DE3823494C2 - Method and device for furnace diagnosis and furnace control using the results thereof - Google Patents
Method and device for furnace diagnosis and furnace control using the results thereofInfo
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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.The present invention relates to a method for winning of parameters correlated with target values of a furnace and one designated to carry out this procedure Contraption. A method or an apparatus according to The preamble of claims 1 and 9 is from the article "A Combustion Monitoring and Evaluation System for Large Utility Boilers, "IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems by F. ITO et al., Vol. PAS-103, No. 5, May 1984.
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 NOx-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.The aim of the article "A Combustion Diagnosis Method for Pulverized Coal Boilers Using Flame-Image Recognition Technology" by N. Kurihara et al. in IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. EC-1, No. 2, June 1986 described diagnostic method it is to obtain information about the NO x content in the exhaust gases from the optical data determined by the observation of the combustion flames. This happens ge according to this document in that the flame images captured by means of a digital image recording and processing system are examined with regard to the temperature distribution, the shape and the location of the various combustion processes.
Dabei werden Temperaturen bestimmt, Längen und Breiten der bestimmten Bereiche erfaßt und in eine vorgegebene Formel eines physikalischen Modells eingesetzt, mit der der NOx-Gehalt der Verbrennungsabgase abgeschätzt werden kann.Temperatures are determined, lengths and widths of the determined areas are recorded and used in a predetermined formula of a physical model with which the NO x content of the combustion exhaust gases can be estimated.
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 NOx-Konzentrationen in den Verbrennungsabgasen bestimmen zu können.This method assumes that all combustion processes can be described using the same formulas once set up, in which only the excluded image parameters are exchanged, so that the NO x concentrations in the combustion exhaust gases can be determined.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, veränderten Randbedingun gen, die nicht der in den Formeln vorausgesetzten Gesetzmä ßigkeit ihrer Einflüsse auf den NOx-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 NOx-Gehaltes der Emissionsgase nur eine relativ grobe Abschätzung sein kann.This method has the disadvantage of not being able to take sufficient account of changed marginal conditions which do not follow the law of their influences on the NO x content of the combustion gases, as prescribed in the formulas. Furthermore, the image parameters mentioned in this article only provide a very rough picture of the combustion process, so that the estimate of the NO x content of the emission gases can only be a relatively rough estimate.
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. F. ITO's article describes a method of monitoring of furnaces by measuring exhaust gas parameters, tem component temperatures and flame brightness. These values are monitored for lower and upper limit values. At The alarm is triggered if the limit values are exceeded or undershot solves a number of with recommendations for the operating personnel Check boiler settings. Furthermore, the estimate the composition of the exhaust gas in the form of a regression line lysis from the settings of the boiler parameters, the requested derten performance and the desired oxygen content of the Ab gases described. For this regression there are therefore none the characteristic flame characteristic of combustion, but only use the settings of the boiler controls 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 NOx-Konzentration, erfolgen kann.The present invention has for its object to develop a generic method or a generic Vorrich device such that a very precise determination of target values, such as the NO x concentration, can be carried out using relatively many and easily determined measurement variables.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.This task is solved according to the requirements.
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.The method according to the invention is based on the basis that it is cheaper to use a diagnostic method that flexible when evaluating a variety of measurement data identified correlations can react and at which the target values as a function of the measurement parameters by means of egg regression analysis can be estimated. The Erfin So man uses the measurement of flame properties to to analyze the current operating state of the combustion.
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.This flame diagnosis is not a foregone conclusion agreed on the laws of a flame model, so that different boundary conditions of different kinds none Influence the accuracy of determination. As such Boundary conditions can be mentioned for example: the Geometry of the furnace, the prevailing currents ratios, the fuel quality and together settlement, the air pressure and the oxygen content of the burns air, humidity,. . . Etc.
