[0001] Ein Elektrofilter hat zwei Sätze von Elektroden: Niederschlagselektroden und Sprühelektroden.
Die Niederschlagselektroden bestehen meistens aus profilierten Blechstreifen, die
zu mehreren parallelen Wänden zusammengesetzt sind. Je zwei benachbarte Wände bilden
eine Gasse für den zu reinigenden Gasstrom. Mittig in der Gasse sind die Sprühelektroden
angeordnet. Sie bestehen vielfach aus Drähten oder Bändern, die mit Spitzen besetzt
sind. Meistens sind die Niederschlagselektroden geerdet, und die Sprühelektroden sind
mit einer Hochspannungsquelle verbunden.
[0002] Die abzuscheidenden Staubteilchen werden durch Elektronen, die von den Sprühelektroden
abgegeben werden, ionisiert und in dem zwischen Sprühelektroden und Niederschlagselektroden
bestehenden elektrostatischen Feld aus der Gasströmung ausgelenkt und an den Niederschlagselektroden
abgeschieden. Die mitgeführte elektrische Ladung geben sie an die Niederschlagselektrode
ab.
[0003] Wenn aber die abzuscheidenden Staubteilchen einen sehr hohen spezifischen Widerstand
haben (> 10
11 Ω · cm), kann unter gewissen Betriebsbedingungen die elektrische Ladung aus der auf
den Niederschlagselektroden abgelagerten Staubschicht nicht so schnell abfließen,
wie sie durch den Zustrom von weiteren geladenen Teilchen aufgeladen wird. Das Ergebnis
ist das sogenannte Rücksprühen, d.h. eine Entladung, die der an den Sprühelektroden
auftretenden Entladung entgegengerichtet ist. Durch das Rücksprühen wird Staub in
den Gasstrom zurückgeschleudert. Der Abscheidegrad wird verschlechtert.
[0004] Die elektrostatische Abscheidung hochohmiger Stäube ist bei einer bestimmten Stärke
des Stromes, der zwischen den Elektroden eines Elektrofilters fließt, optimal. Verschlechtert
sich die Abscheidung bei Vergrößerung des Stromes, so ist dies ein Indiz dafür, daß
das Rücksprühen eingesetzt hat. Um die Abscheidung zu optimieren, ist es daher erforderlich,
den Strom in der Weise zu begrenzen, daß das Rücksprühen gerade vermieden wird.
[0005] Der optimale Betriebspunkt hängt aber von den Kenngrößen des zu reinigenden Gasstromes
ab. Wenn die Kenngrößen sich ändern, so ist im allgemeinen auch eine Änderung des
Betriebspunktes erforderlich. Dies sei an einigen einfachen Beispielen erläutert:
[0006] Ein Elektrofilter kann die Flugasche aus dem Rauchgas eines kohlegefeuerten Kessels
trennen. Mit dem im Kessel erzeugten Dampf kann über eine Turbine ein Generator zur
Erzeugung elektrischer Energie betrieben werden. Nimmt der Bedarf an elektrischer
Energie innerhalb des täglichen Lastspiels ab, so wird auch weniger Dampf benötigt.
Zur Verminderung der Dampferzeugung wird weniger Kohle gefeuert. Dementsprechend nimmt
die Menge an Flugasche ab, die das E-Filter abtrennen muß. Durch die Änderung der
Fahrweise des Kessels von Vollast zu Teillast ändert sich also eine wesentliche Kenngröße
nämlich der Volumenstrom der Flugasche.
[0007] Zur Reinigung der Kesselwände werden diese während des Betriebs mit Wasserdampf abgestrahlt.
Diesen Vorgang bezeichnet man als Rußblasen. Rußblasen kann 3 bis 4 mal am Tage vorgenommen
werden und jeweils eine halbe bis eine Stunde in Anspruch nehmen. Der Wasserdampf
verläßt den Kessel mit dem Rauchgas durch den Entstauber. Ein Teil der Feuchtigkeit
lagert sich an die Flugaschepartikel an und ändert die elektrischen Eigenschaften
der Flugasche und des Rauchgases. So ändert auch das Rußblasen die für den Betrieb
des Elektrofilters wesentlichen Kenngrößen.
[0008] Lastwechsel und Rußblasen sind nur Beispiele für durchaus gewöhnliche Vorgänge beim
Betrieb eines Elektrofilters, bei denen sich die Kenngrößen des zu reinigenden Gasstromes
ändern.
[0009] Durch EP 0 097 161 B1 ist es bekannt, einen elektrostatischen Abscheider mit einem
Strom zu betreiben, der gerade dem Einsetzpunkt des Rücksprühens entspricht. Strom
und Spannung werden überwacht, in dem man die Erregung erhöht oder erniedrigt, um
den Punkt zu bestimmen, bei dem das Rücksprühen beginnt. Die Quelle, aus der die Erregung
gespeist wird, ist ein 50 Hz - Netz. Der Strom besteht aus einer Pulsfolge, und die
Spannung ist eine Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannungskomponente. Bei
konventioneller Zweiweg-Gleichrichtung der Netzspannung ergibt sich für den Strom
und die Wechselspannungskomponente der Spannung eine Frequenz von 100 Hz.
[0010] Durch EP 0 140 855 B1 ist ein Verfahren zum Verändern einer an den Elektroden eines
elektrostatischen Staubabscheiders auftretenden Spannung bekannt, bei dem die Spannung
durch eine von der Netzfrequenz abgeleitete Pulsfolge erzeugt wird und die Veränderung
dadurch bewirkt wird, daß die Länge des Intervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden
einzelnen Pulsen durch Ausblenden einer geraden Anzahl von Pulsen variiert wird. Die
Anzahl der Pulse pro Sekunde wird dadurch je nach Anzahl der ausgeblendeten Pulse
auf 33, 20, 14, 11, usw. erniedrigt. Die Netzspannung wird dabei über Thyristoren
einem Hochspannungstransformator zugeführt, der sekundärseitig mit einem Zweiweg-Gleichrichter
verbunden ist. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters liegt an den Elektroden des
Elektrofilters. Die Thyristoren werden über einen Regelkreis gesteuert, der so geschaltet
ist, daß er zwischen zwei Pulsen, die dem Elektrofilter zugeführt werden, eine gerade
Anzahl von Pulsen aus der Netzspannung löscht.
[0011] Durch EP 0 465 547 B1 ist es bekannt, zum Steuern der Stromversorgung der Entladungselektroden
eines Elektrofilters zwecks Erzielung einer max.
[0012] Entstaubung den Entladungselektroden Strompulse mit gegebener Stromstärke zuzuführen
und die Anzahl der Pulse pro Sekunde gemäß dem vorgenannten Dokument zu variieren.
Dabei werden einander entsprechende Momentanwerte der Spannung zwischen Entladungs-
und Niederschlagselektroden für eine Anzahl verschiedener Pulsfrequenzen gemessen,
und die Strompulsversorgung wird dann auf die Pulsfrequenz eingestellt, für welche
der größte Momentanwert gemessen worden ist. Der Impulsstrom wird dabei unter Berücksichtigung
der Kapazität der Stromversorgungseinheit und evtl. Überschläge zwischen den Entladungs-
und den Niederschlagselektroden auf einen Höchstwert eingestellt.
[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofilters
anzugeben, bei dem der eingestellte Betriebspunkt fortgesetzt überwacht und nachgeführt
wird, so daß das Filter ständig in der Nähe des optimalen Betriebspunktes arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
[0014] Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0015] Die Figuren 1 - 3 dienen zur Verdeutlichung der Erfindung anhand von Diagrammen.
Figur 1 veranschaulicht den Verlauf von Strom und Spannung für verschiedene Fälle,
die sich durch unterschiedliche Länge des Intervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Pulsen unterscheiden.
Figur 2 veranschaulicht die Aufeinanderfolge der Betriebsperioden.
Figur 3 veranschaulicht die Folge der Zyklen innerhalb einer einzelnen Phase.
