DE3414943A1

DE3414943A1 - Verfahren zur steuerung der verbrennung

Info

Publication number: DE3414943A1
Application number: DE19843414943
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Hitachi Higashi; Nobuo Hitachiota Kurihara; Hiroshi Ibaraki Matsumoto; Mitsuyo Nishikawa; Yoshio Hitachi Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-04-20
Filing date: 1984-04-19
Publication date: 1984-10-25
Also published as: GB2141267A; US4528918A; GB8409898D0; GB2141267B; DE3414943C2; JPH0360004B2; JPS59195012A

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in dem Brennofen eines Siedekessels u.a., und insbesondere ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung in der Feuerung einer Anlage, die zur Reduzierung des Anteils der darin erzeugten Stickoxide (NO ) gefordert wird.

Die Bildung von Stickoxiden (NO ) ist eines der

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größten Probleme, die man insbesondere bei der Verbrennung in einem Siedekessel in Betracht ziehen muß, der in einem Wärmekraftwerk u.ä, eingesetzt wird. Die Verbrennungsbedingungen werden immer strenger, z.T. weil Regelungsnormen zur Begrenzung des Anteils der NO -Erzeugung und

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bei Siedekesseln eingeführt werden. Dementsprechend sind verschiedene Techniken entwickelt worden, um die Bildung von NO durch Abwandlung des Verbrennungsverfahrens zu

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steuern. Insbesondere dann, wenn pulverisierte Kohle verbrannt wird, gibt es im Vergleich mit der Verbrennung anderer Brennstoffe große Veränderungen im Anteil des erzeugten NO , die von der Art der Kohle abhängen; es

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gehört damit zu den wichtigsten technischen Themen, ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung zu entwickeln, das eine Begrenzung des Anteils der NO -Emission ermöglicht.

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Es ist jedoch schon immer schwierig gewesen, die NO -

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Emission zu steuern, weil die Bildung von NO ein sehr

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komplexes Phenomen ist, bei dem Aerodynamik, physikalische, chemische und thermische Erwägungen eine Rolle spielen. Zur Steuerung der NO -Emission ist im Stand der

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Technik eine Verbesserung des Aufbaus eines Brennofens entwickelt worden (US-Patent Nr. 4,294,178)"Tangentiales Feuerungssystem" vom 13. Oktober 1981). Darin wird ein Dampfgenerator beschrieben, der so ausgebildet ist, daß pulverisierte Kohle und Primärluft, die von den vier Ecken eines Ofens zugeführt werden, tangential auf einen imaginären Kreis im Zentrum des Ofens gerichtet werden, so

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daß sowohl die Bildung einer Kühlwand-Verschlackung und -korrosion wie auch die Bildung von Stickoxiden minimiert werden, wobei dieser Dampfgenerator eine Einrichtung enthält um Sekundärluft so zuzuführen, daß sie tangential auf einen zweiten imaginären Kreis gerichtet ist.

Zum Stand der Technik bezüglich des Brenneraufbaus gehört weiterhin die US-Patentschrift Nr. 4,173,118 mit dem Titel "Brennstoffverbrennuhgsgerat mit gestufter Verbrennung" vom 6. November 1979. Darin wird ein Gerät mit e^nem Kombustor beschrieben, der einen doppelten konzentrischen Verbrennungszylinder aufweist, um die Verbrennung in einer Zone reichen Gemisches, einer Zone mageren Gemisches^und einer Verdünnungszone auszuführen.

Im Stand der Technik sind jedoch keine Techniken bekannt, um eine prozeßgekoppelte Steuerung des in einem Brenner erzeugten Anteiles von NO zu steuern. Einer der Gründe hierfür ist der Umstand, daß es kein Verfahren gibt, um den Zustand von NO während der Verbrennung genau zu erfassen und zu verstehen. Selbst wenn ein Kraftwerk mit einem Brenner zum Reduzieren von NO ausgestattet wird, so wird dennoch die...Erscheinungsform der Bildung von NO während der Verbrennung nicht

richtig verstanden, und es gibt somit keine Information oder Anweisung zum Steuern der zugeführten Brennstoff- und Luftanteile. Die US-Patentschrift Nr. 4,332,207 "Verfahren zum Verbessern des Lastverhaltens von kohlebefeuerten Siedekesseln!¹ (1. Juni 1982) Stellt einen Stand der Technik dar, in dem das Verhalten in Bezug auf Änderungen des Lastbedarfes von Siedekesseln verbessert worden ist, Es gibt jedoch keinen Stand der Technik zu Methoden, eine mitlaufende Steuerung der NO -Emission bei einem Kraftwerk zu bewirken:,' bei dem Änderungen in den Eigenschaften des Brennstoffes, d.h. Änderungen in der Kohleart auftreten. >

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Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrag des aus einem Brenner nach außen abgegebenen Anteils von NO unter Verwendung der Informationen über die Flammen durch eine mitlaufende Abschätzung der Anteile von NO und eines im Ofen erzeugten Reduktionsmittels zu steuern.

Es ist weiter Ziel der vorliegenden Erfindung, den Anteil des nach außen aus einem Brenner abgegebenen NO Anteils unter einen vorgegebenen Wert auch dann zu steuern, wenn Änderungen in den Eigenschaften des dem Brenner zugeführten Brennstoffes auftreten.

Diese Aufgabe wird mit einem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruches ausgestaltet ist.

Die Erfindung liefert im wesentlichen ein Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einer Feuerung mit wenigstens einem Brenner für^eine Hauptverbrennung und einem Brenner für eine reduzierende Verbrennung mit folgenden Verfahrenschritten: Messen der Daten über die Flammen, wie z.B. die Flammenform bei geder Verbrennung, Abschätzen des Anteiles der Erzeugung von NO und eines Reduktionsmittels aus den gemessenen Flammendaten, Steuerung der Fließgeschwindigkeit des zugeführten Brennstoffes zum Brenner der Hauptverbrennung und zum Brenner der reduzierenden Verbrennung derart, daß die NO -.Emission weniger als ein vorgegebener Wert beträgt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfinc dung wird ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung bei einer vorerwähnten Feuerung angegeben, bei dem man ein Gebiet der Flamme der Hauptverbrennung oder der Flamme der reduzierenden Verbrennung, welches eine einen vorgegebenen Wert übersteigende Leuchtdichte besitzt, als Flammenmodell definiert um das Volumen der Flamme anhand dieser Flammenform abzuschätzen,und der Anteil der Erzeugung von NO oder

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oder des Reduktionsmittels wird als ein V7ert abgeschätzt, der proportional zu dem geschätzten Flammenvolumen ist. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung in der vorerwähnten Feuerung angegeben, bei dem das Flammenvolumen aus der Projektionsfläche der Flamme der Hauptverbrennung oder der Flamme der Reduktionsverbrennung abgeschätzt wird.

Nach.einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung in der vorerwähnten Feuerung angegeben, bei dem der Anteil des durch die reduzierende Verbrennung erzeugten Reduktionsmittels als ein Wert abgeschätzt wird, der zuudem Anteil des von der Hauptverbrennung erzeugten NO proportional ist.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung in der vorerwähnten Feuerung angegeben, bei der ein Modell einer Kohlepulverisierungsmühle zum Abschätzen der Fließgeschwindigkeit der Kohle einschließlich vieler Störkomponenten angefertigt wird, und bei dem die Fließgeschwindigkeit unter Verwendung eines Kaiman-Filters abgeschätzt wird.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung.in der vorerwähnten Feuerung angegeben, welches folgende Verfahrensschritte aufweist:

Abschätzen eines Zielwertes des Volumens einer von dem Brenner für die reduzierende Verbrennung gebildeten Flamme, zusammen mit einem Zielwert für das Volumen der Flamme, die von dem Brenner für die Hauptverbrennung gebildet wird, welch letzterer den Zielwert für das Volumen der von dem Brenner für die Reduktionsverbrennung gebildeten Flamme entspricht, nach Maßgabe der Gastemperatur der Hauptverbrennung, der Gastemperatur der reduzierenden Verbrennung, der Brennstoff eigenschaften, der Menge des gesamten Brennstoffbedarfs und eines Grenzwertes für den Betrag der NO -Emission, und Steuern der Fließgeschwindigkeit der Brennstoff- oder Luft- |

