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Dokumentenidentifikation DE10104151A1 05.09.2002
Titel Verfahren zur Herstellung einer Brenneranlage
Anmelder ALSTOM (Switzerland) Ltd., Baden, CH
Erfinder Dornberger, Rolf, DR., Baden-Dättwil, CH;
Stoll, Peter, Baden-Dättwil, CH;
Paschereit, Christian Oliver, Dr., Baden, CH;
Schuermans, Bruno, Baden, CH;
Büche, Dirk, 79780 Stühlingen, DE;
Koumoutsakos, Petros, Prof., Zürich, CH
Vertreter Rösler, U., Dipl.-Phys.Univ., Pat.-Anw., 81241 München
DE-Anmeldedatum 30.01.2001
DE-Aktenzeichen 10104151
Offenlegungstag 05.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.09.2002
IPC-Hauptklasse F23D 14/00
Zusammenfassung Bei drallstabilisierten Vormischbrennern (1) wird eine axiale Massenstromverteilung des eingeleiteten Brennstoffs eingesetzt, die bezüglich Eigenschaften wie NOx-Ausstoß und maximale Amplituden auftretender Pulsationen besonders günstige Werte aufweist, Dazu werden Pareto-Lösungen bezüglich der besagten Eigenschaften ermittelt, indem eine Verteilvorrichtung (5) mit Regelventilen durch eine Baumstruktur mit Verteilparametern dargestellt und in einer Datenverarbeitungsanlage (9) durch einen evolutionären Algorithmus iterativ Werte für die Verteilparameter erzeugt werden, nach denen die Verteilvorrichtung (5) mittels einer Steuereinheit (10) eingestellt wird. Aufgrund der durch eine Messeinheit (11) ermittelten Werte werden Lösungen ausgewählt, die bezüglich der erwähnten Eigenschaften besonders günstig, insbesondere Pareto-optimal, sind. Die Verteilvorrichtungen oder die Vormischbrenner der Brenneranlage werden dann einer solchen Lösung entsprechend ausgebildet.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brenneranlage gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Brenneranlagen werden vor allem in Gasturbinen eingesetzt.

Stand der Technik

Es ist bekannt, dass gattungsgemässe Brenneranlagen mit üblichen drallstabilisierten Vormischbrennern, bei welchen der Brennstoff meist mehr oder weniger gleichmässig über die Länge verteilt eingeleitet wird, in verschiedener Hinsicht problematische Eigenschaften aufweisen, die mit dem Ablauf der Verbrennung zu tun haben. Vor allem enthalten die Abgase oft einen beträchtlichen Anteil an Schadstoffen, insbesondere NOx. Auch durch pulsierende Verbrennung hervorgerufene Druckwellen bereiten oft Schwierigkeiten, da sie die Gasturbine hohen mechanischen Belastungen aussetzen und ihre Lebensdauer verringern.

Zur Verminderung dieser Probleme ist vorgeschlagen worden, die Verbrennung durch Beeinflussung des Drucks in der Brenneranlage mittels Rückkopplung zu stabilisieren. Dazu wurde der Druck dort gemessen und das gemessene Signal phasenverschoben über Lautsprecher wieder eingespeist. Auf diese Weise konnte eine stabilere Verbrennung und dadurch eine Verringerung der Bildung von Druckwellen und auch des NOx- und des CO-Ausstosses erreicht werden. S. dazu C. O. Paschereit, E. Gutmark, W. Weisenstein: 'Structure and Control of Thermoacaustic Instabilities in a Gasturbine Combustor', Combust. Sci. and Tech. 138 (1998), S. 213-232. Der erforderliche apparative Aufwand ist jedoch sehr beträchtlich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von gattungsgemässen Brenneranlagen anzugeben, die einfach aufgebaut sind und bei denen die Verbrennung günstig verläuft, insbesondere hinsichtlich der Verminderung von Pulsationen und niedrigem Ausstoss an Schadstoffen, insbesondere NOx. Es wurde gefunden, dass der Ablauf der Verbrennung stark von der Massenstromverteilung des in die Vormischbrenner eingeleiteten Brennstoffs beeinflusst wird.

