DE602004001972T2

DE602004001972T2 - Modell und Regelung eines Müllverbrennungsverfahrens

Info

Publication number: DE602004001972T2
Application number: DE602004001972T
Authority: DE
Inventors: Alec Stothert; Eduardo Alvarez Gallestey; Silvia Bardi
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: CN1947073A; ATE336695T1; EP1589283A1; WO2005103565A2; CN100468238C; JP2007533947A; DE602004001972D1; WO2005103565A3; EP1589283B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Müllverbrennung. Sie geht von einem Verfahren zum Steuern eines Müllverbrennungsverfahrens in einer Müllverbrennungsanlage sowie von einer Vorrichtung zum Steuern einer Müllverbrennungsanlage und einer Vorrichtung zum Simulieren eines Müllverbrennungsverfahrens aus, wie gemäß dem jeweiligen Oberbegriff von Anspruch 1, 9 und 10 beschrieben ist. Solch ein Verfahren zum Steuern einer Müllverbrennungsanlage, eine Vorrichtung zum Steuern einer Müllverbrennungsanlage und eine Vorrichtung zum Simulieren eines Müllverbrennungsverfahrens ist aus EP 1 382 905 A bekannt.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gemeinde- und Industriemüll wird in Müllverbrennungsanlagen behandelt, um das Volumen des zu deponierenden Mülls zu verringern und umweltschädliche Bestandteile des Mülls wie aromatische Kohlenwasserstoffe oder organische Lösungsmittel in unschädliche Bestandteile zu verwandeln. Die zunehmende zu behandelnde Müllmenge führt zu der Gestaltung von Verbrennungsanlagen mit einer Vielzahl von Bahnen, die dazu fähig sind, mehrere zehn Tonnen Müll pro Stunde zu verbrennen. So genannte Müll-zu-Energie-Anlagen verbrennen nicht nur den Müll zu Asche, sondern wandeln auch die Verbrennungswärme zum Beispiel für die Bezirksheizung oder -elektrizität in Dampf um und verbessern somit die Gesamteffizienz der Anlage.
Die hoch entwickelten Anlagen für die Rauchgas- und Aschebehandlung sowie die Energieumwandlung erhöhen die Komplexität der Anlagen und somit den Bedarf an einer geeigneten Steuertechnik. Aufgrund der komplexen chemischen Prozesse und der unstetigen Kraftstoffqualitäten sind jedoch bisher keine angemessenen Steuertechniken verfügbar, die einen erfahrenen Facharbeiter ersetzen können. Außerdem werden die verfügbaren Sensordaten nicht direkt an den relevanten Stellen in dem Ofen gemessen, was zum Beispiel zu einer Verzögerung von mehreren zehn Sekunden führt, bevor einer Veränderung eines Steuerparameters von einem Sensor aufgezeichnet wird.
Ein Schlüsselproblem beim Leiten und Betreiben einer Müllverbrennungsanlage ist die Veränderlichkeit der Müllzusammensetzung, die zu Fluktuationen in der Verbrennungstemperatur und der Rauchgaszusammensetzung und -strömung führt. Insbesondere können der Erwärmungswert oder der Feuchtigkeitsgehalt des Mülls oder die Menge von Elementen wie Sand oder Schotter oder nicht verbrennbaren Materialien wie Metallen innerhalb des Mülls bedeutend variieren.
Die bedeutendsten Steuerparameter, die zur Einflussnahme auf das Verbrennungsverfahren in Müllverbrennungsanlagen benutzt werden können, sind die Masseflüsse der primären und sekundären Luft, die Lufttemperatur (falls ein Vorheizer für die Verbrennungsluft verfügbar ist), die Menge zurückgeführten Rauchgases, die Menge eingespeisten Mülls oder Kraftstoffs und die Transportgeschwindigkeit oder die Aufheizgeschwindigkeit eines hin- und hergehenden Rostes. Diese Parameter müssen gemäß erwarteten und unerwarteten Variationen des Wassergehalts und des Erwärmungswertes des Mülls optimiert werden, mit der Aufgabe, die Müllmenge, die behandelt werden kann, zu maximieren und/oder die Menge der Luft verschmutzenden Emissionen zu minimieren. Es ist eine weitere Aufgabe, die Kohlenstoffmenge in der Restasche unterhalb bestimmter Grenzen zu halten, die von Umweltgesetzen vorgeschrieben werden, oder die Flammtemperatur innerhalb des Ofens einzuschränken, um die Wandziegel zu schützen und somit ihre Lebenszeit zu verlängern.
Gemäß der US-Patentschrift 5,606,924 kann das Verbrennungsverfahren in Antwort auf eine Temperaturverteilung der Kraftstoffmasse reguliert werden, die von einer Infrarotkamera, dem Sauerstoffgehalt, der in dem Rauchgas erkannt wird, oder einem erzeugten Massestrom oder -dampf bestimmt wird. Um die Anpassung der Ofenleistung an die Dampfausgabeanforderung zu verbessern und um die Zusammensetzung des Abgases zu beeinflussen, schlägt diese Patentschrift vor, eine dreidimensionale Verteilung der Kraftstoffmasse auf mindestens einem Teil des Rostes zu erkennen. Die Kraftstoffmassekontur wird von einem Radar oder durch Richten mehrerer Videokameras auf die Kraftstoffmasse bei unterschiedlichen Winkeln abgetastet und die Energiemenge, die in einzelnen Bereichen durch Verbrennung lokal freigesetzt wird, wird daraus gefolgert.
In der US-Patentschrift 6,644,222 B1 ist ein System zur kontinuierlichen thermischen Verbrennung von Müll offenbart, das eine Steuerung aufweist, die ein Steuersignal erzeugt, welches zu der Differenz zwischen einem Zielwert und einem tatsächlichen Wert zum Beispiel der erzeugten Dampfmenge proportional ist, und das auf die Größe des Versorgungsstroms und/oder die Strömung der Verbrennungsluft wirkt. Das System umfasst ferner eine Schutzschaltung, die den Zielwert beeinflusst, um eine bestimmte Betriebsstörungsart zu verhindern, die mit geringen Werten des Erwärmungswertes des Kraftstoffs in Beziehung steht.
