DE102017201870A1

DE102017201870A1 - Mess- und Auswerteeinrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen Gleichstrommessung von Ableitströmen bei Kunststoff-Nasselektrofiltern zur Detektion von Kurzschlussströmen

Info

Publication number: DE102017201870A1
Application number: DE102017201870.4A
Authority: DE
Inventors: Enrico Hoffmann; Michael Klöckner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2017-12-14
Also published as: WO2017211658A1; EP3440471A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mess- und Auswerteeinrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen Gleichstrommessung von Ableitströmen bei Kunststoff-Nasselektrofiltern mit einer Sprühelektrode einer Niederschlagselektrode und einem Erdanschluss, umfassend eine Messeinrichtung 9 mit einem Stromwandler 13, der ein potentialgetrenntes analoges Ausgangssignal 10, 14 des Betriebsstroms des Kunststoff-Nasselektrofilters zwischen der Niederschlagselektrode und dem Erdpotential bereit stellt, und eine Steuereinrichtung 11, zur Auswertung des Ausgangssignals 10, die Signalmittelwerte der Ausgangssignals 10 bildet und Signale von Kurzschlussströmen detektiert, und eine Auswerteeinheit, durch die durch einen Vergleich der gebildeten Signalmittelwerte mit den Signalen von detektierten Kurzschlussströmen auf die lokale Örtlichkeit von Kurzschlüssen innerhalb des Kunststoff-Nasselektrofilters schließbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mess- und Auswerteeinrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen Gleichstrommessung von Ableitströmen bei Kunststoff-Nasselektrofiltern. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur kontinuierlichen, kontaktlosen Messung und Auswerten von Ableitströmen bei Kunststoff-Nasselektrofiltern
Eine Mess- und Auswerteeinrichtung ist eine elektronische Schaltung inklusive einer Auswerteeinheit zur Archivierung und Auswertung der gemessenen Betriebsströme, durch die die Stromverteilung überwacht und Störungen signalisiert werden als auch eine Häufigkeitsverteilung der Lokalität der Filterentladungen im Filter abgeschätzt wird.
4 zeigt das Funktionsprinzip eines Elektrofilters. Das zu reinigende Gas (hier dargestellt durch neutrale ionisierte Gasmoleküle 105) passiert die Bereiche, gebildet aus den Sprühelektrode 3 und Niederschlagselektrode 2. Mit Angelegen einer in der Regel negativen Hochspannung durch ein Hochspannungsgleichrichtergerät 5 entsteht ein elektrisches Feld (Schritt A). Bei Überschreitung der Koronaanfangsspannung setzt die Koronaentladung ein, durch die Elektronen 103 (negative Ladungsträger) freigesetzt werden. Die erzeugten Elektronen 103 wandern aufgrund des elektrischen Feldes zur Niederschlagselektrode 2 und treffen dabei auf die im Gas befindlichen Partikel 104 (Aerosole) (Schritte B). Die dadurch ebenfalls negativ geladen Partikel 104 wandern gleichfalls zur Niederschlagselektrode 2 (Schritt C). Während bei Trocken-Elektrofiltern die abgeschiedenen Partikel 104 zyklisch durch mechanische Abreinigung (Klopfung) abgereinigt werden, fließen beim Nass-Elektrofilter die abgeschiedenen Partikel 104 in Flüssigkeit in die Trichter des Filters ab.
Für die Reinigung feuchter, gesättigter Gase werden zunehmend Kunststoff-Nass-Elektrofilter eingesetzt, wie sie in 1 im Querschnitt gezeigt ist. Das Gehäuse 1 und die Niederschlagselektroden 2 des Kunststoff-Nass-Elektrofilters bestehen zur Säurebeständigkeit aus Kunststoff (z.B. PVC, PP). Für die Sprühelektroden 3 werden Materialien wie Nickelbasislegierungen oder auch Blei verwendet. Das Sprühelektrodensystem ist isoliert über Abtrageisolatoren 4 aufgehängt und wird durch ein Hochspannungsgleichrichtergerät 5 typischerweise mit negativer Hochspannung (DC) gespeist. Zur Erdung der Niederschlagselektroden ist am oberen und unteren Ende der Rohre oder Waben eine elektrische Kontaktierung aus Graphitbändern/Graphitkontaktflächen 6 oder säurebeständigen Metallen ausgeführt. Der elektrische Anschluss der Niederschlagselektroden erfolgt je nach Anzahl der Rohre/Waben bzw. Sektorenaufteilung durch isoliert aus dem Filtergehäuse herausgeführte, einzelne Erdleitungen 7, die an eine Potentialausgleichschiene 8 des außenliegenden Erdungssystems angeschlossen werden. Die WO 01/08804 A1 beschreibt einen derartigen Nass-Elektrodenfilter, die typischerweise in der chemischen Industrie eingesetzt werden.
