Regelverfahren für ein Elektrofilter

Abstract

 Für das Betreiben eines Elektrofilters mit kleinstmög­lichem Energieaufwand bei vorgegebenem Reingasstaubgehalt wird die Regelung der Betriebsspannung mittels Semipulsen vorgeschlagen. Dabei wird zunächst ein Kennlinienfeld für ungepulste Spannung bei verschiedenen Staubwiderständen aufgenommen. Danach wird jeder Kennlinie ein k-Wert zuge­ordnet, mit dem ein vorgegebener Reingasstaubgehalt bei geringstmöglichem Energieaufwand erreicht werden kann. Im Betrieb wird dann die aktuelle Kennlinie mit dem Kennli­nienfeld verglichen und jeweils der k-Wert eingestellt, der zu der Kennlinie des Feldes führt, die mit der aktuel­len Kennlinie zusammenfällt bzw. als nächste unterhalb der aktuellen Kennlinie liegt.
Die Aufnahme der aktuellen Kennlinie erfolgt in vorgege­benen Intervallen, deren Dauer nach der Geschwindigkeit festgelegt werden, mit der sich die Betriebszustände ändern können.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofilters mit kleinstmöglichem Energieaufwand bei vorgegebenem Reingasstaubgehalt durch Regelung der Betriebsspannung mittels Semipulsen.

[0002] Aus der DE-OS 31 14 009 ist ein Elektrofilter bekanntge­worden, bei dem die Staubabscheidung dadurch erfolgt, daß zwischen den Niederschlagselektroden und den Sprühelektro­den eine mittels Thyristor regelbare Gleichstrom-Hoch­spannung angelegt wird. Außerdem ist eine Steuerschaltung zur intermittierenden Ansteuerung des Thyristors vorge­sehen, durch die die Wiederholungsperiode und/oder die Impulsbreite der Gleichstromhochspannung manuell oder automatisch einstellbar ist. Mit einer derartigen Steuer­schaltung soll die Abscheideleistung des Elektrofilters insbesondere bei hohem spezifischen Staubwiderstand im Bereich von 10¹¹ bis 10¹³ Ω cm verbessert werden, in dem ein Elektrofilter normalerweise infolge von Gegen-Ko­ronaeffekten nur unbefriedigend arbeitet.

[0003] Bei der bekannten Steuerschaltung wird der Thyristor in der Weise angesteuert, daß die Gleichstrom-Hochspannung während einer ersten Phase T₁ (von beispielsweise 0,001 bis 1 s) angelegt und während einer zweiten Phase T₂ (von beispielsweise 0,01 bis 1 s) unterbrochen wird. Für das Verhältnis von T₁ zu (T₁ + T₂), also von Einschaltzeit zu Einschalt- und Pausenzeit eines jeden Schaltzyklus ist der Ausdruck k-Wert gebräuchlich und für das gesamte Verfahren "Regelung mittels Semipulsen".

[0004] Das bekannte Verfahren zielt insbesondere darauf ab, einen Gegen-Koronaeffekt zu vermeiden, der im Strom-Spannungs­kennfeld durch einen vergleichsweise sehr steilen Anstieg des Stroms bei nur geringfügiger Erhöhung der Spannung gekennzeichnet ist. Bei derartigen Kennlinien ist ein hoher Energieaufwand mit niedriger Staubabscheideleistung des Elektrofilters verbunden. Da jedoch das Auftreten des Gegen-Koronaeffektes mit einer gewissen Verzögerung gegen­über einer von der üblichen Regelung veranlaßten Erhöhung der Spannung bzw. des Stroms erfolgt, ist es möglich mit der Methode des Semipulsens die Gegen-Koronaeffekte weit­gehend zu vermeiden und einen wirtschaftlichen Betrieb des Elektrofilters zu erreichen.

[0005] Die Maßnahmen gemäß DE-OS 31 14 009 zielen also darauf ab, auch im Bereich hoher spezifischer Staubwiderstände eine optimale Abscheideleistung zu erreichen.

