Diplomarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades Diplomingenieur im Fachbereich
Elektrotechnik / Automatisierungstechnik an der Technischen Hochschule Zittau.

Thema:

Entwurf einer Brennertrimmer-Regelung für das Projekt SAVA-Brunsbüttel

eingereicht von

Thomas Rode

Abgabetermin: 31.05.1996

Kurzreferat

Gegenstand der Diplomarbeit ist die Verbrennungsführung einer Sondermüll-Verbrennungsanlage (SAVA) nach dem Drehrohrprinzip. Spezielle Aufgabe ist es, für die eingesetzten Stützbrenner eine Brenner-Trimmregelung zu entwickeln, wobei Trimmung hier für die Aufteilung des Brennermassenstroms auf die Medien Heizöl und heizwertreicher Flüssigabfall steht. Durch die Regelung des Trimmfaktors wird die Medienaufteilung an den variierenden Energiegehalt des Flüssigabfalls angepaßt.

Die Arbeit unterteilt sich in die Bereiche theoretische Prozeßanalyse / Modellierung der Verbrennungsräume, Reglerentwurf und -dimensionierung sowie Bewertung des Regelkreisverhaltens durch Simulation.

Als Simulationswerkzeug kam das am Institut für Prozeßautomatisierung und Meßtechnik der HTWS-Zittau entwickelte Programm "DynStar" zum Einsatz.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis ... 5

Indexverzeichnis ... 7

Konstanten- / Variablenverzeichnis ... 9

Verzeichnis konstruktiver Parameter ... 11

0 Einleitung ... 12

1 Technologien der thermischen Abfallbehandlung ... 13
1.1 Historischer Abriß ... 13
1.2 Heutiger Entwicklungsstand ... 13
1.3 Entwicklungstendenzen ... 13

2 Das Projekt SAVA ... 15
2.1 Verfahrensbeschreibung ... 16
2.2 Regelungstechnische Struktur ... 18
2.2.1 Verbrennungführung ... 20
2.2.2 Brennermassenstromregelungen ... 21

3 Modellierung der Regelstrecken ... 26
3.1 Bilanzraum Drehrohr ... 26
3.1.1 Stoffliche Ein- und Austräge ... 27
3.1.2 Stoffliche Komponenten im System ... 29
3.1.3 Energetisches Modell ... 30
3.1.4 Beschreibende Differentialgleichungen ... 37
3.2 Bilanzraum Nachbrennkammer ... 47
3.2.1 Stoffliche Ein- und Austräge ... 48
3.2.2 Stoffliche Komponenten im System ... 48
3.2.3 Energetisches Modell ... 49
3.2.4 Beschreibende Differentialgleichungen ... 51
3.3 Zusammenfassung ... 56

4 Brennstofftrimmregelung ... 57
4.1 Einordnung des Modells Drehrohr in den Stofffluß ... 57
4.2 Einordnung des Modells Nachbrennkammer in den Stofffluß ... 64
4.3 Konzepte der Trimmregelung ... 68
4.3.1 Bisheriges Konzept ... 68
4.3.2 Neues Konzept ... 69
4.3.3 Reglerdimensionierung ... 78
4.3.4 Simulation und Bewertung ... 89

5. Zusammenfassung und weiterführende Vorschläge ... 102

6. Simulationsprogramm ... 104

Literaturverzeichnis ... 107

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.01 Prinzipdarstellung der Anlage SAVA. ... 17
Abb. 2.02 Konzept der Verbrennungsführung bei SAVA ... 19
Abb. 2.03 Prinzip der Brenner-Medienversorgung in der Nachbrennkammer ... 22
Abb. 2.04 Prinzip der Brenner-Medienversorgung im Drehrohr ... 24
Abb. 3.01 Verlauf Rauchgas- und Brennguttemperatur im Drehrohr ... 30
Abb. 3.02 Stationärer Temperaturverlauf Drehrohrinnenwand zur Umgebung ... 31
Abb. 3.03 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Drehrohrwandung ... 31
Abb. 3.04 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Gesamtsystem Drehrohr ... 32
Abb. 3.05 Vereinfachtes Ersatzschaltbild Drehrohrwandung ... 37
Abb. 3.06 Langzeitverhalten des vollständigen Modells Drehrohrwandung ... 42
Abb. 3.07 Kurzzeitverhalten der Modelle (Drehrohrwandung) ... 43
Abb. 3.08 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Drehrohrinnenraum ... 43
Abb. 3.09 Signalflußbild Gesamtsystem Drehrohr ... 44
Abb. 3.10 Stationärer Temperaturverlauf Nachbrennkammer zur Umgebung ... 49
Abb. 3.11 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Nachbrennkammerwandung ... 49
Abb. 3.12 Wärmetechnisches Ersatzschaltbild Nachbrennkammerinnenraum ... 50
Abb. 3.13 Kurzzeitverhalten der Modelle (Nachbrennkammerwandung) ... 53
Abb. 3.14 Signalflußbild Gesamtsystem Nachbrennkammer ... 54
Abb. 4.01 Einordnung des Modells Drehrohr in den Stofffluß ... 61
Abb. 4.02 Prinzip der Gegenkopplung durch den energetischen Austrag ... 63
Abb. 4.03 Einordnung des Modells Nachbrennkammer in den Stofffluß ... 66
Abb. 4.04 Allgemeine Zuordnung der Stell- und Störgrößen ... 70
Abb. 4.05 Erstes Konzept paralleler Trimm- und Brennstoffregler ... 71
Abb. 4.06 Zweites Konzept paralleler Trimm- und Brennstoffregler ... 73
Abb. 4.07 Konzept der unterlagerten Trimm- und Brennstoffregler. ... 75
Abb. 4.08 Vereinfachte Struktur der Temperaturregelung ... 79
Abb. 4.09 Energiefreisetzung nach einmaligem Festmülleintrag von 1kg ... 86
Abb. 4.10 Energiefreisetzung bei periodischem Festmülleintrag von 250kg ... 87
Abb. 4.11 Übertragungsverhalten eines PT1-Gliedes mit TR TR=550s ... 88
Abb. 4.12 Zeitlicher Verlauf der Störgröße Flüssigabfallheizwert ... 91
Abb. 4.13 Verlauf der Rauchgastemperatur bei Änderung des Flüssigabfallheizwertes ... 92
Abb. 4.14 Verlauf der Brennermassenströme (Drehrohr) bei Änderung des Flüssigabfallheizwertes ... 93
Abb. 4.15 Verlauf der Brennermassenströme (Nachbrennkammer) bei Änderung des Flüssigabfallheizwertes ... 94
Abb. 4.16 Verlauf der Trimmfaktoren bei Änderung des Flüssigabfallheizwertes ... 95
Abb. 4.17 Öl- und Flüssigabfallumsatz als Funktion des Flüssigabfallheizwertes ... 97
Abb. 4.18 Zeitlicher Verlauf der Störgröße Flüssigabfallheizwert ... 99
Abb. 4.19 Verlauf der Rauchgastemperaturen bei Änderung des Flüssigabfallheizwertes und verschiedenen Luftmassenströmen ... 100

0 Einleitung

Müll ist als Endergebnis jedes Stoffflusses in unserer Gesellschaft heutzutage ebenso selbstverständlich wie problematisch. Während seit dem Beginn industrieller Produktion bis hinein in die siebziger Jahre unseres Jahrhunderts die Entsorgung des Abfallstoffes Müll weitgehend durch Deponierung erfolgte, wird in letzter Zeit der intelligentere Umgang mit dem nun als Wertstoff erkannten Müll immer eindringlicher gefordert. Hauptursache ist neben ökologischen Gesichtspunkten hauptsächlich die starke Verknappung geeigneten Deponieraums. Die Planung neuer Deponien scheitert oft an der sinkenden Akzeptanz in der Bevölkerung oder an den strengen Standortforderungen.

Zur nachhaltigen Gestaltung unserer Wirtschaftskreisläufe wurden deshalb vom Gesetzgeber entsprechende Prämissen in der Reihenfolge

• Müllvermeidung (Materialeinsparung, Verpackungsreduzierung, ...)
• Müllverminderung (Recycling, Kompostierung, Rotte etc.)
• Müllverwertung (energetische Verwertung, Sekundärrohstoffgewinnung, ...)
• Müllbeseitigung (Restmülldeponien)

gesetzt. Die Verwertung nicht recyclebaren Mülls soll dabei sowohl ökologisch als auch ökonomisch optimal erfolgen. Die thermische Abfallbehandlung mittels moderner Verfahren [7] erweist sich dabei oftmals als eine sehr günstige Variante, da entsprechende Alternativen meist energetisch nicht sinnvoll bzw. großtechnisch noch nicht beherrschbar sind.

Die Anwendung neuster Verfahrenstechnik sowie moderner Leittechnikkonzepte ermöglicht einerseits eine stetige Verbesserung der Anlagen und Optimierung der Prozeßführung, erhöht aber andererseits deren Komplexität und ist dadurch eine ständige Herausforderung an die betreffenden ingenieurtechnischen Disziplinen.

1 Technologien der thermischen Abfallbehandlung

Die folgenden Absätze geben einen kurzen Überblick der technologischen Entwicklung von Müllverbrennungsanlagen, ihren heutigen Stand sowie einen tendenziellen Ausblick. Für umfassendere Informationen insbesondere zur Verfahrens- und Automatisierungstechnik sei auch auf [3] sowie [4] verwiesen.

