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DE102008056672A1 - A method and apparatus for monitoring the combustion of a power plant based on two real concentration distributions - Google Patents

A method and apparatus for monitoring the combustion of a power plant based on two real concentration distributions Download PDF

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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.In a method and apparatus for monitoring the combustion of a power plant, a real concentration distribution of a substance in at least two levels in the combustion space is measured and the concentration of the substance at at least one location between the two levels is calculated based on the measured real concentration distributions.

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.The The invention relates to a method and a device for monitoring the combustion in a combustion chamber of a power plant where a real concentration distribution and / or a real temperature distribution a substance measured in at least two levels in the combustion chamber becomes.

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.at Power plants, it is the basic goal in a combustion chamber of the power plant, for example a boiler with a square base of 10 meters by 10 meters, combustion possible to monitor extensively, to derive the necessary quantities for the optimization to derive the combustion process.

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.So is known as the method of absorption spectroscopy. As alternative Measurement technology is known as sonic pyrometry. With absorption spectroscopy or sound pyrometry can only mean values of a line measured in the boiler room or combustion chamber become.

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.To the Calculate the temperature and concentration distribution in one Plane of a combustion chamber from measured averages at different Setting the combustion chamber of a power plant is the CAT measuring technology, the computer aided tomography, known.

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.It An object of the invention is a more extensive monitoring to allow combustion in a power plant, thereby laying the foundation for optimization to deliver the combustion process.

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.It An object of the invention is a more extensive monitoring to allow combustion in a power plant, thereby laying the foundation for optimization to deliver the combustion process.

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.The Task is according to the invention with a method according to claim 1, a method according to claim 3, a device according to claim 6 and a device according to claim 7 solved. advantageous Further developments are described in the dependent claims.

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.The inventive method to monitor combustion in a combustion chamber of a power plant in a first embodiment the steps: measuring a real concentration distribution of a Stoffes in at least two levels in the combustion chamber and computational Determine the concentration of the substance at least one, between lying on both levels, place based on the measured real Concentration distributions. In a second, alternative or additional embodiment includes the method according to the invention to monitor the combustion in a combustion chamber of a power plant the steps: Measuring a real temperature distribution in at least two levels in the combustion chamber and mathematical determination of the temperature at least one point lying between the two levels the basis of the measured real temperature distributions.

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.Corresponding comprises a device according to the invention to monitor combustion in a combustion chamber of a power plant in one first embodiment a device for measuring a real concentration distribution of a Fabric in at least two levels in the combustion chamber and a device for mathematically determining the concentration of the substance at least on the basis of a position lying between the two levels the measured real concentration distributions. In a second, alternative or additional embodiment comprises a device according to the invention to monitor combustion in a combustion chamber of a power plant Device for measuring a real temperature distribution in at least two levels in the combustion chamber and a computational device Determine the temperature at least one between the two Layers lying on the basis of the measured real temperature distributions.

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.Of the The basic idea of the invention, in other words, is that while combustion in a power plant a concentration distribution and / or a temperature distribution of a given substance in two levels is measured. Based on the specified Boundary conditions are further, in particular by means of CAT technology, the Concentration and / or temperature in at least one place calculated in the space between the two levels. In this way it is possible with the inventive solution, a complete picture to produce the combustion. With this picture is a better regulation of Combustion possible, as before.

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.at In the above definition of the invention, "material" generally refers to any type of combustion and / or product understood, especially in the form of gas as an ingredient the exhaust gas.

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.In a first advantageous development of the solution according to the invention, the concentration distribution of the substance or the temperature distribution in at least one plane lying between the two planes is determined during computational determination. It may be in this way a further two-dimensional distribution of the concentration and / or the temperature for an arbitrary plane in the space between the two provided levels are generated. Furthermore, it is possible to create a total of three-dimensional grid for the distribution of concentration (s) (and also for several substances) and / or the temperature.

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.at a second advantageous development of the solution according to the invention takes place the arithmetical determination at the same time as measuring. So it is not mandatory a sequential procedure for measuring and further determination of concentration / s and the temperature required but it can this Steps can also be done simultaneously, making it particularly fast and extra meaningful Detection results can be generated. Overall, so on simple way, although partially only approximated, but complete picture incineration at low cost, simple and process-safe way to be generated.

Die genannten vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bevorzugt in Gestalt entsprechend angepasster Einrichtungen auch in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen realisiert.The mentioned advantageous developments of the method according to the invention are preferably in the form of appropriately adapted facilities as well in the devices according to the invention realized.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.following is an embodiment of solution according to the invention the attached schematic drawings closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und 1 an embodiment of the device according to the invention and

2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 an embodiment of the method according to the invention.

