[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein verfahren zur Einstellung der Zielspannung UZ
F nach einem Durchschlag in einem elektrostatischen Abscheider.
[0002] Verfahren zur Optimierung der Abscheidung von Schadstoffen in elektrostatischen Abscheidern
sind bekannt. In der deutschen Patentanmeldung P 41 11 673.9 wird ein Verfahren zur
Bestimmung der optimalen Anzahl von Durchschlägen pro Zeiteinheit Ds
n in einem elektrostatischen Abscheider beschrieben, bei dem in aufeinanderfolgenden
Schritten durch die Wahl einer bestimmten Anzahl von Durchschlägen pro Zeiteinheit
Ds
i die sich einstellende Spannung im Elektrofilter derart eingestellt wird, daß die
Fläche unter der Spannungskurve maximiert wird, wobei unter der Spannungskurve die
im elektrostatischen Abscheider sich einstellende Spannung als Funktion der Zeit t
zu verstehen ist.
[0003] In der EP-PS 0 039 817 wird ein verfahren zum Regeln der Spannung eines in der Anlage
eingesetzten Elektrofilters mit einem Computer beschrieben, bei dem zur Regelung dienende
Parameterwerte prozeßabhängig derart berücksichtigt werden, daß bei einem Durchschlag
die Filterspannung um einen vorgegebenen Wert abgesenkt und anschließend mit einem
vorgegebenen zeitlichen Spannungsgradienten bis zum erneuten Durchschlag gesteigert
wird. Unter dem zeitlichen Spannungsgradienten ist dabei die Steigung der Spannungskurve,
welche die sich einstellende Spannung als Funktion der Zeit t beschreibt, zu verstehen.
Gemäß der in der EP-PS 0 039 817 beschriebenen technischen Lehre werden jeweils für
jeden der Parameter Spannungsabsenkung, Spannungsgradient und Netzstrom eine Reihe
von Parameterwerten bei der Inbetriebnahme des Filters in Halbleiterspeicher eingegeben
und die zur Regelung dienenden Parameterwerte eines jeden Parameters prozeßabhängig
aktiviert.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einstellung der Zielspannung
UZ
F nach einem Durchschlag in einem elektrostatischen Abscheider zu schaffen, bei dem
eine relativ schnelle Anpassung an schwankende Parameter des Abgases, wie beispielsweise
Temperatur oder Konzentration der Schadstoffe, möglich ist, wobei unter Schadstoffen
Staub, HF, SO₂, SO₃, HCl oder die im Abgas dampfförmig, gasförmig bzw. in sublimierter
Form vorliegenden Nichtmetalle wie Pb, Cd, Hg oder As zu verstehen sind.
[0005] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Einstellung
der Spannung eines elektrostatischen Abscheiders in mehreren Schritten gelöst, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Einstellung der Zielspannung UZ
F nach einem Durchschlag in einem elektrostatischen Abscheider in einem ersten Schritt
1 die Filterspannung U
F1 durch Vorgabe mehrerer Zündwinkel α
i1 bis zur ersten Durchschlagsspannung U1
D stufenweise erhöht wird und die jeweiligen Maximalwerte Ui
F1 der Filterspannung U
F1 der einzelnen Stufen i im ersten Schritt 1 ermittelt werden und die Funktion

bestimmt wird mit i = 1 bis n, und bei dem in einem zweiten Schritt 2 die Zielspannung
UZ
F2 mit UZ
F2 < U1
D vorgegeben wird und die Filterspannung U
F2 auf 70 bis 85 % der Zielspannung UZ
F2 stufenweise durch eine Steuerung erhöht wird und die Filterspannung U
F2 anschließend stufenweise durch eine Regelung weiter erhöht wird, wobei die jeweiligen
Maximalwerte Ui
F2 der Filterspannung U
F2 der einzelnen Stufen i im zweiten Schritt 2 ermittelt werden und die Funktion