Die vorausschauende Modellsteuerung (MPC) ist ein Verfahren zum Lösen eines Problems der optimalen Steuerung und weist Systemdynamiken und -einschränkungen bezüglich der Systemausgabe und/oder der Zustandsvariablen auf. Ein System- oder Verfahrensmodell, das um einen bestimmten Betriebspunkt gültig ist, ermöglicht die Wiedergabe eines manipulierten Systemverlaufs oder einer Sequenz von Ausgabesignalen y im Hinblick auf einen gegenwärtigen Zustand des Systems, Vorhersagen externer Variablen und zukünftige Steuersignale u. Eine Leistungs-, Kosten- oder Zielfunktion, welche den Verlauf oder die Ausgabesignale y betrifft, wird gemäß einem bestimmten vorher festgelegten Kriterium und über einen bestimmten Vorhersagehorizont optimiert. Ein optimales erstes oder nächstes Steuersignal u₁, das aus der Optimierung resultiert, wird dann auf das System angewendet, und basierend auf dem nachfolgend beobachteten Zustand des Systems und auf aktualisierten externen Variablen wird das Optimierungsverfahren wiederholt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Müllverbrennungsanlage zu steuern oder ein Müllverbrennungsverfahren in einer Weise zu simulieren, welche sowohl genau ist als auch eine begrenzte Rechenkomplexität aufweist. Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Müllverbrennungsanlage nach Anspruch 1 und 9 sowie eine Vorrichtung zum Simulieren eines Müllverbrennungsverfahrens nach Anspruch 10 erreicht. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind aus den abhängigen Patentansprüchen offensichtlich.
Es ist ein Verdienst der vorliegenden Erfindung, ein Modell eines Müllverbrennungsverfahrens zu schaffen, welches genau genug ist, um die Haupteigenschaften des Verfahrens verlässlich zu reproduzieren, jedoch nicht zu detailliert ist, so dass dessen Anwendung in Echtzeitsteuerungen oder Simulationswerkzeugen verhindert wird. Das Modell identifiziert geeignete Modelleingaben, Modellzustände und Modellausgaben, integriert die Hauptaspekte der unterschiedlichen physikalischen, thermodynamischen und chemischen Prozesse, indem es sie in Zustands- oder Ausgabegleichungen überträgt, und nähert sich einem Müllstapel durch eine obere und eine untere Schicht an, deren homogene oder gleichförmige Eigenschaften wiederum Modellzustände repräsentieren.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Wärmeübertragung zwischen einer Flamme, die aus einer gasförmigen Verbrennung über dem Rost resultiert, und dem Müllbett auf eine wärmestrahlungsartige Interaktion zwischen der Flamme und der oberen Schicht begrenzt. Letztere übermittelt die Wärme dann mittels Wärmeleitung an die unter Schicht. In einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung wird angenommen, dass die oberste oder obere Schicht eine begrenzte Wärmekapazität, jedoch keine Masse aufweist.
Vorzugsweise sind die Modellzustände, die den physikalischen Mengen wie dem Müllstrom oder der Müllmasse in einem Stapel entsprechen, Vektoren, deren Bestandteile auf die Hauptbestandteile Wasser, Holzkohle oder Brennstoffe, flüchtige Stoffe und inertes Material beschränkt sind, wohingegen die Modellzustände, die einem Gasstrom entsprechen, Vektoren mit den Bestandteilen Sauerstoff, inertes Gas, Kraftstoff oder gasförmige Brennstoffe und Dampf sind. Es ist jedoch keine detaillierte Kenntnis der chemischen Eigenschaften der verschiedenen Bestandteile erforderlich.
Als ein Modellparameter des zugrunde liegenden Verbrennungsverfahrens ist die Wärmeträgheit als eine physikalische Menge entsprechend dem mathematischen Produkt einer Masse und einer spezifischen Wärme besonders gut geeignet. Dies beruht darauf, dass zum Beispiel sowohl die Masse als auch die spezifische Wärme der oberen oder obersten Schicht des Stapels sowie die Flamme oder das gasförmige Verbrennungsvolumen über dem Rost schwierig einzuschätzen sind. Die jeweiligen Wärmeträgheiten werden folglich vorzugsweise als Modellparameter benutzt und mit Hilfe von standardmäßigen Abstimmungsverfahren basierend auf anlagenspezifischen Daten bestimmt.
In dem erfinderischen Verfahren oder der Vorrichtung zum Steuern einer Müllverbrennungsanlage bezieht die Erzeugung eines Steuersignals vorzugsweise ein lineares Modell oder eine linear gemachte Version eines komplexeren Modells des Müllverbrennungsverfahrens ein, das in der Anlage stattfindet. Das Schema einer so genannten robusten Steuerung oder einer vorausschauenden Modellsteuerung (MPC), das auf mindestens einer Modellausgabe des linearen Modells basiert, wird zum Steuern basierend auf einem Modell eingesetzt.
Das Steuerverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist dazu fähig, Variationen in der Müllzusammensetzung oder Abweichungen von einem anlagenspezifischen standardgemäßen Verbrennungskraftstofftyp durch ein gefiltertes weißes Rauschsignal aufzunehmen. Letzteres wird zu den Steuersignalen hinzugefügt und zu einem linearen Modell des Verfahrens geleitet. Die Parameter des Rauschfilters können durch Auswerten bekannter Steuersignale und entsprechender Systemausgabesignale aus vergangenen Messungen erhalten werden.