[0006] Unberücksichtigt bleibt dabei aber, daß mit einer optima­len Abscheideleistung - je nachdem wie hoch der spezifi­sche Staubwiderstand ist - ganz unterschiedliche Reingas­staubgehalte erreicht werden, die von einem vorgeschrie­benen Wert nach oben und unten abweichen können. Mit ande­ren Worten, die bekannte Regelung orientiert sich nicht an dem eigentlichen Ziel der Staubabscheidung, nämlich den ursprünglich vorhandenen Staubgehalt auf einen Wert zu senken, der den Vorschriften entspricht. Eine wesentliche Unterschreitung vorgegebener Reingasstaubgehalte mag im Hinblick auf den Umweltschutz an sich zwar wünschenswert sein, belastet die Produktion aber mit vermeidbaren Kosten und gefährdet zumindest tendenziell die Wettbewerbsfähig­keit. Ohne Einbeziehung des Reingasstaubgehaltes in das Regelsystem für einen Elektrofilter mag die Regelung zwar technisch optimal sein, eine wirtschaftliche Optimierung kann so aber nicht erreicht werden.

[0007] Es besteht somit die Aufgabe, das anhand der DE-OS 31 14 009 skizzerte Regelverfahren für ein Elektro­filter dahingehend weiterzuentwicklen, daß unter wechseln­den Betriebsbedingungen nicht nur die jeweils optimale Abscheideleistung erreicht wird, sondern daß der vorge­schriebene Reingasstaub jeweils unter wirtschaftlich opti­malen Bedingungen, d.h. mit kleinstmöglichem Energieauf­wand eingehalten wird.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem gattungsmäßigen Verfahren vorgeschlagen, daß

a) für ein vorgegebenes Elektrofilter ein repräsentatives Feld der Strom-Spannungs-Kennlinien für ungepulste Spannung (k = 1) bei verschiedenen Staubwiderständen aufgenommen wird (I = f(V,Ω)),

b) zu jeder Kennlinie derjenige kleinste k-Wert ermittelt wird, mit dem der vorgegebene Reingasstaubgehalt noch erreicht wird,

c) jeder Kennlinie der so ermittelte kleinste k-Wert zuge­ordnet wird und die laufende Regelung des Elektrofil­ters anhand dieses Kennfeldes vorgenommen wird, indem

d) die aktuelle Kennlinie bei ungepulster Spannung mit dem Kennfeld verglichen und schließlich der k-Wert einge­stellt wird, der zu der Kennlinie des Feldes gehört, die mit der aktuellen Kennlinie zusammenfällt bzw. als nächste unterhalb der aktuellen Kennlinie liegt.

[0009] In weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens ist vorge­sehen, daß das Kennfeld entweder bei der Inbetriebnahme eines Elektrofilters oder anhand von Erfahrungswerten er­stellt wird. Außerdem ist vorgesehen, daß das Kennfeld unter Verwendung der im Betrieb ermittelten aktuellen Kennlinien laufend korrigiert wird. Die Einstellung des k-Wertes gemäß Maßnahme d) in Anspruch 1 wird in vorgege­benen zeitlichen Abständen wiederholt. Schließlich ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß alle Ver­fahrensschritte völlig automatisch ablaufen.

[0010] Weitere Einzelheiten und Vorteile werden anhand der Figu­ren 1 bis 5 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild für die Span­nungsversorgung eines Elektrofilters mit Semipuls-­Regelung.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Primärspannung bei einem k-Wert = 1/3.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Filterstromes bei einem k-Wert = 1/3.

Fig. 4 zeigt die am Elektrofilter anliegende Spannung bei einem k-Wert = 1/3.

Fig. 5 zeigt vier Strom-Spannungskennlinien, denen vier verschiedene k-Werte zugeordnet sind.

[0011] Die Einspeisung der Energie in das Elektrofilter erfolgt gemäß Fig. 1 über zwei antiparallel geschalteten Thyristo­ ren 1, einen Hochspannungstransformator 3 und einen Gleichrichter 4. Die Niederschlagselektroden liegen wie das Filtergehäuse 7 an Erde 8, während die Sprühelektroden mit dem Minuspol der Hochspannungsquelle verbunden sind. Der Primärstrom des Hochspannungstransformators 3 wird mittels Stromwandler 2 gemessen. Die Ermittlung des Sekun­där- bzw. Filterstroms erfolgt über einen Shunt 5, während die Sekundär- bzw. Filterspannung über eine Meßbrücke 6a, 6b gemessen wird. Die Meßwerte (von 2, 5, 6a und 6b) wer­den einem elektronischen Regelgerät 9 zugeführt, das die Impulse zum Zünden des Thyristors 1 erzeugt. Das Regelge­rät 9 arbeitet vollautomatisch; es überwacht den Strom und verhindert, daß der Nennstrom überschritten wird; es über­wacht die Spannung und sorgt dafür, daß immer mit einer möglichst nahe an der Überschlagsspannung liegenden Span­nung gearbeitet wird, daß bei Überschlägen die Spannung abgesenkt und bei Dauerkurzschluß die Anlage abgeschaltet wird.