bestimmt wird, wobei die einer jeden Stufe i des zweiten Schrittes 2 zugeordneten
Zündwinkel α
i2 bei der Steuerung gemäß der Funktion

vorgegeben werden und bei dem entweder die Filterspannung U
F2 durch die Regelung im zweiten Schritt 2 soweit erhöht wird, bis gilt:

mit

und i = 1 bis n, oder im Anschluß an den im zweiten Schritt 2 erfolgten zweiten
Durchschlag m - 2 weitere entsprechende Schritte j durchgeführt werden, wobei die
einer jeden Stufe i eines jeden weiteren entsprechenden Schrittes j zugeordneten Zündwinkel
α
ij gemäß der Funktion

vorgegeben werden und die Zielspannung UZ
Fj mit UZ
Fj < U(j-1)
D vorgegeben wird mit i = 1 bis n, j = 3 bis m und

. Als elektrostatische Abscheider können trocken und naß arbeitende Elektrofilter
eingesetzt werden. Unter der Filterspannung U
F1 ist die sich im ersten Schritt 1 einstellende Spannung im elektrostatischen Abscheider
zu verstehen. Die Filterspannung U
F2 ist in entsprechender Weise auf den zweiten Schritt 2 bezogen. Die Zielspannung
UZ
F beträgt in der Regel 80 bis 99% der Durchschlagsspannung des unmittelbar vorangehenden
Durchschlags. Unter dem Zündwinkel α
ij ist der Zeitpunkt der Zündung zwischen zwei Nulldurchgängen der sinusförmig verlaufenden
Netzfrequenz zu verstehen. Bei dem Begriff 'Steuerung' handelt es sich um einen Vorgang
in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen
als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen.
Kennzeichnend für die Steuerung ist der offene Wirkungsablauf über das einzelne Übertragungsglied
oder die Steuerkette. Bei der Regelung handelt es sich um einen Vorgang, bei dem eine
Größe, die Regelgröße, fortlaufend erfaßt, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße,
verglichen und abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs im Sinne einer Angleichung
an die Führungsgröße beeinflußt wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet
in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis, statt. Die Begriffe 'Steuerung' und
'Regelung' werden in der deutschen Norm DIN 19226 vom Mai 1968 definiert.
[0006] Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Einstellung der Zielspannung UZ
F relativ schnell realisiert werden kann, wobei die Schwankungen im Abgas hinsichtlich
Temperatur und Konzentration der Schadstoffe berücksichtigt werden.
[0007] Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur Regelung ein PI-Regler
eingesetzt wird. Durch den Einsatz eines PI-Reglers wird eine bleibende Regeldifferenz
vermieden und die Ausregelzeit minimiert, so daß das Verfahren zur Einstellung der
Zielspannung UZ
F nach einem Durchschlag in einem elektostatischen Abscheider in besonders vorteilhafter
Weise den Schwankungen im Abgas hinsichtlich Temperatur und Konzentration der Schadstoffe
angepaßt werden kann.
[0008] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als PI-Regler ein adaptiver
PI-Regler eingesetzt. Dies hat den Vorteil, daß die einzelnen Kenngrößen der PI-Regeleinrichtung
ebenfalls den Schwankungen im Abgas hinsichtlich Temperatur und Konzentration der
Schadstoffe angepaßt werden können.
[0009] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Kenngröße K
Pj der PI-Regeleinrichtung im Schritt j durch K
P,neuj ersetzt, wobei gilt:

mit h(j-1) = jeweiliges Vielfaches der halben Schwingungsdauer T der Netzfrequenz
im Schritt (j-1);