Die erfindungsgemäße Verwendung der so erhaltenen Parameter zur Bestimmung von Zielgrößen, wie z. B. des NOx-Gehaltes der Abgasemission verkürzt den Regelungszyklus erheblich, so daß eine schnellere und feinrasterige Regelung einer Feuerung er folgen kann. The use according to the invention of the parameters thus obtained for determining target variables, such as, for. B. the NO x content of the exhaust emission shortens the control cycle considerably, so that a faster and finer grid control of a furnace he can follow.
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.The inventive device for performing the inventions Diagnostic method according to the invention is easy in existing Integrate combustion systems. It is also ver relatively inexpensive to buy and easy to serve.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:In the following the invention based on the description of preferred embodiments in conjunction with the drawing explained in more detail. In it show:
Fig. 1a-c bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Feuerraumendoskope; Fig. 1a-c used firebox endoscopes in the inventive device;
Fig. 2 den schematischen Aufbau einer Zweiwellenlängen- Bildaufnahmeeinheit; Fig. 2 shows the schematic structure of a dual wavelength imaging unit;
Fig. 3 eine bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ver wendete Dreiwellenlängen-Temperaturmeßvorrich tung; und Fig. 3 is a ver in the inventive device applied three-wavelength Temperaturmeßvorrich tung; and
Fig. 4 drei exemplarische Strahlungstemperaturverläufe bei verschiedenen Wellenlängen, gemessen mit der Vorrichtung gemäß Fig. 3. Fig. 4 shows three exemplary radiation temperature curves at different wavelengths, measured with the device of 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 NOx-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.The method according to the invention for obtaining parameters correlated with target values of a furnace initially requires that the target values and their change over time are measured under different operating conditions. The emission values of the nitrogen oxides in the flue gas, which are determined by corresponding NO x measurements in the smoke vent of a combustion system, may be mentioned here as an example. These data relating to the target values are fed to a signal processing unit, which also receives temperature measurements and data from images, from images which are transmitted via endoscopes from the furnace to image recording and processing devices. Fig. 1 shows three different embodiments of suitable firebox endoscopes. Fig. 1A shows a graded endoscope with a cooling jacket into which 4 compressed air is introduced via a feed line. The endoscope has on its side inclined to the furnace interior in the following order a quartz protective glass 1 , a lens, an achromatic endoscope lens 3 as well as a lens 6 and an imaging lens 7 and a further protective glass. The objective lens 2 is selected so that the endoscope has a field of view of 120 °. Fig. 1B shows a variant that has a prism between the lens and the protective glass, with the aid of which the direction of observation is inclined by 45 ° relative to the longitudinal axis of the endoscope tube. This embodiment is also both water and air cooled. Fig. 1C shows a Geradsichtendoskop, as is suitable, and in particular for introduction into openings of the combustion chamber for monitoring cameras having a field of view of 140 °.
Es werden pro Feuerraum mehrere Endoskope eingesetzt, um die Feuerung von verschiedenen Stellen aus beobachten zu können.Several endoscopes are used per firebox in order to watch the firing from various locations can.
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. In the beam path behind the used endoscope is a television camera 7 of FIG. 2, for receiving the data transmitted via the endoscope from the firebox images. In order to compare or combine images that have been recorded at different light wavelengths, a beam splitter lens 2 , 3 is arranged between the recording camera 7 and the output end of the endoscope, which generates two beams directed onto the camera target, in whose beam paths spectral filters with different transmission wavelengths. Furthermore, the individual beam paths can be attenuated differently by using different gray filters 4 . The recording camera is connected to an image processing device with which images recorded by the camera can be compared, linked to one another or evaluated in some other way. The image processing device expediently has an image recording device, such as. B. on a VCR and a calculator. So z. B. Changes in a temporal image sequence are made visible and differences in images that were taken at the same time but using different spectral filters. With the help of digital image processing it is possible to record and measure such parameters. So z. B. the temporal change in the light intensity distribution can be made visible and quantified, on the one hand, by making small differences in intensity visible using false color technology with sharp contours and then displaying and measuring the temporal change in the intensity distribution by adding or subtracting successive images.