Erfindungsgemäss werden die Brenneranlagen so ausgebildet, dass der Brennstoff mit einer bestimmten Massenstromverteilung in die Vormischbrenner eingeleitet wird, welche günstige Eigenschaften der Verbrennung insbesondere hinsichtlich Pulsationen und Schadstoffausstoss sichert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, welche lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Vormischbrenner mit einer vorgeschalteten Verteilvorrichtung,

Fig. 2 schematisch einen Aufbau einer Versuchsanlage mit einem Vormischbrenner entsprechend Fig. 1 und einer Verteilvorrichtung sowie einer Datenverarbeitungsanlage zur Ermittlung günstiger Massenstromverteilungen,

Fig. 3 ein Schema einer Baumstruktur als vereinfachtes Modell für die Massenstromverteilung;

Fig. 4, 5a, b allgemein das bei der Ermittlung günstiger Massenstromverteilungen eingesetzte Optimierungsverfahren, wobei

Fig. 4 die Bestimmungsmenge eines typischen Optimierungsproblems und ihre Abbildung auf die entsprechende Zielmenge zeigt und

Fig. 5a, b Schritte bei der Auswahl neuer Bestimmungsgrössen aus vorher erzeugten Versuchsgrössen im Zielraum;

Fig. 6a, b den Zielraum des vorliegenden Optimierungsproblems nach 20 bzw. 64 Iterationsschritten,

Fig. 7 Massenstromverteilungen gemäss ausgewählten Lösungen des Optimierungsproblems.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Ein Vormischbrenner 1 (Fig. 1) grundsätzlich bekannten Aufbaus, wie er in einer Brennerkammer einer Gasturbine eingesetzt wird, weist die Form eines Kegelstumpfs mit an seinem weiten Ende einer Ausströmöffnung 2 auf. Längs zweier diametral gegenüberliegender Mantellinien sind Lufteinlassschlitze 3a, b vorgesehen, an deren Aussenseiten jeweils 16 Eintrittsöffnungen 4 für die Brennstoffzufuhr angeordnet sind, welche die brennerseitigen Endpunkte einer Verteilvorrichtung 5 bilden.

Im Zuge der Herstellung einer Brenneranlage werden vorerst Massenstromverteilungen ermittelt, die hinsichtlich einer Zielgrösse, deren Komponenten von bestimmten Eigenschaften, insbesondere dem Ausstoss von NOx und dem Maximum der Amplituden auftretender Druckstösse, gebildet werden, möglichst günstig sind. Dies geschieht mittels eines Versuchsaufbaus (Fig. 2), in welchem einem wie im Zusammenhang mit dem Fig. 1 beschrieben ausgebildeten Vormischbrenner 1 eine für Versuchszwecke geeignete Verteilvorrichtung 5 vorgeschaltet ist, die beispielsweise wie in Fig. 1 dargestellt ausgebildet sein kann.

Der Eingang der Verteilvorrichtung 5 wird von einer Zuleitung 6 gebildet, die an eine Brennstoffquelle, z. B. eine stationäre Gasleitung (nicht dargestellt) angeschlossen und mit einem Eingangsventil 7 versehen ist, das die Brennstoffzufuhr begrenzt. Anschliessend verzweigt sich die Hauptleitung 6 in zwei Zweigleitungen 8a, b, von welchen jeweils vier Zufuhrleitungen abzweigen, in denen jeweils ein Regelventil liegt. Die Regelventile sind mit V1 bis V8 bezeichnet. Anschliessend an das jeweilige Regelventil verzweigt sich die Zufuhrleitung zu zwei Paaren von einander gegenüberliegenden Eintrittsöffnungen 4 und zwar derart, dass zwei axial aufeinanderfolgende Vierergruppen von Eintrittsöffnungen jeweils über eines der Regelventile V1, . . ., V8 mit Brennstoff beaufschlagt werden. Die Regelventile V1, . . ., V8 sind so ausgebildet, dass mit ihnen bestimmte Massenströme m1, . . ., m8 eingestellt werden können. Den beiden auf der gleichen Seite angeordneten Eintrittsöffnungen 4 ist jeweils ein An/Aus-Ventil vorgeordnet. Mittels der An/Aus-Ventile V"1, . . ., V"16 kann jeweils die Brennstoffzufuhr zu zwei aufeinanderfolgenden Eintrittsöffnungen 4 gezielt gesperrt werden.

