virtuellen Sensorsystems basiert, kann auf bevorzugte Weise in Kraft-, Heiz- oder Heizkraftwerken, insbesondere zur Steuerung eines Verbrennungsluft- und/oder Brennstoffstroms, eingesetzt werden. Ebenso ist es allerdings denkbar, eine derartige Steuerung in Anlagen, die dem eigentlichen Kraftwerksprozess vor- oder nachgeschaltet sind, oder auch in anderen Anlagen, in denen thermodynamische Prozesse gezielt ablaufen sollen, wie beispielsweise Anlagen zur Kälteerzeugung oder Luftzerlegung, einzusetzen. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass im Rahmen der erfindungsgemäßen Steuerung besonders vorteilhaft sowohl die Zustandsgrößen von ausschließlich luft- oder gasförmigen Fluidströmen wie auch von Fluidströmen, die zumindest teilweise Partikel enthalten, ermittelt werden und daraufhin die gezielte steuerungstechnischen Veränderung dieser Zustandsgrößen erfolgt.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung werden Zustandsgrößen eines Luftstroms und/oder eines Kohlestaubstroms, die einzeln oder gemeinsam einer Kohlestaubverbrennungsanlage zugeführt werden, ermittelt und entsprechend den Lastanforderungen oder sonstigen, bspw. wirtschaftlichen, Randbedingungen, gesteuert. So ist es etwa denkbar, den Verbrennungsprozess lastabhängig zu regeln und die Brennstoffmenge entsprechend der Last einzustellen, sowie die Verbrennungsluftmenge abhängig von der vorgegebenen Stöchiometrie nachzuregeln. Mit Hilfe der leitungsgenauen Luftmengenbestimmung lässt sich auf diese Weise bei bekannten bzw. anderweitig gemessenen Brennstoffmengenströmen das Luftverhältnis exakt und zuverlässig einstellen, so dass sich ein optimaler Verbrennungsablauf hinsichtlich Emission, Ausbrand, Temperaturverteilung und weiterer Parametern einstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Steuerung eines Fluidstroms in einer kraftwerkstechnischen Anlage bei der Generierung von Stellgrößen einerseits mit Hilfe des hydraulischen Streckenmodells ermittelte Parameter als auch von wenigstens einem in der Anlage verbauten Sensor generierte Daten berücksichtigt. Zum einen ist es auf diese Weise möglich, die im Datenspeicher hinterlegten, der Modellrechnung zugrunde liegenden Parameter und/oder die mit dem hydraulischen Streckenmodell ermittelten Daten adaptiv an die jeweiligen realen Größen, die aufgrund der Lastvariationen der Anlage stark variieren können, anzupassen. Zum anderen lassen sich besonders zuverlässige Stellgrößen generieren, indem innerhalb der kraftwerkstechnischen Anlage an gut zugänglichen Stellen des Rohrleitungssystems Sensoren montiert werden und die gelieferten Daten gemeinsam mit den auf der Grundlage des hydraulischen Modells generierten Daten bei der Steuerung eines Fluidstroms berücksichtigt werden.
Eine Kombination der klassischen Datenerhebung an speziell ausgewählten Stellen des Leitungssystems eines Kraftwerks mit der Modell basierten Generierung von Stellgrößen kann in vielen Fällen eine besonders wirtschaftliche Variante zur Erzeugung von exakten und zuverlässigen Stellgrößen darstellen.
Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, die Ermittlung von Daten auf der Grundlage eines hydraulischen Streckenmodells mit Sensoren zur Kohlemassenstrombestimmung zu kombinierten. Diese technische Lösung bietet den Vorteil, die ermittelten Luftmengen mit dem Kohlemassenstrom pro Leitung zu einem Brennstoff-Luft-Verhältnis zu kombinieren. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis (λ), die wesentliche Einflussgröße für den Ablauf der Verbrennung und den Ausbrand der Kohlepartikel, ist auf diese Weise brennergenau ermittelbar. Auf diese Weise sind die Anforderungen an einen zunehmend dynamischen Kesselbetrieb, die ein entsprechend dynamisch ausgerichtetes und optimiertes Kohle-Luft-Management erfordern, realisierbar. Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung der Steuerung der benötigten Fluidströme durch Einsatz eines virtuellen Sensorsystems ist insbesondere auch die schnelle Verfügbarkeit exakter Messwerte in transienten bzw. instationären Zuständen über einen weiten Messbereich möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es ferner denkbar, dass in der Anlage wenigstens ein Sensor vorgesehen ist, durch den ein Messwert erzeugt wird, der zur Generierung des Stellsignals in das Modell eingefügt oder mit einem vom Modell erzeugten Wert verglichen wird. Auf diese Weise ist eine adaptive Anpassung des hydraulischen Streckenmodells an die realen Verhältnisse mit einfachen Mitteln möglich. Vorzugsweise sind auch hierbei im Datenspeicher bereits bekannte, also historisch, oder vor Inbetriebnahme der Anlage rechnerisch ermittelte oder gemessene Parameter hinterlegt. In diesem Zusammenhang werden im Datenspeicher vorzugsweise nicht nur Eigenschaften der vom Fluidstrom durchströmten Leitungen sondern auch wenigstens eine Stellcharakteristik eines Stellorgans und/oder einer Pumpe bzw. eines Verdichters der Anlage hinterlegt.
Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinheit in eine Leitwarte der kraftwerktechnischen Anlage integriert. Ebenso ist es allerdings denkbar, dass das hydraulische Streckenmodell auf einer externen Datenverarbeitungseinheit läuft und die für die erfindungsgemäße Steuerung des Fluidstroms benötigten Daten von der externen Datenverarbeitungseinheit über eine Schnittstelle in die Leittechnik übertragen werden. Auf vorteilhafte Weise wird hierbei die Kommunikation zwischen dem externen Rechner und der Leitwarte des Kraftwerks ständig überwacht, um Fehler zuverlässig ausschließen zu können.
Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung werden bei Nachrüstung der erfindungsgemäßen Steuerung mit virtuellem Sensor in bereits bestehende Kraftwerksanlagen die dort vorhandenen, also bereits installierten, quasi hardwaremäßig vorhandenen Sensoren, genutzt. Die von diesen Sensoren gelieferten Messdaten werden als Stützstellen zur Adaption und Verbesserung der Berechnungen mit Hilfe des hydraulischen Streckenmodells verwendet. Neben den Mindestgrößen, die für die Durchführung einer Berechnung mit dem hydraulischen Streckenmodell benötigt werden, können so zusätzliche Werte der erfindungsgemäßen Steuerung zur Verfügung gestellt werden. Diese zusätzlichen Werte werden dann auf vorteilhafte Weise zur Anpassung und Überprüfung der berechneten Parameter genutzt.
Vorzugsweise wird zur Gewinnung der für die Steuerung bzw. das hydraulische Streckenmodell benötigten Informationen eine statistisch optimale Vorgehensweise angewandt, die es erlaubt, möglichst viel Information mit wenig Aufwand zu gewinnen. Unterstützt wird dieses Vorgehen durch Anwendung einer statistischen Versuchsplanung und Variation der relevanten Einflussgrößen. Zu den auf vorteilhafte Weise für das Streckenmodell und/oder zur Generierung geeigneter Stellgrößen verwendeten Informationen gehören insbesondere die Momentanstellung der Stellorgane, wie beispielsweise Luftklappenpositionen, und die verschiedenen Druckdifferenzen im Rohrleitungssystem.