Für den sicheren Betrieb eines derartigen Kunststoff-Nass-Elektrofilters ist es erforderlich, dass alle Verbindungen der Niederschlagselektroden zur Betriebserde und dem speisenden Hochspannungsgerät mit geringstem Widerstand und Induktivität ausgeführt wird, eine vollständige Benetzung der Niederschlagselektroden mit einem Flüssigkeitsfilm gegeben ist (abgeschiedenes Aerosol oder durch zusätzliche kontinuierliche Benebelung mit einer Flüssigkeit), deren elektrischer Leitwert > 10mS liegen sollte.
Das Hochspannungsgleichrichtergerät speist das Sprühsystem mit der maximal möglichen Spannung bzw. maximal möglichen Strom. Bei Erreichen der Filterdurchbruchsspannung entsteht ein Durchschlag (Lichtbogenzündung). Durchschläge müssen durch die Steuerung des Hochspannungsgleichrichtergerätes sicher erfasst und die Energiezufuhr zur Löschung des Lichtbogens unmittelbar unterbrochen werden. Zur Erfassung der Durchschläge werden die elektrischen Signale des Hochspannungserzeugers ausgewertet (Spannungseinbruch Sekundärspannung, Stromerhöhung Sekundärstrom/Primärstrom, Erhöhung der Stromflusszeit). Bei jedem Durchschlag entstehen elektrische Ausgleichsvorgänge, die hochfrequente Strom-/Spannungsspitzen auch auf den Erdleitern und Anschlüssen hervorrufen. Zur Limitierung von Entladungen innerhalb des Erdungssystems sind alle Verbindungen (Leitungen, Kontaktflächen) mit einer möglichst großen Oberfläche auszuführen.
Durch defekte Erdverbindungen der Niederschlagselektroden, durch trockene Bereiche auf den Rohren/Waben oder bei reduziertem Leitwert des Flüssigkeitsfilms wird der elektrische Summenwiderstand vom Ort der Lichtbogenzündung bis zum außenliegenden Erdanschluss drastisch erhöht. Als Folge werden die Stromverteilung des Elektrodensystems und damit in der Regel die Abscheideleistung negativ beeinflusst. Weitaus kritischer ist, dass bei sehr hohem Summenwiderstand die Zündung des Lichtbogens zu keiner auswertbaren Änderung des Kurvenverlaufs und damit der Auswertemöglichkeit für Sekundärspannung/Sekundärstrom/Primärstrom/Zündwinkel gegeben sind. Der Lichtbogen wird daher durch die Steuerung des Hochspannungserzeugers nicht erkannt. Nicht erfasste und nicht unmittelbar gelöschte Lichtbögen führen zur thermischen Zerstörung der Niederschlagselektroden und Gehäuse bis hin zum Brand und damit zu teilweise erheblichen Schäden und Ausfallzeiten.
Kommt es im Bereich der isolierten Abtragung des Sprühsystems oder der Hochspannungszuführung zu Kondensatbildung, Suspensionsablagerungen oder gelangt in diesen Bereich gesättigtes Prozessgas, können sich elektrische Kriechströme ausbilden, die die Abscheideleistung des Filters limitieren und letztendlich zur Zerstörung der Abtrageisolatoren führen können.
Derzeit gibt es keinen nass arbeitenden Elektrofilter, der eine kontinuierliche, kontaktlose Messung aller Betriebsströme des Elektrofilters mit einem Ausgangssignal zur Auswertung bereit stellt und somit auch keinen Elektrofilter für die Analyse der einzelnen Betriebsströme. Eine einfache kontinuierliche Messung der Betriebsströme kann zwar durch einen kontaktgebundenen Shunts erfolgen, hierdurch wird aber ein zusätzlicher Widerstand mit einem sehr geringen Leiterquerschnitt (Oberfläche) in den Erdkreis geschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mess- und Auswerteeinrichtung anzugeben, die eine kontinuierlichen, kontaktlosen Gleichstrommessung der Ableitströme von Kunststoff-Nasselektrofiltern erlaubt, und darüber hinaus auf die lokale Örtlichkeit von Kurzschlüssen innerhalb des Kunststoff-Nasselektrofilters schließen kann. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung analog zur Vorrichtung ein Verfahren zur kontinuierlichen, kontaktlosen Messung und Auswerten von Ableitströmen bei Kunststoff-Nasselektrofiltern anzugeben.