Der Aufbau der Verteilvorrichtung 5 kann vom Beschriebenen in vieler Hinsicht abweichen. So kann jedem Regelventil eine grössere oder kleinere Gruppe von Eintrittsöffnungen oder auch nur eine einzige Eintrittsöffnung zugeordnet sein. Die An/Aus-Ventile können an anderer Stelle eingesetzt sein oder auch entfallen oder es können ausschliesslich solche Ventile eingesetzt werden, z. B. eines für jede Eintrittsöffnung. Auch die Topologie kann anders sein, z. B. der in Fig. 3 dargestellten Verteilvorrichtung 5' (Fig. 3) entsprechen, einer Baumstruktur aus Dreiwegventilen, wie sie weiter unten näher beschrieben wird. Die Versuche, deren Ergebnisse weiter unten angegeben sind, wurden mit einer Verteilvorrichtung durchgeführt, die der in Fig. 1 dargestellten entsprach, jedoch ohne die An/Aus-Ventile V"1, . . ., V"16.

Die Regelventile V1, . . ., V8 der Verteilvorrichtung 5 werden nach von der Datenverarbeitungsanlage 9 ausgegebenen Werten von einer Steuereinheit 10 eingestellt. Eine Messeinheit 11 liefert die gemessenen Eigenschaften der Brenneranlage an die Datenverarbeitungsanlage 9. Für die Darstellung der Massenstromverteilung in der Datenverarbeitungsanlage 9 wird die Verteilvorrichtung 5 auf die Verteilvorrichtung 5' (Fig. 3) abgebildet, d. h. ein Modell benutzt, bei welchem sie durch eine binäre Baumstruktur aus Dreiwegventilen V'1, . . ., V'7 dargestellt ist und davon ausgegangen, dass der Gesamtmassenstrom jeweils einen festen Wert M hat. Die Stellung jedes der Dreiwegventile kann durch einen Verteilparameter p, 0 ≤ p ≤ 1 dargestellt werden, der dem auf den linken Ausgang fallenden Anteil bei der Verteilung des Massenstroms zwischen dem linken und dem rechten Ausgang entspricht. Werden die einzelnen Massenströme an den Ausgängen der Regelventile V1, . . ., V8 mit m1, . . ., m8 bezeichnet, so ergibt sich der Verteilparameter des Ventils V'1 zu p1 = (m1 + . . . + m4)/M, der des Ventils V'2 zu p2 = (m1 + m2)/(m1 + . . . + m4) etc. und umgekehrt kann man aus den Verteilparametern p1, . . ., p7 leicht m1, . . ., m8 berechnen gemäss m1 = Mp1p2p4, m2 = Mp1p2(1 - p4) usw.. Dadurch, dass die Datenverarbeitungsanlage 9 mit dem beschriebenen Modell arbeitet, werden nur sieben Parameter benötigt und damit die Dimension des Bestimmungsraumes (s. unten) um 1 erniedrigt.

Wird wie im vorliegenden Fall hinsichtlich mehrerer unabhängiger Eigenschaften optimiert, so ist es im allgemeinen nicht möglich, eine bestimmte optimale Lösung auszuwählen, doch kann eine Menge sogenannter Pareto- optimaler Lösungen aufgefunden werden, die jeweils dadurch gekennzeichnet sind, dass sie nicht Pareto-dominiert sind, d. h. dass es keine andere Lösung gibt, welche hinsichtlich einer Eigenschaft günstiger und hinsichtlich keiner der übrigen Eigenschaften ungünstiger wäre. Anders ausgedrückt, eine Lösung, die hinsichtlich mindestens einer Eigenschaft günstiger ist als eine Pareto-optimale Lösung, ist zwangsläufig hinsichtlich mindestens einer anderen Eigenschaft ungünstiger als diese.

Die Zielgrössen der Pareto-optimalen Lösungen bilden gewöhnlich einen Hyperflächenabschnitt im von den Zielgrössen aufgespannten Zielraum, die sogenannte Pareto- Front, welche die Zielmenge, d. h. die Menge der Zielgrössen sämtlicher möglichen Lösungen gegen Bereiche des Zielraums, die günstiger wären, aber nicht zugänglich sind, berandet. An die Pareto-Front schliessen weitere die Zielmenge berandende Hyperflächenabschnitte an, welche Lösungen enthalten, die zwar nicht Pareto-optimal, aber u. U. trotzdem von Interesse sind.

Für die Suche nach Pareto-optimalen Lösungen bieten sich semistochastische Verfahren an, welche sich z. B. am natürlichen Evolutionsprozess der Lebewesen durch Kreuzung, Mutation und Selektion orientieren und mittels sogenannter evolutionärer Algorithmen realisiert werden. Mit Hilfe derselben werden, ausgehend von bestimmten, z. B. zufallsverteilten Ausgangsgrössen für einen Satz von Bestimmungsgrössen iterativ Pareto-optimale Lösungen approximiert, indem bei jedem Iterationsschritt die Bestimmungsgrössen z. B. durch Rekombinationen und Zufallsmutationen variiert und aus den so hergestellten Versuchsgrössen durch auf die entsprechenden Zielgrössen gestützte Auswahl ein neuer Satz von Bestimmungsgrössen selektiert wird. Sobald ein bestimmtes Abbruchskriterium erfüllt ist, wird die Iteration abgebrochen.

In Fig. 4 ist eine Situation dargestellt, in der der Bestimmungsraum 3-dimensional ist mit Parametern x1, x2 und x3. Die Bestimmungsmenge B, über welche die Bestimmungsgrösse variiert, ist dadurch eingeschränkt, dass die Variablen jeweils zwischen Null und einer Obergrenze X1, X2 bzw. X3 liegen und bildet daher einen Quader, das Produkt der Intervalle [0, X1], [0, X2] und [0, X3]. Durch einen bekannten funktionalen Zusammenhang f, der durch ein mathematisches Modell oder durch einen Versuchsaufbau gegeben sein kann, wird jeder Bestimmungsgrösse x = (x1, x2, x3) eine Zielgrösse y = f(x) zugeordnet, die in einer Zielmenge Z liegt. Sie ist eine Teilmenge des in diesem Fall 2-dimensionalen Zielraums, d. h. y = (y1, y2), wobei y1 und y2 zwei Eigenschaften darstellen, die optimiert werden sollen. Die Zielmenge Z kann die vollständige Bildmenge der Bestimmungsmenge B unter der Abbildung f oder ein durch Zwangsbedingungen eingeschränkter Teil derselben sein.

Die Zielgrössen der gesuchten Lösungen bilden eine sogenannte Pareto-Front P (durchgezogene Linie), welche die Zielmenge Z gegen kleine, d. h. günstige Werte der Eigenschaften y1, y2 hin berandet. Seitlich schliessen an die Pareto-Front P Lösungen an, welche ebenfalls auf dem Rand der Zielmenge Z liegen. Sie sind nicht Pareto-optimal, da zu jeder dieser Lösungen eine Lösung auf der Pareto-Front gefunden werden kann, bei der beide Eigenschaften günstiger sind, doch können sie u. U. ebenfalls von Interesse sein.

Es geht nun in erster Linie darum, Bestimmungsgrössen x zu finden, bei welchen die zugehörigen Zielgrössen y = f(x) möglichst nahe an der Pareto-Front P liegen. Sie sollen ausserdem einigermassen gleichmässig über die gesamte Pareto-Front P und möglichst auch über die an dieselbe anschliessenden Randbereiche der Zielmenge Z verteilt sein. Derartige Lösungen werden mittels eines iterativen evolutionären oder genetischen Algorithmus erzeugt, welcher die Grundlage eines Programms bildet, das auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft. Dabei ist in der Regel jede Variable durch einen Bitvektor einer Länge L, die z. B. 32 beträgt, codiert.

Zur Auffindung annähernd Paretooptimaler Lösungen werden zuerst in der Bestimmungsmenge B liegende Ausgangsgrössen erzeugt, die als erster Satz von Bestimmungsgrössen den Ausgangspunkt der Iteration bilden. Sie können z. B. regelmässig oder zufällig über die Bestimmungsmenge B verteilt sein. Dann werden so viele Iterationschritte ausgeführt, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Es kann darin bestehen, dass eine bestimmte Höchstzahl von Iterationsschritten ausgeführt oder eine bestimmte Rechenzeit verbraucht wurde oder auch darin, dass die Aenderung der Zielgrössen während einer bestimmten Anzahl von Iterationsschritten unterhalb eines bestimmten Minimums geblieben ist.