Wird ein Luftstrom, insbesondere ein Verbrennungsluftstrom, während des Kraftwerksbetriebs gezielt, also regelungstechnisch unterstützt, verändert, werden die jeweiligen Luftklappen, wie etwa Primär-, Sekundär- und/oder Ausbrandluftklappen, während des Betriebs ständig verfahren. Daten, die aufgrund der jeweiligen Verstellungen vorliegen, werden bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Generierung von Stellgrößen berücksichtigt. In Abhängigkeit des jeweiligen Informationsstandes wird entweder eine Startstrategie zur weiteren Identifikation im Betrieb festgelegt oder es wird ein Versuchsplan erstellt. Durch Sauerstoff-Überschussvariation kann so bei bekannter Brennstoffmenge bspw. auf die insgesamt zugeführte Luftmenge geschlossen werden. Durch systematische Variation in Verbindung mit den bekannten Daten der Luftklappenstellungen kann die Strecke identifiziert werden, ohne dass physikalische Luftmessungen erfolgen müssen.
Gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung werden die Parameter der Verbrennungsrechnung ebenfalls identifiziert, wobei hierbei approximative und/oder statistische Verfahren verwendet werden. Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Ventilcharakteristiken der innerhalb der Anlage vorgesehenen Stellorgane ausgehend von charakteristischen Defaultwerten sukzessive ermittelt und angepasst werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs grundsätzlich als Kraftwerk, in dem gezielt thermodynamische Prozesse ablaufen, angesehen werden kann. Aus diesem Grund ist in einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Datenverarbeitungseinheit in einen Steuerrechner eines Verbrennungsmotors und/oder eines Kraftfahrtzeugs integriert ist. In diesem Zusammenhang wird nochmals ausdrücklich betont, dass die Verwendung der erfindungsgemäßen Steuerung mit einem virtuellen Sensorsystems für jedwede kraft-, heiz- oder heizkraftwerkstechnische Anlage und sogar jede Anlage, in der thermodynamische Prozesse ablaufen, geeignet ist. Da auch ein Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrtzeugs eine derartige Anlage darstellt, ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorsystems auch hier möglich. Wesentlich ist jeweils, dass wenigstens eine Schnittstelle vorgesehen ist, über die der Datenspeicher oder die Datenverarbeitungseinheit an eine Steuerung einer entsprechenden Anlage angebunden ist, um eine Steuerung, vorzugsweise des Verbrennungsluft- und/oder des Brennstoffstromes, zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäß ausgeführte Steuerung mit einem virtuellen Sensorsystem basiert auf physikalisch motivierten Modellen, die die Hydraulik der Fluid durchströmten Leitungen, insbesondere des Rohrnetzwerkes eines Heiz-, Kraft- oder Heizkraftwerks, sowie eventuell darin enthaltene Antriebs- oder Bauelemente abbildet. Das zur Steuerung verwendete Modell unterscheidet sich damit grundlegend von den bekannten, aus reinen Input- und Outputbeziehungen abgeleiteten Modellen. Der besondere Vorteil besteht darin, dass die benötigten Strukturinformationen nicht aufwendig aus den verfügbaren Daten abgeleitet werden müssen.
Weiterhin ist ein besonderer Vorteil darin zu sehen, dass die Anzahl der in der Anlage benötigten Sensoren zumindest erheblich verringert werden kann und somit sowohl Montage- als auch Wartungskosten minimiert werden können. Trotz dieser Einsparungen ist eine exakte Generierung von Daten, die für die Regelung einer Kraftwerksanlage, insbesondere der verwendeten Brenner, benötigt werden, möglich. Eine Kombination mit wenigen in der Anlage befindlichen Sensoren ist denkbar, wobei die erfindungsgemäße Steuerung aufgrund des Einsatzes eines virtuellen Sensorsystems bzw. eines Softwaresensors selbst in Fällen arbeitet, in denen die körperlich vorhandenen Sensoren ausgefallen sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1: Schematische Darstellung von Kohlemühlen, aus denen der gemahlene Kohlestaub zu den hierfür vorgesehenen Brennern transportiert wird;
2: Verfahrensfließbild der Luftführung in einer Industriefeuerungsanlage.
