AT503169B1

AT503169B1 - Verfahren zur regelung eines prozesses

Info

Publication number: AT503169B1
Application number: AT1832006A
Authority: AT
Inventors: Martin Dr Kozek; Andreas Dipl Ing Voigt
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-10-15
Also published as: WO2007090220A1; AT503169A1; EP1982239A1

Description

2 AT 503 169 B1

Verfahren zur Regelung eines Prozesses als Regelstrecke mit mindestens zwei Regelkreisen, wobei zwei Regelgrößen jeweils über einen eigenen Regelkreis geregelt werden und welche Regelkreise über jeweils ein Entkoppelungsglied laufend entkoppelt werden, wobei zur Entkoppelung zur Stellgröße eines Regelkreises eine zusätzliche Stellgröße ermittelt und aus diesen beiden Stellgrößen eine modifizierte Stellgröße gebildet wird, welche zusätzliche Stellgröße aus der Stellgröße mindestens eines anderen Regelkreises errechnet wird.

Bei der Regelung von Prozessen, bei denen mehrere zu regelnde Prozessgrößen durch mehrere Stellgrößen beeinflusst werden, ist ein Vermeiden von Wechselwirkungen durch Entkoppelung der den Regelgrößen zugeordneten Regelkreise wünschenswert. Bekannte Entkoppelungen basieren auf der Annahme von linearen Koppelgliedern und es wird mit Enkoppelungsglie-dern entkoppelt, die selber lineare Übertragungsfunktionen aufweisen und stets nur die Stellgröße des jeweils anderen Regelkreises als Eingang haben. Da praktisch alle Prozesse eine nichtlineare Dynamik aufweisen, ist hierdurch nur ein eingeschränkter Gültigkeitsbereich um einen Arbeitspunkt des Prozesses gegeben. Dies bedeutet, dass eine ideale Entkoppelung nur in einem Arbeitspunkt des Prozesses möglich ist.

Bei der Verbrennung von Müll oder anderen sehr inhomogenen Brennstoffen, die in Heizwert und Eintragsmenge durch starke Schwankungen gekennzeichnet sein können, ist eine effektive und leistungsfähige Regelung von großer Bedeutung, um sowohl den langfristigen, ablagerungsarmen Betrieb des Ofens als auch eine emissionsarme thermische Behandlung von Abfällen zu gewährleisten. Das Wirbelschichtverfahren wird besonders häufig bei gleichzeitiger Entsorgung von Klärschlamm, oder ähnlichen, pastösen Brennstoffen, verwendet.

Bei momentanen starken Verbrennungen im Ofen durch momentan hohen Brennstoffeintrag und/oder hohen Heizwert (z.B. hoher Kunststoffanteil) kommt es zu einer erhöhten Energiefreisetzung und einem erhöhten Sauerstoffbedarf für einen guten Ausbrand des Brennstoffes. Außerdem kommt es in diesem Fall zu einem Anstieg der Ofentemperatur. Die hohe Abgastemperatur führt zu verstärkter Ascheanlagerung an den Innenwänden von Ofen, Rauchgaskanälen und Abhitzekessel, welche den ökonomischen Betrieb durch verminderten Wärmeübergang oder Reinigungsabstellungen verschlechtern. Eine für die Schadstoffemissionen und den ablagerungsarmen Betrieb des Ofens günstiger Reglereingriff ist besonders in diesem Fall von großer Wichtigkeit, da sonst gesetzlich streng limitierte Kohlenmonoxid (CO)-Emissionen auftre-ten. Mit einer momentan erhöhten Energiefreisetzung kommt es zusätzlich zu einem Rückgang der Sauerstoffkonzentration im Ofen.

Wird die Ofentemperatur in diesem Fall konventionell mittels Rezirkulationsgasmenge geregelt und der Sauerstoffüberschuss konventionell mittels Sekundärluft eingestellt, so kommt es zu einer Erhöhung der Gasmengen durch die Regler, wodurch die Gasgeschwindigkeiten im Rauchgaskanal ebenfalls ansteigen. Die heißen Gase werden dabei mit erhöhter Gasgeschwindigkeit in den Rauchgaskanal und den Abhitzekessel befördert. Treffen die heißen Aschepartikel nun mit hoher Geschwindigkeit auf die Rauchgaskanalwände und die Wärmetauscher im Kessel, so kommt es zu starken Ablagerungen der Asche.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die zuvor beschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein Regelungsverfahren zu schaffen, mit dem eine dynamische Entkoppelung sichergestellt werden kann. Zudem soll die Entkoppelung nicht nur auf einen Arbeitspunkt eines Prozesses beschränkt sein, sondern es soll auch bei größeren Abweichungen von einem Arbeitspunkt eines Prozesses einer gleichbleibende Regelgüte bzw. Entkoppelungswirkung gegeben sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Errechnung der zusätzlichen Stellgröße mindestens eine Messgröße der Regelstrecke herangezogen wird. Das vorgeschlagene Verfahren dient generell zur Regelung von Prozessen, bei denen eine maßgebliche Beeinflussung von mehreren zu regelnden Prozessgrößen durch unterschiedliche Stellgrößen auftritt. Eine Beherrschung und Unterdrückung dieser Wechselwirkungen wird stets angestrebt. 3 AT 503 169 B1 Mögliche Anwendungen sind typischerweise: 1. Fluid Catalytic Cracking (FCC-Prozess): (Die genannten Stellgrößen beeinflussen nicht jeweils nur eine Regelgröße, sondern mindestens zwei. Deshalb ist hier eine Entkopplung einzusetzen.)