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zufuhr für jede dieser Verbrennung, so daß das aus der Projektionsfläche von jeder der Flammen ermittelte Flammenvolumen mit dem entsprechenden Zielwert übereinstimmt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren beschrieben und näher erläutert. Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines kohlebefeuerten Wärmekraftwerkes, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird; Figur 2 zeigt ein Beispiel eines konventionellen

Steuerungssystems;

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung und zeigt dessen Funktionen;

Figur 4 ist eine Darstellung, um die Bestimmung des

gesamten Brennstoffbedarfs zu beschreiben, und zeigt ein Beispiel für die Messung des Kohleheizwertes;

■ Figur 6 zeigt ein Beispiel für eine Bildführung, die eingesetzt wird, wenn die Flammengestalt mit Hilfe eines ITV bzw. eines integrierten Bildendstellengerätes gemessenwird;

Figur 7 ist_ein Diagramm um anhand eines Beispieles das Erfassen einer Flamme als Bild zu beschreiben;

Figur 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoff-Verhältnis und dem Abstand zwischen dem Brenneraus·: laß und dem Fuß der dabei gebildeten Flamme; Figur 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoff-Verhältnis und der maximalen Luminanz der Flamme;

Figur 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Mühlen-Differenzdruck und der Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle am Auslaß der Mühle;

Figur 11 ist eine Darstellung zur Beschreibung des Kohleflusses durch eine Mühle;

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Figur 12 ist ein Blockdiagramm zur Bestimmung des Brennstoffbedarfs (der Brenner für die Hauptverbrennung und einer Reduktionsverbrennung) entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 13 gibt eine Darstellung zur Beschreibung des Bedarfssignals für die Geschwindigkeit des Antriebsmotors der Zufuhrvorrichtung und eines Bedarfssignals zum Drosseln der Fließgeschwindigkeit der Primärluft oder der Se

kundärluft, welche zum Steuern der Fließgeschwindigkeit des Brennstoffes nach Maßgabe eines Ausführungsbeispieles der Erfindung verwendet werden; und

Figur 14 gibt eine Darstellung, um den Fluß der Steuersignale für den Fall darzustellen, in dem die Denitrifikation in einer Feuerung mit einem Brenner für eine Hauptverbrennung einem Brenner für eine Reduktionsverbrennung durch die in : Figur 3 dargestellten Ausgangssignale gesteuert

wird.

Erläuterung der wichtigsten Bezugszeichen

H_r: Heizwert der Kohle

t\-.z Wirkungsgrad des Siedekessels
ο

FRD: Bedarfssignal der gesamten Brennstoffmenge

BID: Bedarfssignal für den Siedekesseleinsatz

T : Temperatur des Verbrennungsgases

C : spezifische Wärme des Gases

Fj₇: Fließgeschwindigkeit der Kohle

F NO : Betrag der NO -Erzeugung in der Hauptverbrennungsg X X

zone

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- 13 F NO : Betrag der NO -Erzeugung in der Reduktions-

X* X X

Verbrennungszone
S : Fläche der Hauptverbrennungszone

V..: Volumen der Hauptverbrennnungszone

F , : Fließgeschwindigkeit der einem Brenner zugeführten pulverisierten Kohle λ: Luft-BrennstoffVerhältnis T.,', T_: Temperaturen des Verbrennungsgases in der Hauptverbrennungszone bzw. der Reduktionsverbrennungszone

d_M, d_: ßer Abstand zwischen dem Auslaß .des Brenners η ti

der Hauptverbrennung und dem Fuß der durch ihn gebildeten Verbrennungsflamme bzw. zwischen dem Auslaß des Brenners der Reduktionsverbrennung und dem Fuß der von ihm gebildeten Verbrennungsflamme V_Mi V„: Abgeschätztes Volumen der Hauptverbrennungsflamme

bzw. der Reduktionsverbrennungsflamme F_fM# F-c-r! Fließgeschwindigkeit des der Hauptverbrennung bzw. des der Reduktionsverbrennung zugeführten Brennstoffes

^FNO D^: Spezifischer Wert für den Betrag der NO -Emission

^FfMD^{f F}fRD^{: Be(}^^arfsgröße für die Brennstoffließgeschwindigkeit der Hauptverbrennung bzw. der Reduktionsverbrennung

Die Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines kohlebefeuerten Wärmekraftwerkes, auf das die vorliegende Erfinr· dung angewendet wird; hierbei ist die in einem Boiler:.· 1 zu verbrennende Kohle in_einem Kohlenbunker 2 gespeichert und wird mit Hilfe einer durch einen Motor 3 angetriebenen Zufuhr-Vorrichtung einer Mühle 5 zugeführt. Die Kohle wird in der Mühle 5 pulverisiert und dann dem Brenner 6 zugeführt. Die Verbrennungsluft wird einem Luftvorwärmer 9 mit Hilfe eines kraftbetriebenen Gebläses 8 zugeführt. Ein Teil der Luft wird der Mühle 5 durch ein Primärluftgebläse 12 zugeführt,

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um damit für den Transport der pulverisierten Kohle zu sorgen/ während der andere Teil der Luft direkt in den Brenner 6 als Verbrennungsluft-zugeführt wird. Der Luftvorwärmer 9 ist mit einem by-rpass-System versehen, welches eine Drossel 10 aufweist, so daß die Temperatur der Primärluft durch diese Drossel 10 gesteuert wird. Weiterhin wird die Gesamtmenge der für die Verbrennung erforderlichen Luft durch eine Drossel 7 gesteuert, während die Menge der zum Transport der pulverisierten Kohle notwendigen Luft durch eine Drossel 11 gesteuert wird. Andererseits wird das in einem Speisewassersystem 13 unter Druck gesetzte Speisewasser in dem Siedekessel oder Boiler... 1 in überhitzten Dampf umgewandelt und über eine Hauptdampfleitung 13 Turbinen 15, 16 zugeführt. Die Turbinen 15, 16 werden durch adiabatische Expansion des überhitzten Dampfes in Drehung versetzt, um einen Generator 17 zur Erzeugung elektrischer Leistung anzutreiben. Das Abgas des Brennstoffes, der in dem Boiler 1 zum Erhitzen des Wassers und des Dampfes verbrannt wurde, wird einem Schornstein 19 zugeführt,-und in die Atmosphäre abgelassen. Ein Teil des Abgases wird jedoch über ein Gebläse 18 für Gasrücklauf in den Boiler 1 zurückgeführt.

Damit das voranstehend beschriebene kohlebefeuerte Wärmekraftwerk entsprechend einem Lastbedarfsbefehl gleichmäßig läuft, ist es notwendig, jedes Ventil, jede Drossel und geden Motor sauber zu steuern. Figur 2 zeigt schematisch ein typisches konventionelles automatisches Steuerungssystem für ein Wärmekraftwerk. Die Funktionen des automatischen Steuerungssytems werden nachfolgend unter Bezugnähme auf die Figur 2 näher erläutert.

Zunächst wird ein Bedarfssignal 1000 für die Last (Ausgang des Generators 17), das dem Wärmekraftwerk zugeführt wird, in einem Hauptdampfdruckkompensationsblock kompensiert, so daß ein Hauptdampfdruck 1100 mit einem vorgegebenen Wert übereinstimmt (ein konstanüer Wert bei

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einem Konstant-Druckkraftwerk; ein lastabhängiger Wert bei einem Kraftwerk mit änderbarem Druck), und wird als Boilereinlaßbedarf ssignal 3000 dem Boiler 1 zugeführt. Das Boilereinlaßbedarfssignal 3000 wird einem Steuerungssystem 400 für die Fließgeschwindigkeit des Speisewassers als Wert für das Einstellen einer Speisewasserfließgeschwindigkeit-1200 zugeführt und zum Steuern eines Regulierventils 20 für die Speisewasserfließgeschwindigkeit wie auch zum Festlegen eines Bedarfssignals für die Verbrennungsgröße 3100 verwendet.

Das Boilereinlaßbedarfssignal 3000, das dem Block 200 für die Hauptdampftemperaturkompensation zugeführt wird, wird so kompensiert, daß die Hauptdampftemperatur 1101 mit einem vorgegebenen Wert übereinstimmt, wodurch das Bedarfssignal 3100 für die Verbrennungsmenge festgelegt wird. Das Bedarfssignal 3100 für die Verbrennungsmenge wird einem Steuersystem 500 für die Brennstoffließgeschwindigkeit als Wert zum Einstellen Gesamtkohlemenge - Brennstoffließgeschwindigkeit 1201 zugeführt und zum Steuern des Motors 3, der die Zufuhrrichtung 4 antreibt, verwendet. Das Bedarfssignal 3100 für die Verbrennungsmenge wird in einem Kompensationsblock 300 für das Luft-Brennstoffverhältnis kompensiert, so daß eine überschüssige O^-Menge 1102 in dem Abgas mit einem vorgegebenen Wert übereinstimmt, so daß man ein Bedarfssignal für die Fließgeschwindigkeit der Gesamtluft 3200 erhält. Ein Steuersystem 600 für die Steuerung der Luftfließgeschwindigkeit steuert;_die Drossel 7 so, daß die Gesamtluft-Fließgeschwindigkext 1202 mit dem Wert übereinstimmt, der durch das Gesamtluft-Fließgeschwindigkeitbedarf ssignal 3200 gegeben wird.

Bei diesem Steuersystem macht jedoch unvorteilhafterweise eine Änderung der Eigenschaften des Brennstoffes es unmöglich, den NO -Wert auf einem bestimmten Wert festzuhalten. Insbesondere dann, wenn Kohle· als Brennstoff verwendet wird, gibt es große Änderungen in ihren Eigenschaften in Abhängigkeit von der Kohleart, und es gibt selbst, dann große

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Änderungen, wenn die gleiche Kohleart verwendet wird. Selbst bei Verbrennung von COM (Kohle-Öl-Mischung) gibt es gleichartige Schwierigkeiten.

Mit der Erfindung wird das voranstehend wiedergegebene Problem gelöst. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Größe der NO -Erzeugung und die Größe der Erzeugung des Reduktionsmittels prozeßgekoppelt (on-line) aus Informationen der Flammen in der Feuerung bestimmt, so daß die Verbrennung so gesteuert wird, daß der Wert der NO -Emission selbst dann, wenn eine Änderung in den Brennstoffeigenschaften auftritt, unter einem bestimmten Wert liegt.

Im Fall eines kohlebefeuerten Wärmekraftwerkes sagt man, daß etwa 70 % der NO -Erzeugung dem in dem

Brennstoff enthaltenen N-Anteil zuzuschreiben ist. Dement-, sprechend ist bei Boilern der gleichen Kapazität die Menge des NO , die in kohlebefeuerten Wärmekraftwerken erzeugt

wird, zwei oder dreimal größer als bei ölbefeuerten Wäremkraftwerken. Um die NO -Erzeugung in kohlebefeuerten

Wäremkraftwerken soweit abzusenken, daß sie gleich oder niedriger als bei konventionellen ölbefeuerten Wärmekraftwerken wird, ist es daher notwendig, eine solche Steuerung der Verbrennung durchzuführen, daß innerhalb des Verbrennungsraumes das durch die Verbrennung erzeugte NO reduziert wird.

Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm des gesamten Steuersystems, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird. In dieser Figur ist nur ein BrennstoffSteuersystem dargestellt, das Steuersystem für die Speisewasserfließgeschwindigkeit und das Steuersystem für die Gesamtluftzufuhrgeschwindigkeit der Figur 2 sind weggelassen. Das in Figur dargestellte Steuersystem hat gegenüber dem in Figur 2 dargestellten System folgende weiteren Funktionen:

(1) Die Funktion der Schätzung des Kohle-Heizwertes (4000)

(2) Die Funktion der Messung des Flammenbildes (4200)

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(3) ,.Die Funktion der Messung von NO (4300)

(4) Die Funktion des Schätzens der Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle (4400/ 4500)

(5) Die Funktion der Bestimmung der Brennstoffνerteilung (4600)

(6) Die Funktion der Steuerung der Hauptverbrennungszone (4700)

{7) Die Funktion der Steuerung der Reduktionsverbrennung szone (4800).

Obwohl die Einzelheiten von jeder dieser Funktionen nachfolgend beschrieben werden, sollen die Merkmale des in Figur 3 dargestellten Steuersystems kurz wie folgt zusammengefaßt werden:

Zunächst wird durch eine Realzeitmessung (Schätzung) der Eigenschaften der Kohle vor der Verbrennung und der Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle am Brennereinlaß eine Steuerung des optimalen Luft-Brennstoffverhältnisses in der Feuerung ausgeführt.

Zweitens wird während der Verbrennung bei einem Verbrennungssystem, das gesteuert werden soll und das eine Hauptverbrennung (die NO erzeugt) und eine Reduktionsverbrennung (die NO reduziert) aufweist, ein Anforderungsssignal für die Fließgeschwindigkeit des Brennstoffes der Hauptverbrennung 3300 und ein Anforderungssignal 3400 für die Fließgeschwindigkeit des Brennstoffes der reduzierenden Verbrennung getrennt voneinander auf der Basis der Flammenforra und des Meßergebnisses für den Anteil an NO im Verbrennungsgas festgelegt.

Weiterhin werden unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften einer Mühle zum Pulverisieren von Kohle Bedarfssignale 3310, 3410 für die Kohlezufuhrgeschwindigkeit, Bedarfssignale 3320, 3420 für die Fließgeschwindigkeit der Primärluft und Bedarfssignale 3330, 3430 für die Fließgeschwindigkeit der Sekundärluft bestimmt.

Jede dieser Funktionen wird nachfolgend im einzelnen beschrieben. Zunächst wird die Funktion der Schätzung

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des Kohleheizwertes erläutert. Beispiele eines Kohle-Realzeitmessverfahrens sind in "Coal process control with on-line nucoalyzer" in Coal Technology Europe 1981, Band 2, 9. - 11. Juni 1981 angegeben. Bei diesem Verfahren wird das Prinzip eingesetzt, daß dann, wenn der Fluß von Kohle mit Neutronen be-r strahlt wird, die Kohle Gammastrahlen erzeugt, die für die in ihr enthaltenen Komponenten charakteristisch sind. Wendet man ein Gerät, das nach diesem Meßverfahren arbeitet, an-, ist es möglich, die Zusammensetzung der Kohle: H, S, C, H, Cl, Si, Ai, Fe, Ca, Ti, K und Na zu bestimmen. Bei diesem Meßverfahren wird die Messung jedoch bezüglich eines jeden Elementes ausgeführt. Daher muß der Wassergehalt in der Kohle kompensiert werden.

Ein Beispiel für das Verfahren zum Bestimmen des Kohleheizwertes wird nun unter Bezugnahme .auf die Figur 4 erläutert. Zunächst werden die Gewichtsverhältnisse (Gewichtsanteile) der Kohlekomponenten (Kohlenstoff C, Wasserstoff H und Schwefel S) mit Hilfe eines on-line-Kohleanalysators 4001 gemessen und mit C, H, S jeweils bezeichnet. Weiterhin wird der Gewichtsanteil des Wassergehaltes mit Hilfe eines Wassergehaltdetektors 4002 festgestellt und mit H-O bezeichnet. Sodann wird der Kohleheizwert H (kcal/kg) in einer Recheneinrichtung 4003 ermittelt, indem eine Rechnung nach der folgenden Gleichung durchgeführt wird:

H_L = 8100C+28600(H- -^₂O) +2500S (1)

Auf der anderen Seite repräsentiert ein Bedarfssignal für den gesamten Brennstoff (FRD) 3100 die Menge der für den Siedekessel erforderten Einsatz an Energie; demzufolge läßt sich die Beziehung zwischen dem Bedarfssignal (FRD 3100 für den gesamten Brennstoff und das

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Bedarfssignal für den Boilereinlaß (BID) 3000 durch die folgende Gleichung 2 ausdrücken:

FRD = BID/H-n_ (2)

Das Symbol η_β in dieser Gleichung stellt den Wirkungsgrad des Boilers dar, der sich "mit der Zeit ändert. Der Wirkungsgrad des Boilers muß daher im Realzeitverfahren kompensiert werden. Ein Beispiel für eine Kompensationsfunktion des Bpilerwirkungsgrades besteht aus einem Addierer 4005 und einer Proportional/Integralvorrichtung 4006, die in Figur 4 gezeigt sind. Insbesondere wird angesichts der Tatsache, daß jede Änderung des Boilerwirkungsgrades sich in einer Abweichung der Temperatur 1101 des Hauptdampfes von einem gegebenen Wert S4001 zeigt, die Differenz zwischen ihnen von dem Addierer 4005 erhalten, und man erhält 1/η., durch eine Proportional/ Integralrechnung mit der Vorrichtung 4006. Man erhält demzufolge ein Kompensationssignal 3050 zum Kompensieren des Gesamtbrennstoffbedarfssignals (FRD) 31OO als Ergebnis der Multiplikation von 1/H_ und 1/η : mittlesceines Multiplizierers 4007. Wenn die Anordnung der Gestalt ist, daß der Nennwert des Boilerwirkungsgrades durch 1/TId₁- dargestellt wird und man Änderungen Δ1/Η-, Δ1/η_β davon erhält, dann ist es möglich, den Multiplizierer 4007 durch einen Addierer zu ersetzen.

