DE3823494C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Feuerungsdiagnose und dessen Ergebnisse verwendende Feuerungsregelung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewin­ nung von mit Zielgrößen einer Feuerung korrelierten Parame­ tern und einer zur Durchführung dieses Verfahrens bestimmten Vorrichtung. Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 9 ist aus dem Artikel "A Combustion Monitoring and Evaluation System for Large Utility Boilers", IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems von F. ITO et al., Vol. PAS-103, No. 5, Mai 1984, bekannt.

Ziel der in einem Artikel "A Combustion Diagnosis Method for Pulverized Coal Boilers Using Flame-Image Recognition Techno­ logy" von N. Kurihara et al. in IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. EC-1, No. 2, Juni 1986 beschriebenen Diagno­ severfahren ist es aus den durch die Beobachtung der Verbren­ nungsflammen bestimmten optischen Daten Informationen über den NO_x-Gehalt in den Abgasen zu erhalten. Dies geschieht ge­ mäß dieser Druckschrift dadurch, daß die mittels eines digi­ talen Bildaufnahme- und Verarbeitungssystems erfaßten Flam­ menbilder hinsichtlich der Temperaturverteilung, der Form und des Ortes der verschiedenen Verbrennungsprozesse untersucht werden.

Dabei werden Temperaturen bestimmt, Längen und Breiten der bestimmten Bereiche erfaßt und in eine vorgegebene Formel eines physikalischen Modells eingesetzt, mit der der NO_x-Gehalt der Verbrennungsabgase abgeschätzt werden kann.

Diese Methode geht davon aus, daß sich alle Verbrennungspro­ zesse mit den gleichen einmal aufgestellten Formeln beschrei­ ben lassen, in denen lediglich die ausgenommenen Bildparame­ ter ausgetauscht werden, um so die NO_x-Konzentrationen in den Verbrennungsabgasen bestimmen zu können.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, veränderten Randbedingun­ gen, die nicht der in den Formeln vorausgesetzten Gesetzmä­ ßigkeit ihrer Einflüsse auf den NO_x-Gehalt der Verbrennungs­ abgase folgen, nicht genau genug Rechnung tragen zu können. Ferner liefern die in diesem Artikel angeführten Bildparame­ ter nur ein sehr grobes Bild des Verbrennungsvorganges, so daß auch die Abschätzung des NO_x-Gehaltes der Emissionsgase nur eine relativ grobe Abschätzung sein kann.

Der Artikel von F. ITO beschreibt ein Verfahren zur Überwa­ chung von Feuerungen durch Messung von Abgasparametern, Tem­ peraturen von Bauteilen und der Flammhelligkeit. Diese Werte werden bezüglich unterer und oberer Grenzwerte überwacht. Bei Über- bzw. Unterschreitung der Grenzwerte wird Alarm ausge­ löst mit Empfehlungen für das Bedienpersonal eine Reihe von Kesseleinstellungen zu überprüfen. Ferner wird die Schätzung der Zusammensetzung des Abgases in Form einer Regressionsana­ lyse aus den Einstellungen von Kesselparametern, der angefor­ derten Leistung und dem angestrebten Sauerstoffgehalt des Ab­ gases beschrieben. Für diese Regression werden somit keine die Verbrennung kennzeichnenden Flammeigenschaften, sondern lediglich die Einstellungen von Kesselbedienelementen verwen­ det.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrich­ tung derart weiterzuentwickeln, daß anhand relativ vieler und einfach zu bestimmender Meßgrößen eine sehr genaue Bestimmung von Zielgrößen, etwa der NO_x-Konzentration, erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der Grundlage aus, daß es günstiger ist, ein Diagnoseverfahren anzuwenden, das flexibel auf bei der Auswertung von einer Vielzahl von Meßda­ ten festgestellte Korrelationen reagieren kann und bei dem die Zielgrößen dann als Funktion der Meßparameter mittels ei­ ner Regressionsanalyse abgeschätzt werden können. Die Erfin­ dung benutzt also die Messung von Flammeneigenschaften, um den aktuellen Betriebszustand der Verbrennung zu analysieren.

Diese Flammendiagnose geht nicht von vornherein von vorbe­ stimmten Gesetzmäßigkeiten eines Flammenmodells aus, so daß unterschiedliche Randbedingungen verschiedenster Art keinen Einfluß auf die Bestimmungsgenauigkeit haben. Als solche Randbedingungen können beispielsweise angeführt werden: die Geometrie des Feuerungsraumes, die dort herrschenden Strö­ mungsverhältnisse, die Brennstoffqualität und -zusammen­ setzung, der Luftdruck und der Sauerstoffgehalt der Verbren­ nungsluft, die Luftfeuchtigkeit, . . . etc.