Stellgrößen beim FCC-Prozess können sein: • Katalysatorumlaufrate • Systemdruck • Luftzufuhr Mögliche Regelgrößen können sein: • Produktkonzentration • Umsatzrate • Abbrenntemperatur 2. Destillationskolonnen: Beim Trennprozess durch Destillation beeinflussen sich ebenfalls Wirkungen von Stellgrößen auf störende Art und Weise gegenseitig. Mögliche Zielgrößen, und damit Regelgrößen von Destillationskolonnen können sein: • Produktkonzentration • Sumpfkonzentration • Flüssigkeitsinhalt der Kolonne

Zur Einstellung dieser Regelgrößen geeignete Stellgrößen können sein: • Rückflussrate • Sumpfheizungsleistung • Feed-Zulaufrate • Feed-Vorheiztemperatur 3. Oxichlorierung von Ethylen in einem Wirbelschichtreaktor: Dieser Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgrößen 3 Eduktumsätze simultan geregelt werden sollen. Weiters ist die Reaktortemperatur auf einen Sollwert zu regeln.

Die einzelnen Regelgrößen können hier sein: • Ethylenumsatz • Sauerstoffumsatz • Chlorwasserstoffumsatz (HCI-Umsatz) • Reaktortemperatur 4 AT 503 169 B1

Geeignete Stellgrößen zum Erreichen dieses Ziels können hier sein: • Ethylen/HCl-Massenstrom • Sauerstoff/HCl-Massenstrom • Kühlwasserdruck • Produktstromgegendruck

Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Verfahren zur Regelung einer Verbrennungsanlage für verschiedene, in Zusammensetzung und Heizwert schwankende Brennstoffe zu schaffen, welches alle relevanten inneren dynamischen Zusammenhänge zwischen den Stell- und Regelgrößen berücksichtigt. Insbesondere ist ein gleichmäßiger und ablagerungsarmer Betrieb eines Müllverbrennungsofens mit Wirbelschichtverbrennung möglich. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Schwankungen der Ofentemperatur und der abgegebenen thermischen Leistung sowie Schwankungen der Gasgeschwindigkeiten im Rauchgasströmungskanal auch bei sehr stark variierenden Brennstoffeigenschaften (wie z. B. Heizwert) wirkungsvoll unterdrückt bzw. minimiert werden.

Erfindungsgemäß werden zur Regelung einer Brennstoffverbrennung in einer Verbrennungsanlage mindestens zwei Regelgrößen aus Ofentemperatur, 02-Konzentration, Leistung der Verbrennungsanlage, wie z.B. erzeugte Frischdampfmenge oder Rauchgasmenge, und Brennraumtemperatur ausgewählt. Durch die erfindungsgemäße Berechnung von aktuell hohem Energieeintrag können Temperaturspitzen wirkungsvoll gedämpft werden. Damit entfallen heftige Reglereingriffe (z.B. Anhebung der Rezirkulationsgasmenge oder Wassereinspritzung) zur Ofentemperaturregelung zur Vermeidung des Ofentemperaturanstieges. Der Energieeintrag wird aus den Standardmessgrößen (z. B. Ofentemperatur, Sauerstoffüberschuss, Gasvolumenströme) berechnet; es werden also keine zusätzlichen Messeinrichtungen für eine Energieeintragsmessung (bzw. Berechnung) benötigt.

Vorteilhafte Verfahrensvarianten sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend anhand mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in der Zeichnung schematisiert dargestellt sind. Hierin zeigt Fig. 1 eine Wirbelschichtmüllverbrennungsanlage in schematischer Darstellung. Fig. 2 gibt ein Regelschema für eine klassische Entkopplung gemäß dem Stand der Technik wieder. Die Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichen erfindungsgemäße Regelungsverfahren in unterschiedlichen Varianten. Die Fig. 6 bis 9 zeigen die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Entkoppelung nach einem Simulationsmodell.

In Fig. 1 ist ein Anlagenschema für einen Wirbelschicht-Ofen (1) dargestellt. Primärluft wird über einen Luft-Vorwärmer (2) von unten in die Wirbelschicht (3) eingebracht. Zusätzlich wird ein Teil des rückgeführten Rauchgases über eine Leitung (4) gemeinsam mit der Primärluft in die Wirbelschicht (3) eingebracht. In der Wirbelschicht (3) wird die Betttemperatur TB gemessen. Über eine Beschickungsvorrichtung (5) wird der Brennstoff in die Wirbelschicht (3) eingebracht. Oberhalb der Wirbelschicht (3) wird rückgeführtes Rauchgas und Sekundärluft über Leitungen (6 und 7) eingebracht. Am Ofenkopf (8) werden die Ofentemperatur T0 sowie die Sauerstoff-Konzentration c02 gemessen. Die heissen Rauchgase werden in einen Abhitzekessel (9) geführt, in welchem sowohl über Strahlung als auch über Konvektion die Verbrennungswärme an den Dampf über Wärmetauscher (10) weiter gegeben wird. Das Rauchgas wird zum Teil abgeführt, zum Teil übereine Rückführung wieder in den Ofen (1) zurück geleitet.

Die Grundstruktur des vorgeschlagenen Regelungskonzeptes lässt sich als Entkopplungsregelung eines Mehrgrößen-Regelsystems beschreiben. Ein entkoppeltes Mehrgrößen-Regelsystem ist dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die parallel liegenden Streckenteile durch dynami- 5 AT503169B1 sehe Koppelglieder miteinander in Verbindung stehen, und deshalb eine bestimmte Ausgangsgröße durch jede beliebige Stellgröße beeinflusst wird. Andererseits werden durch wechselseitige Aufschaltung von Entkopplungsgliedern die Stellgrößen so modifiziert, dass die zuerst genannte Kopplung im Idealfall aufgehoben wird. Man erhält damit virtuelle, parallel liegende entkoppelte Einzelregelkreise, die nicht mehr auf Änderungen der jeweils anderen Stellgrößen reagieren.