Das Modell des Müllverbrennungsverfahrens, welches den Kern der Erfindung repräsentiert, wird am vorteilhaftesten in einer Steuerung der Müllverbrennungsanlage umgesetzt. Diese kann einen Facharbeiter dabei unterstützen, konstante Verfahrensbedingungen zu bewahren, den Durchsatz der Anlage bei konstanter Energieausgabe zu maximieren oder die Verwendung von Hilfsbrennern zum Erhalten des Verbrennungsprozesses einzuschränken und gleichzeitig im Hinblick auf Variationen in der Müllzusammensetzung Widerstandsfähigkeit zu bieten. Bezüglich eines anderen Aspekts der Erfindung wird das Modell in einer Simulationsvorrichtung umgesetzt, welche die Simulation sowohl des Müllverbrennungsverfahrens als auch der gesamten Verbrennungsanlage ermöglicht. Folglich kann ein Übungssimulator verwendet werden, um Facharbeiter beim Betreiben einer Müll-zu-Energie-Anlage in einer sicheren, verlässlichen und effizienten Weise auszubilden.
Aus Klarheitsgründen versteht es sich, dass die Erwähnung einer oberen und einer unteren Schicht in dem Müllstapel in keiner Weise ein Müllmodell aus dem Schutzbereich ausschließt, welches weitere Schichten umfasst, die auf jeder Seite von oder zwischen den oben erwähnten zwei Schichten angeordnet sind. Gleichermaßen soll der Schutzbereich nicht auf die aufgelisteten Verfahren und Vorrichtungen beschränkt sein, sondern auch die entsprechenden Computerprogramme abdecken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand der Erfindung wird in dem folgenden Text mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele detaillierter beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
1 schematisch eine Müllverbrennungsanlage darstellt,
2 die Bestandteile eines Modells des Müllverbrennungsverfahrens veranschaulicht,
3 die Simulationsergebnisse darstellt, die mit dem Modell gemäß der Erfindung erhalten worden sind; und
4 ein linearisiertes Verfahren zu Steuerzwecken darstellt.
Die Bezugszeichen, die in den Zeichnungen verwendet werden, und ihre Bedeutungen sind in der Liste der Bezugszeichen zusammenfassend aufgelistet. Prinzipiell sind in den Figuren identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt schematisch eine Müllverbrennungsanlage mit den folgenden Grundbestandteilen. Ein Eingabezuführmechanismus oder -auslöser (10) führt den Gemeindemüll oder Industriemüll, Abfall oder anderen Schutt in einen Ofen (11) ein und ordnet diesen auf einem gestützten beweglichen Rost (12) an, wodurch ein Müllbett gebildet wird. Der Rost (12) umfasst im Allgemeinen einige sich entgegengesetzt bewegende Rostplatten, um eine Verteilung, Vermischung und allgemeine Fortbewegung des Mülls über den Rost (12) zu bewirken. Hilfsbrenner (13) können bereitgestellt werden, um die Verbrennungsprozesse zu starten oder zu unterstützen. Die verbrannten Rauchgase werden in einem Trichter gesammelt und zu einem Boiler (14) zum Erwärmen von Dampf geleitet.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird das Verbrennungsverfahren in vier Bereiche unterteilt, die nacheinander von dem Müll durchquert werden: der Trocknungsbereich (20), der erste Verbrennungsbereich zur Pyrolyse und Vergasung/Verflüchtigung (21), der Rückstandsbereich zur Holzkohleoxidation oder Feststoffverbrennung (22) und der Aschebehandlungs-/Sinterbereich (23). Diese Bereiche sind in dem Ofen eigentlich nicht sonderlich getrennt und können sich in gewissem Maße überlappen. Ein zweiter Verbrennungsbereich oder Flammenbereich (24), in dem die homogene Gasphasenverbrennung des Pyrolysegases stattfindet, ist über dem Müllbett gekennzeichnet. Die primäre Luft (30) wird in im Allgemeinen unterschiedlichen Mengen unter dem Rost zu den vier oben erwähnten Bereichen (20, 21, 22, 23) geleitet. Die sekundäre Luft (31) wird über den Rost geleitet, um eine vollständige Verbrennung der Vergasungs- und Pyrolyseprodukte in dem zweiten Verbrennungsbereich (24) zu gewährleisten.
Die Menge „Müll", die in dem folgenden Modell in Betracht gezogen wird, entspricht einem imaginären Abschnitt des physikalischen Müllbetts auf dem Rost und wird ein „Stapel" genannt. Um einer Nichthomogenität in einer vertikalen Richtung, das heißt, senkrecht zu dem Rost, Rechnung zu tragen, wird der Stapel in eine dünne obere Schicht und mindestens eine massive untere Schicht oder Müllschicht getrennt. Es wird angenommen, dass alle Schichten homogen sind, und ihre jeweiligen Eigenschaften werden durch die Kennbuchstaben „u" für die obere und „w" für die mindestens eine untere oder Müllschicht unterschieden. Es wird angenommen, dass die Breite des Stapels im Allgemeinen mit der Rostbreite übereinstimmt, und mehrere Stapel, die nebeneinander angeordnet sind, können sich einem gesamten Müllbett annähern. Wenn der primäre Luftstrom (im Folgenden Index „p") einen bestimmten Stapel unterhalb des Rostes durchquert, erwärmt er sich, nimmt Wasserdampf und Pyrolysegase auf und wird zu einem so genannten Müllgasstrom (Index „g"). Die brennbaren Bestandteile des Müllgasstroms, die im Allgemeinen als „Kraftstoffe" bezeichnet werden, werden in dem zweiten Verbrennungsbereich (24) verbrannt, wobei ein Rauchgasstrom (Index „f") schließlich in Richtung des Boilers (14) austritt.