Die erfindungsgemäße Verwendung der so erhaltenen Parameter zur Bestimmung von Zielgrößen, wie z. B. des NO_x-Gehaltes der Abgasemission verkürzt den Regelungszyklus erheblich, so daß eine schnellere und feinrasterige Regelung einer Feuerung er­ folgen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Diagnoseverfahrens ist leicht in bestehende Feuerungsanlagen zu integrieren. Sie ist darüber hinaus ver­ hältnismäßig kostengünstig in der Anschaffung und leicht zu bedienen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1a-c bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Feuerraumendoskope;

Fig. 2 den schematischen Aufbau einer Zweiwellenlängen- Bildaufnahmeeinheit;

Fig. 3 eine bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ver­ wendete Dreiwellenlängen-Temperaturmeßvorrich­ tung; und

Fig. 4 drei exemplarische Strahlungstemperaturverläufe bei verschiedenen Wellenlängen, gemessen mit der Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von mit Zielgrö­ ßen einer Feuerung korrelierten Parametern setzt zunächst voraus, daß die Zielgrößen, sowie deren zeitliche Änderung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gemessen werden. Als Beispiel seien hier die Emissionswerte der Stickoxyde im Rauchgas angeführt, die durch entsprechende NO_x-Messungen im Rauchabzug einer Feuerungsanlage bestimmt werden. Diese die Zielgrößen betreffenden Daten werden einer Signalverarbei­ tungseinheit zugeführt, die ferner Temperaturmeßwerte sowie Daten aus Bildern empfängt, von Bildern die über Endoskope aus dem Feuerungsraum an Bildaufzeichnungs- und Verarbei­ tungsvorrichtungen übermittelt werden. Fig. 1 zeigt drei ver­ schiedene Ausführungsformen geeigneter Feuerraumendoskope. Fig. 1A zeigt ein Gradsichtendoskop mit einem Kühlmantel, in den über eine Zuleitung 4 Preßluft eingeführt wird. Das Endo­ skop weist an seiner dem Feuerungsinnenraum zugeneigten Seite in der folgenden Reihenfolge ein Quarzschutzglas 1, ein Ob­ jektiv, eine Achromat-Endoskopoptik 3 sowie ferner eine Blen­ de 6 und eine Abbildungsoptik 7 sowie ein weiteres Schutzglas auf. Die Objektivlinse 2 ist so gewählt, daß das Endoskop ein Gesichtsfeld von 120° aufweist. Fig. 1B zeigt eine Variante, die zwischen dem Objektiv und dem Schutzglas ein Prisma auf­ weist, mit dessen Hilfe die Beobachtungsrichtung um 45° ge­ genüber der Längsachse des Endoskoprohres geneigt ist. Diese Ausführungsform ist ferner sowohl wasser- als auch luftgekühlt. Fig. 1C zeigt ein Geradsichtendoskop, da sich insbesondere zur Einführung in Öffnungen des Feuerraumes für Überwachungskameras eignet und das ein Gesichtsfeld von 140° aufweist.

Es werden pro Feuerraum mehrere Endoskope eingesetzt, um die Feuerung von verschiedenen Stellen aus beobachten zu können.

Im Strahlengang hinter dem verwendeten Endoskop liegt gemäß Fig. 2 eine Aufnahmekamera 7, zur Aufnahme der über das Endoskop aus den Feuerungsraum übertragenen Bilder. Um Bilder, die bei verschiedenen Lichtwellenlängen aufgenom­ men worden sind miteinander vergleichen bzw. kombinieren zu können, ist zwischen die Aufnahmekamera 7 und dem Ausgangs­ ende des Endoskops eine Strahlteileroptik 2, 3 angeordnet, die zwei auf das Kameratarget gerichtete Strahlen erzeugt, in deren Strahlengängen Spektralfilter mit unterschiedli­ chen Durchlaßwellenlängen liegen. Ferner können die einzel­ nen Strahlengänge durch die Verwendung verschiedener Grau­ filter 4 verschieden abgeschwächt werden. Die Aufnahmekame­ ra ist an eine Bildverarbeitungseinrichtung geschaltet, mit der von der Kamera aufgenommene Bilder verglichen, miteinan­ der verknüpft oder anderweitig ausgewertet werden können. Die Bildverarbeitungseinrichtung weist zweckmäßigerweise ein Bildaufzeichnungsgerät, wie z. B. einen Videorecorder und einen Rechner auf. So können z. B. Veränderungen bei einer zeitlichen Bildfolge sichtbar gemacht werden sowie Unterschiede in Bildern, die zum gleichen Zeitpunkt, jedoch unter Verwendung verschiedener Spektralfilter gemacht wurden. Mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung gelingt es, solche Parameter zu erfassen und zu vermessen. So kann z. B. die zeitliche Änderung der Lichtintensitätsverteilung sichtbar gemacht und quantifiziert werden, indem einerseits geringe Intensitätsunterschiede mit Falschfarbentechnik mit scharfen Konturen sichtbar gemacht und anschließend die zeitliche Veränderung der Intensitätsverteilung durch Addition oder Subtraktion aufeinanderfolgender Bilder dargestellt und ausgemessen werden.