Diese ideale Entkopplung ist für bestimmte Randbedingungen bei linearen Systemen Stand der Technik. Dabei werden die Entkopplungsglieder als Übertragungsglieder von der Stellgröße des einen Regelkreises zur Stellgröße des anderen Regelkreises entworfen. Die erfindungsgemäße Entkopplung/Regelung unterscheidet sich jedoch hiervon grundlegend, da die Entkopplung nicht nur mit linearer Überlagerung der Stellgrößen anderer Regelkreise gebildet wird, sondern durch physikalische Überlegungen unter Einbeziehung sowohl von Stellgrößen als auch von Messgrößen anderer Regelkreise. Darüber hinaus sind diese Beziehungen auch oft nichtlinear.

Im Folgenden sind kurz die Analogien und Unterschiede zur klassischen Entkopplung eines Mehrgrößen-Regelsystems erläutert.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Mehrgrößen-Regelsystem mit einer Regelstrecke gemäß Stand der Technik abgebildet, bestehend aus zwei Eingängen und (w2 sowie zwei Ausgängen und y2. Die Führungsgrößen bzw. w2 geben die Sollwerte der einzelnen Ausgänge vor. Die Regelstrecke besteht aus vier Übertragungsfunktionen, wobei Gn und G& die Dynamik der Einzelregelkreise ohne Kopplung beschreiben, und Gi2 bzw. G21 die beiden Koppelglieder darstellen. Aufgrund dieser Koppelglieder reagiert jede der beiden Ausgangsgrößen in unerwünschter Weise auch auf die jeweils andere Stellgröße.

Die Regelung besteht einerseits aus einer gewöhnlichen Ausgangsrückführung, mit der ein Regelfehler gebildet wird, welcher wiederum als Eingang in die Regler-Übertragungsfunktion dient. Die Ausgänge aus diesem Regler Ui bzw. u2 sind aber noch nicht die aktuellen Stellgrößen umocn bzw. iw 2, sondern es wird zusätzlich ein Ausgang uzi bzw. uz2 aus denn Entkopplungsglied addiert, welches den Ausgang des anderen Reglers zum Eingang hat. Erst die Summe aus Regler- und Entkopplungsglied-Ausgang ist die modifizierte Stellgröße Umod ·\ bzw. umod2, welche der Strecke zugeführt wird.

Diese Entkopplung basiert auf der Annahme von linearen Koppelgliedern und wird mit Entkopplungsgliedern E12 bzw. E21 durchgeführt, welche selber lineare Übertragungsfunktionen haben und nur die Stellgröße des jeweils anderen Regelkreises als Eingang haben. Der Entwurf dieser Entkopplungsglieder erfolgt analytisch unter Heranziehung der Übertragungsfunktionen Gn, Gi2, G2i und G22. Da tatsächlich ausgeführte Anlagen immer eine mehr oder weniger ausgeprägte nichtlineare Dynamik haben, haben solche linearen Beschreibungen immer nur einen eingeschränkten Gültigkeitsbereich um einen Arbeitspunkt. Bei größeren Abweichungen verändert sich die Streckendynamik und damit auch die Güte der Regelung bzw. der Entkopplung. Eine ideale Entkopplung ist daher prinzipiell nur im Arbeitspunkt möglich.

Bei der erfindungsgemäßen Entkopplung kann eine ähnliche Struktur angenommen werden, (siehe Fig 3 und Fig 4) Jede der Regelgrößen y\ bzw. y2 wird mit einem gewöhnlichen Regelkreis geregelt (wobei auch Kaskadierungen von Regelschleifen Vorkommen können.), zusätzlich zu diesen Stellgrößen 1/1 bzw. u2 werden die zusätzlichen Stellgrößen uz λ bzw. uz 2 aufgeschaltet, wodurch sich die wirksame Stellgröße iWi bzw. umoci2 ergibt.

Im Gegensatz zur klassischen Entkopplung ist aber die Berechnung des Entkopplungsanteiles E<i bzw. E2 • nichtlinear, 6 AT 503 169 B1 • erfolgt unter Einbeziehung zusätzlicher Messgrößen • und beruht auf physikalischen Beziehungen.

Damit lässt sich das Blockschaltbild nicht mehr in der einfachen Form von Fig. 2 angeben, da nun zusätzliche Eingänge in die Entkopplungsglieder eingehen. Die Grundstruktur lässt sich jedoch analog angeben, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Dort sind die Entkoppelungsglieder £1 bzw. E2 mit mehreren Eingängen versehen, die als Messgrößen aus der Regelstrecke herausgeführt wurden.

Welche Messgrößen zusätzlich benötigt werden, und wie die Entkopplung berechnet wird, ergibt sich aus physikalischen Überlegungen. Da die grundlegenden Gleichungen der Verbren-nungs- und Transportmechanismen im Ofen und den nachfolgenden Anlagenteilen bekannt sind (Bilanzgleichungen, stöchiometrische Beziehungen), können diese in explizite Gleichungen für den jeweiligen Entkopplungsanteil umgeformt werden. Da diese Beziehungen auch instationär gültig sind, handelt es sich um eine dynamische Entkopplung. Darüber hinaus haben die Entkopplungsglieder einen sehr weiten Gültigkeitsbereich, der nicht nur auf einen Arbeitspunkt beschränkt ist. Im Gegensatz zur klassischen Entkopplung kann daher auch bei größeren Abweichungen von einem Arbeitspunkt eine gleichbleibende Regelgüte bzw. Entkopplungswirkung erwartet werden. In Fig. 4 ist die verallgemeinerte Darstellung dieses Problems dargestellt.