Zur Beschreibung eines Verbrennungsverlaufs haben sich folgende Parameter als besonders geeignet herausgestellt:Have to describe a course of combustion the following parameters were found to be particularly suitable:
- - Profile hinsichtlich der Strömungen und der Temperatur- Profiles in terms of currents and temperature
- - Histogramme von Helligkeit, Strahlungstemperatur- Histograms of brightness, radiation temperature
- - quantifizierte Struktur- und Texturmerkmale (Quantifizierung der Flammenbilder)- quantified structural and texture features (Quantification of the flame images)
- - Strömungsfelder (aus Bildsequenzen ermittelt).- Flow fields (determined from image sequences).
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. In this way, a variety of simple means of image parameters for multi-dimensional regression analysis can be made available. It is not the goal to acquire measured values, the determined physical Sizes correspond, but as extensively as possible to the consumption to describe the course of the combustion in a combustion chamber. in the The next step is to examine whether and how strong this Image parameters are correlated with the target size. Can one Connection will not be established, such Parameters no longer used, a limited number of Measurement parameters, whose correlation with the target size on highest is selected. Now a lot is about dimensional regression analysis of the relationship of best combinations of measured values determined with the target variable. So this optimization process is not one predefined regularity (model) of dependency different parameters from measured values but adapts itself an existing legality optimally. This procedure Ren are also learning processes or self-adaptive Ver called driving. You can also click on the determination of im special case explicitly not directly measurable physical Sizes are applied.
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.As a measurement parameter correlated with the target values, in addition to the parameters obtained from images, in particular the spatially unresolved, optically detected radiation temperature is suitable. Fig. 3 shows the device used for temperature measurement. This has a quartz glass rod guided into the furnace as a light guide instead of a spatially resolving endoscope, to which a light guide with three output ends is coupled. The quartz rod is inserted into a hole in the wall of the combustion chamber. The detected solid angle is determined depending on how far the end of the quartz rod is located towards the combustion chamber. The larger the detected solid angle, the less the measured radiation intensity contains short-term local fluctuations, since measurements are carried out integrally over a larger flame volume. The light strikes from the furnace through the quartz glass and the light guide to three spectral filters that let light of the wavelengths 700, 800 and 900 nm through with a half-value width of 3 to 5 nm. Highly sensitive photodiodes are located in the beam path behind the interference filters. The recorded intensity values are displayed and saved for further processing.
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. Fig. 4 shows the radiation path for three different wavelengths, which have been respectively recorded at full load of the furnace over a given time interval with an opening angle of the imaging optics of 8.8 °. The temperature is calculated by offsetting two radiation intensities in accordance with the Planck radiation law. Three temperature values result from the radiation intensity in three wavelength intervals. These are averaged and the mean value is used for the approximate calculation of the target values.
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.Once there are those for the approximate calculation of the target values used measurement parameters, the evaluation of the Image data very quickly and automatically by digital Image processing is done so that the approximately be calculated target values in a control concept for combustion plants can be included. The closeness achieved accuracy and the speed at which proximity values obtained leads to a very sensitive Chen regulation with which the pollutant emissions further down can be set.
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.Since pollutant emissions depend on many flame and combustion chamber parameters can also be targeted can be influenced on individual parameters because of their influence on the target size also via the regression analysis has become known.
Claims (12)
- - mindestens einem in den Feuerungsraum ge führten Endoskop,
- - einer daran angeschlossenen Bildaufnahme-, Verarbeitungs- und Anzeigevorrichtung und
- - Meßfühlern zur Messung von Zielgrößen und weiteren Parametern,
- - at least one endoscope led into the furnace,
- - An attached image recording, processing and display device and
- - sensors for measuring target values and other parameters,
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |