Bildverarbeitung: Optische Prozessanalyse im Kraftwerksbetrieb

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Verschlackungen entwickeln sich im Kraftwerksbereich mit fossilen Brennstoffen wie Kohle zum Problem. Mittels Bildverarbeitung schafft der Ingenieursdienstleister EUtech Scientific Engineering Abhilfe. Neben eigens entwickelter Hardware, die den unwirtlichen Bedingungen im Kraftwerkskessel trotzt, greift der Dienstleister bei der Bildverarbeitungssoftware auf NI Vision, einen Entwicklungsbaukasten für Bildverarbeitung von National Instruments und LabView, zurück.

Von Simon Busch, Josef Eiswirt, Reinhardt Kock, Clemens Lindscheid und Francesco Turoni

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Um fossile Brennstoffe zu schonen und gleichzeitig eine nachhaltige Elektrizitätsversorgung zu gewährleisten, ist die Steigerung des Nettowirkungsgrads von Kohlekraftwerken essenziell. Vor diesem Hintergrund rücken Verschlackungsprozesse immer stärker in den Fokus der Kraftwerksoptimierung. Ansätze an Wärmetauschern reduzieren den Wärmeübergang, begünstigen Korrosion an Kesselbauteilen und führen beim Herabfallen zu Schädigungen. Dabei kann sich das Verschlackungsverhalten von Brennstoffaschen, die aus verschiedenen Abbaugebieten stammen, stark voneinander unterscheiden [1].
Um verlässliche Informationen über das Verschlackungsverhalten zu bekommen, muss das Schmelzverhalten der Brennstoffaschen unter Kesselbedingungen untersucht werden. Zur Analyse, Überwachung und Optimierung von Verschlackungsprozessen im Kraftwerksbereich hat EUtech zwei Lösungen in enger Zusammenarbeit mit führenden Energiekonzernen entwickelt. Das erste System dient in der Mineralogie der Analyse und Optimierung von Verschlackungsprozessen. Es handelt sich dabei um einen Hochtemperaturofen, in dem Ascheproben einer definierten Wärmebehandlung unterzogen werden. Dabei wird in einem Durchlichtverfahren das Schattenbild der Probe mit einer Kamera aufgezeichnet und unter Verwendung der Bildverarbeitungsfunktionen von NI Vision ausgewertet, um die Veränderung der Probengeometrien während der Wärmebehandlung zu erfassen.
Das zweite System überwacht das tatsächliche Verschlackungsverhalten im Kraftwerkskessel während der Feuerung. Dabei handelt es sich um ein eigens entwickeltes Kamerasystem, das bei Betriebstemperaturen von bis zu 1.400 Grad Celsius in den Kessel einfährt und Bildinformationen akquiriert. Auf Basis des gewonnenen Bildmaterials erfolgt eine optische Schichtdickenmessung und eine thermografische Auswertung. Ergebnis ist der Verschlackungsgrad der Heizflächen.

Thermooptische Analyse

Der Prüfstand zur thermooptischen Analyse basiert auf Tommi, einem vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC angebotenen Prüfstand zur Untersuchung der Sinterung von Keramiken. Dieser Prüfstand wurde von unserem Kunden im Umfeld der Mineralogie zur Untersuchung des Schmelz- und Sinterungsverhaltens von Brennstoffascheproben verwendet, um daraus Abschätzungen über das Verschlackungsverhalten zu treffen.
Neben der Elektronik für die Regelung und Steuerung besteht der Prüfstand aus einem Hochtemperaturofen auf einer optischen Bank sowie einem PC zur Datenerfassung, Steuerung und Datenverarbeitung. Der Probenkörper wird auf eine Aufnahme im Inneren des Ofens gestellt, die in der optischen Achse liegt. Während einer Messung werden der Ofen und die darin befindliche Probe erhitzt. Die Erfassung des Probenschmelzverhaltens erfolgt über eine Kamera. Die Kamera ist an den Bedienrechner angeschlossen, der in definierten Intervallen Aufnahmen des Probenkörpers erfasst, diese dann auswertet und schließlich speichert. 