[0012] Außerdem ist ein Mikrocomputer 10 vorgesehen, in dem die digitalisierten Kennlinien des Filters mit den zugehörigen k-Werten abgespeichert sind. In vorgegebenen Intervallen wird über das Regelgerät 9 die aktuelle Strom-Spannungs­kennlinie des Filters aufgenommen, diese mit den gespei­cherten Kennlinien verglichen und ein neuer k-Wert an das Regelgerät weitergegeben, falls sich aus dem Kennlinien­vergleich ein günstigerer k-Wert ergeben hat.

[0013] Erfindungsgemäß sind den unter verschiedenen Betriebsbe­dingungen aufgenommenen Kennlinien jeweils die k-Werte zugeordnet, mit denen ein vorgegebener Reingasstaubgehalt mit geringstmöglichem Energieaufwand eingehalten werden kann. Da die Meß- und Rechenvorgänge sehr schnell ablau­fen, tritt während der Neuaufnahme einer Kennlinie keine Verschlechterung des Abscheidegrades auf. Da moderne Elektrofilter zudem in der Regel mehrere hintereinander geschaltete Filter aufweisen, die in der beschriebenen Weise nacheinander überprüft und optimiert werden, können selbst stark und rasch wechselnde Änderungen der Betriebs­zustände unter Beibehaltung der Energieverbrauchsopti­mierung ohne Überschreitung vorgegebener Reingasstaubge­halte ausgeregelt werden.

[0014] Außerdem ist es möglich, jeweils nur ausgewählte Teil­stücke der Kennlinien miteinander zu vergleichen, wobei die Zeit für die Aufnahme des Kennlinienteils entsprechend verkürzt und dementsprechend auch schneller auf Änderungen im Filterbetrieb reagiert werden kann. Die Wiederholungs­intervalle können zwischen wenigen Minuten und Stunden eingestellt werden, je nach dem ob es sich wie bei der Entstaubung von Stahlkonvertern um rasch wechselnde Betriebszustände oder um nur geringfügige und langsame Änderungen wie bei der Entstaubung der Kesselabgase von Kraftwerken handelt.

[0015] In Fig. 2 ist die Primärspannung des Hochspannungstrans­formators 3 als gestrichelte Linie für den Wert k=1 (umge­pulst) und als durchgezogene Linie für den Wert k=1/3 dar­gestellt, d.h. es wird von insgesamt 3 vollen Sinuswellen über den Thyristor nur jede dritte gezündet.

[0016] In Fig. 3 ist der Sekundärstrom des Gleichrichters 4 bzw. der Filterstrom bei einem Pulsbetrieb gemäß Fig. 1 darge­stellt. Auf jeweils zwei Pulse folgt eine stromlose Zeit von doppelter Länge der Pulszeit.

[0017] Fig. 4 zeigt die am Elektrofilter anliegende Spannung. Da das Filter als Kondensator wirkt, geht die Spannung nach dem Pulsen nicht auf Null zurück, sondern auf einen mehr oder weniger hohen "Restwert". Bei erneutem Pulsen wird sie wieder auf den maximalen Wert angehoben.

[0018] Fig. 5 schließlich zeigt das Kennlinienfeld eines Filters, d.h. den aufgenommenen Strom als Funktion der angelegten Spannung für verschiedene Betriebszustände. Letztere wer­den durch die Gastempertur, die Gaszusammensetzung, den Staubwiderstand und durch eine Reihe weiterer Ein­flußgrößen bestimmt. Erfindungsgemäß sind den ver­schiedenen Kennlinien die k-Werte zugeordnet worden, die angewandt werden müssen, wenn der vorgegebene Reingas­staubgehalt mit kleinstmöglichem Energieaufwand erreicht werden soll.