Figur 5 zweigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Verfahrens zum Schätzens des Kohleheizwertes IL.. In diesem Fall wird der Kohleheizwert H unter Beachtung des ümstandes bestimmt, daß die Brenngastemperatur T , die man mit einem Detektor 4010 erhält, durch die spezifische Wärme C des Gases, durch die Fließgeschwindigkeit der Kohlezufuhr und der von einem Mühlendifferenzdruckdetektor 4011 gegebenen Kohlenfließgeschwindigkeit F_f nach der folgenden Gleichung ausgedrückt wird:

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Bei der Figur 5 bezeichnet das Bezugszeichen 4012 eine Dividiervorrichtung, während das Bezugszeichen 4013 eine Koeffizientenvorrichtung bezeichnet. Natürlich muß der Boilerwirkungsfaktor η_β berücksichtigt werden, bis die Gastemperatur T in die Hauptdampftemperatur umgewandelt worden ist; es ist daher notwendig, eine Kompensation von 1/H_{T n}_ durchzuführen, ähnlich wie bei der

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in Figur 4 dargestellten Schätzmethode für den Kohleheizwert.

Im folgenden wird die Funktion 4200 für die Messung des Flammenbildes beschrieben.

Bei der Feuerung eines großen Boilers für Kohleverbrennung sind Brennergruppen, die in drei Stufen und drei Linien angeordnet sind, beispielsweise an der Vorderseite der Feuerung angeordnet, oder es sind Brennergruppen an der Vorderseite und an der Rückseite der Feuerung angeordnet. Das Licht der Brennerflammen wird durch eine Kondensoreinheit, die beispielsweise am Fuß eines jeden Brenners angeordnet ist, gesammelt um ein Flammensignal zu erhalten und wird zu der Bildaufnahmekamera eines ITV über einen Bildleiter geleitet. Da ein notwendiger Teil dieses Leiters innerhalb der Feuerung aufgenommen sein· muß, muß dieser Teil zusammen mit der Kondensoreinheit innerhalb der Feuerung eine hohe Temperatur aushalten; demzufolge ist eine geeignete Kühlung notwendig.

Figur 6 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel des Bildleiters, der Informationen über die Brennerflammen 4203 der Bildaufnahmekamera zuführt.

Der Zweck des Einsatzes des Lichtleiters ist folgender:

Die Flammen können im einzelnen beobachtet werden, wenn es möglich ist, die Bildaufnahmekamera selbst näher an die Flammen heranzubringen. Da die Temperatur innerhalb der Feuerung des Boilers oberhalb von 1500 ⁰C liegt, ist es unmöglich, die Kamera näher an die Flammen heranzubringen.

Aus diesem Grunde wird eine Linse 4227 in die Feuerung ein-

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gesetzt.um eine Abbildung der Flammen zu bilden, und die Bilddaten der Verbrennungsflamme (optisches Signal) werden über eine optische Faserleitung der außerhalb der Feuerung angeordneten Bildaufnahmeröhre zugeführt. Bei der Figur 6 besteht der Bildleiter aus 3000 bis 30000 Strängen 4208 aus optischen Fasern, die alle einen Durchmesser von etwa 2 mm haben. An der Peripherie des Bündels der Stränge von optischen Fasern ist der Bildleiter mit einem Durchgang für eine Kühlflüssigkeit (Wasser, Luft u.a.) 4230, mit einem wärmeisolierendem Material 4232 und mit einer Hülse 4229 versehen. Der Bildleiter hat einen Dunchmesser von etwa 50 Mir Mit dem Bezugszeichen 4226 ist ein Schutzglas bezeichnet. Weiterhin kann mit Hilfe von Luft 4231 u.a. die Vorderseite der Linse sauber gehalten werden (gereinigt werden) um zu verhindern, daß der bei der Verbrennung innerhalb der Feuerung erzeugte Ruß sich auf dem Linsensystem absetzt.

Im folgenden wird beschrieben, wie man das Volumen der Verbrennungszone aus den Bilddaten bestimmt, die man durch den ITV mit dem voranbeschriebenen Bildleiter erhält.

Der Betrag der NO -Erzeugung F _N in der Hauptverbrennungszone und der Betrag der NO -Erzeugung E_rNox iⁿ einer Reduktionsverbrennungszone kann näherungsweise durch die folgenden Formeln 4 und 5 ausgedrückt werden:

^Vm

wobei T: Temperatur des Verbrennungsgases

V: Volumen der Verbrennungszone

P: Partiäldruck

A: Konstante

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In den obigen ,Formeln 4 und 5 bezeichnen die Indices M, R, N und NO jeweils die Hauptverbrenn die Reduktionsverbrennung, Stickstoff bzw. NO

Anhand der Formeln 4 und 5 sieht man. daß das Volumen jeder Verbrennungszone sich stark auf die Erzeugung von NO bzw. auf die Reduktion von NO auswirkt. -

Die Verbrennungszone wird als ein Gebiet in dem gemessenen Bild angesehen, dessen Luminanz (oder Temperatur) oberhalb eines bestimmten Niveaus liegt. Bei einem Beispiel für ein Verfahren zum Bestimmen des Volumens der Verbrennungszone wird das von der Flamme aufgenommene Bild beispielsweise entsprechend der Figur 7 in ein Raster aufgeteilt und der Teil des Bildes, dessen Luminanz oder Temperatur oberhalb eines bestimmten Pegels liegt, d.h. der schräg gestrichelte Teil in Figur 7 wird als Verbrennungszone definiert, und damit erhält man die Fläche S der Verbrennungszone. Das Volumen V der Verbrennungszone ist eine Funktion der Fläche S. Im Fall von Flammen gibt es eine Differenz zwischen dem Längendehnungsmaß k₀ und dem Breitendehnungsmaß k der Flamme aufgrund

Xt Vr

einer Änderung im Brennstoffanteil. Man kann jedoch annehmen, daß k =k«k₀ ist. Andererseits können die Fläche S und das Volumen V durch die Länge x. und die Breite x der Flamme wie folgt ausgedrückt werden:

wobei χ : mittlere Flammenbreite
w

χ : Flammenlänge

X/

Stellt man die Fläche und das Volumen einer neuen Flamme, die bei Änderung der Brennstoffmenge gegenüber den voranstehenden Bedingungen gebildet wird, durch S¹ bzw. durch V dar, so erhält man folgende Gleichung:

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• 34H943

s'/s =

= k(k₀)²

I'- (8)

= k ²

,2, 3
" ^{k k}£

Wenn diese Gleichungen durch Substitution der Gleichung 8 in Gleichung 9 umgeordnet werden, so erhält man die folgende Gleichung:

7 3_ L

V/V = k². (S¹/S)² ....... (10) \

Weil k als konstant angenommen werden kann, kann man das Volumen der Flamme als proportional zu der 3/2-Potenz der Fläche des Flammenbildes ansehen.