Bei jedem Iterationschritt werden folgende Teilschritte ausgeführt:

Rekombination

Es werden jeweils durch Kombination von Teilen mehrerer Bestimmungsgrössen aus dem vorliegenden Satz neue Grössen erzeugt. Beispielsweise werden zuerst entweder sämtliche möglichen geordneten Paare von Bestimmungsgrössen gebildet oder auch nur einige mittels eines Zufallsgenerators bestimmte. Jede Bestimmungsgrösse bildet einen Vektor aus n reellen Parametern. Es wird nun ebenfalls mittels eines Zufallsgenerators eine Zahl 1 mit 0 ≤ 1 ≤ n erzeugt und dann zwei neue Grössen gebildet, indem die ersten 1 Parameter von der ersten Bestimmungsgrösse und die übrigen von der zweiten Bestimmungsgrösse genommen werden und umgekehrt.

Mutation

Zu den im Rekombinationsschritt erzeugten Grössen werden mittels eines Zufallsgenerators z. B. gemäss einer Normalverteilung erzeugte Grössen addiert. Natürlich können aus einer Grösse auch mehrere Ausgangsgrössen auf solche Weise erzeugt werden.

Selektion

Aus den beiden obengenannten Schritten geht eine Menge von Versuchsgrössen hervor, die in der Regel grösser als der ursprüngliche Satz von Bestimmungsgrössen ist. Aus dieser meist verhältnismässig grossen Menge von Versuchsgrössen wird nun ein neuer Satz von im Durchschnitt besonders günstigen Bestimmungsgrössen ausgewählt. Die Vorgehensweise bei der Selektion ist für die Entwicklung der Iteration von grosser Bedeutung. Zur Steuerung der Annäherung an die Pareto-Front P und an angrenzende Bereiche des Randes der Zielmenge Z, insbesondere zur Erzielung einer breiten Annäherung, wird vorzugsweise wie folgt vorgegangen:

In einem ersten Selektionsschritt wird die durch die Bedingung y1 = 0 gekennzeichnete Hyperebene eines Teils des Zielraums, der die Zielmenge Z umfasst und die im dargestellten 2-dimensionalen Fall (Fig. 5a) mit der y2- Achse zusammenfällt, einer Partition in Untermengen unterworfen, die in diesem Fall Intervalle I1i bilden. Ausgehend davon wird der besagte Teil des Zielraums in Teilmengen W1i unterteilt, welche die Urbilder der Orthogonalprojektionen desselben längs der positiven y1- Achse auf die besagten Intervalle I1i sind. Anders ausgedrückt, die Teilmenge W1i für ein bestimmtes i ist die Menge aller Punkte y = (y1, y2) im besagten Teil des Zielraums, für die y1 > 0 ist und y2 in I1i liegt. In Fig. 5a bildet sie einen zur Koordinatenachse y1 parallelen Streifen.

Zu jeder der nichtüberlappenden Teilmengen W1i wird nun diejenige Versuchsgrösse ermittelt und selektiert, für die y1 optimal, d. h. minimal ist. In Fig. 5a sind die Zielgrössen sämtlicher Versuchsgrössen mit einem Kreis o markiert, die der in den einzelnen W1i selektierten Versuchsgrössen sind mit einem überlagerten Malzeichen x gekennzeichnet.

In einem zweiten Selektionsschritt wird der die Zielmenge Z enthaltende Teil des Zielraums auf ganz analoge Weise in Teilmengen W2j unterteilt und auch dort wieder zu jeder Teilmenge diejenige Versuchsgrösse ermittelt und selektiert, für die y2 optimal, d. h. minimal ist. Diese Lösungen sind in Fig. 5b mit einem überlagerten Pluszeichen + gekennzeichnet. Der neue Satz von Bestimmungsgrössen, mit denen dann der nächste Iterationsschritt in Angriff genommen wird, setzt sich aus den in beiden Selektionsschritten selektierten Versuchsgrössen zusammen.