[0016] In Figur 1 zeigen fünf übereinander angeordnete Diagramme den Verlauf von Strom und
Spannung für den herkömmlichen Betrieb mit Netzfrequenz und Zweiweg-Gleichrichtung
(oben) sowie im sogenannten "Semipulsbetrieb" mit verschiedenen Pulszahlen 1 - 4.
Bei der Zweiweg-Gleichrichtung ist der Stromverlauf ebenso wie der Spannungsverlauf
durch eine Kette von Pulsen in Abständen von 10 ms gekennzeichnet. Die Spannungspulse
sind dabei einer Gleichspannung überlagert. Bei Pulszahl 1 wird der Hochspannungsteil
der Stromversorgung zwischen je zwei Pulsen für eine volle Netzschwingung nicht angesteuert.
Die verbleibenden Pulse haben daher einen vergrößerten Abstand von 30 ms. Jeder Spannungspuls
hat am Anfang eine steil ansteigende Flanke. Die andere Flanke fällt bis zum Einsetzen
des nächst folgenden Pulses annähernd exponentiell auf eine Restspannung ab. Die Strompulse
steigen steil bis zu einem Maximalstrom an und fallen dann ebenso steil bis auf 0
ab. Nachfolgend ist mit "Strom" immer der Maximalstrom gemeint. Bei Pulszahl 2 sind
zwischen zwei Pulsen jeweils zwei volle Netzschwingungen nicht durchgeschaltet. Die
verbleibenden Pulse haben daher einen Abstand von 50 ms. Die entsprechenden Charakteristiken
für die Pulszahlen 3 und 4 sind aus Figur 1 ohne weiteres zu entnehmen.
[0017] In Figur 2 sind mehrere aufeinanderfolgende Betriebsperioden m, m + 1, m + 2, ...
schematisch dargestellt. Jede Betriebsperiode umfaßt eine Normalphase und eine anschließende
Testphase. Die Normalphase dauert wesentlich länger als die Testphase. Die Dauer der
Normalphase verhält sich zur Dauer der Testphase vorzugsweise wie etwa 4:1 bis 20:1.
Die Normalphase dauert z. B. 1 h, die Testphase 5 - 10 min.
[0018] In jeder einzelnen Normalphase wird mit konstanter Pulszahl gearbeitet, ebenso in
jeder Testphase. Jedoch weicht die Pulszahl der Testphase von der Pulszahl der unmittelbar
vorangegangenen Normalphase um ± 1 ab, wie weiter unten zu erläutern ist.
[0019] Die Normalphase und die Testphase umfassen je eine Folge von Zyklen, welche fortlaufend
mit 1, 2, 3, ..., k, k + 1, ... numeriert sind. Die Zyklen folgen aufeinander in Zeitabständen
von 20-40 s, vorzugsweise etwa 30 s. In jedem Zyklus wird an der Regeleinrichtung
des Elektrofilters ein oberer Grenzwert für den Strom, d. h. eine Strombegrenzung,
eingegeben. Die zugehörige Restspannung wird gemessen, und aufgrund des erhaltenen
Meßwertes wird die Strombegrenzung für den folgenden Zyklus eingestellt, wie nachfolgend
anhand von Figur 3 erläutert wird.
[0020] In Figur 3 sind längs der waagerechten Zeitachse mehrere aufeinanderfolgende Zyklen
k, k + 1, ... symbolisch dargestellt. Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen
Zyklen beträgt in diesem Fall 30 s. Betrachtet wird zunächst eine Normalphase.