Herausforderungen

Die Ofengröße lässt eine Untersuchung von Proben zwischen drei mal drei Millimeter und vier mal vier Millimeter zu. Die Bildanalyse ist dahingehend zu optimieren, dass sie resistent gegen Bildstörungen ist, aber gleichzeitig in der Lage, auch kleine sowie komplexe Probenkörper zuverlässig zu vermessen.
Während des Versuchs kann es durch Luftflimmern oder durch ein Wandern der Probe zu Verschiebungen der Probe im Kamerabild kommen. Die Geometrie der Probe muss, unabhängig von ihrer Position, richtig erfasst werden.
Bei steigender Offentemperatur fängt die Ascheprobe, je nach Zusammensetzung, an zu glühen. Das führt vor dem hellen Hintergrund der Lampe zu einem Kontrastproblem, das durch eine intelligente Lampenschaltung minimiert werden muss. In jedem Fall muss aber die Konturanalyse bei schwankenden Kon­trasten stabil funktionieren.
Um die Vergleichbarkeit zwischen unterschliedlichen Ascheproben herzustellen, muss die Prüfstandsoftware die Proben gemäß DIN 51730 klassifizieren.
In NI LabView wurde unter Verwendung von IMAQdx und NI Vision (beide von National Instruments) eine Prüfstandsoftware entwickelt, die eine stabile Probenanalyse unter den oben genannten Anforderungen erfüllt.
Zwecks Analyse von Proben jeglicher Form und Größe ermittelt die Software mittels Konturanalyse der Vision-Bibliothek die Kontur der Probenkörper. Auch hat EUtech Konzepte und Routinen entwickelt, die auch bei sich stetig ändernden Kontrastverhältnissen eine optimale Probendetektion gewährleisten. Beispielsweise wurde eine Lampenansteuerung auf Basis einer histografischen Untersuchung des Kamerabilds implementiert. Bis zu drei Proben unterschiedlicher Form erkennt das System in einem Kamerabild und vermisst diese. Die Messdaten dienen optional einer Klassifizierung, abschließend werden sie gespeichert.
Ein Archivmodus sowie die automatisierte Generierung von Word Reports erlauben nach Versuchsabschluss die schnelle und komfortable Auswertung der Messdaten.

Kesselzustandsüberwachung

Um Rückmeldung über die reale Verschlackungssituation im Kraftwerkskessel zu erhalten, ist eine unmittelbare Untersuchung des Kesselinneren nötig, ohne dabei den Kraftwerksbetrieb einzuschränken. Es ist notwendig, die Verschlackung auch in schwer zugänglichen Bereichen des Kessels unter Betriebsbedingungen zu überwachen. Da sich Verschlackungen innerhalb von Minuten bilden können, müssen die Informationen zu jeder Zeit von diversen Orten im Kraftwerk abrufbar sein.
EUvis insitu ist ein Kamerasystem, das in den Kessel eingefahren werden kann, ohne den Betrieb negativ zu beeinflussen. Dazu verwendet das System eine dreh- und einfahrbare Lanze mit einer Länge von sechs Metern mit einem in drei Achsen drehbarem Sensorkopf und Vario-Zoom mit einem optimierten
Filter.
Das System kann mittels kombinierter Wasser- und Luftkühlung bei Temperaturen von bis zu 1.400 Grad Celsius eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine umfassende Untersuchung der Vorgänge im Kessel.
Die Steuerung des Systems wurde echtzeitfähig umgesetzt, um die Ausführung sicherheitsgerichteter Funktionen zu gewährleisten. In der LabView-Bedienapplikation werden mittels NI IMAQdx und NI Vision die Kamerabilder erfasst, analysiert und archiviert. Die Daten dienen der Lokalisierung und Quantifizierung von Ablagerungen und Erosionen. Reinigungs- und Wartungsstrategien lassen sich mit diesen Informationen zielgerichtet umsetzen.

Zusammenfassung

Unter Einsatz der optischen Prozessanalyse im Kraftwerk können Verschlackungsprozesse vorhergesagt und während des Betriebs erfasst werden. Die exakte Analyse der verwendeten Brennstoffqualitäten erlaubt eine optimale Abstimmung der Feuerungsstrategien und Wartungspläne. Dadurch werden Effizienzeinbußen und Beschädigungen im Kessel minimiert, was zu einer entscheidenden Steigerung des Nettowirkungsgrads führt. jbi

Literatur

[1] Schlüter, A.: Untersuchungen zum Verschmutzungsverhalten rheinischer Braunkohlen in Kohledampferzeugern. Forschungsschriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Energie und Umwelt, Band 7, 2008.

Autoren

Simon Busch und Josef Eiswirt sind Application Engineers, Reinhardt Kock ist Poduct Manager Power Plant Solutions, Clemens Lindscheid Project Manager Power Plant Solutions und Francesco Turoni Project Manager Power Plant Solutions, alle bei EUtech Scientific Engineering in Aachen.

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