DE102008056672A1

DE102008056672A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung eines Kraftwerks auf der Grundlage zweier realer Konzentrationsverteilungen

Info

Publication number: DE102008056672A1
Application number: DE200810056672
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Meerbeck; Rainer Dr. Speh
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-05-12
Also published as: WO2010055046A2; EP2350759A2; WO2010055046A3

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung eines Kraftwerks wird eine reale Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum gemessen und die Konzentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen rechnerisch ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks bei denen eine reale Konzentrationsverteilung und/oder eine reale Temperaturverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum gemessen wird.
Bei Kraftwerken ist es das grundlegende Ziel, die in einem Verbrennungsraum des Kraftwerks, beispielsweise einem Kessel mit einer quadratischen Grundfläche von 10 Meter mal 10 Meter, stattfindende Verbrennung möglichst großflächig zu überwachen, um daraus die notwendigen Größen für die Optimierung des Verbrennungsprozesses ableiten zu können.
So ist als Verfahren die Absorptionsspektroskopie bekannt. Als alternative Messtechnik ist die Schall-Pyrometrie bekannt. Mit Absorptionsspektroskopie oder Schall-Pyrometrie können nur Mittelwerte einer Linie im Kesselraum bzw. Verbrennungsraum gemessen werden.
Zum Berechnen der Temperatur- und Konzentrationsverteilung in einer Ebene eines Verbrennungsraums aus gemessenen Mittelwerten an verschiedenen Stellen des Verbrennungsraumes eines Kraftwerks ist die CAT-Messtechnik, die Computer Aided Tomographie, bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine weitergehende Überwachung der Verbrennung in einem Kraftwerk zu ermöglichen, um damit die Grundlage für die Optimierung des Verbrennungsprozesses zu liefern.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine weitergehende Überwachung der Verbrennung in einem Kraftwerk zu ermöglichen, um damit die Grundlage für die Optimierung des Verbrennungsprozesses zu liefern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Verfahren gemäß Anspruch 3, einer Vorrichtung gemäß Anspruch 6 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks umfasst in einer ersten Ausführungsform die Schritte: Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und rechnerisches Ermitteln der Konzentration des Stoffes an mindestens einer, zwischen den beiden Ebenen liegenden, Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen. In einer zweiten, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks die Schritte: Messen einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und rechnerisches Ermitteln der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilungen.
Entsprechend umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks in einer ersten Ausführungsform eine Einrichtung zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und eine Einrichtung zum rechnerischen Ermitteln der Konzentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen. In einer zweiten, alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum eines Kraftwerks eine Einrichtung zum Messen einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen im Verbrennungsraum und eine Einrichtung zum rechnerischen Ermitteln der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilungen.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt mit anderen Worten darin, dass während der Verbrennung in einem Kraftwerk eine Konzentrationsverteilung und/oder eine Temperaturverteilung eines vorgegebenen Stoffes in zwei Ebenen gemessen wird. Basierend auf den damit festgelegten Randbedingungen wird ferner, insbesondere mittels CAT-Technik, die Konzentration und/oder die Temperatur an mindestens einer Stelle im Zwischenraum zwischen den beiden Ebenen rechnerisch ermittelt. Auf diese Weise ist es mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich, ein vollständiges Bild der Verbrennung zu erzeugen. Mit diesem Bild ist eine bessere Regelung der Verbrennung möglich, als bisher.
Bei der obigen Definition der Erfindung wird unter ”Stoff” allgemein jede Art von Verbrennungsedukt und/oder -Produkt verstanden, insbesondere in Form von Gas als Bestandteil des Abgases.
Bei einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird beim rechnerischen Ermitteln die Konzentrationsverteilung des Stoffes bzw. die Temperaturverteilung in mindestens einer zwischen den beiden Ebenen liegenden Ebene ermittelt. Es kann auf diese Weise eine weitere zweidimensionale Verteilung der Konzentration und/oder der Temperatur für eine beliebig liegende Ebene in dem Zwischenraum zwischen den beiden vorgesehenen Ebenen erzeugt werden. Ferner ist es möglich insgesamt ein dreidimensionales Gitter für die Verteilung von Konzentration/en (auch für mehrere Stoffe) und/oder die Temperatur zu erstellen.
Bei einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt das rechnerische Ermitteln zeitgleich mit dem Messen. Es ist also nicht zwingend ein sequentielles Vorgehen beim Messen und weiteren Ermitteln von Konzentration/en und der Temperatur erforderlich, sondern es können diese Schritte auch simultan erfolgen, so dass besonders schnell und besonders aussagekräftige Ermittelungsergebnisse erzeugt werden können. Insgesamt kann so auf einfache Weise ein zwar teilweise nur genähertes, dafür aber vollständiges Bild der Verbrennung auf kostengünstige, einfache und zugleich prozesssichere Art erzeugt werden.
Die genannten vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bevorzugt in Gestalt entsprechend angepasster Einrichtungen auch in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen realisiert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist ein Verbrennungsraum 10 eines weiter nicht veranschaulichten Kohlekraftwerks dargestellt, in dem beim Betrieb des Kohlekraftwerks ein Kohlefeuer brennt. In dem Verbrennungsraum 10 befinden sich dabei das Brennmaterial Kohle mit zugehörigen Brenngasen, mehreren Flammen 11 sowie Abgase.
Im Verbrennungsraum 10 sind zwei Messebenen 12 und 14 vorgesehen, an deren Rand sich jeweils Messinstrumente 16 befinden. Jeweils zwei der Messinstrumente 16 ermöglichen eine linienförmige Messung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14, wobei mit Hilfe der Messinstrumente 16 und einer zugehörigen Auswerteeinrichtung 18 die Konzentration der Stoffe O₂ (Sauerstoff) und C_o (Kohlenmonoxid) gemessen werden können. Ferner kann mit den Messinstrumenten 16 und der Auswerteeinrichtung 18 die Temperaturverteilung in der zugehörigen Messebene 12 bzw. 14 ermittelt werden. Die Messung beruht dabei auf einer Kombination der Absorptionsspektroskopie und der CAT-Technik.
Die Auswerteeinrichtung 18 ist über einen Datenbus 20 mit einer Optimierungseinrichtung 22, einer Bedieneinrichtung 24 und einer Leiteinrichtung bzw. Leittechnik 26 betrieblich derart gekoppelt. Über die Bedieneinrichtung 24 können die von der Auswerteeinrichtung 18 gemessenen realen Konzentrationsverteilungen sowie Temperaturverteilungen in den Ebenen 12 und 14 dazu genutzt werden, um an mindestens einer Stelle und insbesondere mehreren Ebenen zwischen den beiden Ebenen 12 und 14 mit Hilfe der aus den Verteilungen ermittelten Randbedingungen in der Optimierungseinrichtung 22 die Konzentration der genannten Stoffe und auch die Temperatur rechnerisch zu ermitteln. Die Ebenen, in denen die Konzentrationen und die Temperaturen ermittelt werden, liegen dabei insbesondere parallel zu den ebenfalls parallel zu einander verlaufenden Ebenen 12 und 14. Die rechnerische Ermittlung kann auch weiterer Konzentrations- und Temperaturwerte anderer Stoffe umfassen, etwa um die in dem Verbrennungsraum 10 brennenden Flammen insbesondere im Hinblick auf einen geringen Ausstoß von NO_x (Stickoxid) zu optimieren.
Zur rechnerischen Ermittelung verwendet die Optimierungseinrichtung 22 Interpolationsgleichungen sowie insbesondere auch physikalische Modellgleichungen der Diffusion und der Kinematik im Verbrennungsraum, die zuvor anhand eines Modells des Verbrennungsraums 10 erstellt und in der Optimierungseinrichtung 22 gespeichert worden sind.
Das zugehörige Verfahren ist in 2 veranschaulicht. Es umfasst den Schritt 28 des Messens der Konzentrationsvertei lung z. B. der Stoffe O₂ und CO und der Temperaturverteilung in der Ebene 12. In einem Schritt 30 wird zeitgleich die Konzentrationsverteilung z. B. der Stoffe O₂ und CO in der Ebene 14 sowie die dortige Temperaturverteilung gemessen. Ferner wird in einem Schritt 32, wie oben erläutert, die Konzentrationsverteilung sowie die Temperaturverteilung in mehreren Ebenen zwischen den Ebenen 12 und 14 rechnerisch ermittelt.
Auf der Grundlage dieser Ermittlung erfolgt dann in einem Schritt 34 eine Optimierung der Verbrennung, beispielsweise durch eine Änderung der Luftschichtung und/oder ein abschnittsweises Ändern des Luftüberschusses.