mit

im Schritt (j-1);
i = 1 bis n;
j = 3 bis m.
[0010] Unter der PI-Regeleinrichtung ist die PI-Regeleinrichtung zu verstehen, die in der
deutschen Norm DIN 19226 vom Mai 1968 auf Seite 22 definiert wird. Die Netzfrequenz
beträgt in der Bundesrepublik Deutschland 50 Hz. Daraus ergibt sich eine Schwingungsdauer
T der Netzfrequenz von 0,02 sec. Die Entionisierungzeit des Abgases nach einem Durchschlag
beträgt in der Regel 0,01 bis 0,1 sec. Während dieser Zeit fällt die Spannung des
elektrostatischen Abscheiders auf einem unteren Grenzwert, der Restspannung U
R, ab. Anschließend wird die Filterspannung wieder erhöht. Enthält das zu reinigende
Abgas Staub mit einem hohen spezifischen Widerstand und wird ein trocken arbeitendes
Elektrofilter eingesetzt, so kommt es beim Durchfließen des Sprühstroms durch die
an den Niederschlagselektroden abgeschiedene Staubschicht zu elektrischen Entladungen,
bei denen positive und negative Ionen entstehen. Während die negativen Ionen von der
Niederschlagselektrode absorbiert werden, wandern die positiven Ionen in den Gasstrom
zurück und vermindern dort die negative Ladung der Staubpartikel. Dieser Vorgang,
den man auch als "Rücksprühen" bezeichnet, hat eine Verschlechterung des Abscheidegrades
des elektrostatischen Abscheiders zur Folge, da es zu zusätzlichen Durchschlägen kommt,
die nicht auf die schwankenden Parameter des Abgases von Temperatur oder Konzentration
der Schadstoffe und der damit verbundenen Schwankung der Durchschlagsspannungskurve,
die den funktionellen Zusammenhang zwischen der Durchschlagsspannung und der Zeit
beschreibt, zurückzuführen sind. Um diese zusätzlichen Durchschläge zu vermeiden,
wird die Entionisierungszeit um ein Vielfaches der halben Schwingungsdauer T der Netzfrequenz
erhöht.
[0011] Haben die Differenzen zweier Zündwinkel den gleichen Betrag, so bedeutet das nicht,
daß die jeweilig resultierenden Änderungen der Filterspannung ebenfalls gleich sind,
da die Filterspannung in keiner linearen Abhängigkeit zu den Zündwinkeln steht.
[0012] Bei der Größe S(j-1) handelt es sich um die erste Ableitung der Maximalwerte Ui
F(j-1) der Filterspannung als Funktion der Zündwinkel im Schritt (j-1). Wird die Kenngröße
K
Pj der PI-Regeleinrichtung im Schritt j durch K
P,neuj ersetzt, so werden einerseits dieser funktionelle Zusammenhang und andererseits
die zusätzlichen Durchschläge durch den Vorgang des Rücksprühens berücksichtigt, so
daß die Ausregelzeit der Regelung ebenfalls den Schwankungen im Abgas angepaßt werden
kann.
[0013] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung (Fig. 1, a bis d, bis Fig. 5)
näher erläutert.
[0014] Fig. 1 a bis d zeigt jeweils die funktionelle Abhängigkeit der Primärspannung U
P, des Primärstroms I
P, des Filterstroms I
F und der Filterspannung U
F als Funktion der Zeit t.
[0015] Fig. 2 zeigt die Durchschlagsspannung Uj
D als Funktion der Zeit t.
[0016] Fig. 3 zeigt die sich im Betrieb einstellende Filterspannung U
F als Funktion der Zeit t.
[0017] Fign. 4 und 5 zeigen die Maximalwerte Ui
F der Filterspannung eines beliebigen Schrittes j als Funktion des Zündwinkels α
i.
[0018] In Fig. 1a bis d ist jeweils der funktionelle Zusammenhang der Primärspannung U
P, des Primärstroms I
P, des Filterstroms I
F sowie der Filterspannung U
F und der Zeit t schematisch dargestellt. Unter der Primärspannung U
P ist dabei die Spannung zu verstehen, die vom Stromnetz geliefert wird.
[0019] Unter dem Primärstrom I
P ist der Strom zu verstehen, der dem Stromnetz aufgrund der Primärspannung U
P entnommen werden kann. Unter dem Filterstrom I
F ist der sich im als elektrostatischen Abscheider verwendeten Elektrofilter einstellende
Strom zu verstehen. Unter der Filterspannung U
F ist die sich im als elektrostatischen Abscheider verwendeten Elektrofilter einstellende
Spannung zu verstehen. Fig. 1 ist auf den ersten Schritt 1 des Verfahrens zur Einstellung
der Zielspannung UZ
F bezogen, wobei auf die Bezeichnung 1, die für den ersten Schritt 1 steht, aus Gründen
der Übersichtlichkeit verzichtet worden ist. Wird, wie in Fig. 1 a dagestellt, beim
Zündwinkel α₁ gezündet, so steigt der Primärstrom I
P zunächst an und fällt nach der halben Schwingungsdauer T wieder auf 0 ab. Erst wenn