In verhältnismässig vielen Fällen, vor allem in der Nähe des mittleren Bereichs der Pareto-Front P sind es die gleichen Versuchsgrössen, die in beiden Fällen ermittelt werden, so dass ein Selektionsschritt gewöhnlich ausreicht, um diese Versuchsgrössen festzustellen. In den seitlichen Randbereichen und vor allem im an die Pareto-Front P anschliessenden Teil des Randes der Zielmenge Z ist dies jedoch in der Regel nicht der Fall. Legt man auch auf die Ermittlung von Lösungen in diesen Bereichen Wert, so ist es erforderlich, beide Selektionsschritte durchzuführen.

Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, in jeder der Teilmengen jeweils nicht nur eine Versuchsgrösse, sondern eine Auswahlmenge von Versuchsgrössen zu selektieren, z. B. die k hinsichtlich der verbleibenden Komponente günstigsten mit k > 1.

Die geschilderte Vorgehensweise bei der Selektion kann leicht auf Fälle übertragen werden, in denen die Dimension m des Zielraumes grösser als 2 ist. In diesem Fall wird man vorzugsweise sämtliche m Hyperebenen bilden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass eine der Koordinaten y1, . . ., ym gleich Null ist und jeweils eine Partition derselben in Untermengen durchführen. Dies kann so geschehen, dass von vornherein jede der Koordinatenachsen in Intervalle unterteilt und als Untermengen einer Hyperebene dann jeweils sämtliche Produkte von Intervallen herangezogen werden, in welche die die Hyperebene aufspannenden Koordinatenachsen unterteilt sind.

In jeder der Teilmengen, die von den Urbildern der Orthogonalprojektionen auf die Untermengen der Hyperebenen gebildet werden, wird dann die bezüglich der verbleibenden Komponente günstigste Versuchsgrösse selektiert und schliesslich zur Herstellung des neuen Satzes von Bestimmungsgrössen die Vereinigung der selektierten Versuchsgrössen über die Teilmengen und Hyperebenen gebildet. Je nach dem, ob man an einer möglichst umfassenden Ermittlung von Lösungen interessiert ist oder vor allem in bestimmten Bereichen liegende feststellen möchte, kann die Selektion auch nur einen Teil der Hyperebenen berücksichtigen, zumal, wie oben am Beispiel erläutert, die zentralen Bereiche der Pareto-Front meist schon beim ersten Selektionsschritt ziemlich gut erfasst werden.

Die konkrete durch den Algorithmus bestimmte Vorgehensweise kann natürlich durch andere Zusammenfassung von Einzelschritten etc. vom oben Geschilderten abweichen, insbesondere brauchen nicht unbedingt die beschriebenen Selektionsschritte nacheinander ausgeführt zu werden.

Die Unterteilung in Intervalle kann jeweils gleichmässig oder logarithmisch abgestuft sein, sie kann aber auch etwa in Bereichen, an denen besonderes Interesse besteht, feiner sein. Die Partitionen in Untermengen können während der gesamten Iteration festgehalten oder verändert, z. B. an die Verteilung der Zielgrössen angepasst werden. Statt oder neben Hyperebenen können auch Teilräume niedrigerer Dimension herangezogen werden, doch muss dann in jeder Teilmenge bezüglich mehrerer Eigenschaften optimiert werden, was weitere Vorgaben oder ein rekursives Vorgehen erfordert.

So sind bei der Selektion verschiedenste Abwandlungen des geschilderten Vorgehens denkbar. Die beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil, dass durch die Vorgaben hinsichtlich der Lage der Zielgrössen die Ermittlung der Lösungen jeweils so gesteuert wird, dass sich die aus denselben abgeleiteten Zielgrössen schliesslich auf eine gewünschte Weise über einen Randbereich der Zielmenge verteilen. Selbstverständlich sind auch bei der Rekombination und der Mutation verschiedene Abwandlungen möglich. Diese Teilschritte sind auch nicht in jedem Fall beide erforderlich.

Beim vorliegenden Optimierungsproblem wird der Bestimmungsraum von den Verteilparameteren p1, . . ., p7 aufgespannt, welche jeweils über das Intervall [0, 1] variieren können, der Zielraum dagegen von Emissionen und Pulsationen, im Beispiel den beiden Eigenschaften NOx-Gehalt und maximale Amplitude A der auftretenden Druckwellen. Der Zielraum ist in Fig. 6a, 6b dargestellt, und zwar mit den Zielgrössen der nach 20 Iterationsschritten ermittelten 100 Lösungen (Fig. 6a) und den nach 64 Iterationsschritten ermittelten 320 Lösungen (Fig. 6b). Die beiden Abbildungen zeigen deutlich, wie mehr und mehr vor allem günstige Lösungen ermittelt werden und sich allmählich die Grenze der Menge von Zielgrössen gegen die günstigen Werte der Eigenschaften hin - die Pareto-Front - abzeichnet.