Gelöst ist die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe durch eine Mess- und Auswerteeinrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen, galvanisch getrennten Gleichstrommessung der Betriebsströme von Kunststoff-Nasselektrofiltern, umfassend eine Messeinrichtung mit einem elektronischen Stromwandler, einer elektronischen Beschaltung und einem Trennverstärker ein potentialgetrenntes analoges Ausgangssignal des Betriebsstroms des Kunststoff-Nasselektrofilters zwischen der Niederschlagselektrode und dem Erdanschluss bereit stellt. Weiterhin ist eine Steuereinrichtung zur Signalverarbeitung des Ausgangssignals umfasst, die Signalmittelwerte der Ausgangssignale bildet und mit Triggerung bei Filterdurchschlag die Signalverläufe aufzeichnet und die einzelnen Kurzschlussströme berechnet. Weiterhin ist eine über PROFIBUS gekoppelte Computer-Auswerteeinheit umfasst, durch die die Mittelwerte der Betriebsströme sowie die Messdaten des Hochspanungserzeugers kontinuierlich archiviert und überwacht werden. Abweichungen im zeitlichen Verlauf der einzelnen Betriebsströme bzw. Differenzen zum Gesamtstrom werden erfasst und gemeldet. Die übertragenen Werte der Kurzschlussströme bei Filterdurchschlag werden ebenfalls archiviert und dahingehend ausgewertet, dass eine statistische Häufigkeitsverteilung der Örtlichkeit der Filterdurchschläge wiedergegeben werden. Die archivierten Messdaten werden durch integrierte, skalierbare Trenddarstellungen visualisiert. Für die Darstellung der einzelnen, analogen Messsignale ist ein mehrkanaliges Oszilloskope integriert.
Die Erfindungsgemäße Messeinrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen Gleichstrommessung, ist in 3 gezeigt. In einem Isoliergehäuse sind montiert ein elektronisch, galvanisch getrennter Stromwandler 13, dessen Öffnung mit 20mm Ø die Durchführung eines Leiters mit ausreichendem Querschnitt/Oberfläche erlaubt, eine hohe Isolationsfähigkeit, einen geringen Offsetdrift sowie ausreichende Bandbreite (> 5kHz) über den Messbereich (z.B. 0–1000mA) aufweist. Die Messeinrichtung besteht weiterhin aus einer elektronischen Schaltung zur Spannungsversorgung und Messsignalaufbereitung, einem Trennverstärker für die Bereitstellung eines 4–20mA Analogsignales. Zusätzlich zum Gehäuse sind Anschlussschienen vorgesehen, die zum Anschluss der Messeinrichtung zwischen Erdanschluss Niederschlagselektrode (Durchführung) und Erdungssystem sowie einer Überbrückungsgarnitur dienen.
Die vorliegenden Erfindung schlägt eine Messeinrichtung vor, die durch die Filterbetriebsstrommessungen bereitgestellten Signale durch eine Hardware-/Softwarelösung 11 und 12 derart verarbeitet, dass alle Filterbetriebsströme sowie der Sekundärstrom des Hochspannungsgleichrichtergerätes kontinuierlich archiviert und ausgewertet werden.
Durch Messung/Überwachung der Betriebsströme aller isoliert herausgeführten Elektrofiltererdungen werden sich ergebene Abweichungen (geänderte Stromverteilung, zu geringe bzw. fehlende Betriebsströme) erfasst und gemeldet. Durch Vergleich der Summe aller Betriebsströme mit dem Sekundärstrom des Hochspannungs-Erzeugers werden evtl. Leckströme (Kriechströme außerhalb des Sprühsystems) detektiert und gemeldet.
Darüber hinaus wird durch Auswertung der Signalform der Betriebsströme bei Filterdurchschlägen eine statistische Verteilung der Örtlichkeit der Entladungen ermittelt, durch die eine zunehmende Fokussierung der Örtlichkeit von Filterdurchschlägen (mechanischer Defekt, fehlerhafte Ausrichtung des Elektrodensystems, ungleiche Gasverteilung etc.) erfasst und gemeldet wird. Dadurch können Reparaturarbeiten rechtzeitig vor Entstehung größerer Filterschäden eingeleitet werden, wobei zusätzlich Hinweise für die Örtlichkeit der Fehlerquelle im Filter gegeben werden.