Zur Beschreibung eines Verbrennungsverlaufs haben sich folgende Parameter als besonders geeignet herausgestellt:

• - Profile hinsichtlich der Strömungen und der Temperatur
• - Histogramme von Helligkeit, Strahlungstemperatur
• - quantifizierte Struktur- und Texturmerkmale (Quantifizierung der Flammenbilder)
• - Strömungsfelder (aus Bildsequenzen ermittelt).

Auf diese Weise können mit einfachen Mitteln eine Vielzahl von Bildparametern für eine vieldimensionale Regressions­ analyse zur Verfügung gestellt werden. Dabei ist es nicht das Ziel Meßwerte zu erfassen, die bestimmten physikalischen Größen entsprechen, sondern möglichst umfassend den Verbren­ nungsverlauf in einer Feuerungskammer zu beschreiben. Im nächsten Schritt wird untersucht, ob und wie stark diese Bildparameter mit der Zielgröße korreliert sind. Kann so ein Zusammenhang nicht festgestellt werden, werden solche Parameter nicht weiterverwendet, eine begrenzte Anzahl von Meßparametern, deren Korrelation mit der Zielgröße am höchsten ist, wird ausgewählt. Nun wird über eine viel­ dimensionale Regressionsanalyse der Zusammenhang der besten Meßwertkombinationen mit der Zielgröße bestimmt. Dieses Optimierungsverfahren geht also nicht von einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit (Modell) der Abhängigkeit verschiedener Parameter von Meßwerten aus sondern paßt sich einer vorgefundenen Gesetzmäßigkeit optimal an. Diese Verfah­ ren werden auch lernende Verfahren bzw. selbstadaptive Ver­ fahren genannt. Sie können auch auf die Bestimmung von im speziellen Fall explizit nicht direkt meßbarer physikalischer Größen angewandt werden.

Als mit den Zielgrößen korrelierter Meßparameter eignet sich zusätzlich zu den aus Bildern gewonnenen Parametern, insbe­ sondere die räumlich nicht aufgelöste, optisch erfaßte Strah­ lungstemperatur. Fig. 3 zeigt die zur Temperaturmessung verwendete Vorrichtung. Diese weist einen in den Feuerungs­ raum geführten Quarzglasstab als Lichtleiter anstelle eines räumlich auflösenden Endoskops auf, an den ein Lichtleiter mit drei Ausgangsenden angekoppelt ist. Der Quarzstab wird in eine Bohrung in der Wandung des Feuerraums eingeführt. Je nach­ dem, wie weit das zum Feuerraum gelegene Ende des Quarz­ stabes sich dem Ende der Bohrung nähert, bestimmt sich der erfaßte Raumwinkel. Je größer der erfaßte Raumwinkel ist, umso weniger enthält die gemessene Strahlungsintensität kurzzeitige örtliche Schwankungen, da über ein größeres Flammenvolumen integral gemessen wird. Das Licht trifft vom Feuerungsraum über das Quarzglas und den Lichtleiter auf drei Spektralfilter, die Licht der Wellenlängen 700, 800 bzw. 900 nm mit einer Halbwertsbreite von 3 bis 5 nm durch­ lassen. Im Strahlengang hinter den Interferenzfiltern liegen hochempfindliche Photodioden. Die erfaßten Intensitätswerte werden dargestellt und zur weiteren Verarbeitung abgespeichert.