Aus den ermittelten Lösungen wird nun eine bestimmte Lösung ausgewählt, wobei weitere, eventuell eher intuitive Kriterien in die Entscheidung miteinbezogen werden können. Die Bestimmungsgrösse der ausgewählten Lösung wird dann der Herstellung der Brenneranlage, insbesondere der Herstellung oder Einstellung der Verteilvorrichtung 5 zugrundegelegt. Es wird also eine Brenneranlage hergestellt, bei der die Verteilparameter p1, . . ., p7 und damit die Massenströme m1, . . ., m8 so festgelegt wurden, dass sie der Bestimmungsgrösse der ausgewählten Lösung entsprechen.

Enthält die Verteilvorrichtung 5 neben den Regelventilen auch, wie in Fig. 1 dargestellt, An/Aus-Ventile, so muss der Bestimmungsraum um entsprechende binäre Schaltparameter ergänzt werden, die jeweils durch ein Bit dargestellt werden, das die Werte 0 für 'geschlossen' und 1 für 'offen' annehmen kann. Das Auftreten dieser Parameter ändert am weiter oben geschilderten Ablauf der Optimierung praktisch nichts. Lediglich bei der Mutation ist eine Aenderung erforderlich. Hier kann z. B. vorgesehen werden, dass jeder Schaltparameter, also jedes Bit, mit einer bestimmten, z. B. festen Wahrscheinlichkeit invertiert wird, also 0 in 1 und 1 in 0 übergeht.

Fig. 7 zeigt als Beispiele fünf verschiedene Lösungen, d. h. Massenstromverteilungen, wobei die Abszisse die Nummern der Regelventile V1, . . ., V8 zeigt und die Ordinate die Massenströme m1, . . ., m8. Die damit erzielten Eigenschaften sind der folgenden Tabelle zu entnehmen:





Lösungen 3 und 4 bieten besonders günstige Werte, was die auftretenden Druckstösse betrifft, während Lösung 5 die besten Abgaswerte zeigt, allerdings mit hohen Werten für die Druckmaxima. Lösung 2 dagegen bietet in dieser Beziehung wieder sehr gute Eigenschaften, für welche lediglich ein geringfügig erhöhter NOx-Ausstoss in Kauf genommen werden muss.

Es sind natürlich verschiedene Abweichungen vom beschriebenen Beispiel möglich. So können zusätzliche Eigenschaften oder andere als die beschriebenen wie z. B. CO-Ausstoss, mittlere Amplitude des erzeugten Schalls u. a. der Optimierung zugrundegelegt werden. Auch die Optimierungsmethode kann vom Beschriebenen abweichen. Es ist auch möglich, die Suche nach Pareto-optimalen Lösungen bei verschiedenen Lasten und entsprechenden Werten des Gesamtmassenstroms M durchzuführen und so Lösungen zu ermitteln, die über einen grösseren Arbeitsbereich günstige Eigenschaften aufweisen.

Schliesslich wird die Lösung, die den Anforderungen am besten entspricht, ausgewählt und eine Brenneranlage hergestellt, bei der die dem in der Versuchsanordnung verwendeten entsprechenden Vormischbrenner jeweils eine feste axiale Massenstromverteilung aufweisen, die der Bestimmungsgrösse der ausgewählten Lösung entspricht. Die Einstellung der gewünschten Massenstromverteilung kann dabei auf verschiedene Weisen erfolgen. So können z. B. in der Brenneranlage Verteilvorrichtungen mit Drosseln oder Weichen eingesetzt werden, die die gewünschte feste Massenstromverteilung auf möglichst einfache und zuverlässige Weise erzeugen. Die Massenstromverteilung kann jedoch auch sehr einfach durch die Dimensionierung, insbesondere die Duchmesser der Eintrittsöffnungen eingestellt werden. In diesem Fall kann die Verteilvorrichtung jeweils aus einem Rohrsystem bestehen, das deren Eingang mit den Eintrittsöffnungen verbindet. Bezugszeichenliste 1 Vormischbrenner