Fig. 5 zeigt die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel des Wirbelschicht-Ofens (1). Es sind vier wesentliche Regelkreise zur Regelung des Verbrennungsprozesses dargestellt: 1. Sauerstoffregelkreis mit dem Regler 02-Regler und dem Sollwert für die Sauerstoffkonzentration Co2SOll 2. Ofentemperaturregelkreis mit dem To-Regler und dem Sollwert für die Ofentemperatur T0,so// 3. Wirbelbetttemperaturregelkreis mit dem Τβ-Regler und dem Sollwert für die Wirbelbetttemperatur TB,soll 4. Leistungsregelkreis mit dem Leistungsregler und dem Sollwert für die produzierte Dampfmenge rhDsou

Der aktuelle Zustand des Verbrennungsteils (Ofen) wird durch die Messgrößen • Sauerstoffkonzentration im oberen Bereich des Ofens c0z0 • Ofentemperatur T0 • Wirbelbetttemperatur TB erfasst.

Um die Verbrennung zu regeln werden folgende Stellgrößen verwendet: • Sekundärluftvolumenstrom VSek • Rezirkulationsgasvolumenstrom in den Ofen oberhalb der Wirbelschicht VRezi • Primärluftvolumenstrom Vprim • Rezirkulationsgasvolumenstrom in die Wirbelschicht V.

Rezi 7 AT 503 169 B1

• Brennstoffmassenstrom rhB

Der dargestellte Abhitzekessel (9) hat die Eingänge Sauerstoffkonzentration des Abgases co2,Kessel und die Abgastemperatur am Ofenaustritt T0. Am Abhitzekessel selbst stehen folgende Messgrößen zur Verfügung: • Sauerstoffkonzentration am Kesselaustritt c02Kesse/ • Rezirkulationsgastemperatur TRezi • produzierte Dampfmenge rhDampf

Die Entkopplung I dient der Berechnung der benötigten Sauerstoffmenge um die gewünschte Sauerstoffkonzentration am Ofenaustritt zu erreichen. Die Einflüsse der Brennstoffbeschickung durch Σ/c, · mB l und die Sauerstoffeinträge der anderen Gasvolumenströme werden dabei berücksichtigt.

Die Entkopplung II dient der Berechnung der benötigten Rezirkulationsgasmenge um die gewünschte Ofentemperatur zu erreichen. Die Einflüsse der Primär- und Sekundärluftvolumenströme, sowie die Temperatur des Rezirkulationsgases werden dabei berücksichtigt.

Die Entkopplung III dient der Berechnung des benötigten Sauerstoffeintrages über Primär- und Rezirkulationsgas um die gewünschte Sollbetttemperatur zu erreichen. Dabei wird der Brennstoffeintrag Ikj mB i berücksichtigt.

Zur Regelung der Ofenleistung mit dem Leistungsregler wird zur Entkopplung die der aktuelle Sauerstoffbedarf berechnet. Da dieser proportional zur freigesetzten Energie ist, wird über den Kaskadenregler 02-Verbrauch-Regler die zugeführte Brennstoffmenge so eingestellt, dass der aktuelle Sauerstoffbedarf mittels Brennstoffzufuhr eingestellt wird. Dabei wird der in Entkopplung IV die Sauerstoffbilanz um den Ofen (1) berechnet.

Fallunterscheidung bei unterschiedlicher Ausführung der Wirbelschichtfluidisierung:

Das Fluidisierungsgas bei Wirbelschichtverbrennungsöfen kann entweder reine Luft oder jedenfalls ein sauerstoffhältiges Gas (z.B. Mischung aus Luft und Rezirkulationsgas) sein. Deshalb muss hier eine Fallunterscheidung eingeführt werden, da die Primärluftzusammensetzung einen wesentlichen Einfluss auf die Wirbelschichttemperaturregelung hat und hier berücksichtigt werden soll. 1. Fall A: Fluidisierungsgas besteht zu 100% aus Luft (c02Fluid = 0.21%) 2. Fall B: Fluidisierungsgas besteht nicht zu 100% aus Luft {c0iFm 10.21%))

Der Sauerstoffanteil der Fluidisierungsgasmenge hat einen starken Einfluss auf die Wirbelschichttemperatur und ist bei der Gestaltung der Betttemperaturregelung deshalb zu berücksichtigen. Die Fallunterscheidung im Sinne des hier behandelten Regelverfahrens ist an den relevanten Stellen beschrieben.

Regelgrößen einer Wirbelschichtfeuerung:

Bei einer Wirbelschicht-Müllverbrennungsanlage treten meist folgende Regelgrößen auf: 1. 02-Konzentration am Ofenaustritt Y, [%*>/] (und/oder nach dem Abhitzekessel) 2. Leistung der Verbrennungsanlage Y2 [kW\ oder [£] (z. B. in Form von produzierter Frisch- 8 AT 503 169 B1 dampfmenge des Abhitzekessels) 3. Ofentemperatur Y3 [°C] (Dieser Wert kann sich auch aus mehreren Temperaturen, verteilt über die Ofenachse zusammensetzen) 4. Wirbelschichttemperatur Y4 [°C] (die Temperatur des Bettes)

Bei der erfindungsgemäßen Regelung werden die oben genannten Standard-Regelgrößen und folgende zusätzliche Regelgrößen geregelt. 1. aktueller Sauerstoffbedarf des Ofens Y02Bedarf nach Gl. 1 2. aktuell vergasende Brennstoffmenge, als Abgas bezeichnet YAbgas (* Rauchgasmenge) nach Gl. 3

Der aktuelle Sauerstoffbedarf der Verbrennung hängt von den aktuell eingebrachten Brennstoffmengen und deren minimalem Luftbedarf (minimale, stöchiometrische Sauerstoffmenge zur vollständigen Verbrennung) ab. Die Berechnung des gemessenen, aktuellen Sauerstoffbedarfes wird aus einer Sauerstoffbilanz um den Ofen ermittelt.