Claims

Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks mit den Schritten: – Messen (28, 30) einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum (10) und – rechnerisches Ermitteln (32) der Konzentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim rechnerischen Ermitteln (32) die Konzentrationsverteilung des Stoffes in mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Ebene ermittelt wird.
Verfahren zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, mit den Schritten: – Messen (28, 30) einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum und – rechnerisches Ermitteln (32) der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilungen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem beim rechnerischen Ermitteln (32) die Temperaturverteilung in mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Ebene ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das rechnerische Ermitteln (32) zeitgleich mit dem Messen (28, 30) erfolgt.
Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks mit – einer Einrichtung (16, 18) zum Messen einer realen Konzentrationsverteilung eines Stoffes in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum (10) und – einer Einrichtung (22) zum rechnerischen Ermitteln der Konzentration des Stoffes an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Konzentrationsverteilungen.
Vorrichtung zum Überwachen der Verbrennung in einem Verbrennungsraum (10) eines Kraftwerks, insbesondere nach Anspruch 6, mit – einer Einrichtung (16, 18) zum Messen einer realen Temperaturverteilung in mindestens zwei Ebenen (12, 14) im Verbrennungsraum und – einer Einrichtung (22) zum rechnerischen Ermitteln der Temperatur an mindestens einer zwischen den beiden Ebenen (12, 14) liegenden Stelle auf der Grundlage der gemessenen realen Temperaturverteilungen.