beim Zündwinkel α₂ erneut gezündet wird, erhöht sich auch der Betrag des Primärstroms
I
P bis zum nächsten Nulldurchgang, an welchem der Primärstrom I
P erneut den Betrag 0 A annimmt, wie es in Fig.1 b dargestellt ist. Wie aus Fig. 1
c hervorgeht, wird der Filterstrom I
F ebenfalls ab dem Zündwinkel α₁ erhöht und fällt beim ersten Nulldurchgang der Primärspannung
U
P auf 0 A ab. Der Filterstrom I
F wird über einen Gleichrichter eingestellt, was dadurch deutlich wird, daß der Filterstrom
I
F hinter dem Zündwinkel α₂ erneut erhöht wird, wobei der Graph der dargestellten Funktion
oberhalb der Abszisse verläuft. In der Regel wird dabei der Filterstrom I
F stufenweise erhöht. Wie in Fig. 1 d dargestellt ist, steigt die sich im Betrieb einstellende
Filterspannung U
F mit Erreichen des Zündwinkels α₁ von 0 auf den ersten Maximalwert U1
F an, der mit der halben Schwingungsdauer T der Netzfrequenz erreicht wird. Anschließend
fällt die Spannung ab, bis der Zündwinkel α₂ erreicht ist. Die Filterspannung U
F wird dann erneut erhöht bis nach Ablauf der gesamten Schwingungsdauer T der zweite
Maximalwert U2
F erreicht ist. Auch die Filterspannung U
F steigt stufenweise entsprechend dem Filterstrom I
F an.
[0020] In Fig. 2 ist die Durchschlagsspannung Uj
D als Funktion der Zeit t mit der schraffierten Fläche (2) unter der Durchschlagsspannungskurve
(1) dargestellt. Die Durchschlagsspannungskurve (1) verläuft entsprechend den Schwankungen
des Abgases hinsichtlich Temperatur oder Konzentration der Schadstoffe.
[0021] In Fig. 3 ist die Filterspannung U
F als Funktion der Zeit t mit der Spannungskurve (3) für den Übergang des ersten Schrittes
1 zum zweiten Schritt 2 des Verfahrens zur Einstellung der Zielspannung UZ
F mit der schraffierten Fläche (4) unter der Spannungskurve (3) schematisch dargestellt,
wobei auf die Angaben 1 für den ersten Schritt 1 und 2 für den zweiten Schritt 2 aus
Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. In Fig. 3 ist ferner die Durchschlagsspannungskurve
(1) punktiert dargestellt. Erreicht die Filterspannung U
F den Wert der Durchschlagsspannung U1
D, so sinkt die Filterspannung U
F schlagartig auf eine Restspannung U
R ab. Nach Entionisierung des Abgases wird die Spannung gemäß der Spannungskurve (3)
und der Vorgabe der Zündwinkel α₁ bis α₄ stufenweise erhöht. Fig. 3 verdeutlicht den
Fall, daß das Verfahren zur Einstellung der Zielspannung UZ
F mit einem ersten Schritt 1 und einem zweiten Schritt 2 durchgeführt werden kann und
weitere Schritte nicht erforderlich sind. Mit Abschluß des zweiten Schrittes 2 wird
bereits die Zielspannung UZ
F, die kleiner ist als die Durchschlagsspannung U1
D, erreicht.
[0022] In Fig. 4 ist der funktionelle Zusammenhang der maximalen Werte Ui
F und dem Zündwinkel α
i für einen beliebigen Schritt j des Verfahrens zur Einstellung der Zielspannung UZ
F schematisch dargestellt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, haben die Differenzen zweier
Zündwinkel Δα
i(I) und Δα
i(II), die vom Betrag her gleich sind, jeweils Spannungsanstiege ΔUi
F(I) und ΔUi
F(II) zur Folge, die vom Betrag her unterschiedlich sind. Im Bereich der Differenz
zweier Zündwinkel Δα
i(I), innerhalb dessen die Steigung der dargestellten Kurve relativ groß ist, muß somit
die Anpassung an die Zielspannung UZ
F langsamer erfolgen als dies im Bereich der Differenz zweier Zündwinkel Δα
i(II) erforderlich ist, innerhalb dessen die Steigung der dargestellten Kurve niedriger
ist. Im Schritt j kann dies dadurch erzielt werden, daß die Kenngröße K
P der PI-Regeleinrichtung im Schritt j durch K
P,neu ersetzt wird, welche die Änderung der Steigung mit der Größe S(j-1) berücksichtigt.
[0023] Das Verfahren zur Einstellung der Zielspannung UZ
F nach einem Durchschlag in einem elektrostatischen Abscheider läuft im einzelnen folgendermaßen
ab:
In einem ersten Schritt 1 wird die Filterspannung U
F1 durch Vorgabe mehrer Zündwinkel α
i1 stufenweise erhöht, wie es in Fig. 1 d dargestellt ist. Die Differenz zwischen zwei
gewählten Zündwinkeln kann dabei beispielsweise 10° betragen. Die jeweiligen Maximalwerte
U1
F1, U2
F1 usw., in Fig. 1 d mit U1
F und U2
F bezeichnet, werden gespeichert. Anschließend wird die Funktion