1.1 Historischer Abriß

In den hochindustrialisierten Ländern werden Müllverbrennungsanlagen als großtechnische Systeme seit ca. 1960 realisiert. Die betrieblichen Zielstellungen beschränkten sich anfänglich auf den maximalen Mülldurchsatz sowie die Erzielung hoher Anlagenstandzeiten. Eine energetische Nutzung der Abwärme sowie die Behandlung der Rauchgase war meist nicht vorgesehen. Die Prozeßführung bestand in der Überwachung betrieblicher Parameter und die Regelung / Steuerung des Verbrennungsvorganges im Hinblick auf die o.g. Prämissen per Handeingriff oder durch einfache Automatisierungslösungen.

1.2 Heutiger Entwicklungsstand

Aus bereits einleitend genannten Gründen, sehen viele der heute in Betrieb befindlichen Müllverbrennungsanlagen Deutschlands als Müll(heiz)kraftwerke eine energetische Verwertung des Abfalls vor. Die Behandlung der Abprodukte (Rauchgasreinigung, Staubabscheidung, etc.) ist obligatorisch. Reststoffe werden recycled oder sicher endgelagert. Weiterhin wird zunehmend versucht, die früher vornehmlich durch Handbedienung geführten Prozesse stärker zu automatisieren. Aufgrund der stark schwankenden Müllzusammensetzung ist der Entwicklungsaufwand in Bezug auf die Prozeßleit- und Regelungstechnik dabei sehr hoch.

1.3 Entwicklungstendenzen

Die Technologien des Wasserdampfkreisprozesses sowie der Abgasreinigung werden heute anlagen- und prozeßtechnisch weitgehend beherrscht. Die Führung des Verbrennungsprozesses bereitet hingegen noch erhebliche Schwierigkeiten. Dabei ist gerade dieser für das Gesamtverhalten der Anlage maßgeblich. Eine mangelhafte Verbrennungsführung ist durch die nachfolgenden Prozeßstufen meist gar nicht oder nur schwer zu kompensieren.

Aus Sicht der Automatisierungstechnik zeigen sich dabei insbesondere die folgenden Problempunkte:

• Die Analyse und Modellierung des Verbrennungsprozesses ist aufgrund der Vielfalt ablaufender Vorgänge und deren gegenseitige Beeinflussung schwierig.
• Der Verbrennungsvorgang ist örtlich nicht homogen. Eine optimale Verbrennungsführung ist somit nur über lokale Eingriffe (Luftzufuhr, Glutbettdicke, Verweilzeit, ...) möglich. Moderne Verfahren, wie z.B. die Walzenrostfeuerung, bieten diese Möglichkeit. Dem entgegen steht jedoch, daß heutige Regelungskonzepte häufig nur durch Einzelsensoren bestimmte globale Prozeßgrößen wie z.B. die Frischdampfmenge oder die Feuerraumtemperatur heranziehen.
• Die komplexe und häufig variierende Zusammensetzung des Mülls verschärft die Problematik der Inhomogenitäten zusätzlich. Eine kontinuierliche Bestimmung von Heizwerten oder stofflicher Zusammensetzungen ist z.B. unmöglich.

Um diese Problematik besser zu beherrschen, kommen zunehmend neue nichtklassische Konzepte der Verbrennungsführung zum Einsatz. In [1] und [2] werden praktisch bereits erprobte Ansätze vorgestellt. Sie basieren auf dem Einsatz einer Vielzahl von Strahlungssensoren bzw. Kameras, welche den Verbrennungsvorgang global erfassen. Die Autoren sprechen deshalb hier von einer nicht signal- sonder informationsorientierten Prozeßführung. Die Stellgrößenbildung erfolgt über ein Expertensystem oder auch fest verdrahtete Logiken. Obgleich hervorgehoben wird, daß mittels dieser Verfahren eine nahezu optimale Verbrennungsführung möglich ist, muß der enorme Entwicklungsaufwand für solche Systeme als nachteilig eingeschätzt werden. Weitere Ansatzpunkte liegen deshalb auch im Einsatz von Fuzzy-Methoden, die bei relativ einfacher Struktur und Handhabung ebenfalls eine bessere Führbarkeit der komplexen Verbrennungsprozesse verglichen mit konventionellen Regelungskonzepten erwarten lassen. Ein Beispiel dazu findet sich in [13].

2 Das Projekt SAVA

Beim Projekt SAVA handelt es sich um eine Verbrennungsanlage für gewerbliche Sonderabfälle mit Abwärmenutzung.

[...]