Im Folgenden wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Steuerung anhand einer Kraftwerksfeuerungsanlage beschrieben, bei der gemahlene und mit Hilfe einer pneumatischen Förderung zu den einzelnen Brennern geförderte Kohle als Brennstoff verwendet wird. Diese Art der Feuerung wird als Kohlenstaubfeuerung bezeichnet. Kohlenstaubfeuerungen kommen vorwiegend in Großkraftwerken zum Einsatz, werden allerdings zum Teil aufgrund steigender Energiepreise auch in kleineren Anlagen, bspw. zur Feuerung von Wasserrohrkesseln, in Zementmühlen oder Trocknungsöfen, eingesetzt.
Bei diesem kraftwerkstechnischen Verfahren wird die Kohle zunächst mit Hilfe von Kohlemühlen gemahlen und getrocknet. Anschließend wird die gemahlene Kohle entweder in einem Zwischenbunker gespeichert (indirekte Feuerung) oder direkt aus dem Mühlenausgang, der auch als Sichter bezeichnet wird, pneumatisch zu den Kohlestaubbrennern gefördert (direkte Feuerung). In modernen Großkraftwerken, die üblicherweise Leistungen zwischen 200 MW–1000 MW aufweisen, sind direkte Staubfeuerungen heutzutage die Regel. Indirekte Feuerungen werden dagegen oftmals in Zementwerken oder bei kleineren Dampfkesseln verwendet. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine direkte Kohlestaubfeuerung, wie sie vornehmlich in Großkraftwerken zum Einsatz kommt.
In 1 ist schematisch ein Dampferzeuger mit einer Tangentialfeuerung für Rohbraunkohle dargestellt. Die Brenner 6 werden direkt aus den Kohlemühlen 9 bzw. über die Sichter mit dem für die Verbrennung benötigten Kohlestaub versorgt und sind symmetrisch um einen Brennraum 10 angeordnet. In den Kohlemühlen 9 erfolgen zunächst das Mahlen sowie die Trocknung der Kohle, die anschließend in Form von Staub mit Hilfe von Tragluft pneumatisch zu den Brennern 6 gefördert wird. Von den in einer derartigen Feuerungsanlage 1 vorgesehenen Mühlen 9 sind üblicherweise nicht alle gleichzeitig in Betrieb, um im Falle von Mühlenausfällen trotzdem den benötigten Brennstoff bereitstellen zu können.
Jede der dargestellten Kohlemühlen 9 versorgt vier Brenner 6 mit Kohlestaub, wobei die Brenner 6 jeweils mit Primärluft (PL), Sekundärluft (SL) sowie Ausbrandluft (ABL1 und ABL2) versorgt werden. Bei der Primärluft (PL) handelt es sich um rückgesaugtes, mit Luft vermischtes Rauchgas, das den Kohlestaub zu den Brennern 6 transportiert. Die Sekundärluft (SL) stellt die Hauptverbrennungsluft dar. Die Ausbrandluft (ABL1 und ABL2) wird in zwei Stufen zugeführt und soll mit dem Ziel einer Minderung der NO_x-Emission einen vollständigen CO-Ausbrand gewährleisten.
Zusätzlich sind in der Kraftwerksanlage 1 noch weitere Luftströme, unter anderem Unterluft, Oberluft und Rostluft vorhanden, die jeweils einem Brenner 6 zugeführt werden. Dies führt dazu, dass in der beispielhaft erläuterten Feuerungsanlage 1 in Abhängigkeit des Betriebszustandes und der Lastanforderung 100 bis 150 Luftströme gesteuert bzw. geregelt werden müssen. Eine physikalische Messung aller dieser Luftströme ist in der Regel nicht möglich, so dass sich üblicherweise Messsonden vor allem in den Hauptluftsträngen, die sich dann hin zu den einzelnen Brennern 6 verzweigen, befinden.