für den ersten Schritt 1 bestimmt. Dabei ist es vorteilhaft, die Maximalwerte Ui
F1 entweder durch Geraden miteinander zu verbinden oder eine berechnete Funktion in
Form einer Ausgleichskurve anzugeben, wie dies in den Fign. 4 und 5 dargestellt ist.
Man erhält eine funktionelle Abhängigkeit, die in den Fign. 4 und 5 dargestellt ist.
Die Filterspannung U
F1 wird im ersten Schritt 1 bis zur ersten Durchschlagsspannung U1
D erhöht, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Bei diesem ersten Durchschlag sinkt die
Filterspannung U
F schlagartig auf eine Restspannung U
R ab. Da der Betrag der Durchschlagsspannung U1
D bekannt ist, kann die Zielspannung UZ
F2 für den zweiten Schritt 2, die in Fig. 3 mit UZ
F gekennzeichnet ist, vorgegeben werden. In Fig. 5 ist der funktionelle Zusammenhang
zwischen den Maximalwerten Ui
F und dem Zündwinkel α
i für den ersten Schritt 1 dargestellt, wobei auf die 1, die den ersten Schritt kennzeichnet,
aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden ist. Mit Hilfe dieses Graphen,
der der Funktion entspricht, werden die Zündwinkel α
i2 für den zweiten Schritt 2 vorgegeben. Dies geschieht auf folgende Weise:
[0024] Die Zielspannung UZ
F2 entspricht einem Maximalwert y, der dem Graph der Funktion