[0019] Die mit k=1 bezeichnete Kennlinie zeigt den für niedrige Staubwiderstände bis etwa 10¹¹ Ω cm typischen Verlauf, während die mit k = 0,1 bezeichnete Kennlinie den Verlauf bei sehr hohen Staubwiderstand mit mehr als 10¹³ Ω cm zeigt. Die beiden anderen Kennlinien beziehen sich auf dazwischen liegende Staubwiderstände.

[0020] Aus der Zuordnung der k-Werte zu den Kennlinien läßt sich folgendes ablesen. Während man bei niedrigen Staubwider­ständen den vorgegebenen Reingasstaubgehalt am besten mit einer ungepulsten Arbeitsweise erreicht, wird das gleiche Ziel bei sehr hohen Staubwiderständen erreicht, wenn die Pausenzeit beispielsweise 9 mal so lang ist, wie die Pulszeit T₁, d.h. wenn nur während einem 1/10 der Zeit gepulst wird. Interessant und optimierungsbedürftig sind insbesondere die Kennlinien zwischen den k-Werten 1 und 0,1, weil der Staubwiderstand in vielen Fällen zwischen 10¹¹ und 10¹³ Ω cm liegt und hier eine wiederholte, genaue Anpassung an die aktuellen Gegebenheiten besonders wichtig und lohnend ist.

[0021] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, unter allen vorkommenden Betriebszuständen einen vorgegebenen Reingasstaubgehalt mit geringstem Energieaufwand zu erreichen. Bei der Festlegung von Emissionsgrenzen kann man nicht nur eine möglichst geringe Umweltbelastung anstreben, man muß auch die technischen Möglichkeiten und wirtschaftlichen Belastungen berücksichtigen. Würden die Reingasstaubgehalte beispielsweise bei einer Stromerzeu­gungsanlage so niedrig angesetzt, daß der Aufwand sie zu realisieren, so hoch ist, daß mit dem erzeugten Strom keine Gewinne gemacht werden können, dann würde man solche Anlage nicht mehr betreiben bzw. gar nicht erst bauen. Will man aber die Stromversorgung sicherstellen, dann müssen die Reingasstaubgehalte realistisch festgelegt wer­den. Wenn nun unter Verwendung des Erfindungsgedankens nicht ein kleinstmöglicher Reingasstaubgehalt - ohne Rück­sicht auf den Energieaufwand - sondern die Einhaltung eines vorgegebenen Reingasstaubgehaltes mit gerinstmög­lichem Energieaufwand angestrebt und realisiert wird, so kann das dazu führen, daß auch niedrigere Reingasstaub­gehalte realistisch, d.h. technisch und wirtschaftlich realisierbar werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Elektrofilters mit kleinstmöglichem Energieaufwand bei vorgegebenem Rein­gasstaubgehalt durch Reglung der Betriebsspannung mittels Semipulsen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) für ein vorgegebenes Elektrofilter ein repräsenta­tives Feld der Strom-Spannungs-Kennlinien für unge­pulste Spannung (k = 1) bei verschiedenen Staub­widerständen aufgenommen wird (I = f(V,Ω)),

b) zu jeder Kennlinie derjenige kleinste k-Wert er­mittelt wird, mit dem der vorgegebene Reingasstaub­gehalt noch erreicht wird,

c) jeder Kennlinie der so ermittelte kleinste k-Wert zugeordnet wird und die laufende Regelung des Elek­trofilters anhand dieses Kennfeldes vorgenommen wird, indem

d) die aktuelle Kennlinie bei ungepulster Spannung mit dem Kennfeld verglichen und schließlich der k-Wert eingestellt wird, der zu der Kennlinie des Feldes gehört, die mit der aktuellen Kennlinie zusammen­fällt bzw. als nächste unterhalb der aktuellen Kennlinie liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennfeld bei der Inbetriebnahme eines Elektrofil­ters erstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennfeld mit Erfahrungswerten aufgestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kennfeld unter Verwendung der im Betrieb ermittelten aktuellen Kennlinien laufend korrigiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des k-Wertes gemäß Maßnahme d in Anspruch 1 in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schritte vollständig automatisch ablaufen

Zeichnung