Yo2Bedarf = (zugeführter 02-Volumenstrom) - (02-im Volumenstrom Rauchgas) - (Änderung im Ofen) de, ^Ojßedarf ( ^02Luft ~ ^02Ofen ) Wprim ^sek ) ( ^02Rezi ~ ^02Ofen ) ^rezi ~ ^Ofen ^ 02Ofen (1)

Damit lässt sich nun der spezifische Sauerstoffbedarf des Brennstoffs abschätzen: kD = ’02Bedarf rna (2)

Dieser Wert gibt also an wie viel kg Sauerstoff pro momentan eingebrachtem kg Brennstoff zur vollständigen Verbrennung benötigt werden. (3) 'Abgas ™Saugzug ~"'prim ~'"sek -r p Hf ' Ofen''Luft Ul dPofen

Die Abgasproduktion kann aus einer instationären Gasmengenbilanz um den Ofen berechnet werden. In Gl. 3 ist RLuft = 287^- und V ist das Gesamtvolumen von Ofen und Kessel. Mögliche konventionelle Stellgrößen einer Wirbelschichtfeuerung können sein: 1. Primärluftmenge mprim [^-] 2. Primärluftvorwärmung (wird im folgenden als LUVO=Luftvorwärmung bezeichnet) 3. Sekundärluftmenge 4. Aufteilung der Sekundärluft auf die vorhandenen Einblas-Ebenen 5. Brennstoffeintragsmenge 6. Rezirkulationsgasmenge 7. Aufteilung des Rezirkulationsgases auf die vorhandenen Einblas-Ebenen 8. Zumischung von Rauchgas zur Primärluft 9 AT503169B1 zusätzliche modifizierte Stellgrößen: 1. Verhältnis Gesamt-Sauerstoff zu Brennstoffmenge 2. Rezirkulationsgas zur unteren Ebene 3. Verhältnis Primärsauerstoff zu Brennstoffmenge

Im folgenden sind die vier zentralen Regelkreise genau beschrieben. Mögliche Einflussgrößen auf die einzelnen Regelgrößen werden aufgelistet.

Sauerstoffregelkreis:

Die Regelgröße Sauerstoffüberschuss nach Verbrennung (z.B. gemessen am Ofenkopf oder nach dem Abhitzekessel) kann durch Änderung des Verhältnisses von Sauerstoffeintrag zu Brennstoffeintrag als Stellgröße beeinflusst werden.

Wird der Sauerstoffüberschuss konventionell mittels Sekundärluftmenge eingestellt, so ergeben sich einige regelungstechnische Probleme, die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen beseitigt werden können: 1. Keine Berücksichtigung der Brennstoffluftbedarfs für vollständige Verbrennung 2. nichtlineare Abhängigkeit der Streckenverstärkung von der thermischen Last 3. nichtlineare Abhängigkeit der Streckenverstärkung von der Rezirkulationsgasmenge 4. Störung des Sauerstoffhaushaltes im Ofen durch Primärluftänderungen durch die Betttemperaturregelung 5. Störung des Sauerstoffhaushaltes im Ofen durch die Rezirkulationsgasmenge

Die lastabhängige Streckenverstärkung hat den unangenehmen Effekt, dass bei nicht entkoppelter Regelung des Sauerstoffüberschusses mit der Stellgröße Sekundärluft die Reglerparameter nur für einen Arbeitspunkt optimal sein können. Da jedoch häufig Änderungen der angeforderten thermischen Leistung auftreten können muss die Regelung für einen großen Arbeitsbereich mit konstanter Regelgüte arbeiten können.

Eine lastunabhängige Regelgüte der Sauerstoffüberschussregelung wird durch die Einführung einer modifizierten Stellgröße erreicht. Diese modifizierte Stellgröße wird im folgenden mit (Ä bezeichnet.

Definition der modifizierten Stellgröße: Uy = zugeführte Sauerstoffmenge aktueller Sauerstoffbedarf

(4)

Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Regelung liegt nun darin, dass in der Nenner in Formel 4 durch YÖ2,Bedarf ersetzt werden kann. Dadurch wird der stark veränderlichen Zusammensetzung des Brennstoffs Rechnung getragen.

v ' (¾. Bedarf (5) 1 0 AT 503 169 B1

Der aktuelle Sauerstoffbedarf Y02>;Bedarf wird nun über die Brennstoffzufuhr mittels Kaskadenregelung geregelt. Da der Sauerstoffbedarf eng mit der Energiefreisetzung im Ofen korreliert, ist dies auch von großem Vorteil für die gleichmäßige Energiefreisetzung im Ofen.

Die Faktoren für den Sauerstoffbedarf der eingesetzten Brennstoffe müssen bereitgestellt werden. Natürlich kann der spezifische Sauerstoffbedarf eines Brennstoffes in xg^off schwanken.

Deshalb muss für jeden Brennstoff ein möglichst genauer mittlerer Koeffizient eingesetzt werden. Dieser ist entweder bekannt oder möglicherweise (bei seltenen Brennstoffen) durch Versuche zu ermitteln.

Ein Versuch zur Ermittlung des Sauerstoffbedarfs und der Koeffizienten kBi kann so aussehen, dass eine Brennstoffbeschickung des Ofens mit den einzelnen Brennstoff nacheinander erfolgt und jeweils der dabei entstehende Sauerstoffbedarf nach Gl. 1 ermittelt wird.

Aus der Definition der modifizierten Stellgröße tA können folgende Auswirkungen abgelesen werden: • Eine Veränderung der zugeführten Sauerstoffmenge durch Primärluftmengenänderung bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von U\. • Eine Veränderung der zugeführten Sauerstoffmenge durch Sekundärluftmengenänderung bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von U\. • Eine Veränderung der zugeführten Sauerstoffmenge durch Rezirkulationsgasmengenände-rung bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von If. • Eine Veränderung der Sauerstoffkonzentration des Rezirkulationsgases bei momentan gleichbleibendem Sauerstoffbedarf verändert den Wert von If. • Eine Veränderung des berechneten Sauerstoffbedarfs führt zu einer physikalischen Vorsteuerung der Sekundärluftmenge.