entnommen werden kann. Die Spannung x, die ebenfalls dem Graph dieser Funktion entnommen
werden kann, entspricht 70 bis 85% der Zielspannung UZ
F2. Der Spannung x kann ein Zündwinkel α
x zugeordnet werden. Die Filterspannung U
F2 wird im zweiten Schritt durch eine Steuerung erhöht, bis die Spannung x erreicht
ist, wobei die Anzahl der erforderlichen Zündwinkel α
i2, die mit der Anzahl der einzelnen Stufen des zweiten Schrittes 2 identisch ist,
erfahrungsgemäß vorgegeben wird und die Beträge der einzelnen Zündwinkel α
i2 im Bereich zwischen α
R und α
x gewählt werden, wobei α
R derjenige Zündwinkel ist, der der Restspannung U
R zugeordnet werden kann. Der Bereich zwischen den Spannungen U
R und x wird dabei gemäß der gewählten Anzahl der erforderlichen Zündwinkel α
i2 aufgeteilt und die zugehörigen Zündwinkel α
i2 dem Graph entnommen. Die Differenz der gewählten Zündwinkel α
i2 beträgt in der Regel mehr als 10°, so daß die schraffierte Fläche (4) unter der
Spannungskurve (3) im zweiten Schritt 2 gemäß den Fign. 2 und 3 größer ist als im
ersten Schritt 1 und somit der schraffierten Fläche (2) unter der Durchschlagsspannungskurve
(1) gemäß Fig. 2 angenähert werden kann, was eine Verbesserung des Abscheidegrades
des Elektrofilters zur Folge hat. Ist die Spannung x erreicht, wird die Filterspannung
U
F2 im zweiten Schritt 2 durch eine Regelung weiter erhöht.
[0025] Das Verfahren zur Einstellung der Zielspannung UZ
F ist in diesem Fall nach zwei Schritten abgeschlossen, so daß die Zielspannung UZ
F2 der Zielspannung UZ
F entspricht. Es kann jedoch vorkommen, daß die Durchschlagsspannungskurve (1), die
in Fig. 2 dargestellt ist, während des zweiten Schrittes 2 abfällt, so daß der Betrag
der Durchschlagsspannung U2
D des zweiten Schrittes 2 kleiner ist als die Spannung y, die der Zielspannung UZ
F2 entspricht. Dann ist es nicht möglich, die Zielspannung UZ
F2 im zweiten Schritt 2 zu realisieren, da es schon vorzeitig zu einem erneuten Durchschlag
kommt. In diesem Fall muß mindestens ein weiterer Schritt realisiert werden. Auch
während des zweiten Schrittes 2 werden die jeweiligen Maximalwerte Ui
F2 der Filterspannung U
F2 der einzelnen Stufen i gespeichert und die Funktion

bestimmt, so daß sich auch für den zweiten Schritt 2 ein ähnlicher Graph erstellen
läßt, wie er in Fig. 5 für den ersten Schritt 1 dargestellt ist. Sollte es im zweiten
Schritt 2 zu einem Durchschlag kommen, bevor die Spannung y eingestellt werden kann,
so sinkt die Spannung erneut schlagartig auf die Restspannung U
R ab. Mit dem Graph der Funktion

, der für den zweiten Schritt 2 erstellt wurde, lassen sich erneut die erforderlichen
Zündwinkel für den dritten Schritt 3 bestimmen, wobei die Spannung y der Zielspannung
UZ
F3 des dritten Schrittes entspricht und 80 bis 99% der Durchschlagsspannung U2
D beträgt. Sollte die Durchschlagsspannungskurve (1) im dritten Schritt 3 weiter sinken,
so muß ein entsprechender vierter Schritt 4 durchgeführt werden. Bei dem Verfahren
zur Einstellung UZ
F wird die Anzahl der Schritte weiter erhöht, bis die Zielspannung UZ
Fj realisiert werden kann, die dann der Zielspannung UZ
F entspricht. Innerhalb der Schritte 2 bis m werden die Zündwinkel im Bereich zwischen
α
R und α
x in der Regel in größeren Abständen gewählt als dies beim ersten Schritt 1 der Fall
ist, um die Fläche (4) unter der Spannungskurve (3), die in Fig. 3 dargestellt ist,
zu maximieren und die Schwankungen im Abgas weitgehend vollständig zu berücksichtigen.