In 2 sind verschiedene Bestandteile eines Müll-verbrennungsmodells gemäß der Erfindung dargestellt. Drei Grundverfahren, die Verdampfung (1.2), Pyrolyse (1.3) und Feststoffverbrennung (1.4) heißen, werden unterschieden und sind jeweils durch angemessene chemische und/oder thermodynamische Gleichungen gekennzeichnet. Letztere sind ausgewertet und in eine Form übertragen worden, die unter „Umsetzung" in der bevorzugten Ausführungsform des Modells am Ende der Beschreibung angegeben ist. Gemäß der Müllzusammensetzung und der Verbrennungsluftzuführung und grob entsprechend der Position des Mülls auf dem Rost findet eines dieser Verfahren überwiegend in dem Stapel statt. Zwei Schichten des Müllstapels sind durch die Temperatur T_u, T_w und die Masse M_u, M_w gekennzeichnet. Diese sind Vektoren und ihre Bestandteile entsprechen den jeweiligen Mengen für Wasser, Holzkohle oder feste Brennstoffe, flüchtige Stoffe und inertes Material, aus welchen die Schicht besteht. Andererseits ist die primäre Luft durch die primäre Lufttemperatur T_p und die Strömungsgeschwindigkeit f_p ihrer vier Hauptbestandteile Sauerstoff, inertes Gas, Kraftstoff und Dampf gekennzeichnet. Dementsprechend nimmt die Strömungsgeschwindigkeit f_p gleichermaßen die Form eines Vektors an.
Sowohl die Strömungsgeschwindigkeit f_p als auch die Temperatur T_p der primären Luft repräsentieren Parameter der Verbrennungsanlage, die zum Steuern des Müllverbrennungsverfahrens benutzt werden. Andere Parameter dieser Art sind zum Beispiel die Müllzuführgeschwindigkeit f_wi des Mülls bei dem Eintritt in den Ofen (11), die Rostgeschwindigkeit v_g oder die sekundäre Luft, die durch die sekundäre Lufttemperatur T_s und die Strömungsgeschwindigkeit f_s gekennzeichnet ist. Andererseits sind die Temperatur f_wi und die Zusammensetzung des Mülls bei der Eingabe, das heißt, die relativen Mengen der Bestandteile Wasser, Holzkohle, flüchtige Stoffe und inertes Material, sowie die Zusammensetzung der primären und der sekundären Luft, das heißt, die relativen Mengen der Bestandteile Sauerstoff, inertes Gas, Kraftstoff und Dampf im Allgemeinen nicht offen für Regulierungs- oder Steuerungszwecke.
Die Höhe des Müllstapels H_w, die Sauerstofffraktion in dem Rauchgas O_f und die Dampferzeugung S repräsentieren Parameter der Verbrennungsanlage, wobei sämtliche Steuerversuche letztendlich darauf abzielen, ihre Werte so nahe wie möglich an einen bestimmten Zielwert oder Sollwert zu bringen. Um folglich die oben erwähnten Parameter als Modellausgaben zu bestimmen, beschreiben zusätzliche Bestandteile des Müllverbrennungsmodells das mechanische Verhalten des Mülls auf dem Rost, die thermodynamischen Bedingungen und Interaktionen mit dem Wasser-/Dampf-Zyklus sowie die verbundenen Rauchgas- und Aschebehandlungsverfahren.
Da die Dynamiken der Gasphasenprozesse viel schneller als die Thermodynamiken des Feststoffmülls in dem Stapel sind, wird in dem Müllverbrennungsmodell angenommen, dass sich der Gasmasseausgleich und der Gaswärmeausgleich im Gleichgewicht befinden und dass sich ein Dauergasstrom in dem zweiten Verbrennungsbereich (24) oder der Flamme entwickelt. In einer hypothetischen Verbrennungskammer mit einem bestimmten Volumen, die dem zweiten Verbrennungsbereich (24) entspricht, wird keine Anhäufung von Gas und/oder Erhöhung des Drucks in Betracht gezogen. Das Ablassen des Rauchgases zu dem stromabwärts verlaufenden Trichter wird weder behindert noch durch einen Druckgradienten zwischen der Flamme und dem Trichter beschleunigt und der Rauchgasstrom f_f vermischt sich nicht mit dem Strom des Müllgases f_g und dem Strom der sekundären Luft f_s, die den zweiten Verbrennungsbereich (24) betritt.
Sowohl in dem Feststoff- als auch in dem Gasverbrennungs-Grundverfahren (1.4, 1.5) werden je nach den relativen hereinkommenden Strömen entweder die gesamten festen oder gasförmigen Kraftstoffe oder die Gesamtsauerstoffmenge verbraucht. Um den relativen Kraftstoff- und Sauerstoffverbrauch zu bestimmen, werden die stöchiometrischen Details über die zugrunde liegenden chemischen Prozesse ausgenutzt. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Feststoffverbrennung kann deshalb auf einen Wert begrenzt werden, der einem Sauerstoffgehalt in dem Müllgasstrom f_g von null entspricht.
Gemäß der Erfindung wird das Müllverbrennungsmodell einfach gehalten, indem angenommen wird, dass nur die obere Schicht des Stapels der Wärmestrahlung aus der Gasphasenverbrennung der Pyrolysegase in dem zweiten Verbrennungsbereich (24) ausgesetzt wird. Dementsprechend findet eine Wärmeübertragung von der Flamme auf die untere Schicht ausschließlich mittels Wärmeleitung aus der oberen Schicht statt. Die jeweiligen Interaktionen zwischen den verschiedenen Bestandteilen des Modells sind durch die Pfeile in 2 dargestellt. Details einer bevorzugten Ausführungsform des Modells werden unten am Ende der Beschreibung gegeben.
Darüber hinaus kann angenommen werden, dass die obere Schicht keine Masse aufweist, das heißt, M_u = 0 ist, und dass sie willkürlich dünn ist, jedoch nichtsdestotrotz eine festgelegte begrenzte Wärmeträgheit umfasst. In diesem Fall umfasst die untere Schicht die gesamte Müllmasse. Die begrenzte Wärmeträgheit der oberen Schicht sowie die Wärmeträgheit der Flamme oder Gasmasse in dem zweiten Verbrennungsbereich (24) sind abstimmbare Parameter des Müllverbrennungsmodells. Ihre exakten Werte sind an die spezifische Müllverbrennungsanlage angepasst, welche das Modell mittels standardgemäßer Parameterschätzungsverfahren beschreiben soll.