Erfindungsgemäß ist in der Leitwarte 8 des Kraftwerks 1 eine Datenverarbeitungseinheit 2 vorgesehen, in der ein hydraulisches Streckenmodell 5 der für die Luftförderung vorgesehenen Strömungskanäle hinterlegt ist. Weiterhin sind in einem Datenspeicher 2 das Rohrleitungsnetz betreffende Informationen sowie Betriebscharakteristika der in den Rohrleitungen vorgesehenen Luftklappen 7 abgespeichert. Mit Hilfe dieser Daten kann ausgehend von einem Anfangszustand für jeden Betriebszustand die erforderliche Brennstoff- sowie Luftmenge und somit die jeweiligen Luftklappenstellungen berechnet werden. Unter Zugrundelegung eines Vergleichs der Istwerte mit den Sollwerten werden schließlich entsprechende Stellgrößen generiert, um den Betriebszustand der Feuerungsanlage 1 dem jeweiligen Bedarf, insbesondere der Last oder aber wirtschaftlichen Erfordernissen, anzupassen.
Ergänzend hierzu zeigt 2 ein Verfahrensfließbild der Luftführung in einer Industriefeuerungsanlage 1. Der Luftführung 11 wird zunächst ein Gesamtluftmengenstrom zugeführt. An einem ersten Abzweig wird ein Teil dieses Gesamtluftmengenstroms in eine Rostluftführung (RL) abgeleitet. Der übrige Luftstrom wird nunmehr auf acht verschiedene Hauptluftstränge verzweigt, wobei jeder Hauptluftstrang jeweils zwei Brenner 6 mit Luft versorgt. Einer dieser Hauptluftwege ist in 2 explizit dargestellt. Über diesen Strömungsweg werden einerseits jeweils zwei Brenner 6a, 6b mit kohlestaubhaltiger Primärluft (PL a, PL b) versorgt, während anderseits jeweils noch ein Strang mit Sekundärluft (SL), vier Stränge mit Ausbrandluft auf zwei Ebenen (ABL1 a, ABL1 b, ABL2 a, ABL2 b) sowie jeweils ein Strang mit Mühlensperrluft (MspL) und rückgesaugter Primärluft (RGRS) versorgt werden. In einer modernen Industriefeuerungsanlage 1, wie etwa einem Dampferzeuger eines thermischen Kraftwerks, sind ist somit eine Vielzahl von Luftströmen vorhanden, die mit Hilfe entsprechender Luftklappen auf der Grundlage qualitativ hochwertiger Stellsignale gesteuert bzw. deren strömungstechnische Zustandsgrößen verändert werden. Die erfindungsgemäße technische Lösung bietet nunmehr die Möglichkeit, sämtliche oder zumindest einen Teil der bisher benötigten, physisch vorhandenen Sensoren durch einen virtuellen Sensor zu ersetzen. Der virtuelle Sensor basiert hierbei auf einem vergleichsweise einfachen hydraulischen Streckenmodell 5, mit dem für unterschiedliche Betriebszustände die Strömungsparameter in den durchströmten Rohrleitungen und Stellorganen 7, insbesondere in luftdurchströmten Rohrleitungen und Luftklappen, ermittelt werden können. Unter Berücksichtigung der ermittelten Strömungsparameter werden schließlich Stellsignale erzeugt, die eine bedarfsgerechte Verstellung der Stellorgane 7 und damit der Brennstoff- und/oder Verbrennungsluftzufuhr gewährleisten.
Kernbestandteil des hinterlegten Modells 5 ist ein physikalisches Modell der Leitungshydraulik, das generisch aufgebaut ist und flexibel an unterschiedliche hydraulische Netzwerktopologien anpassbar ist. Hierzu werden in einer Art Bibliothek für die verschiedenen Netzwerktopologien geeignete Submodelle abgelegt, die je nach den Bedürfnissen angepasst und schließlich zu einem großen hydraulischen Streckenmodell 5 zusammengesetzt werden können. Mit der Vorgabe des physikalischen Modells 5 ist keine Strukturidentifikation notwendig, sondern nur noch eine Parameteridentifikation, die wesentlich zuverlässiger und schneller erfolgen kann.