2 Oeffnung

3a, b Lufteinlassschlitze

4 Eintrittsöffnungen

5 Verteilvorrichtung

6 Hauptleitung

7 Eingangsventil

8 Zweigleitungen

9 Datenverarbeitungsanlage

10 Steuereinheit

11 Messeinheit


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung einer Brenneranlage mit einer Brennstoffquelle und mindestens einem drallstabilisierten Vormischbrenner (1), sowie einer Verteilvorrichtung (5), über welche mehrere Eintrittsöffnungen (4) im Vormischbrenner (1) mit der Brennstoffquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erwünschte Massenstromverteilung in den mindestens einen Vormischbrenner (1) ermittelt wird, indem nacheinander mehrere die Massenstromverteilung festlegende Bestimmungsgrössen, Vektoren aus einer Bestimmungsmenge, welche eine Teilmenge eines n- dimensionalen Raums ist, mittels einer Datenverarbeitungsanlage (9) erzeugt werden und bei einer Versuchsanordnung mit mindestens einem Vormischbrenner (1) und mindestens einer einstellbaren Verteilvorrichtung (5) jeweils die Massenstromverteilung gemäss der Bestimmungsgrösse eingestellt wird und eine Zielgrösse, ein Vektor aus einer Zielmenge, welche eine Teilmenge eines m- dimensionalen Raums ist, an der Versuchsanordnung gemessen wird und schliesslich aufgrund der Zielgrössen eine geeignete Bestimmungsgrösse ausgewählt und der mindestens eine Vormischbrenner oder die mindestens eine Verteilvorrichtung der Brenneranlage derart ausgelegt wird, dass die Massenstromverteilung derjenigen entspricht, welche durch die ausgewählte Bestimmungsgrösse festgelegt ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Bestimmungsgrössen mindestens zum Teil von den Verteilparametern (p1, . . ., p7) der Verzweigungspunkte einer Baumstruktur gebildet werden, durch welche die Verteilung des Massenstrom auf Eintrittsöffnungen oder Gruppen von Eintrittsöffnungen (4) des mindestens einen Vormischbrenners (1) bestimmt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Pareto-Lösungen, welche sich dadurch auszeichnen, dass bei jeder Lösung, bei welcher eine Komponente der Zielgrösse einen günstigeren Wert aufweist, zwangsläufig mindestens eine andere Komponente einen ungünstigeren Wert aufweist, mittels der Datenverarbeitungsanlage (9) mindestens annähernd ermittelt werden und die geeignete Bestimmungsgrösse unter den Pareto-Lösungen ausgewählt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die approximative Ermittlung der Pareto-Lösungen erfolgt, indem als Satz von Bestimmungsgrössen dienende Ausgangsgrössen bestimmt und bis zur Erfüllung eines Abbruchkriteriums mittels der Datenverarbeitungsanlage (9) Iterationsschritte durchgeführt werden, bei welchen jeweils aus einem Satz von Bestimmungsgrössen ein neuer Satz von Bestimmungsgrössen ermittelt wird, indem aus dem Satz von Bestimmungsgrössen eine Menge von jeweils in der Bestimmungsmenge liegenden Versuchsgrössen erzeugt wird, aus der jeweils aufgrund der Zielgrössen, die bei durch die Bestimmungsgrössen festgelegter Massenstromverteilung gemessen wurden, der neue Satz von Bestimmungsgrössen selektiert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Versuchsgrössen aus dem Satz von Bestimmungsgrössen durch Zufallsmutation oder Rekombination der Bestimmungsgrössen mittels der Datenverarbeitungsanlage (9) erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration mindestens eines Schadstoffes, z. B. die NOx-Konzentration im Abgas eine Komponente der Zielgrösse bildet.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mass der in der Brenneranlage auftretenden Pulsationen, vorzugsweise deren maximale Amplitude eine Komponente der Zielgrösse bildet.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen (4) mindestens zum Teil axial aufeinanderfolgend angebracht werden.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Massenstromverteilung mindestens teilweise durch Dimensionierung der Eintrittsöffnungen (4) erzielt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Massenstromverteilung mindestens teilweise durch Drosseln und/oder Weichen der Verteilvorrichtung erzielt wird.






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