Mit Hilfe der Sekundärluftmenge kann also l/i entsprechend dem Reglerausgang des Sauerstoffreglers ausgeglichen werden. Die Sekundärluftmenge wird durch Umformung der Gleichung 4 berechnet. Dadurch wird eine stabile und vor allem lineare, sowie entkoppelte Regelung des Sauerstoffhaushalts des Ofens erreicht.

Beschreibung der modifizierten Stellgröße Uv Das Verhältnis zwischen der gesamten, aktuell in den Ofen eingebrachten Sauerstoffmenge zum Sauerstoffbedarf des aktuell in den Ofen einge-brachten Brennstoffes. Der aktuelle Sauerstoffbedarf ist je nach eingesetzten Brennstoffen (möglicherweise auch gleichzeitig eingebrachten Brennstoffen) zu berechnen. Werden beispielsweise Altöle, Klärschlamm, Heizöl-Leicht und Müll gleichzeitig eingebracht, so muss der Sauerstoffbedarf der einzelnen Brennstoffmassenströme für eine vollständige Verbrennung berechnet werden und die Summe für die Sauerstoffregelung herangezogen werden.

Dampfleistungsregelkreis:

Die Regelung der abgegebenen thermischen Leistung erfolgt über die Brennstoffzufuhr. Allerdings können der/die Brennstoffe) (z.B. Müll, Klärschlamm, Altöle, Heizöl) bei einer Müllverbrennungsanlage starken Schwankungen in Dichte und Heizwert unterliegen. Stellorgane, die einen definierten Brennstoffeintrag für Müll ermöglichen sind praktisch schwer realisierbar. Y2 = Leistung der Verbrennungsanlage (6)

Die Leistung der Verbrennungsanlage kann z.B. die erzeugte Frischdampfmenge sein. Anhand 1 1 AT 503 169 B1 dieser Ausführungsform wird das Regelkonzept gezeigt.

Die erfindungsgemäße Regelung der Leistung der Anlage soll deshalb indirekt, in Form einer Kaskadenregelung, erfolgen. Als Zwischenregelgröße wird dabei der aktuelle Sauerstoffbedarf nach Gl. 1 verwendet.

In Fig. 5 ist eine mögliche Ausführungsform abgebildet.

Der Sauerstoffbedarf ist ein sehr gutes Maß für die aktuelle Heizleistung im Ofen und soll durch Regelung so konstant wie möglich gehalten werden um Leistungsänderungen am Abhitzekessel zu vermeiden. Außerdem kann eine Änderung der Ofenheizleistung am Sauerstoffbedarf wesentlich früher erkannt werden als an der produzierten Dampfmenge am Abhitzekessel.

Durch die Kaskadenregelung werden Heizwertschwankungen und Mülleintragsschwankungen (und damit die Heizleistungsschwankungen) vom Heizleistungsregler bereits korrigiert, bevor am Kessel eine Leistungsänderung bemerkbar wird.

Ofentemperaturregelkreis:

Die Regelung der Ofentemperatur erfolgt (hier als mögliches Ausführungsbeispiel) durch eine Temperaturmessung am Ofenkopf, also am Rauchgasaustritt des Ofens. (Jedenfalls mindestens an einer Stelle vor Eintritt der Rauchgase in den Abhitzekessel). Um eine möglichst vollständige Zerstörung von Schadstoffen zu erreichen ist eine Temperatur von mindestens 850°C und eine bestimmte Verweilzeit gesetzlich vorgeschrieben. Bei hohen Abgastemperaturen von etwa 900°C bis 1000°C kommt es zu Ablagerungen von Asche in den Rauchgaskanälen. Durch die erfindungsgemäße Regelung werden Schwankungen der Ofentemperatur weitestgehend ausgeregelt. Eine wirkungsvolle Unterdrückung von Ofentemperaturschwankungen ist für den ökonomischen und ökologischen Betrieb der Müllverbrennungsanlage entscheidend. V3 = Toten (7)

Die Stellgröße zur Ofentemperaturregelung ist die aktuell zugeführten Energie PHe<z· Soll also eine Erhöhung der Ofentemperatur erfolgen so kann mittels Rezirkulationsgasmenge die mit Ofentemperatur abgeführte Energiemenge beeinflusst werden. Dabei werden instationäre Vorgänge im Ofen berücksichtigt. ^ TI prim ~ ^Prim PLuft ^ p Luft ( Tpnm ~ Tofen ) &Hsek = VsekPLuftCpLuft(JSfjk-Tofe„) ^Tlpezi — ^ReziPAbgas^pAbgas{Tptezi ~Tofen) PBrenn ~ ΣΗυ,ί 'ΛΊ;

Die Brennstoffheizleistung PBrenn umfasst alle Brennstoffe, die in den Ofen eingetragen werden.

Ui ~ PHeiz ~ AHprim &Hsek ^Hpezj + PBrenn (8)

Aus Gl. 8 kann nun jene benötigte Rezirkulationsgasmenge berechnet werden, die zu der vom Ofentemperaturregler ausgegebenen Heizleistung führt. Die anderen Variablen von Gl. 8 sind andere Stellgrößen und Messgrößen die bekannt sind. Die einzige Unbekannte ist daher die Rezirkulationsgasmenge.

Wirbelschichttemperaturregelung:

Um die gewünschte Teil-Vergasung der Brennstoffe in der Wirbelschicht zu gewährleisten wird 1 2 AT 503 169 B1 die Wirbelschichttemperatur TB geregelt.

Ya=Tb (9)

Die Wirbelschichttemperatur ist ein Maß für die Teilverbrennung der Brennstoffe. Ein geringes Sauerstoffangebot führt zu niedrigen Wirbelschichttemperaturen. Ein großes Sauerstoffangebot führt zu hohen Wirbelschichttemperaturen.

