DE20021271U1 - Sensoreinrichtung zur Bestimmung der einem oder einer Gruppe von Brennern zugeführten Verbrennungsluftmenge - Google Patents

Description

Sensoreinrichtung zur Bestimmung der einem oder einer Gruppe von Brennern zugeführten Verbrennungsluftmenge

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der einem oder einer Gruppe von Brennern einer Brennereinrichtung über ein großvolumiges Zuführsystem zur Versorgung aller oder einer Gruppe von Brennern der Brennereinrichtung mit Verbrennungsluft zugeführten Verbrennungsluftmenge nach dem Kreuzkorrelationsmeßverfahren. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für die Bestimmung der einem einzelnen oder einer Gruppe von Kohlenstaubbrenner zugeführten Verbrennungsluftmenge einer über eine Windbox mit Verbrennungsluft gespeisten, mehrere Kohlenstaubbrenner umfassenden Brennereinrichtung einer Kraftwerksfeuerungsanlage.

Brennereinrichtungen in Kraftwerksfeuerungsanlagen weisen eine Vielzahl von parallel über eine Windbox mit Verbrennungsluft gespeiste Einzelbrenner auf Zur Erreichung eines optimalen Verbrennungsprozesses ist es dabei notwendig, jedem Einzelbrenner ein optimales Verhältnis von Brennstoff und Verbrennungsluft zuzuführen. Windboxen sind deshalb in aller Regel mit beweglichen Luftleitblechen zur Beeinflussung des Luftstromes innerhalb der Windbox ausgestattet, um so die Aufteilung der der Windbox insgesamt zugeführten Verbrennungsluftmenge auf einzelne Brenner oder Gruppen von Brennern zu beeinflussen. Trotz dieser möglichen Beeinflussung der Aufteilung der Verbrennungsluft auf einzelne Brenner oder Gruppen von Brennern erfolgt eine fortlaufende Optimierung des Verbrennungsprozesses bei bekannten Kraftwerksfeuerungsanlagen kaum, weil mit hinreichender Genauigkeit und vertretbarem Aufwand lediglich die insgesamt der Windbox zugeführte Verbrennungsluftmenge bestimmt werden kann, nicht jedoch die einzelnen Brennern oder Gruppen von Brennern zugeführte Verbrennungsluftmenge. Dies ist insbesondere aufgrund der innerhalb der Windbox herrschenden Strömungsverhältnisse mit bisher bekannten, für derartige Aufgaben geeigneten Sensoreinrichtungen mit hinreichender Genauigkeit und vertretbarem Aufwand nicht möglich.

Zweck der Erfindung ist eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der einem oder einer Gruppe von Brennern, einer über ein großvolumiges Zuführsystem mit Verbrennungsluft gespeisten Brennereinrichtung, zugeführten Verbrennungsluftmenge nach dem Kreuzkorrelationsmeßverfahren, die bei vertretbarem Aufwand eine hinreichende genaue Bestimmung der Verbrennungsluftmenge ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Sensoreinrichtung dem ersten Schutzanspruch gemäß gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen

der Erfindung.

Die Sensoreinrichtung weist erfindungsgemäß eine oder mehrere Sensoranordnungen auf, die innerhalb einer Windbox jeweils den Strömungsquerschnitt der Windbox durchspannend so angeordnet sind, dass der jeweils um die einem Brenner oder einer Gruppe von Brennern zugeführte Verbrennungsluftmenge reduzierte Verbrennungsluftstrom durch die Sensoranordnungen hindurchströmt. Eine Sensoranordnung besteht dabei aus zwei in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hintereinander, beabstandet zueinander und sich kreuzend angeordneten, den Querschnitt der Windbox durchspannenden, aus einzelnen Sensorstäben bestehenden Sensorstabgruppen.

Die Sensorstäbe einer Sensorstabgruppe stehen bevorzugt gitterähnlich so zueinander, dass die Sensorstabgruppe eine Ebene bildet, die die Windbox quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft durchspannt. Günstigerweise sollten beide Sensorstabgruppen einer Sensoranordnung parallel zueinander und gegeneinander um einen Winkel von ca. 90 Grad in der Ebene der Sensorstabgruppen verdreht angeordnet sein. Die Sensorstäbe einer Sensorstabgruppe kreuzen in diesem Fall die Sensorstäbe der zur Sensoranordnung gehörenden anderen Sensorstabgruppe quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nahezu rechtwinklig. Bevorzugt sollte jeder Sensorstab dereinen Sensorstabgruppe einen Kreuzungspunkt mit jedem Sensorstab der anderen Sensorstabgruppe aufweisen.

Natürlich kann von der vorstehend beschriebenen günstigen Anordnung der Sensorstäbe einer Sensoranordnung auch abgewichen werden, wenn dies die geometrischen Verhältnisse der Windbox sowie die Anordnung der Brenner erforderlich machen. Es wurde gefunden, dass die Anordnung der Sensorstäbe weitgehend unproblematisch ist. Wichtig für die Funktion einer Sensoranordnung ist lediglich, dass die Sensorstäbe einer Sensorstabgruppe in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft beabstandet zu den Sensorstäben der jeweils anderen Sensorstabgruppe einer Sensoranordnung angeordnet sind und die Sensorstäbe der einen Sensorstabgruppe Kreuzungspunkte zu den Sensorstäben der anderen Sensorstabgruppe aufweisen. Die durch eine Sensoranordnung hindurchströmende Verbrennungsluftmenge wird mittels des Kreuzkorrelationsmeßverfahrens ermittelt. Dabei werden von den Sensorstäben über ihre gesamte Länge sensierte stochastische Schwankungen, beispielsweise der Staubbeladung der Verbrennungsluft, ausgewertet. Jeder Sensorstab einer Sensorstabgruppe liefert ein über seine Länge integriertes Signal der sensierten stochastischen Schwankung. Dieses wird mit dem Signal jedes Sensorstabes der anderen zur Sensoran-Ordnung gehörenden Sensorstabgruppe zu dem ersterer in Strömungsrichtung gesehen einen Kreuzungspunkt besitzt, mittels Kreuzkorrelation verarbeitet. Das Maximum der Korrelationsfunktion ist ein Maß für die Verschiebungszeit der stochastischen Schwankungen zwischen beiden Sensorstäben im Bereich ihres Kreuzungspunktes. Diese

Verschiebungszeit der sensierten stochastischen Schwankung im Bereich des Kreuzungspunktes zweier Sensorstäbe kann auch bei mehreren Metern Länge der Sensorstäbe mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden.

Bei bekanntem Abstand der Sensorstäbe im Kreuzungspunkt kann leicht die Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstromes im Kreuzungspunkt errechnet werden.

Indem nacheinander das Signal jedes Sensorstabes, der einen Sensorstabgruppe einer Sensoranordnung mit dem Signal jedes Sensorstabes der anderen in Strömungsrichtung versetzt angeordneten Sensorstabgruppe dieser Sensoranordnung zu dem ersterer in Strömungsrichtung gesehen einen Kreuzungspunkt aufweist, mittels Kreuzkorrelation verarbeitet wird, wird punktweise die Verschiebungszeit bzw. Geschwindigkeit des Verbrennungsluftstromes über den von der Sensoranordnung durchspannten Strömungsquerschnitt der Windbox ermittelt. Die Anzahl der möglichen Meßpunkte entspricht der Anzahl der Kreuzungspunkte der Sensorstäbe beider Sensorstabgruppen. Bei genügend großer Anzahl von Kreuzungspunkten, das heißt bei genügend großer Anzahl von Sensorstäben in jeder Sensorstabgruppe, kann ein beliebig genaues Strömungsprofil des Verbrennungsluftstromes über den Strömungsquerschnitt der Windbox ermittelt werden. Hieraus läßt sich dann die durch die Sensoranordnung hindurchströmende Verbrennungsluftmenge errechnen. Durch den Vergleich der der Windbox insgesamt zugeführten Verbrennungsluftmenge bzw. der durch eine erste Sensoranordnung der Sensoreinrichtung hindurchgeströmten Verbrennungsluftmenge mit der durch eine in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nachfolgend angeordneten Sensoranordnung der Sensoreinrichtung hindurchgeströmten Verbrennungsluftmenge kann die einem einzelnen oder einer Gruppe von Brennern, deren Verbrennungsluft strömungstechnisch vor der letztgenannten Sensoranordnung abzweigt, zugeführte Verbrennungsluftmenge bestimmt werden. Mittels in der Windbox angeordneter steuerbarer Luftleiteinrichtungen kann dann der Verbrennungsluftstrom in der Windbox so beeinflußt werden, dass jedem Brenner oder jeder Gruppe von Brennern die für eine optimale Verbrennung notwendige Verbrennungsluftmenge zugeführt wird.

Der besondere Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, dass mittels einfacher und kostengünstiger Sensoren die Bestimmung von Strömungsprofilen und Volumen- bzw. Massenströmen in großvolumigen Einrichtungen möglich ist. Dabei können durch geeignete Anzahl und Anordnung von Sensoranordnungen bzw. geeignete Anzahl und Anordnung von Sensorstäbe einer Sensorstabgruppen einer Sensoranordnung selbst komplizierteste Strömungsverhältnisse Berücksichtigung finden. Es hat sich gezeigt, dass der Einfluß der in den Verbrennungsluftstrom eingebrachten Sensorstäbe auf die Meßergebnisse nur unwesentlich ist. Von den Sensorstäben

beispielsweise hervorgerufenen Verwirbelungen der Verbrennungsluft beeinflussen durch die korrelative Verarbeitung der Signale das Meßergebnis nicht.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. I: den Längsschnitt der Vorderansicht einer Windbox einer Kohlenstaubfeuerung

eines Kraftwerkskessels mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, in Fig. 2: den Längsschnitt der Seitenansicht der Windbox und in Fig. 3: die Draufsicht einer Sensoranordnung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in der Windbox und ein elektrisches Blockschaltbildes der Verschaltung der einzelnen Sensoren mit einer Auswerteeinheit.

Wie aus den Figuren I und 2 ersichtlich, sind innerhalb einer Windbox I vertikal untereinander drei Kohlenstaubbrenner 2-4 angeordnet. Die Brenner 2-4 sind von Lufteintrittsöffnungen 5 - 7 umgeben, durch die auf 200 bis 400 ⁰C vorgewärmte Verbrennungsluft in einen schematisch angedeuteten Brennraum 8 geführt wird. Die vorgewärmte Verbrennungsluft wird von oben durch eine 2 &khgr; 3 m große Öffnung 9 der Windbox I zugeführt und teilt sich auf die Lufteintrittsöffnungen 5 - 7 der Brenner 2 - 4 auf, wobei diese Aufteilung durch steuerbare Luftleitbleche 10 beeinflußt wird. Innerhalb der Windbox I strömt die Luft mit Geschwindigkeiten zwischen 5 und 20 m/s.

Die Sensoreinrichtung besteht aus zwei Sensoranordnungen 11 und 12 die strömungstechnisch so innerhalb der Windbox I angeordnet sind, dass die durch sie hindurchströmende Verbrennungsluftmenge jeweils um die einem Brenner 2 - 4 zugeführte Verbrennungsiuftmenge reduziert ist. Jede Sensoranordnung Il und 12 weist zwei aus je drei Sensorstäben 13 bestehende Sensorstabgruppen ILI und 11.2 bzw. 12.1 und 12.2 auf Die Sensorstäbe 13 durchspannen die Windbox I horizontal. Sie bestehen aus 2 mm starkem Wolframdraht, der gegenüber der Windbox I elektrisch isoliert angeordnet ist. Die drei Sensorstäbe 13 jeder Sensorstabgruppe 11.1 und 11.2 bzw. 12.1 und 12.2 stehen gitterähnlich, parallel zueinander Die zu einer Sensoranordnung il bzw. 12 gehörenden Sensorstabgruppen 11.1 und 11.2 bzw. 12.1 und 12.2 sind in einem Abstand a von 40 mm zueinander und um 90 ° gegeneinander verdreht angeordnet. In Hauptströmungsrichtung der Verbrennungsluft weist jeder Sensorstab 13, der einen zu einer Sensoranordnung Il bzw. 12 gehörenden Sensorstabgruppe 11.1 bzw. 12.1 je einen Kreuzungspunkt zu jedem Sensorstab 13 der anderen zur Sensoranordnung Il bzw. 12 gehörenden Sensorstabgruppe 11.2 bzw. 12.2 auf

Die Sensoren 13 jeder Sensorstabgruppe 11.1 und 11.2 bzw. 12.1 und 12.2 sind elektrisch mit je einem Umschalter 14.1 und 14.2 bzw. 15.1 und 15.2 verbunden, wie in Figur 3 dargestellt. Jedem Umschalter 14.1 und 14.2 bzw 15.1 und 15.2 ist ein Verstärker 16.1 und 16.2 bzw. 171 und 172 nachgeschaltet. Die Ausgänge aller Verstärker 16.1 und 16.2 sowie