In 3 sind verschiedene Simulationsergebnisse dargestellt, die aus einem vollständigen Verbrennungsverfahren eines einzigen Müllstapels einer standardgemäßen Zusammensetzung und aus der Gewichtung mehrerer Tonnen erhalten und gemäß der Erfindung modelliert worden sind. Die einzelnen Schaubilder zeigen die zeitliche Entwicklung während eines Zeitraums von 0,6 Stunden des primären Luftstroms f_p und des sekundären Luftstroms f_s, die beide nur inerte Bestandteile und Sauerstoff (in kg/s) umfassen, sowie der vier Bestandteile der Müllmasse M_w (in kg). Bei 0,14 Stunden beginnen die flüchtigen Bestandteile des Mülls zu verbrennen und der sekundäre Luftstrom f_s wird durch eine Steuerhandlung, welche auf die Regulierung des Sauerstoffüberschussverhältnisses auf 8% abzielt, stufenweise erhöht. Da das Sauerstoffüberschussverhältnis O_f mit der Flammentemperatur T_f in Beziehung steht, wird ersteres benutzt, um letztere zu steuern und somit eine optimale Verbrennungstemperatur zu gewährleisten. Ferner wird die resultierende Entwicklung der Zustandsvariablen Massemülltemperatur T_w, Temperatur der oberen Schicht T_u und Flammentemperatur T_f (alle in K) verfolgt. Schließlich wird das Sauerstoffüberschussverhältnis O_f als eine der Modellausgaben beschrieben.
Das Modell des oben ausgeführten Müllverbrennungsverfahrens ist ausreichend ausgearbeitet, um den korrekten physikalischen Mechanismen qualitativ Rechnung zu tragen, ist jedoch nicht zu komplex, um die Umsetzung in einem System zur Echtzeitsteuerung einer Müllverbrennungsanlage zu verhindern. Mit dem dargestellten Verfahrensmodell wird das Verbrennungsverfahren mit Hilfe gut bekannter modellbezogener Techniken gesteuert. Geeignete modellbezogene Steuerungen sind zum Beispiel so genannte robuste Steuerungen, ein internes Modellprinzip oder eine vorausschauende Modellsteuerung (MPC), wobei die Wahl der bevorzugten Steuerung von dem bestimmten eingesetzten Modell abhängen kann.
Eine wichtige Erweiterung besteht in der Aufnahme einer realistischen Variation der Müllzusammensetzung. Zu diesem Zweck wird das obige Modell linear gemacht und die Müllvariation wird als eine Rauschquelle aufgenommen, welche die Eingabemüll-Zuführgeschwindigkeit f_wi multipliziert. Folglich kann die relative Eingabemüllzusammensetzung festgelegt werden, die zum Beispiel einer nominellen Müllzusammensetzungsart mit 30 Wasser entspricht, wobei die Rauschbedingung allen Abweichungen davon Rechnung trägt. Da die Materialeigenschaften des Feststoffmülls und des Müllgases in den jeweiligen spezifischen Kapazitätsvektoren C_pw und C_pg vereinigt werden, besteht außerdem auch keine Notwendigkeit dafür, die exakte chemische Zusammensetzung der Pyrolysegase zu kennen. Gleichermaßen kann ein Ausgaberauschen die Ausgabewerte (S, O_f) des linear gemachten Modells überlagern.
Im Einzelnen und wie in 4 dargestellt, nimmt das
erweiterte Modell die folgende Form an y = (H2 + GH1)·e + GL·u (Gleichung 1)wobei u der Vektor der Verfahrenseingaben (die der Müllzuführgeschwindigkeit, der Rostgeschwindigkeit, dem primären und dem sekundären Luftstrom entsprechen) ist, y der Vektor der Verfahrensausgaben (Sauerstoffverhältnis, Dampferzeugung) ist und G und L Übertragungsfunktionsmatrizen sind, welche das linear gemachte Modell kennzeichnen. Sowohl das Auslösermodell L, welches das Mülleingabeverfahren beschreibt und die tatsächliche Zuführgeschwindigkeit f_wi hervorbringt, als auch das Verbrennungsmodell G sind festgelegt, wohingegen die Übertragungsfunktionsmatrizen H₁ und H₂, welche die Wirkung des Rauschens kennzeichnen, parameterisiert sind. E ist eine weiße Rauschquelle, die durch die Matrizen H₁, H₂ gefiltert wird. Alle vier Matrizen werden aus der Linearisierung des oben beschriebenen Modells abgeleitet.
Um die Parameter der Matrizen H₁ und H₂ zu identifizieren, werden gemessene Werte von u und y eingesetzt, um einen Vorhersagefehler zu minimieren. Wenn H₁ durch p parameterisiert wird und H₂ durch q, muss ein Optimierungsproblem der folgenden Form gelöst werden minarg[p,q]||y ~ – ((H2(q) + GH1(p))·ẽ + GL·u ~|| (Gleichung 2)wobei y ~ und u ~ die gemessenen Ausgabe- und Eingabevektoren über einen gegebenen Zeithorizont sind. Gleichung 2 könnte mit Hilfe einer Optimierungssoftware direkt gelöst werden oder, und dies wird bevorzugt, in ein erweitertes Kalman-Filter-Problem übertragen werden. Die gemessenen Werte y ~ und u ~ können aus einem geschlossenen Regelbetrieb einer existierenden Anlage abgeleitet werden. Die Rechenkomplexität der Parameterschätzung gefährdet die Anwendbarkeit des Modells in einer Steuerung nicht, da die Parameterschätzung vor dem normalen Betrieb der Steuerung oder offline während des normalen Betriebs ausgeführt wird. Folglich kann eine Aktualisierung der Parameter initiiert werden, immer wenn neue gemessene Werte verfügbar sind oder eine wichtige Veränderung in dem Systemverhalten vermutet wird.
Da das Steuersystem gemäß der Erfindung ein Element in einer aufsichtsführenden Steuerkette ist, können seine Sollwerte (das heißt, das Zielsauerstoffverhältnis O_f in dem Rauchgas oder die Dampferzeugung S) durch eine hierarchisch übergeordnete externe Steuerschleife berechnet werden. Diese kann PID-Steuerungen, adaptive Steuertechniken, Fuzzy-/Expertensteuerungen, Steuerungen, die auf neutralen Netzwerken basieren, oder andere modellbezogene Steuerungen aufweisen.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des Müllverbrennungsmodells basierend auf einer massefreien oberen Schicht dargestellt.
Modelleingaben