Sofern in einer Feuerungsanlage 1 bereits physikalische Sensoren verbaut sind, bspw. zur physischen Volumenstrommessung bestimmter Hauptluftströme oder zumindest der Gesamtluftmenge werden entsprechende Messwerte bei der Generierung von Daten durch das Modell 1, also mit Hilfe eines virtuellen Sensors bzw. eines Softwaresensors, für einen Vergleich mit den generierten Daten und/oder eine Adaption der generierten Daten verwendet. Sofern also Messwerte vorhanden sind, erfolgt die Identifikation unter Berücksichtigung dieser Messwerte. Ist dies nicht der Fall, so lässt sich die Wirkung der vorliegenden Einflussgrößen, wie etwa Ventilstellungen oder Druckdifferenzen, auf die Volumenströme mit Hilfe einer in der kausalen physikalischen Signalkette liegenden Ersatzgröße ermitteln. Als derartige Ersatzgröße bietet sich beispielsweise der Sauerstoffüberschuss bei der Verbrennung oder aber eine Veränderung dieses Sauerstoffüberschusses an.
Im Folgenden wird beispielhaft erläutert, wie unter Berücksichtigung des Sauerstoffüberschusses als Ersatzgröße eine Ermittlung erster Parameter für das Modell erfolgen kann. Vornehmliches Ziel ist es, den Luftvolumenstrom der Sekundärluft (SL) in einzelnen Leitungen online zu erfassen. Voraussetzung für die die Ermittlung eines Anfangswertes des Modells ist zunächst, dass die Primärluft (PL) ausreichend Sauerstoff (O₂) enthält, um eine zuverlässige Identifikation zu ermöglichen.
Grundsätzlich wird berücksichtigt, dass die Menge der in der Verbrennungsanlage benötigten Luft von der Kohlezusammensetzung und des Luftüberschusses, unter dem die eigentliche Verbrennung durchgeführt wird, abhängt. Auf diese Weise kann eine Abschätzung des insgesamt benötigten Luftstroms getroffen werden. Dieser Gesamtluftstrom verzweigt sich entsprechend der Anlagenausführung auf unterschiedliche Strömungspfade. In diesen Strömungspfaden liegen wiederum in Abhängigkeit der Rohrleitungsdimensionierung, der Art der Rohrverlegung sowie der verwendeten Einbauten spezielle hydraulische Bedingungen vor.
Der durch die Industriefeuerungsanlage geförderte Gesamtluftstrom hängt maßgeblich vom Brennstoffmassenstrom ab, der unter Berücksichtigung der momentan benötigten Kraftwerks- bzw. Kesselleistung aus der Energiebilanz gewonnen werden kann. Unter Berücksichtigung dieser Parameter können die verschiedenen Luftströme in den unterschiedlichen Anlagenteilen bestimmt werden. In dem hydraulischen Modell erfolgt hierbei die Einstellung entsprechender Volumenströme durch eine geeignete Variation der Einstellung der verwendeten Luftklappen. In diesem Zusammenhang wird auf geeignete Weise davon ausgegangen, dass der Gesamtluftvolumenstrom in der Verbrennungsanlage zunächst konstant ist. Soll bereits die Startphase des Verbrennungsprozesses genauer mit Hilfe des Modells steuerbar sein, besteht auch hier bereits die Möglichkeit, den Gesamtstrom bzw. die einzelnen Luftströme in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Lastanforderung zu variieren.
Das beschriebene Verfahren zur Ermittlung der eingangs für das Modell benötigten Parameter kann hierbei mit oder ohne Berücksichtigung von Messdaten, die durch bereits installierte physische Sensoren zur Erfassung der jeweiligen Volumenströme geliefert werden, erfolgen. Sofern keine entsprechenden physischen Sensoren in einer Feuerungsanlage vorhanden sind, erfolgt die Identifikation der benötigten Parameter durch die oben dargestellte Berechnung unter Berücksichtigung des Sauerstoffüberschusses bei der Verbrennung oder einer Veränderung dieses Sauerstoffüberschusses.