15.1 und 15.2 sind mit einem Auswerterechner 18 verbunden. Die vorgewärmte Verbrennungsluft weist eine Staubbeladung von I bis IO g/m³ auf Beim Durchströmen der Sensoranordnungen Il und 12 erfaßt jeder Sensorstab 13 die stochastisch verteilten Ladungsmuster der Staubpartikel, die ihn berühren bzw. in unmittelbarer Nähe an ihm vorbeiströmen. Nacheinander werden die elektrischen Signale jedes Sensorstabes 13 der einen Sensorstabgruppe IU bzw. 12.1 und jedes Sensorstabes 13 der anderen Sensorstabgruppe 11.2 bzw. 12.2 dem Auswerterechner 18 zugeschaltet und hier mittels Kreuzkorrelation verarbeitet. Die Umschaltung der Sensorstäbe 13 mittels der Umschalter 14.1 und 14.2 bzw. 15.1 und 15.2 wird vom Auswerterechner 18 gesteuert. Nacheinander wird so an allen 9 Kreuzungspunkten der Sensorstäbe 13 beider Sensorstabgruppen 11.1 und 11.2 bzw. 12.1 und 12.2 der Sensoranordnungen Il bzw. 12 die Zeit ermittelt, die die elektrisch geladenen Staubpartikel für die Zurücklegung des 40 mm langen Weges zwischen beiden Sensorstabgruppen II. I und 11.2 bzw. 12.1 und 12.2 benötigen. Anhand dieser horizontalen Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt der Windbox I kann so die Luftmenge bestimmt werden, die durch die jeweilige Sensoranordnung Il bzw. 12 hindurchströmt. Die dem Brenner 2 zugeführte Verbrennungsiuftmenge errechnet sich aus der Differenz der insgesamt in die Windbox I eingeströmten Verbrennungsiuftmenge abzüglich der durch die Sensoranordnung Il hindurchgeströmten Verbrennungsiuftmenge. Die dem Brenner 3 zugeführte Verbrennungsiuftmenge errechnet sich aus der Differenz der durch die Sensoranordnung Il hindurchgeströmten Verbrennungsiuftmenge abzüglich der durch die Sensoranordnung 12 hindurchgeströmten Verbrennungsiuftmenge. Die dem Brenner 4 zugeführte Verbrennungsiuftmenge entspricht der durch die Sensoranordnung 12 hindurchgeströmten Verbrennungsiuftmenge. Durch Verstellung der Luftleitbleche 10 kann auf die Strömungsverhältnisse innerhalb der Windbox I und damit die den Brennern 2 - 4 zugeführte Verbrennungsiuftmenge Einfluß genommen werden.

Claims (5)

1. Sensoreinrichtung zur Bestimmung der einem oder einer Gruppe von Brennern einer Brenneranordnung mit gemeinsamer Verbrennungsluftzuführung über eine Windbox zugeführten Verbrennungsluftmenge nach dem Kreuzkorrelationsmeßverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Windbox (1) den Strömungsquerschnitt durchspannend eine oder mehrere Sensoranordnungen (11, 12) derart angeordnet sind, dass zwischen dem Verbrennungslufteinlaß (9) der Windbox (1) und einer ersten Sensoranordnung (11) oder zwei in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft aufeinanderfolgenden Sensoranordnungen (11, 12) einzelne Brenner (2-4) oder Gruppen von Brennern angeordnet sind, denen jeweils ein Teilstrom des Verbrennungsluftstromes als Verbrennungsluft zugeleitet wird und jede Sensoranordnung (11, 12) aus zwei, aus gitterähnlich angeordneten Sensorstäben (13), die jeweils den Strömungsquerschnitt durchspannen, bestehenden Sensorstabgruppen (11.1, 11.2 bzw. 12.1, 12.2) besteht, die in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hintereinander einen Abstand (a) zueinander aufweisend, so angeordnet sind, dass sich die Sensorstäbe (13) beider zu einer Sensoranordnung (11, 12) gehörenden Sensorstabgruppen (11.1, 11.2 bzw. 12.1, 12.2) kreuzen.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorstäbe (13) einer Sensorstabgruppe (11. 1, 12. 1) einer Sensoranordnung (11, 12) in Strömungsrichtung je einen Kreuzungspunkt zu allen Sensorstäben (13) der anderen Sensorstabgruppe (11.2, 12.2) dieser Sensoranordnung (11, 12) aufweisen.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstabgruppen (11.1, 11.2 bzw. 12.1, 12.2) einer Sensoranordnung (11 bzw. 12) so angeordnet sind, dass sich die Sensorstäbe (13) beider Sensorstabgruppen (11.1, 11.2 bzw. 12.1, 12.2) einer Sensoranordnung (11 bzw. 12) quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsluft im Winkel von ca. 90 Grad kreuzen.

4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorstäbe (13) einer Sensorstabgruppe (11.1, 11.2, 12.1, 12.2) zueinander parallel angeordnet sind.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hintereinander einen Abstand (a) zueinander aufweisend, angeordneten, den Strömungsquerschnitt durchspannenden Sensorstabgruppen (11.1, 11.1 bzw. 12.1, 12.2) einer Sensoranordnung (11 bzw 12) zueinander parallel angeordnet sind.