[0021] Der Zeitpunkt 0 in Figur 3 kann ein beliebiger Zeitpunkt während des Betriebes sein,
z. B. der Einschaltzeitpunkt oder der Beginn einer Normalphase. In diesem Zeitpunkt
ist die Strombegrenzung für den Zyklus k auf 450 mA eingestellt. Die zugehörige Restspannung
liegt gemäß dem oberen Diagramm von Figur 3 bei etwa 25 kV. Anschließend wird die
Strombegrenzung auf 500 mA erhöht, um auszuprobieren, ob sich nun eine höhere Restspannung
einstellt. Die erhöhte Strombegrenzung ergibt im Zyklus k + 1 eine Restspannung von
25,8 kV. Da die Erhöhung der Strombegrenzung zu einer Erhöhung der Restspannung geführt
hat, wird im folgenden Zyklus k + 2 die Strombegrenzung abermals erhöht, diesmal auf
550 mA. Es ergibt sich wieder eine erhöhte Restspannung, nämlich 26,2 kV. Da die Änderung
der Restspannung auch diesmal ein positives Vorzeichen hat, wird die Strombegrenzung
in der gleichen Richtung noch einmal geändert, d. h. auf 600 mA erhöht. Es stellt
sich im Zyklus k + 3 eine erhöhte Restspannung von 26,5 kV ein. Ein erneuter Versuch,
durch eine Steigerung der Strombegrenzung auf 650 mA eine noch höhere Restspannung
zu erreichen, geht jedoch im Zyklus k + 4 fehl. Die Restspannung fällt auf 26,2 kV
ab. Das ist ein Indiz für den Beginn des Rücksprühens. Daher wird im Zyklus k + 5
die Strombegrenzung wieder niedriger angesetzt, und zwar auf 600 mA, mit dem Effekt,
daß die Restspannung steigt, und zwar auf 26,5 kV. Nachdem im Zyklus k + 5 die Erniedrigung
der Strombegrenzung zu einer erhöhten Restspannung geführt hat, wird die Strombegrenzung
für den Zyklus k + 6 ebenfalls erniedrigt. Es ergibt sich aber diesmal eine niedrigere
Restspannung von 26,2 kV. Daher wird die Strombegrennzung für den nächsten Zyklus
wieder in umgekehrter Richtung geändert, nämlich auf 600 mA erhöht. Das führt im Zyklus
k + 7 wieder zu einer erhöhten Restspannung. Offensichtlich hat sich ab Zyklus k +
3 der Zustand stabilisiert. Die Folge ist, daß fortan die Strombegrenzung zwischen
550 und 650 mA hin und her pendelt. Die Restspannung stellt sich auf einen quasi stationären
Wert ein. Sie schwankt geringfügig um etwa 26,4 kV. Dieser Zustand ist bei der eingestellten
Pulszahl und den augenblicklichen Kenngrößen des zu reinigenden Gasstromes optimal.
Sollten sich die Kenngrößen jedoch während der betrachteten Normalphase ändern, so
tastet sich die Regeleinrichtung analog zu den Zyklen k bis k + 3 an den optimalen
Betriebspunkt heran, der den geänderten Kenngrößen entspricht. Erfahrungsgemäß verlaufen
die Änderungen der Kenngrößen relativ langsam, gemessen an der Periodendauer der Zyklen.
Die Änderungen der Strombegrenzung von Zyklus zu Zyklus, die bei dem angegebenen Beispiel
jeweils ± 50 mA, sind in jedem Falle klein im Vergleich zu dem Strom, auf den jeweils
begrenzt wird, vorzugsweise etwa 5 bis 15 %. Daher sind im stationären Zustand auch
die Spannungsänderungen relativ klein, so daß der Filterbetrieb durch sie nicht merklich
beeinträchtigt wird.
[0022] Es versteht sich von selber, daß unter Berücksichtigung der Strom-Spannungskennlinie,
die experimentell zu ermitteln ist, anstelle des Stromes auch die Spannung begrenzt
werden kann.
[0023] Während der ganzen Dauer der Normalphase oder zumindest während eines Zeitabschnitts,
der sich über mehrere Zyklen am Ende der Normalphase erstreckt, wird durch Auswertung
einer großen Anzahl von Momentanwerten ein Mittelwert der Spannung berechnet und gespeichert.
Als Mittelwert wird z. B. die effektive Spannung gewählt.
[0024] An die Normalphase schließt sich eine Testphase an. In der Testphase soll ausprobiert
werden, ob mit einer geänderten Pulszahl die Abscheidung verbessert werden kann.