f_wi ∊
T_wi

Müllzuführgeschwindigkeit (Wasser, Holzkohle, flüchtige Materialien, inertes Material) und Temperatur

f_p ∊
T_p

Primärer Luftstrom (Sauerstoff, inertes Gas, Kraftstoff, Dampf) und Temperatur

f_s ∊
T_s

Sekundärer Luftstrom (Sauerstoff, inertes Gas, Kraftstoff, Dampf) und Temperatur

v_g

Rostgeschwindigkeit

Q

Energieeingabe zu der Gasflamme mittels Hilfsbrennern

Modellzustände (so viele Sammlungen wie Stapel in dem Rost, außer T_f, die nur einmal vorkommt)

M_w ∊

Müllmassebestandteile, Wasser, Holzkohle, flüchtige Stoffe, inertes Material

T_w, T_u, T_f ∊

Unterer Stapel, oberer Stapel und Flammen- oder Rauchgastemperatur

Modellausgaben

f_g, f_f ∊

Müll und Rauchgasbestandteile Sauerstoff, inertes Gas, Kraftstoff, Dampf.

T_g, T_f ∊

Müllgastemperatur und Rauchgas- oder Flammentemperatur

H_w ∊

Höhe des Müllstapels

O_f ∊

Sauerstofffraktion in Rauchgas

S ∊

Dampferzeugung

Zusätzliche Variablen/Funktionen

k_h ∊

Stapelhöhenkonversion

k_v ∊

Mülltransportfaktor (zum Einstellen physikalischer Einheiten)

C_pw ∊

müllspezifische Wärmekapazität

C_pp ∊

Für die primäre Luft spezifische Wärmekapazität

C_ps ∊

Für die sekundäre Luft spezifische Wärmekapazität

C_pg ∊

Für das Müllgas spezifische Wärmekapazität

C_pf ∊

Für das Rauchgas spezifische Wärmekapazität

k_pg ∊

Müllgas-Druckkonstante der Zustandsgleichung idealer Gase

k_pf ∊

Rauchgas-Druckkonstante der Zustandsgleichung idealer Gase

Zustandsgleichungen (für die oben erwähnten Modellzustände)

Ṁw = fwi – vg·kv·Mw – Emw – Pmw – Cmw
Cpw·Mw·Ṫw = Cpw·fwi·Twi – Cpw·Ṁw·Tw – vg·kv· Cpw·Mw·Tw – EQ – PQ + CQ + Uc + Uwg
Wärmeträgheit der oberen Schicht·Ṫu = Ur – Uc
Flammenwärmeträgheit·Ṫf = (Cpg·fg·Tg + Cps·fs·Ts – Cpf·ff·Tg + GQ – Ur + Q)

Ausgabegleichungen

fc = Emg + Pmg + Cmg
fg = fp + fc
Tg = (CppfpTp + (Cpgfc + kwg)Tw)/(Cpgfg + kwg)
Hw = kh·Mw
fgf = fg + fs
Tgf = (CpgfgTg + CpsfsTs)/(Cpgfg + Cpsfs) (gemischte Temperatur vor der Entzündung)
ff = fgf + Gmg
S = S(ff, Tf)berechnet den Dampf, der gemäß dem verwendeten Boilermodell erzeugt wird.