Die Wirbelschichttemperatur hängt von folgenden Einflussgrößen ab: • Verhältnis von Sauerstoffzufuhr in die Wirbelschicht zu Sauerstoffbedarf für vollständige Verbrennung (Luftzahl λ) • Rezirkulationsgasmenge, die direkt auf die Wirbelschicht geblasen wird. • LUVO-Leistung (Primärluftvorwärmung)

Diese drei Einflüsse auf die Wirbelschichttemperatur müssen in einer Regelung berücksichtigt werden. Als Stellgröße wird die Luftzahl λ verwendet. Die Primärluftvorwärmung kommt bei Verbrennung von Klärschlamm zum Einsatz, da der hohe Wassergehalt von Klärschlamm dazu führt, dass die gewünschte Wirbelschichttemperatur von etwa 600°C bis 700°C ansonsten nicht erreicht wird.

Durch das Rezirkulationsgas, das direkt auf die Wirbelschicht geblasen wird, kann die Wirbelschichttemperatur gesenkt werden. Diese Stellgröße wird bei hochkalorischem Müll eingesetzt. Die Fluidisierungsgasmenge bleibt stets konstant, da die Fluidisierung der Wirbelschicht gewährleistet werden muss.

Die Luftzahl der Wirbelschicht kann also durch eine Mischung von Rezirkulationsgas und Primärluft eingestellt werden. Die Entkopplung von der Heizleistungsregelung erfolgt durch folgenden Zusammenhang: C0,Lu» ' Pi-uft ' Ypi (10) n ist die Anzahl der aktuell eingesetzten Brennstoffe.

Dabei ist jedoch noch die Nebenbedingung konstanter Fluidisierungsgasmenge einzuhalten:

Vprim+V- =VFluid=const. (11)

Rezi V. ist jene Rezirkulationsgasmenge, die mit der Primärluft von unten in die Wirbelschicht

Rezi eingeblasen wird.

Damit sind aber sowohl die Primärluftmenge VPrim als auch die Rezirkulationsgasmengenzumi-schung V. festgelegt. Anstelle des gemessenen Wertes für die Sauerstoffkonzentration im

Rezi

Rezirkulationsgas kann auch ein konstanter mittlerer Wert verwendet werden.

Die Vorzüge des vorgeschlagenen Regelschemas werden anhand einer numerischen Simulation demonstriert. Das Simulationsmodell besteht aus einem physikalischen, instationären, kontinuierlichen Ofenmodell. Das Modell enthält: 1 3 AT503 169B1 ein Verbrennungsmodell mit Vergasung des Brennstoffs aufgrund des Sauerstoffangebotes in der Wirbelschicht und ein Verbrennungsmodell mit Verbrennung des vergasten Brennstoffs über der Wirbelschicht. eine instationäre Energiebilanz der Wirbelschicht zur Simulation der Wirbelschichttemperatur. eine instationäre Energiebilanz des Ofens zur Simulation der Ofentemperatur. eine instationäre Stoffbilanz zur Simulation der Sauerstoffkonzentration im Ofen. ein stochastisches Modell für den Heizwert (Mittelwert 9.5 MJIkgBrennstoff mit einer Varianz VOn 0.63 kg Brennstoff)· ein stochastisches Modell für den Sauerstoffbedarf für vollständige Verbrennung. (Mittelwert 14.8 kgLufJkgBrennst0ff mit einer Varianz von 1 kgLJkgBrennstoff) ein dynamisches Modell für den Wärmeübergang durch Strahlung im Kessel. ein dynamisches Modell für den Wärmeübergang durch Konvektion im Kessel. ein Laufzeitmodell zur Berücksichtigung der Totzeiten durch Strömungen.

Stellgliedermodelle mit Berücksichtigung der begrenzten Verstellgeschwindigkeit und Trägheit.

Das Simulationsmodell wurde mit Messdaten einer realen Anlage quantitativ validiert. Simulationsergebnisse:

Die Simulation zeigt, wie eine Erhöhung der Mülleintragsmenge um 50% zum Zeitpunkt t=500s mit einer Dauer von 20sek. (bis t=520s) durch die erfindungsgemäße Regelung kompensiert wird. Die Simulation zeigt den Vergleich einer Regelung mit und ohne Entkopplung, bzw. Kaskadenregelung. Die Reglerparameter der einzelnen Regelkreise sind dabei für beide Fälle identisch. Es zeigt sich, dass geringere Abweichungen der Regelgrößen von den Sollwerten mit der erfindungsgemäßen Entkopplung und Kaskadenregelung auftreten.

Fig. 6 zeigt die Abweichung der thermischen Kesselleistung bei einer Störung der Brennstoffeintragsmenge von +50% für 20sek.

Fig. 7 zeigt die Abweichung der Ofentemperatur bei einer Störung der Brennstoffeintragsmenge von +50% für 20sek.

Fig. 8 zeigt die Abweichung der Wirbelschichttemperatur bei einer Störung der Brennstoffeintragsmenge von +50% für 20sek.

Fig. 9 zeigt die Abweichung der Ofensauerstoffkonzentration bei einer Störung der Brennstoffeintragsmenge von +50% für 20sek.