[0025] In der Testphase wird mit einer Pulszahl gearbeitet, die sich von der Pulszahl der
unmittelbar vorangegangenen Normalphase um ± 1 unterscheidet. Auch in der Testphase
werden analog zur Normalphase zahlreiche Zyklen durchlaufen. Nachdem sich ein quasi
stationärer Zustand eingestellt hat, wird auch in der Testphase ein Mittelwert der
Spannung berechnet und gespeichert. Dieser Mittelwert wird mit dem Mittelwert der
zugehörigen Normalphase verglichen.
[0026] Bei dem in Figur 2 veranschaulichten Beispiel ergibt sich für die Betriebsperiode
m, daß der Mittelwert in der Testphase niedriger liegt als in der Normalphase. Die
Änderung der Pulszahl - in diesem Fall von 5 auf 6 - hat also keine Verbesserung im
Sinne einer Erhöhung des Mittelwertes der Spannung ergeben. Daher wird in der Normalphase
der folgenden Periode m + 1 wieder mit der Pulszahl 5 gearbeitet. Da in der Betriebsperiode
m eine Erhöhung der Pulszahl erfolglos war, wird in der Testphase der Betriebsperiode
m + 1 die Pulszahl auf 4 erniedrigt. Der Effekt besteht auch diesmal darin, daß der
Mittelwert der Spannung absinkt. Daher wird in der Normalphase der Betriebsperiode
m + 2 die Pulszahl auf 5 zurückgestellt. In der anschließenden Testphase wird erneut
die Pulszahl 6 ausprobiert, auch hier mit dem Erfolg, daß der Mittelwert der Spannung
absinkt. Folglich wird auch in der Betriebsperiode m + 3 in der Normalphase wieder
die Pulszahl 5 eingestellt. In der Testphase wird noch einmal die Pulszahl 4 ausprobiert,
diesmal mit Erfolg, offenbar weil sich inzwischen eine Kenngröße des zu reinigenden
Gasstromes geändert hat. Es stellt sich ein erhöhter Mittelwert der Spannung ein.
Da die Absenkung der Pulszahl in der Betriebsperiode m + 3 erfolgreich war, wird in
der Betriebsperiode m + 4 in der Normalphase die Pulszahl 4 beibehalten. In der anschließenden
Testphase wird die Pulszahl erneut abgesenkt, und zwar auf 3. Der Effekt ist aber
negativ. Daher wird in der Normalphase der Betriebsperiode m + 5 die Pulszahl wieder
auf 4 zurückgestellt.
[0027] Da die Testphase im Vergleich zur Normalphase relativ kurz ist und die Pulszahlen
der Normalphase und der anschließenden Testphase sich nur um ± 1 unterscheiden, sind
die hierdurch bedingten Schwankungen relativ gering und haben im Einzelfall geringen
Einfluß auf die Qualität der Abscheidung. Wenn sich aber in längeren Zeiträumen die
Kenngrößen des zu reinigenden Gasstromes nachhaltig ändern, wird durch die in Figur
2 veranschaulichte Arbeitsweise bewirkt, daß das Elektrofilter stets in der Nähe des
jeweiligen optimalen Betriebspunktes arbeitet.
1. Verfahren zum fortgesetzten Optimieren des Betriebszustandes eines Elektrofilters
mit folgenden Merkmalen:
a) Es wird mit einer durch Zweigweg-Gleichrichtung von der Netzspannung abgeleiteten
Gleichspannung mit überlagerten Pulsen gearbeitet, wobei der zeitliche Abstand zwischen
aufeinanderfolgenden Pulsen durch Ausblenden einer wählbaren Anzahl voller Netzwellen
veränderbar ist;
b) aufeinanderfolgende Betriebsperioden (1, 2, 3, ..., m, ...) umfassen je eine Normalphase
und eine daran anschließende Testphase;
c) in jeder Betriebsperiode wird in der Normalphase und in der Testphase mit konstanter
Pulszahl gearbeitet;
d) während der Normalphase und der Testphase wird jeweils in aufeinanderfolgenden
Zyklen (1, 2, 3, ..., k, ...) bei gegebener Begrenzung des Stromes oder der Spannung
die Restspannung gemessen und die Begrenzung in Abhängigkeit von der Änderung der
Restspannung von Zyklus zu Zyklus iterativ verändert, so daß die Restspannung einem
Maximum zustrebt.