Die dargestellten Berechnungen der eingangs benötigten Parameter lassen sich leicht mit Hilfe der einschlägig bekanten Verbrennungsrechnungen basierend auf Elementaranalyse oder einer statistischen Verbrennungsrechnung durchführen.
Abschließend wird die Abschätzung der Sensitivität einzelner Klappen im Hinblick auf den Sauerstoffüberschuss am Beispiel eines Kessels zur Verbrennung von Steinkohle mit einer thermischen Leistung von 250 MW erläutert:
Bei einem angenommenen stöchiometrischen Sauerstoffüberschuss von 3% ergibt sich hier ein Gesamtluftmassenstrom von 457 kg/s, während sich bei einem angenommenen Sauerstoffüberschuss von 5% ein Gesamtluftmassenstrom von 512 kg/s ergibt. Eine Änderung des Sauerstoffüberschusses um 2% bewirkt somit eine Zunahme des Gesamtluftmassenstroms um 55 kg/s.
Wird nunmehr davon ausgegangen, dass die Feuerungsanlage etwa 40 von Luft durchströmte Leitungen aufweist, so strömt in dem gewählten Beispiel in jeder Leitung zwischen 11,4 und 12,8 kg/s Luft. Unterstellt man, weiterhin dass steuerungstechnisch noch eine Änderung des Sauerstoffüberschusses um 0,1% durchgeführt werden kann, entspricht diese Änderung einer Änderung des Luftmassenstromes um etwa 2,75 kg/s. Dies bedeutet, dass bei der Modulation einer Leitung der Luftmassenstrom um etwa 25% variiert werden muss. Insbesondere bei einer gleichzeitigen Modulation mehrerer Leitungen ist diese auf geeignete Weise durchführbar.
Abschließend kann somit festgehalten werden, dass die erfindungsgemäße Bereitstellung von Daten, die mit Hilfe eines virtuellen Sensors generiert worden sind, eine zuverlässige und trotzdem genaue Möglichkeit zur vereinfachten Steuerung einer Industriefeuerungsanlage darstellt. Die Generierung entsprechender Stellgrößen, beispielweise für Luftklappen, ist mit Hilfe eines hydraulischen Streckenmodells auf vergleichsweise einfache Art möglich und zwar nahezu gleichgültig, ob mit physischen Sensoren erfasste Messdaten als Ausgangsdaten oder als Stützstellen für das Modell vorliegen oder nicht.
Bezugszeichenliste

1: kraftwerkstechnische Anlage
2: Datenverarbeitungseinheit
3: Datenspeicher
4: Anlagenkomponente
5: Hydraulisches Streckenmodell
6: Brenner
7: Stellorgan
8: Leitwarte
9: Kohlemühle
10: Brennraum
11: Luftzuführung
PL: Primärluft
SL: Sekundärluft
ABL: Ausbrandluft
MspL: Mühlensperrluft
RGRS: rückgesaugte Primärluft
RL: Rostluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008030650 A1 [0003]

Claims

Steuerung eines Fluidstroms in einer kraftwerkstechnischen Anlage (1), die einen Datenspeicher (3) aufweist, in dem zumindest eine thermodynamische und/oder strömungstechnische Zustandsgröße und/oder ein Betriebsparameter der Anlage (1) sowie für eine Komponente (4) der Anlage wenigstens eine Eigenschaft, eine Kenngröße eines speziellen Betriebszustandes und/oder eine Charakteristik hinterlegt ist, und die über eine Datenverarbeitungseinheit (2) verfügt, die auf der Grundlage von aus dem Datenspeicher (3) erhaltenen Daten zumindest eine Steuergröße generiert und ein Stellsignal erzeugt, das an die wenigstens eine Anlagenkomponente (4) zur Initiierung eines Stellvorgangs übertragen wird, so dass wenigstens zeitweise eine Veränderung wenigstens einer Zustandsgröße des Fluids erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenverarbeitungseinheit (2) für zumindest einen Bereich der Anlage (1) ein hydraulisches Modell (5) hinterlegt ist, in das die Daten aus dem Datenspeicher (2) derart eingefügt werden, dass während eines Betriebs der Anlage (1) mittels des hydraulischen Modells (5) die Steuergröße zur Erzeugung des Stellsignals für wenigstens eine den Fluidstrom beeinflussende Anlagenkomponente (4) generiert wird.
Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagenkomponente (4) als Stellorgan und/oder Druckerhöhungseinheit ausgeführt ist.
Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (5) die Hydraulik zumindest zeitweise durchströmter Bauteile, wenigstens eines Stellorgans und/oder wenigstens einer Druckerhöhungseinheit der Anlage (4) abbildet.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftwerkstechnische Anlage (1) einen Brenner (6) und/oder einen Verbrennungsmotor aufweist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagenkomponente (4) als Stellorgan (7) in einem Luftstrom ausgeführt ist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagenkomponente (4) als Stellorgan (7) in einem Kohlenstaubstrom ausgeführt ist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage (1) wenigstens ein Sensor vorgesehen ist, durch den ein Messwert erzeugt wird, der in das Modell (5) eingefügt und/oder mit einem vom Modell (5) ermittelten Wert verglichen wird.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Datenspeicher (3) bekannte oder vor Inbetriebnahme der Anlage (1) gemessene Parameter der Anlage (1) hinterlegt sind.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Datenspeicher (3) eine Stellcharakteristik eines Stellorgans (7) hinterlegt ist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (2) in eine Leitwarte (8) eines Heiz- oder Kraftwerks integriert ist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (2) in einen Steuerrechner eines Verbrennungsmotors und/oder eines Kraftfahrzeugs integriert ist.
Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schnittstelle vorgesehen ist, über die der Datenspeicher (3) und/oder die Datenverarbeitungseinheit (2) an eine Leitwarte (8) oder einen Steuerrechner der Anlage (1) angebunden ist.
Verfahren zur Steuerung wenigstens einer Zustandsgröße eines Fluidstroms in einer kraftwerkstechnischen Anlage (1), bei dem zumindest eine thermodynamische und/oder strömungstechnische Zustandsgröße und/oder ein Betriebsparameter der Anlage (1) sowie wenigstens eine Eigenschaft, eine Kenngröße eines speziellen Betriebszustandes und/oder eine Charakteristik einer Anlagenkomponente (4) in einem Datenspeicher (3) abgelegt wird, und bei dem mit einer Datenverarbeitungseinheit (2) auf der Grundlage von aus dem Datenspeicher (3) erhaltenen Daten eine Steuergröße generiert und ein Stellsignal erzeugt wird, das an die wenigstens eine Anlagenkomponente (4) zur Initiierung eines Stellvorgangs übertragen wird, so dass wenigstens zeitweise zumindest eine Zustandsgröße des Fluidstroms verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenverarbeitungseinheit (2) für zumindest einen Bereich der Anlage (1) ein hydraulisches Modell (5) hinterlegt wird, in das die Daten aus dem Datenspeicher (3) derart eingefügt werden, dass während eines Betriebs der Anlage (1) mittels des hydraulischen Modells (5) die Steuergröße zur Erzeugung des Stellsignals für wenigstens eine Anlagenkomponente (4) erzeugt und die Anlagenkomponente (4) aufgrund des erhaltenen Stellsignals die wenigstens eine Zustandsgröße des Fluidstroms verändert.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zustandsgröße wenigstens eines Fluidstroms, der einer Verbrennungseinheit zugeleitet wird, verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zustandsgröße wenigstens eines Luft- und/oder Kohlestaubstromes (PL, SL, ABL) verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Datenspeicher (3) wenigstens ein Parameter der Anlage (1) hinterlegt und im hydraulischen Modell (5) zur Generierung der Stellgröße verwendet wird, der rechnerisch ermittelt oder vor Inbetriebnahme der Anlage (1) gemessen wird.