Fig. 4 zeigt den Strahlungsverlauf bei drei verschiedenen Wellenlängen, der jeweils mit einem Öffnungswinkel der Abbildungsoptik von 8,8° bei Vollast der Feuerung während eines bestimmten Zeitintervalls aufgenommen worden sind. Die Temperaturberechnung erfolgt durch Verrechnung zweier Strahlungsintensitäten nach dem Planck′schen Strah­ lungsgesetz. Aus der Strahlungsintensität in drei Wellenlän­ gen-Intervallen ergeben sich drei Temperaturwerte. Diese werden gemittelt und der Mittelwert wird zur genäherten Berechnung der Zielgrößen weiterverwendet.

Liegen einmal die zur genäherten Berechnung der Zielgrößen verwendeten Meßparameter fest, so kann die Auswertung der Bilddaten sehr schnell und automatisch durch eine digitale Bildverarbeitung erfolgen, so daß die näherungsweise be­ rechneten Zielgrößen in ein Regelungskonzept für Feuerungs­ anlagen einbezogen werden können. Die erzielte Nähe­ rungsgenauigkeit und die Geschwindigkeit, mit der die Nähe­ rungswerte erhalten werden, führt zu einer sehr empfindli­ chen Regelung, mit der die Schadstoffemission weiter herab­ gesetzt werden kann.

Da die Schadstoffemission in Abhängigkeit von vielen Flamm- und Feuerraumparametern geschätzt wird, kann auch gezielt auf einzelne Parameter eingewirkt werden, da ihr Einfluß auf die Zielgröße ebenfalls über die Regressionsanalyse bekannt geworden ist.

Claims (12)

1. Verfahren zur Gewinnung von mit Zielgrö­ ßen einer Feuerung korrelierten Parame­ tern, bei dem die Zielgrößen wieder­ holt gemessen werden und unmittelbar aus der optischen und thermischen Beobachtung der Feuerung ermittelte Meßparameter oder Parame­ terkombinationen zur Beschreibung der Zielgrößen verknüpft werden, wobei mit ei­ ner elektronischen Kamera Bilder aufgenommen werden und die Bilddaten digital ausgewertet und verarbeitet werden, dadurch gekennzeich­ net, daß die mit den Zielgrößen korrelierten Meßpara­ meter oder Parameterkombinationen aus einem sehr großen Vorrat an Meßparametertypen ge­ wonnen werden, die Grauwerte, Formen, Struk­ turen, Texturen und Verteilungen in den Bil­ dern und zeitliche Veränderungen dieser Meß­ parametertypen in Bildsequenzen umfassen, und ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Zielgrößen und den Meßparametern oder Kombi­ nationen von Meßparametern durch eine Regres­ sionsanalyse ermittelt wird, wobei eine begrenzte Anzahl von Meßparametern, deren Korrelation mit den Zielgrößen am höchsten ist, ausgewählt weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Zielgrößen charakteristische Emissi­ onsmeßwerte der Feuerung verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Zielgröße der Wert der NO_x-Emission der Feuerung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bilddaten aus der Auswertung von ein­ zelnen optischen Bildern, Bildsequenzen oder durch den Vergleich von bei verschiedenen Wellenlängen aufgenommenen Bildern gewonnen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewertung von Flammenbildern mindestens bei zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen aufgenommene Aufnahmen verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sichtbarmachung von Meßgrößen Falsch­ farbenabbildungen erstellt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtung der Feuerung mittels ei­ ner Endoskoptechnik in Verbindung mit Bild­ sensoren und gegebenenfalls räumlich nicht auflösenden Sensoren und Lichtleitern er­ folgt.

8. Verfahren zur Regelung einer Feuerung, da­ durch gekennzeichnet, daß die Regelung unter Angleichung der mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ermittelten Zielgrößen an vorgegebene Sollgrößen erfolgt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit

• - mindestens einem in den Feuerungsraum ge­ führten Endoskop,
• - einer daran angeschlossenen Bildaufnahme-, Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtung und
• - Meßfühlern zur Messung von Zielgrößen und weiteren Parametern,

und mit einer Einrichtung zur Regressionsana­ lyse.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Ausgang des Endoskops der Strahlengang geteilt, die verschiedenen Strahlengänge ei­ ner unterschiedlichen selektiven Filterung unterzogen und anschließend auf die Bildauf­ nahmevorrichtung gerichtet werden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Dreiwellenlängen-Lichtintensitätsmeß­ vorrichtung, die einen Lichtleiter mit einem Eingang und drei Ausgängen, drei Spektralfil­ tern, Photosensoren und eine Auswerteschal­ tung aufweist, die aus den Intensitätsdaten die Strahlungstemperatur ermittelt.