e) in jeder Betriebsperiode (1, 2, 3, ..., m, ...) wird in der Testphase mit einer
im Vergleich zur Normalphase um ± 1 geänderten Pulszahl gearbeitet, und die Mittelwerte
der Spannung in der Normalphase und in der Testphase werden gemessen und miteinander
verglichen, und in Abhängigkeit von der Differenz wird die Pulszahl von Betriebsperiode
zu Betriebsperiode iterativ verändert, so daß der Mittelwert der Spannung einem Maximum
zustrebt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum fortgesetzten Optimieren des Betriebszustandes eines
Elektrofilters mit folgenden Merkmalen:
a) Es wird mit einer durch Zweigweg-Gleichrichtung von der Netzspannung abgeleiteten
Gleichspannung mit überlagerten Pulsen gearbeitet, wobei der zeitliche Abstand zwischen
aufeinanderfolgenden Pulsen durch Ausblenden einer wählbaren Anzahl voller Netzwellen
veränderbar ist;
b) aufeinanderfolgende Betriebsperioden (1, 2, 3, ..., m, ...) umfassen je eine Normalphase
und eine daran anschließende Testphase;
c) in jeder Betriebsperiode wird in der Normalphase und in der Testphase mit konstanter
Pulszahl gearbeitet;
d) die Pulszahl der Testphase weicht von der Pulszahl der unmittelbar vorangegangenen
Normalphase um ± 1 ab, wobei das Vorzeichen gemäß nachfolgenden Merkmalen h und i
ermittelt wird;
e) die Normalphase und die Testphase umfassen je eine Folge von Zyklen (1, 2, 3, ...,
k, ...) nach folgendem Schema:
ea) der Strom wird auf ik begrenzt;
eb) die Restspannung uk wird gemessen;
ec) der Strom wird auf einen von ik abweichenden Wert

begrenzt, wobei Δi
k positiv oder negativ ist und der Absolutwert |Δi
k| klein gegenüber i
k ist;
ed) die Restspannung uk+1 wird gemessen;
ee) die Differenz Δuk = uk+1 - uk wird ermittelt;
ef) der Strom wird auf einen von ik+1 abweichenden Wert

begrenzt, wobei das Vorzeichen von Δi
k mit dem Vorzeichen gemäß ec) dann und nur dann übereinstimmt, wenn das Vorzeichen
von Δu
k gemäß ee) positiv ist.
f) sowohl in der Normalphase als auch in der Testphase wird zumindest im Endabschnitt
ein Mittelwert der Spannung ermittelt und gespeichert;
g) der Mittelwert der Testphase wird mit dem Mittelwert der zugehörigen Normalphase
verglichen;
h) wenn in der Periode (m) in der Testphase der Mittelwert nicht größer ist als in
der Normalphase, dann wird in der folgenden Periode (m + 1)
in der Normalphase mit der gleichen Pulszahl gearbeitet wie
in der Normalphase der Periode (m)
und beim Übergang in die Testphase die Pulszahl in umgekehrter
Richtung geändert wie in der Periode (m);
i) wenn aber in der Periode (m) der Mittelwert in der Testphase größer ist als in
der Normalphase, dann wird in der folgenden Periode (m + 1)
in der Normalphase mit der gleichen Pulszahl gearbeitet wie
in der Testphase der Periode (m)
und beim Übergang in die Testphase die Pulszahl in der gleichen
Richtung geändert wie in der Periode (m).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dauer der Normalphase
zur Dauer der Testphase verhält wie 4:1 bis 20:1.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer
einer Betriebsperiode 1 bis 2 h beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer
eines Zyklus 10 bis 30 s beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert
|Δ ik| zwischen 0,05 ik und 0,15 ik beträgt.