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.In 1 is a combustion chamber 10 a coal power plant, not further illustrated, in which a coal fire burns during operation of the coal power plant. In the combustion chamber 10 Here are the fuel coal with associated fuel gases, several flames 11 as well as exhaust gases.

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 Co (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.In the combustion chamber 10 are two levels of measurement 12 and 14 provided at the edge of each measuring instruments 16 are located. Two of each measuring instruments 16 allow a linear measurement in the associated measuring plane 12 respectively. 14 , using the measuring instruments 16 and an associated evaluation device 18 the concentration of the substances O 2 (oxygen) and C o (carbon monoxide) can be measured. Furthermore, with the measuring instruments 16 and the evaluation device 18 the temperature distribution in the associated measuring plane 12 respectively. 14 be determined. The measurement is based on a combination of absorption spectroscopy and the CAT technique.

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 NOx (Stickoxid) zu optimieren.The evaluation device 18 is via a data bus 20 with an optimization device 22 , an operating device 24 and a guide or Leittechnik 26 operationally coupled. About the operating device 24 can be used by the evaluation device 18 measured real concentration distributions as well as temperature distributions in the levels 12 and 14 be used to at least one place and in particular more levels between the two levels 12 and 14 with the aid of the boundary conditions in the optimization device determined from the distributions 22 To determine the concentration of the substances mentioned and also the temperature by calculation. The levels in which the concentrations and the temperatures are determined are in particular parallel to the planes which also run parallel to one another 12 and 14 , The computational determination may also include other concentration and temperature values of other substances, such as those in the combustion chamber 10 burning flames in particular with regard to a low emission of NO x (nitrogen oxide) to optimize.

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.For computational determination, the optimization device uses 22 Interpolation equations and in particular also physical model equations of diffusion and kinematics in the combustion chamber, previously based on a model of the combustion chamber 10 created and in the optimizer 22 have been stored.

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.The associated method is in 2 illustrated. It includes the step 28 measuring the concentration distribution z. As the substances O 2 and CO and the temperature distribution in the plane 12 , In one step 30 at the same time the concentration distribution z. As the substances O 2 and CO in the plane 14 as well as the local temperature distribution measured. Furthermore, in one step 32 as explained above, the concentration distribution and the temperature distribution in several levels between the levels 12 and 14 calculated.

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.Based on this determination then takes place in one step 34 an optimization of the combustion, for example by a change in the air stratification and / or a sectional change in the excess air.

Claims (7)

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.Method for monitoring combustion in a combustion chamber ( 10 ) of a power plant comprising the steps of: - measuring ( 28 . 30 ) of a real concentration distribution of a substance in at least two levels ( 12 . 14 ) in the combustion chamber ( 10 ) and - arithmetic determination ( 32 ) the concentration of the substance on at least one of the two levels ( 12 . 14 ) based on the measured real concentration distributions. 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.Method according to Claim 1, in which, during computational determination ( 32 ) the concentration distribution of the substance in at least one of the two levels ( 12 . 14 ) is determined. 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.Method for monitoring combustion in a combustion chamber ( 10 ) of a power plant, in particular according to claim 1 or 2, comprising the steps of: - measuring ( 28 . 30 ) of a real temperature distribution in at least two levels ( 12 . 14 ) in the combustion chamber and - arithmetic determination ( 32 ) of the temperature at at least one between the two levels ( 12 . 14 ) based on the measured real temperature distributions. 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.Method according to Claim 3, in which, during computational determination ( 32 ) the temperature distribution in at least one between the two levels ( 12 . 14 ) is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das rechnerische Ermitteln (32) zeitgleich mit dem Messen (28, 30) erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 4, in which the computational determination ( 32 ) at the same time as measuring ( 28 . 30 ) he follows. 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.Device for monitoring combustion in a combustion chamber ( 10 ) of a power plant with - a facility ( 16 . 18 ) for measuring a real concentration distribution of a substance in at least two levels ( 12 . 14 ) in the combustion chamber ( 10 ) and - an institution ( 22 ) for mathematically determining the concentration of the substance at at least one of the two levels ( 12 . 14 ) based on the measured real concentration distributions. 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.Device for monitoring combustion in a combustion chamber ( 10 ) of a power plant, in particular according to claim 6, having - a device ( 16 . 18 ) for measuring a real temperature distribution in at least two levels ( 12 . 14 ) in the combustion chamber and - a device ( 22 ) for mathematically determining the temperature at at least one of the two levels ( 12 . 14 ) based on the measured real temperature distributions.
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