Die Vorteile eines Betriebs einer Wirbelschichtverbrennungsanlage mit der erfindungsgemäßen Regelung sind also: 1. gleichmäßige Wirbelschichttemperatur => konstante Brennstoffvergasung und konstante thermische Wirbelbettbelastung

Claims

14 AT 503 169 B1 2. gleichmäßige Ofentemperatur => konstante thermische Ofenbelastung und konstante thermische Behandlung der Abgase 3. gleichmäßige Rauchgasmenge => konstante Heizflächenbelastung im Kessel 4. gleichmäßiger Sauerstoffüberschuss => sehr geringe CO-Emissionen durch schnelle Sauerstoffbedarfserkennung Symbol Bezeichnung physikalische Einheit Yi 02-Konzentration am Ofenaustritt [%vo/] Y2 Leistung der Verbrennungsanlage [kW\ oder [*] Y3 Ofentemperatur(en) [°q Y4 Wirbelschichttemperatur(en) ra y ' 02Bedarf Hilfsregelgröße Ofensauerstoffbedarf [f] Y/Aöoas Hilfsregelgröße Ofenabgasmenge lf] u; Stellgröße 02-Regelung ii-] u'2 Stellgröße Betttemperatur-Regelung [i-] ul Stellgröße Ofentemperatur-Regelung ii-] Vprim Normvolumenstrom Primärluft [ψ] Ysek Normvolumenstrom Sekundärluft [^] Vre* Normvolumenstrom Rezigas [f] C02,Ofen Sauerstoffkonzentration im Ofen i£] ^Saugzug Massenstrom Abgas gesamt [i-] mprim Massenstrom Primärluft ιΐι ™sek Massenstrom Sekundärluft [i-] Voten Ofenvolumen mit Kessel [m3] Poten Ofendruck [Pa] 7~Ofen Ofentemperatur [°c\ τ . ' pnm Primärlufttemperatur [°C] 7~sek Sekundärlufttemperatur [°C] ~^rezi Rezirkulationsgastemperatur [°C] Hu unterer Heizwert eines Brennstoffs [#] pLuft Dichte der Luft [&i Cd. Lu ft spezifische Wärmekapazität von Luft [#] tr)i Brennstoffmassenstrom des Brennstoffs i [£] l<B.i spezifischer Sauerstoffbedarf des Brennstoffs i [¢1 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Regelung eines Prozesses als Regelstrecke mit mindestens zwei Regelkreisen, wobei zwei Regelgrößen jeweils über einen eigenen Regelkreis geregelt werden und welche Regelkreise über jeweils ein Entkoppelungsglied laufend entkoppelt werden, wobei 1 5 AT 503 169 B1 zur Entkoppelung zur Stellgröße eines Regelkreises eine zusätzliche Stellgröße ermittelt und aus diesen beiden Stellgrößen eine modifizierte Stellgröße gebildet wird, welche zusätzliche Stellgröße aus der Stellgröße mindestens eines anderen Regelkreises errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Errechnung der zusätzlichen Stellgröße mindestens eine Messgröße der Regelstrecke herangezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Regelung einer Brennstoffverbrennung in einer Verbrennungsanlage, wobei mindestens zwei Regelgrößen aus Ofentemperatur, 02-Konzentration, Leistung der Verbrennungsanlage, wie z.B. erzeugte Frischdampfmenge oder Rauchgasmenge, und Brennraumtemperatur ausgewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgröße eines Regelkreises durch Addition der Stellgröße dieses Regelkreises mit der zusätzlichen Stellgröße gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Stellgröße mittels nichtlinearer Berechnung, d.h. aufgrund physikalischer und/oder durch Messungen ermittelter Beziehungen zwischen Stell- und Regelgrößen, ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der modifizierten Stellgröße durch eine nichtlineare Berechnung, d.h. aufgrund physikalischer und/oder durch Messungen ermittelter Beziehungen zwischen Stell- und Regelgrößen, aus der Stellgröße eines Regelkreises und der zusätzlichen Stellgröße eines anderen Regelkreises erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Errechnung der zusätzlichen Stellgröße die modifizierte Stellgröße eines der anderen Regelkreise herangezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung eine Kombination von mindestens zwei der Regelgrößen Ofentemperatur, 02-Konzentration am Ofenaustritt, Leistung der Verbrennungsanlage, Pyrolysezonentemperatur und Brennraumtemperatur herangezogen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung zusätzlich mindestens eine der inneren Größen, ausgewählt aus Verbrennungsenergie, aktueller Sauerstoffbedarf für vollständige Verbrennung, aktuelle Abgasproduktion und die Pyrolysezonenenthalpie, herangezogen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsenergie aus einer Energiebilanz des Ofens über die Enthalpieströme der zugeführten Gasmassenströme und der zugeführten Brennstoffmassenströme berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Sauerstoffbedarf für vollständige Verbrennung der eingesetzten Brennstoffmassenströme aus einer Sauerstoffbilanz des Ofens über die zu- und abströmenden Gasmassenströme berechnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Abgasproduktion aus einer Volumenstrombilanz des Ofens über die zu- und abströmenden Gasmassenströme berechnet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolysezonenenthalpie aus einer Energiebilanz der Pyrolysezone über die zu- und abströmenden Gas- und Brennstoffmassenströme berechnet wird. 1 6 AT 503 169 B1

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße mindestens eine der folgenden Größen eingesetzt wird: Primärluftmenge, Sekundärluftmenge, Brennstoffeintragsmenge, Rezirkulationsgasmenge, Verhältnis Gesamtsauerstoff- zu Brennstoffmenge und Verhältnis Primärsauerstoff- zu Brennstoffmenge, Verhältnis Primärluft- zu Rezirkulationsgasmenge und Primärluftvorwärmung.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgröße für den Sauerstoffregelkreis durch kontinuierlichen Ausgleich der Bilanz für den Sauerstoffbedarf und der ursprünglichen Stellgröße berechnet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgröße für den Ofentemperaturregelkreis durch kontinuierlichen Ausgleich der Bilanz für die Verbrennungsenergie und der ursprünglichen Stellgröße berechnet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgröße für die Pyrolysetemperatur durch kontinuierlichen Ausgleich der Energiebilanz für die Pyrolysezone und der ursprünglichen Stellgröße berechnet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Stellgröße für den Leistungsregelkreis durch Kaskadenregelung des aktuellen Sauerstoffbedarfs oder der aktuellen Abgasmenge eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffverbrennung im Wirbelschichtverfahren durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff Müll und/oder Klärschlamm eingesetzt wird. Hiezu 6 Blatt Zeichnungen