Weiterhin kann man ein Verfahren einsetzen, bei dem das Volumen der Flamme aus der Flammenlänge x. wie folgt bestimmt wird:

Damit kann man das Verhältnis V'/V wie folgt ausdrücken;

V/V = k²(x_£'/x_Ä)³ (11) I

oder

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Damit ergibt sich das Volumen der Flamme als proportional zu der dritten Potenz der Flammenlänge bzw. der Flammenbreite. Weiterhin kann man als Meßverfahren ein CT (Computer Tomographie) Verfahren einsetzen. Bei dem voranbeschriebenen Verfahren, bei dem das Volumen der Verbrennungszone aus dem Flammenbild abgeleitet wird, ist es möglich, die Genauigkeit der Bestimmung des Betrages an NO -Erzeugung zu verbessern, indem mit dem Abstand d zwischen dem Brennerauslaß und dem Fuß der von ihm gebildeten Flamme und einer maximalen Luminanz I · ausgeführt wird. Entsprechend dem Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Brennstoffmenge, d.h. dem Luft-Brennstoffverhältnis λ ändert sich der Abstand zwischen dem Brennerausgang und dem Fußpunkt der Flamme entsprechend der Figur 8, und die maximale

Luminanz Ä, der Flamme ändert sich ebenfalls entmax

sprechend der Figur 9. Demzufolge ist die maximale Luminanz Z umgekehrt proportional zum Abstand zwischen dem Brennerausgang und dem Fußpunkt der Flamme, und dies ist so zu interpretieren, daß in einem Gebiet, in dem die maximale Luminanz 5, groß ist/ der Brennstoff schnell in einer von dem Brenner entfernten Position verbrannt wird. Demzufolge steigt selbst dann, wenn das Volumen V„ der Hauptverbrennungsflamme klein ist, der

Betrag der NO -Erzeugung F _N an. Aus diesem Grund kann man die Gleichung 4 wie folgt ausdrücken:

Für die Hauptverbrennungszone wird daher das vorerwähnte Verhältnis V'/V verwendet, nach dem es in (V_M'd')/(V_Md) korrigiert wurde, wodurch es möglich wird, die Genauigkeit der Bestimmung des Anteiles der Erzeugung von NO zu verbessern.

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Bei der Brennerart mit "aufgespaltenem Brennstoff" ("fuel split type burner"), bei dem die Flamme so gebildet ist,,, daß von einem einzelnen Brenner einer Hauptverbrennungszone und eine Reduktionsverbrennungszone

gebildet werden, ist die Reduktionsverbrennungszone von

der Hauptverbrennungszone eingeschlossen; es besteht daher die Möglichkeit, daß man die Reduktionsverbrennungszone nicht aus den in Figur 7 dargestellten Flammendaten ableiten kann. In einem solchen Fall ist vorzuziehen, die Reduktionsverbrennungszone aus den Flammendaten in der Hauptverbrennungszone und dem Verhältnis zwischen dem in den jeweiligen Verbrennungszonen: verbrannten Brennstoff zu bestimmen. Weiterhin kann man die Flammendaten über jede Verbrennungszone durch ein Filter entsprechend der Wellenlänge des in jeder Verbrennungszone von der Flamme emittierten Lichtes erhalten.

Im folgenden wird ein Verfahren für die tatsächliche Messung von NO beschrieben, bei dem ein Messgerät 4300 eingesetzt wird, bei dem für die Kalibrierung und Be-Stimmung von NO CARs-Licht verwendet wird.

Ein CARs-Messgerät, das einen Leseroszillator und einen spektrochemischen Analysator enthält, ist im oberen Teil des Brennofens eingebaut. Das Prinzip der von diesem Gerät durchgeführten Gaskonzentrationsmessung ist bekanntlieh derart, daß Anti-Stokes-Licht ,· welches erzeugt wird, wenn von dem Laseroszillator ein Pumplicht und ein Stoksches Licht auf das Verbrennungsgas einwirkt, mit dem ersteren Pumplicht interferiert und ein neues Anti-Stoksches Licht erzeugt, und das ein koherentes CARs-Licht, das als Ergebnis einer solchen Kettenreaktion erzeugt wird, verwendet wird. Die Spektralanalyse des CARs-Lichtes ermöglicht es, die Konzentration des NO -als..einen Wert der

Ji

Gaskonzentratipnsanalyse zu erhalten. Die damit gemessene NO -Konzentration kann zur Eichung einer NO -Bestimmung bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet werden. .

EPO COPY Gl₁

'■■■ ^: "■-■ -34U9A3

Wenn die CARs-Messapparatur bei dem vorerwähnten Typ von Brenner mit geteiltem Brennstoff eingesetzt wird, ist es vorzuziehen, die Messung an dem oberen Ende der Brennflamme durchzuführen.

Nachfolgend wird die Funktion..der Bestimmung der Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle 4400, 4500 beschrieben.

Es ist wünschenswert, die Fließgeschwindigkeit der Kohle F^ unmittelbar vor der Verbrennung zu messen, d.h. an dem Brennereinlaß. Da es keine Einrichtung zur direkten Messung der Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle am Brennereinlaß gibt, ist es jedoch notwendig, die Fließgeschwindigkeit für pulverisierte Kohle mittelbar aus der Fließgeschwindigkeit der Kohlezufuhrvorrichtung und dem Differenzdruck der Mühle u.a. zu bestimmen.

Beispiele des konventionellen Verfahrens zur Messung der Fließgeschwindigkei.t der Kohle, die durch eine Kohlezufuhrvorrichtung fließt, umfassenr.eine volumetrische Methode und eine .gravimetrische Methode. Bei der volumetrischen Methode wird die Höhe der Kohleschicht auf der Kohlezufuhrvorrichtung mit Hilfe einer Niveaustange aufrechterhalten, und die. volumetrische Fließgeschwindigkeit der Kohle wird mit der Geschwindigkeit der Zufuhrvorrichtung gemessen. Bei der gravimetrischen Methode wird demgegenüber das Gewicht der Kohle auf der Kohlezufuhrvorrichtung gemessen und mit der Geschwindigkeit der Zufuhrvorrichtung multipliziert, wodurch die gravimetrische Fließgeschwindigkeit der Kohle bestimmt wird. Mit Rücksicht auf Änderungen in der Dichte der Kohle auf der Kohlezufuhrvorrichtung ist die gravimetrische Methdde in der Meßgenauigkeit besser und wird daher hauptsächlich angewendet. Zusätzlich gibt es ein weiteres Verfahren, bei der die Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle an dem Ausgang der. Mühle gemessen wird, indem der Umstand benutzt wird,

EPO COPY Λ

daß die Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle an dem Ausgang der Mühle teilweise proportional zu dem Differenzdruck der Mühle ist, wie dies :Figur 10 zeigt.

Die voranbeschriebenen Meßmethoden haben alle Vorteile und Nachteile und jede von ihnen ist unvollständig. Es besteht daher ein Bedürfnis zur Entwicklung einer Technik zur Abschätzung der Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle, die die Wirkungen der dynamischen Eigenschaften der Mühle und der Störungen bei der Beobachtung minimiert.

Das Kaiman-Filtern ist besonders geeignet für ein Verfahren zum Bestimmen der Fließgeschwindigkeit pulverisierter Kohle, welches die Wirkungen der dynamischen Eigenschaften des Prozesses und die Störungen bei der Beobachtung minimiert. Wenn die Zustandsgieichung pf eines objektiven Prozesses und die Beobachtungsgleichung durch die folgenden Gleichungen 14 bzw. 15 ausgedrückt werden:

X(i+1) = Φ(χ).χ(ί)+Η(ί) -U(i) (14) ,

(i

(15)

wobei X(i): n-dimensionaler Zustandsvektor zur

Zeit 1
U(i): m-dimensionaler Steuervektor zur .'.^Ic ^Zeit -

Y(i): r-dimensionaler Beobachtungsvektor

zur Zeit i.
W(i): r-dimensionaler Beobachtungsstörungs-

vektDr

Φ, H, C: sindijeweils η χ η, η χ m bzw. r χ η-

Matrizen,

dann wird das Signal X(i) durch das Kaiman-Filtern mittels der folgenden Gleichungen 16 bis 20 ausgedrückt:

EPO COPY Ί

■·■' ^: " 34H9A3

wobei,

X(i) = 4>(i-l)X(i-l)+H(i-l).U(i-l) (17)

P(i) »{M^lil+C'liJ-W^-Cli)}"¹ ... (18)

M(i) = Φ(ί-1)Ρ(ί-1)Φ" (i-D+H(i-l)U(i-l)H'(i-1) .. (19)

Anfangsbedingungen X(O) = X(O)

(20)

M(O) = X(O)

wobei X/ W, U: Varianzen von X bzw. W bzw. U.

Dementsprechend erlaubt die Einführung der Zustandsgleichung 14 bezüglich der Mühle zum Pulverisieren von Kohle unter Verwendung des Kalman-Filterns eine Bestimmung der Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle.

Nachfolgendewird der Weg zur Bestimmung der Zustandsgleichung der Mühle für pulverisierte Kohle erläutert.

Die Kohle wird durch den in Figur 11 dargestellten Prozeß pulverisiert. Im einzelnen wird die von der Zufuhrvorrichtung zugeführte Kohle auf einem Mahltisch (Mahlplatte) angesammelt und dann, mittels Zentrifugalkraft dem Gebiet zwischen dem Mahltisch und einer Kugel zugeführt, um auf diese Weise pulverisiert zu werden. Die in dem Kugelgebiet gemahlene und pulverisierte Kohle wird mittels eines Luftträgers (im allgemeinen als "Primärluft" bezeichnet) zu einer Trommel befördert. Eine pulverisierte Kohle mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 200 mesh zirkuliert jedoch aus der Trommel zurück zu dem Gebiet des Mahltisches, Die Kohle wird durch Wiederholen des voranstehenden Vorganges allmählich pulverisiert, und wenn der Teilchendurchmesser 200 mesh oder mehr beträgt wird die Kohle in den Brenner überführt. Bezeichnet man

EPO COPY

34U9A3

dementsprechend den Durchmesser des Mahltisches mit D und das mittlere spezifische Gewicht der Kohle mit γ , so ergibt sich die Höhe H der auf dem Mahltisch angesammelten Kohle entsprechend der folgenden Gleichung:

ttD

dH

dt

= F +F -F ce er co

(21)

ce er co

wobei, F : Fließgeschwindigkeit der von der Zufuhrvorrichtung zugeführten Kohle Fließgeschwindigkeit der von der Trommel zurückzirkulierten Kohle

Fließgeschwindigkeit der dem Pulverisierungsgebiet zwischen dem Mahltisch und der Kugel zugeführten Kohle

Andererseits ist die Fließgeschwindigkeit der dem Gebiet zwischen dem Mahltisch und der Kugel zugeführten Kohle proportional zu der Zentrifugalkraft, die auf die auf dem Mahltisch angesammelte Kohle einwirkt, und kann daher durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

F = K, -T co k

(22)

wobei K,: Die Zufuhrgeschwindigkeit der Kohle zu dem :-P.ulverisierungsgebiet zwischen dem Mahltisch

derrKugel ist und

T: Die Zentrifugalkraft ist, die auf die Kohle wirkt

T =

JL 3

• D³-N

MT

^Ycm'^Hc

(23)

wobei N_M„,: Die Rotationsgeschwindigkeit des Mahltisches ist.

EPO COPY

■ ^: '■■■ ^: 34U943

Nimmt man weiter an, daß die Pulverisierungscharakteristik des Kugelabschnittes durch die tote Zeitcharakteristik und die Fließgeschwindigkeit der von der Trommel rezirkulierten Kohle proportional zu der Fließgeschwindigkeit der in die Trommel eintretenden Kohle ist, so ergibt sich die Fließgeschwindigkeit F der von der Trommel rezirkulierten Kohle nach der folgenden Gleichung:

_F = κ .e"^LS.F _rt (24)

er r co

Werden die Gleichungen durch Einsetzen der Gleichungen 22 bis 24 in die Gleichung 21 umgeordnet, so erhält man die folgende Gleichung: 2 dH

wobei

_Ύ 2_ = F -κ Ή (25)

'era dt ce c c

-LS Ti² 3 2

Ki _ M-V ο \ —- K DN -V _c - Ii K_re j ₃ *_ku w_MT 7_c

Nimmt man demgegenüber an, daß die Kohle innerhalb der Trommel ein von der Trägerluft transportiertes Objekt ist, so ist die Fließgeschwindigkeit F , der dem Brenner zugeführten Kohle proportional zu der Volumen Fließgeschwindigkeit der Trägerluft. Stellt man die Gewichtsfließgeschwindigkeit und das spezifische Gewicht

durch F bzw· durch * dar, so ergibt sich die folgende a a* ■

Gleichung:

cb

Nach dem Gesetz der..Erhaltung der Masse kann die Konzentration γ . der pulverisierten Kohle innerhalb der Trommel wie folgt ausgedrückt werden:

EPO COPY

^{l27) :}

wobei V das .innere Troininelvolumen ist. Durch Umordnung der Gleichungen 26 und 27 erhält man daher die folgende Gleichung:
Y_a dF

V ~ · —r^2 = κ ¹H -F . (28)

F dt c c cb

Werden also die Gleichungen 25 und 28 umgeformt so ergeben sich die grundlegenden Gleichungen 29 und

dt" " Vy_a *cb

„ + 4 _F ; ₍₃₀₎

Wenn hierbei X = (F . , H )' wie auch U= (0, F )

C O Cc

sind und eine Vektordarstellung gewählt wird, so erhält man folgende Gleichung:

υ = AX+BU - · · (31)

Qt

wobei

) A=FK¹

J-J- a. a. ' 12 SC' _

A₂, = O , A₉₀ = -4K V(TTD²Y )

^j- 22 c cm

^B22

EPO COPY

•^;- -' '■■' ^: "·■■ ^: 34U943

Wenn. Φ (t, t_Q) = L^iSII-A}"¹; sowie H(t, t_Q) = s\ Φ (t, τ)Β (τ) άχ

gilt und diese in die Form diskreter Werte gebracht werden, so erhält man die folgende Gleichung:

X(k) = 4>(k-l) -X(k-1)+H(k-1) -U(k-l) (32)

wobei X(k) = X(kAt)

Φ (Jc-I) = Φ(kΔt_/ (k-l)At)

Wie zuvor erwähnt worden ist, ist die Fließgeschwindigkeit F , der pulverisierten, dem Brenner zugeführten Kohle entsprechend der Figur 10 teilweise proportional zu dem Differenzdruck ΔΡ der Mühle, und ihre Beobachtungsgleichung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

F_pba(i) = Y₁(I) = C(AP(I)-AP₀)+W(i) .... (33)

wobei W(i): Normale (normal verteilte) Zufallszahlen sind.

Wenn die so eingeführten Gleichungen 32, 33 in die. Gleichungen 14 bzw. 15 eingesetzt werden, ist es möglich, die Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle am Brennereinlaß zu bestimmen.

Es wird nun die Funktion 4600 zur Brennstoffverteilung für die Hauptverbrennung und die reduzierende Verbrennung erläutert. Zunächst wird der Reaktionsmechanismus sowohl für die Hauptverbrennungszone wie für die Reduktionszone erläutert, obgleich dies bereits oben beschrieben worden ist.

Durch die Gleichungen 4,^5 .wird der Betrag der NO-Erzeugung F _NQ der Hauptverbrennungszone und der die Ν0_χ Reduktionsmenge F _ΝΟχ in der Reduktionsverbrennungszone jeweils durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

EPO COPY

^Fg_N0x ^{= k} _g ^VM^dM^ex?<-V>^PN ...-(34)

^FrNOx = ^kr^VR^dR^eX? ^ ^PNOx ⁽³⁵>

wobei k , k : Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten für die Erzeugung bzw. Reduktion von NO sind

Vj₁Jf V_R: Die Volumina der Hauptverbrennungszone und der Reduktionsverbren-. nungszone (der Flammen)

A.,, A-: Konstanten

T_M, T : Representative Temperaturen der

M R

Hauptverbrennungszone bzw. der Reduktionsverbrennungszone (der Flammen)

PjjS Anteil des Stickstoffes im Brenn-. istoff

P_M_ : NO -Partialdruck in der Reduktions-Verbrennungszone

Da der NO -Partialdruck in der Reduktionsverbrennungszone proportional zu dem Betrag F _ der NO -Erzeugung in der Hauptverbrennungszone ist, kann die Gleichung in die folgende Gleichung 36 umgewandelt werden:

MR_pgMV^PN^} " <³⁶⁾ R · ¹M

wobei k eine Konstante ist.
P

EPO COPY Jl

- 34 - " ""■' ^: ' ' 34H943

Dementsprechend kann der Betrag F der NO Emission wie folgt ausgedrückt werden:

^FN0x ^{= F}gN0x"^FrN0x

Da der Gesamtbrennstoffbedarf FRD des Boilers durch die Funktion (200) gegeben ist, müssen die Fließgeschwindigkeit F.p_M für den Brennstoff der Hauptverbrennung sowie die Fließgeschwindigkeit P,_ für den Brennstoff der Reduktionsverbrennung folgende Bedingungsgleichung 38 erfüllen:

Da die Volumina V , V der Haupt- und der Reduktionsverbrennungszone proportional zu den Fließgeschwindigkeiten F_fM bzw. F_fR sind, kann man die folgenden Gleichungen aufstellen:

^VM ^{= 1}StM ' ^FfM . (39)

⁽⁴⁰⁾

wobei ^ττ_Μ' lc^j. Konstante sind.
Werden die Gleichungen 39, 40 in die Gleichung 38 eingesetzt, so erhält man die folgende Gleichung:

- F

EPO COPY

- '■" - · ■ 34H943

Wird die Gleichung 41 in die Gleichung 37 eingesetzt, so erhält man die folgende Gleichung:

Damit die durch die Gleichung 42 erhaltene Größe F _Q mit einem bestimmten Wert F „ übereinstimmt, muß des halb folgende Bedingung erfüllt werden:

Diese Gleichung wird wie folgt umgeordnet:

r -e

— F =0 ■ · ν NOxD

Wenn diese Gleichung, die ein quadratischer Ausdruck bezüglich V_ is
de Gleichung:

züglich V_ ist, aufgelöst wird, so erhält man die folgen-

COPY

■'· ' "-' ^{: :} 34U943

-^[kq^kVM ^exPi~? >^PN^{

^2kg^k ^ H

VR ¹R

1-η£ )FRD}]^

Die Gleichung 43 stellt dar, daß dann, wenn die Verbrennungsgastemperatur T„, T_R die Brennstoffeigenschaften P_n, der Brennstoffbedarf FRD und die durch den Wert F spezifizierte NO -Emission gegeben sind, der Zielwert von V₀ bestimmt ist. Wenn man also V_., das durch die κ ti

Gleichung 43 bestimmt ist, durch V darstellt, so ergibt

KJD

sich aus der Gleichung 41 der Zielwert V_MQ von V"_M zu:

^VRD

Wenn der Brennstoff und die anderen Faktoren so gesteuert werden, daß die Flammenvolumina V_M, V_R, die man aus der Flammenmeßfunktion 4200 erhält, mit den so erhaltenen Werten von ν,,-., V_nr. übereinstimmen , so ist.es daher mög-

MJJ KL)

lieh, den geforderten Anteil an Brennstoff FRD zu verbrennen, während der Betrag der NO^,-Erzeugung unter

i I

EPO COPY

einen bestimmten Wert F_NOxd gehalten wird.

Setzt man weiterhin V_Mri, ν__ in die Gleichungen 39/ 40 ein, so ist es möglich, den Brennstoffbedarf ^FfMD (33°°) für die Hauptverbrennung und den Brennstoffbedarf F_fRD (3400) für die Reduktionsverbrennung jeweils nach den folgenden Gleichungen zu bestimmen:

^FfMD ^{= V}MD^/kVM * - · (45)

^FfRD = ^VRD^/kVR (46)

übrigens ändern sich k P und k k , die in Glei-

g ν p ^r

chung 37 auftreten, stark entsprechend den Brennstoffeigenschaften und den Umgebungsbedingungen wie z.B. dem Wetter. Es ist daher wünschenswert, deren Änderungen fortlaufend in Prozeßgekoppelter Weise zu bestimmen und sie mit den Schätzwerten zu korrigieren. Die Kompensationsmethode wird nachfolgend erläutert.

Werden zwei Satze von tatsächlichen Messungen, d.h. der NO -Betrag, den man mit einer NO -Meßvorrichtung

Ji Ji

4300 erhält, Flammenformen V_M, V-, und Flammentemperatüren T , T_R, die man mittels einer Flammenbildmeßvorrichtung 4200 erhält jeweils durch die folgenden Größen NO_x(I), V φ, V_R(1), T_M(1), T_R(1) und N0_x(2), V_M(2), V_R(2), T₁₄U)₇ T_r(2) dargestellt, so erhält man aus der Gleichung 37 die folgenden Gleichungen:

EPO COPY

*" \ n_ ί-λ π ττ / τ \ / ** lic lc IrV { 1 \

(47)

M ³ R

^)kp^kr^{} =}

(48)

Wird die Gleichung 47 durch die Gleichung 48

dividiert, so kann man k k entsprechend der nachfolgenden Ableitung erhalten:

EPO COPY

CM

Di

CM

ο ζ

Cm I

Π H

CJ

PS

Οι

CM

	κ
Ol	ο
κ
ω	CM

«»·	>
S
>
CM	κ
—^	ο
κ	ζ

κ ο

CM

α>

CM

κ ο ζ

,* Ji

■F

CM

α. κ α)

CM

Β·

α>

CM

κ ο

t?

ΟΛ

_ΕΡ0 COPY

_ 40 - " 34U9A3

Man kann weiterhin k p_N erhalten, indem man k k in die Gleichung 47 oder 48 einsetzt.

Da k , k_VR, die in den Gleichungen 3 9 und 40 auf treten, ebenfalls durch Änderungen der Umgebungsbedingungen beeinflußt werden, ist es wünschenswert, sie zu jeder Zeit zu kompensieren.

Man kann k_v , k_v leicht durch Messung von ^ν _ΜΠ), F_fM(1), V_R(1), F_fR(1) wie folgt erhalten:

^kVM ⁼ V^1)/FfM⁽¹⁾ "T (50)

Die Figur 12 zeigt das Konzept der voranbeschrie- ^!"· benen Funktionen. In der Figur sind die Berechhungsvorgänge wie folgt:

(1) Zunächst erhält man durch die Gleichungen 50, in den Funktionen 4630, 4640 die Größen k»™,» k^_R·

(2) Durch Gleichung 43 erhält man V in der Funktion 4610.

(3) Durch Gleichung 44 erhält man V_Mn in der Funktion 4620.

(4) Durch die Gleichungen 45, 46 erhält man F_fME)j(33OO) , ^FfRD ^400) in den Funktionen 4650 und 4660, und diese Größen werden ausgegeben.

Im folgenden wird das Steuerungsverfahren für die Hauptverbrennungszone und die Reduktionsverbrennungszone

•25 erläutert. Für jede von ihnen ist durch die Funktion 46OO die Brennstoffließgeschwindigkeitsanforderung bestimmt worden; daher werden in den Funktionen 4700, 4800 .jeweils die Kohlezufuhrgeschwindigkeitsanforderungen 3310, 3410, die Primärluftfließgeschwindigkeitsanforderungen 3320, 3420 und die Sekundärluftfließgeschwindigkeitsanforderungen 3330, 3430 für die Haupt- und die Reduktionsverbrennungszone bestimmt. Das Steuerverfahren wird nachfolgend anhand

EPO COPY

der Funktion 4700 beschrieben, die representativ für die beiden Funktionen ist. Die Figur 13 zeigt das Prinzip des Steuerungsverfahrens. In der Figur ist mit dem Bezugszeichen 3300 die Brennstoffließgeschwindigkeitsanforderung für den Brenner der Hauptverbrennung bezeichnet. Die Brennstoffließgeschwindigkeitsanforderung F wird (in der Funktion 4720) durch die Kohlefließgeschwindigkeit F_f dividiert, die in der Bestimmungsvorrichtung 4400 für die Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle bestimmt worden ist, so daß man die Geschwindigkeitsanforderung 3310 der Kohlezufuhrvorrichtung erhält. Da es weiterhin Aufgabe der Primärluft ist, die Kohle zu transportieren, kann man die Primärluft-Fließgeschwindigkeitsanforderung 3320 durch Multiplikation (Funktion 4730) der Brennstoffließgeschwindigkeitsanforderung Ff_MD mit einem Proportionalitätsfaktor K- erhalten. Wenn jedoch die Fließgeschwindigkeit der Primärluft abnimmt, so erniedrigt sich das Transportvermögen stark. Es ist daher allgemein üblich, einen Grenzwert (Funktion

4731) vorzusehen, so daß die Primärluftfließgeschwindigkeit nicht unter einen bestimmten Wert absinkt, selbst wenn F^Vr₀ klein wird. Ferner erhält man grundsätzlich die SekundärluftflieBgeschwindigkeitsanforderung 3330 entsprechend der Darstellung durch Multiplikation (Funktion

4740) der Brennstoffließgeschwindigkeitsanforderung F_fM_ mit einem Proportionalitätsfaktor K,. Im Fall von Kohle gibt es jedoch große Änderungen in ihren Eigenschaften. Es ist daher nicht immer optimal, daß die Proportionalitätsfaktoren K-, K- für Kohle gleich welcher Eigenschaften konstant sind, und es ist vielmehr vorzuziehen, Κ«, K₂ entsprechend der verwendeten Kohle zu korrigieren. Das gleiche gilt bezüglich der Funktion 4800.

Die Figur 14 zeigt die Beziehung zwischen den Steuersignalen für den Fall, in dem die Erfindung mittels der

EPO COPY

_ ₄₂ _ 34U9A3

Ausgangssignale der in Figur 3 dargestellten Brennstoffverteilungsvorrichtung auf die Verbrennungssteuerung zur Denitrifikation der Feuerung angewendet wird. Diejenigen Gegenstände und Teile, die denen in Figur 1 gleichen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die auf die Hauptverbrennung bezogenen Gegenstände und Teile sind mit dem Index M versehen, während die anderen Gegenstände und Teile, die sich auf die Reduktionsverbrennung beziehen, mit dem Index R versehen sind. Das Geschwindigkeitsanforderungssignal für den Antriebsmotor der Zufuhrvorrichtung und die Primär- und Sekundäfluft-Fließgeschwindigkeitsanforderungssignale werden, obwohl dies in Figur 14 nicht dargestellt ist, entsprechend der Darstellung der Figur 2 unter Verwendung des Brennstoff-Fließgeschwindigkeitssteuerungssyst'ems und des Luftfließgeschwindigkeitssteuerungssystems gesteuert. Mit anderen Worten zeigt die Figur 14 nur den Ablauf der Steuersignale um zu illustrieren, welches Signal in Figur 3 welchen Teil in Figur 14 steuert. Somit werden die Fließgeschwindigkeiten für Brennstoff und Luft, die den Brennern 6„, 6_R zugeführt werden, gesteuert, und das in der Hauptverbrennungszone erzeugte NO wird in der Reduktionsverbrennungszone reduziert, so daß der Betrag der NO -Emission unter einem bestimmten Wert gehalten wird..

Obgleich die Erfindung in bestimmten Beispielen beschrieben worden ist, ist sie hierauf nicht beschränkt und es sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, die auch unter den Umfang der Erfindung fallen.

RS/JG

EFO COPY

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einer - Feuerung, in der eine Hauptverbrennung stattfindet, der eine reduzierende Verbrennung folgt, und in der ein Brenner (6_R) für reduzierende Verbrennung in einer auf einen Brenner (6 ) für die Hauptverbrennung nachfolgenden Stufe angeordnet ist, um eine Verbrennung für eine solche Denitrifikation der Feuerung auszuführen, daß Stickoxide (NO ), die in der Hauptverbrennungszone von dem Brenner der Hauptverbrennung erzeugt werden, durch ein von dem Brenner für die reduzierende Verbrennung in der Reduktionsverbrennungszone erzeugten Reduktionsmittel reduziert werden,

gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

EPO COPY

Bestimmung des Betrages der Erzeugung des Reduktionsmittels auf der Basis von Informationen über die Verbrennungsflamme, die von dem Brenner für die Reduktionsverbrennung gebildet wird;

Bestimmen des Betrages der NO -Erzeugung auf der Grundlage von Informationen über eine Verbrennungsflamme, die von dem Brenner der Hauptverbrennung gebildet wird; und

Steuerung von wenigstens den Brennstoffmengen, die dem Brenner der Hauptverbrennung und dem Brenner der Reduktionsverbrennung zugeführt werden, so daß der bestimmte Betrag des Reduktionsmittels und der Betrag der NO -Erzeugung mit ihren jeweiligen Zielwerten übereinstimmen.
2. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch 1, dadurch ge.k-enn zeichnet, daß als Informationen Daten über die Flammengestalt der Flammen verwendet werden, die von dem Brenner der Reduktionsverbrennung oder dem Brenner der Hauptverbrennung gebildet werden.
3. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch •1 oder 2, dadurch g e-.k e η. .η ζ e i c h η e t, daß ein

Schätzwert des Volumens (V_M, V_R) der Flamme als Information über die Flammengestalt verwendet wird.
4. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Einsatz das Flanrnenvolumen als Produkt der Länge (xj der Flamme und der zum Quadrat

EPO COPY

34U943

erhobenen Breite der Flamme (x ) bestimmt wird.
5. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb das Flammenvolumen aus der Projektionsfläche der Flamme bestimmt wird.
6. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsfläche der Flamme im Betrieb als Produkt der Länge (X₀) und der Breite (x .) der Flamme bestimmt wird.

A* W
7. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch 3, .,

dadurch gekennzeichne tv daß dann, wenn Änderungen in der Menge des zugeführten Brennstoffes auftreten, das neue Flarnmenvolumen im Betrieb als ein Wert berechnet wird, der proportional zu der 3/2-Potenz des Änderungsverhältnisses der Projekt ions fläche der Flamme ist.
8. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch

7. dadurch g e..k ennzeichnet, daß das neue Flammenvolumen im Betrieb als ein Wert bestimmt wird, der proportional zur dritten Potenz des Änderungsverhältnisses der Projektionsbreite der Flamme ist.
9. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach einem

der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennz eichnet, daß der Betrag der NO -Erzeugung im Betrieb auf der Basis

EPO COPY Jl

34U9A3

des Abstandes (d ) zwischen dem Auslaß des Brenners der Hauptverbrennung und dem Fuß der durch die Hauptverbrennung gebildeten Flamme bestimmt wird.
10. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der NO -Erzeugung (F _ ) aus dem Volumen (V ) der durch die Hauptverbrennung gebildeten Flamme, dem Abstand (d ) zwischen dem Auslaß des Brenners der Hauptverbrennung und dem Fuß der in der Hauptverbrennung gebildeten Flamme, der Temperatur (T ) des Verbrennungsgases in der Hauptverbrennungszone und aus dem Stickstoffpartialdruck fP_nJ der Hauptverbrennungszone nach der folgenden Gleichung berechnet wird:

^FgN0x ⁼ VV^dM^ex3?<—^)IPN^]

wobei k : Die Geschwindigkeitskonstante für

die Erzeugung von NO ; und

Ji.

A.„: eine Konstante ist.
11. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Erzeugung des Reduktionsmittels im Betrieb auf der Grundlage des Abstandes (d_R) zwischen dem Auslaß des Brenners der Reduktionsverbrennung und dem Fuß der durch die Reduktionsverbrennung gebildeten Flamme bestimmt wird.

EPO COPY
12. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch g e k e η η ze_ichnet, daß der Betrag der Erzeugung des Reduktionsmittels (^F _rNOx) ^auf der Grundlage des Volumens (V_R) der durch die Reduktionsverbrennung gebildeten Flamme, des Abstandes (d„) zwischen dem Auslaß des

is.

Brenners der Reduktionsverbrennung und dem Fuß der von der Reduktionsverbrennung gebildeten Flamme, der

Temperatur (T ) des Reduktionsverbrennungsgases und des R

NO -Partialdruckes Γ^ρ _ΝΟΧΊ in der Reduktionsverbrennungszone nach der folgenden Gleichung berechnet wird:

^FrNOx

wobei k : Die Geschwindigkeitskonstante für die Reduktion; und A_n: eine Konstante ist.
13. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der.Betrag der Erzeugungjdes Reduktionsmittels (^F _rNOx) ^iln Betrieb als ein Wert bestimmt wird, der proportional zu dem Betrag der NO_x-Erzeugung (F_gNOx) ist.
14. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach einem

der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennz eichnet/ daß man als Flammengestalt ein Gebiet in dem Flammenmeß-

EPO COPY

bild wählt, dessen Luminanz oder Temperatur oberhalb eines vorgegebenen Pegels liegt.
15. Verfahren zur Steuerung der Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennz eichnet, daß die Fließgeschwindigkeit der pulverisierten Kohle als Fließgeschwindigkeit des zugeführten Brennstoffes zu jedem der Brenner unter Verwendung einer Kaiman-Filterung bestimmt wird.

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