Grundverfahrensmodelle
1.1 Wärmeübertragung zwischen festem Müll und Müllgas Grundbeschreibung

U_wg : T_w × T_g →

Zusätzliche Parameter

k_wg ∊

Umsetzung

U_wg = k_wg(T_w – T_g)

1.2 Verdampfung
Grundbeschreibung

E_m : M_w × T_w × f_p × T_p →

Masseverdampfungsfunktion

E_Q : M_w × T_w × f_p × T_p →

Verdampfungswärme

Zusätzliche Parameter

P_p-H2OMüll: T_w →

Dampfdruck von Wasser in Müll

P_p-H2OGas: f_p × T_p →

Teildruck von Wasser in Gas

k_Verdampf ∊

Verdampfungsgeschwindigkeitskonstante

k_latent ∊

Latente Verdampfungswärme

Umsetzung

Em = kVerdampf(Pp-H2OMüll – Pp-H2OGas)·CWasser
Emw = Emg = Em·EmFraktionen
EmFraktionen = [0 0 0 1]T
EQ = klatent·Em

1.3 Pyrolyse
Grundbeschreibung

P_m : M_w × T_w →

pyrolisierte Masse

P_Q : M_w × T_w →

Pyrolysewärme

Zusätzliche Parameter

A

Pyrolyse-Vorexponential

E_a

Pyrolyse-Aktivierungsenergie

k_pyro

Pyrolyse-Masseübertragungskoeffizient

k_Energie

Wärme, die zur Pyrolyse erforderlich ist

Umsetzung

Pm = kpyroAe–Ea/R/Tw·[0 0 1 0]·Mw
Pmw = Pm·PmwFraktionen, Pmg = Pm·PmgFraktionen,
P_mwFraktionen, P_mgFraktionen ∊
PQ = kEnergie·Pm

1.4 Feststoffverbrennung
Grundbeschreibung

C_m : M_w × T_w × f_p →

verbrannte Müllmasse

C_Q : M_w × T_w × f_p →

Müllverbrennungswärme

Zusätzliche Parameter

A

Verbrennungs-Vorexponential

E_n

Verbrennungsaktivierungsenergie

k_wVerbrennen

Müllverbrennungs-Übertragungskoeffizient

k_Energie

Wärme aus Verbrennung

P_p-O2

Sauerstoffteildruck in Gas

Umsetzung

Cm = kwVerbrennPp-O2·Ae–Ea/R/Tw·[0 1 0 0 ]·Mw
m = KwVerbrennPp-O2·[0 1 0 0 ]·Mw
Cmw = Cm·CmwFraktionen, Cmg = Cm·CmgFraktionen,
C_mwFraktionen, C_mgFraktionen ∊
CQ = kEnergie·Cm

Wenn in der primären Luft nicht genug Sauerstoff vorhanden ist, damit diese Verbrennungsgeschwindigkeit vollständig stattfinden kann (vgl. Gleichung für f_g), ist dieser Ausdruck auf die größtmögliche Menge begrenzt, das heißt, entspricht zum Erhalt von Sauerstoff in f_g gleich null.
1.5 Gasverbrennung (Flamme)
Grundbeschreibung

G_m : f_gf × T_gf →

verbrannte Gasmasse

G_Q : f_gf × T_gf →

Gasverbrennungswärme

Zusätzliche Parameter

A

Verbrennungs-Vorexponential

E_a

Verbrennungsaktivierungsenergie

k_gVerbrenn

Gasverbrennungs-Übertragungskoeffizient

k_Energie

Wärme aus Verbrennung

P_p-O2

Sauerstoffteildruck in Gas

Umsetzung

Gm = kgVerbrennPp-O2·Ae–Ea/R/Tgf·[0 1 0 0]·fgf
G_mg = G_m·G_mgFraktion, G_mgFraktionen ∊
GQ = kEnergie·Gm

Wie im Falle der Müllverbrennung kann es sein, dass die Reaktionsgeschwindigkeit G_m aufgrund des Mangels von Sauerstoff oder gasförmigem Kraftstoff in f_g, siehe Ausdruck für f_f, nicht umsetzbar ist. Wenn dies der Fall ist, wird die Reaktionsgeschwindigkeit so weit wie möglich reduziert.
1.6 Wärmeübertragung der oberen Schicht
Grundbeschreibung

U_r : T_u × T_f →

Wärmestrahlung von Flamme auf obere Müllschicht

U_c : T_u × T_w →

Wärmeleitung von oberer Müllschicht zu unterer Müllschicht

Zusätzliche Parameter

k_Strahlung ∊

Wärmeübertragungskoeffizient von oberer Müllschicht zu Gasflamme

k_Kond ∊

Wärmeübertragungskoeffizient von oberer Müllschicht zu Müllstapel

Umsetzung

Ur = kStrahlung (Tf 4 – Tu 4)
Uc = kKond (Tu – Tw)

10: Auslöser
11: Ofen
12: Rost
13: Hilfsbrenner
14: Boiler
20: Trocknungsbereich
21: erster Verbrennungsbereich
22: Rückstandsbereich
23: Aschebehandlungsbereich
24: zweiter Verbrennungsbereich
30: primäre Luft
31: sekundäre Luft

Claims

Verfahren zum Steuern einer Müllverbrennungsanlage durch Erzeugen von Steuersignalen (u) in Antwort auf gemessene Zielparameter (y) eines Müllverbrennungsverfahrens in der Müllverbrennungsanlage, wobei die Erzeugung der Steuersignale (u) auf einem Modell des Müllverbrennungsverfahrens basiert, das aufweist – Modelleingaben (f_wi, T_wi; f_p, T_p; f_s, T_s; v_g), die den Steuersignalen (u) entsprechen, Modellzustände (M_w, T_w; M_u, T_u; T_f) und Modellausgaben (f_g, T_g; F_f, T_f; H_w; O_f; S), die den Zielparametern (y) entsprechen, – Zustandsgleichungen, welche die Modellzustände mit den Modelleingaben verbinden, und Ausgabegleichungen, welche die Modellausgaben mit den Modelleingaben und Modellzuständen verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Müllverbrennungsverfahrens ferner aufweist – einen Stapel, der einen Abschnitt eines Müllbetts repräsentiert und eine untere Schicht und eine obere Schicht umfasst, und – eine homogen verteilte Masse (M_w, M_u) und eine räumlich konstante Temperatur (T_w, T_u) der unteren und der oberen Schicht, die jeweils einen Modellzustand bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Müllverbrennungsverfahrens ferner aufweist – eine begrenzte Anzahl von Grundverfahren (1.1 bis 1.6), die ein Wärmeübertragungs-Grundverfahren zwischen einem Gasverbrennungs-Grundverfahren (1.5), das eine Flamme repräsentiert, und dem Stapel aufweisen, der auf ein Wärmestrahlungs-Grundverfahren (U_r) zwischen der Flamme und der oberen Schicht begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorausgesetzt wird, dass die obere Schicht keine Masse und eine begrenzte Wärmekapazität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modelleingaben oder -zustände (f_wi, M_wi; M_u), die Feststoffen entsprechen, oder die Schichten des Stapels die Bestandteile Wasser, Holzkohle, flüchtige Bestandteile und inertes Material umfassen, und dadurch, dass die Modelleingaben oder -ausgaben (f_p, f_s, f_g, f_f), die Gasströmen entsprechen, die Bestandteile Sauerstoff, inertes Gas, Kraftstoff und Dampf umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeträgheit der oberen Schicht und eine Wärmeträgheit einer Flamme Parameter des Modells des Müllverbrennungsverfahrens sind, das auf eine spezifische Verbrennungsanlage abgestimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Müllverbrennungsverfahrens ein lineares Modell ist und die Erzeugung eines Steuersignals (u) vorzugsweise auf einer vorausschauenden Modellsteuerung (MPC) basiert, die eine Modellausgabe (H_wi; O_f; S) des Modells des Müllverbrennungsverfahrens aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Müllverbrennungsverfahrens auf einer standardgemäßen Müllzusammensetzung basiert und Variationen der Müllzusammensetzung (f_wi) durch ein weißes Rauschen (e) aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdrücke des weißen Rauschens parameterisierte Übertragungsmatrizen (H₁, H₂) umfassen, die basierend auf den aufgezeichneten Steuersignalen (u) und gemessenen Zielparametern (y) aus der Vergangenheit identifiziert oder aktualisiert werden.
Vorrichtung zum Steuern einer Müllverbrennungsanlage, die Mittel zum Erzeugen von Steuersignalen (u) als Antwort auf gemessene Zielparameter (y) eines Müllverbrennungsverfahrens in der Müllverbrennungsanlage aufweist, wobei die Erzeugung der Steuersignale (u) auf einem Modell des Müllverbrennungsverfahrens basiert, das aufweist – Modelleingaben (f_wi, T_wi; f_p, T_p; f_s, T_s; v_g), die den Steuersignalen (u) entsprechen, Modellzustände (M_w, T_w; M_u, T_u; T_f) und Modellausgaben (f_g, T_g; F_f, T_f; H_w; O_f; S), die den Zielparametern (y) entsprechen, – Zustandsgleichungen, welche die Modellzustände mit den Modelleingaben verbinden, und Ausgabegleichungen, welche die Modellausgaben mit den Modelleingaben und Modellzuständen verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Müllverbrennungsverfahrens ferner aufweist – einen Stapel, der einen Abschnitt eines Müll betts repräsentiert und eine untere Schicht und eine obere Schicht umfasst, und – eine homogene Verteilung von Masse (M_w, M_u) und Temperatur (T_w, T_u) jeder Schicht, die einen Modellzustand bildet.
Vorrichtung zum Simulieren eines Müllverbrennungsverfahrens basierend auf einem Modell des Müllverbrennungsverfahrens, die aufweist – Modelleingaben (f_wi, T_wi; f_p, T_p; f_s, T_s; v_g), Modellzustände (M_w, T_w; M_u, T_u; T_f) und Modellausgaben (f_g, T_g; f_f, T_f; H_w; O_f; S), – Zustandsgleichungen, welche die Modellzustände mit den Modelleingaben verbinden, und Ausgabegleichungen, welche die Modellausgaben mit den Modelleingaben und Modellzuständen verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Müllverbrennungsverfahrens ferner aufweist – einen Stapel, der einen Abschnitt eines Müllbetts repräsentiert und eine untere Schicht und eine obere Schicht umfasst, und – eine homogene Verteilung von Masse (M_w, M_u) und Temperatur (T_w, T_u) jeder Schicht, die einen Modellzustand bildet.