Die Stromverteilung der einzelnen Erdleitungen ist von Erdleitung zu Erdleitung unterschiedlich sowohl im Betrieb als auch ohne Prozessgas.
Im Betrieb mit Prozessgas haben Größen Einfluss, wie das Gasströmungsprofil (Art der Anströmung, Gasverteilung, Art der Abgasleitung), Benetzung der Niederschlagsrohre, Leitwert des abgeschiedenen Mediums bzw. Leitwert der kontinuierlichen Benebelung, Leitwert des Spülwassers für Betrieb kurz nach dem Spülen, Lastzustand und Gasbedingungen, Verschmutzungsgrad der Elektroden und Ausführung/Zustand der internen Erdung der Niederschlagselektroden selbst.
Eine normale, typische Stromverteilung kann beispielsweise bei der Inbetriebsetzung bestimmt und parametriert werden. Ist die Stromverteilung unabhängig vom Lastzustand, bzw. den Gasbedingungen, werden die Trendwerte der Erdströme mit einem vorgebbaren Mindestwert überwacht wobei bei Abweichung eine Fehlermeldung ausgegeben wird. Diese kann bei beispielsweise < 4mA auf den Ausfall Erdstrommessung hindeuten. Ein gemessener Strom von > 4mA aber kleiner als der vorgegebene Mindestwert hingegen, kann einen Hinweis für eine geänderte Stromverteilung sein: Wird bei einer parallel stattfindenden Überprüfung des Durchschlagsverhaltens festgestellt, dass für diese Erdstrommessung vermehrt Durchschläge zugeordnet werden, deutet dies auf Fehler bei der Filtererdung bzw. auf mechanischer Fehler hin.
Weiterhin kann der Gesamtstrom des Hochspannungsgleichrichters mit der Summe der Erdströme verglichen werden. Ergibt sich eine Reduzierung des Erdsummenstroms im Vergleich zum Gesamtstrom HS-Anlage, könnte dies einen Hinweis auf eventuell vorhandene Kriechströme außerhalbe des Feldes liefern.
Im Betrieb ohne Prozessgas kann beispielsweise bei Inbetriebsetzung die typische Stromverteilung nach Spülung für eine Referenzmessung festgehalten werden, um die prozentuale Aufteilung der einzelnen Erdströme zu messen.
Wenn alle oberen und unteren Erdströme der Niederschlagselektroden miteinander verbunden sind, und annähernd den gleichen Leitungswiderstand bis zum Erdanschluss über eine Potentialausgleichschiene haben, dann ist der Kurzschlussstrom bei der Erdherausführung am höchsten, die dem Ort des Durchschlags am nächsten liegt.
Die Idee ist eine Fallbetrachtung mit Auswertung und Vergleich des prozentualen Stromanstiegs der Durchschlags-Stromhalbwelle der einzelnen Erdherausführungen (Vergleich zur vorherigen Stromhalbwelle oder wegen evtl. Unsymmetrie Mittelwert über mehrere Stromhalbwellen). Damit ist eine Zuordnung der vermuteten lokalen Örtlichkeit des Durchschlags möglich. Durch eine statistische Auswertung lässt sich eine Verlagerung der Durchschläge in nur einen Bereich des Nass-Elektrodenfilters erfasst und als Fehlermeldung ausgegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 01/08804 A1 [0004]

Claims

Mess- und Auswerteeinrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen Gleichstrommessung von Ableitströmen bei Kunststoff-Nasselektrofiltern mit einer Sprühelektrode einer Niederschlagselektrode und einem Erdanschluss, umfassend – eine Messeinrichtung 9 mit einem Stromwandler 13, der ein potentialgetrenntes analoges Ausgangssignal 10, 14 des Betriebsstroms des Kunststoff-Nasselektrofilters zwischen der Niederschlagselektrode und dem Erdpotential bereit stellt, und – eine Steuereinrichtung 11, zur Auswertung des Ausgangssignals 10, die Signalmittelwerte der Ausgangssignals 10 bildet und Signale von Kurzschlussströmen detektiert, und – eine Auswerteeinheit, durch die durch einen Vergleich der gebildeten Signalmittelwerte mit den Signalen von detektierten Kurzschlussströmen auf die lokale Örtlichkeit von Kurzschlüssen innerhalb des Kunststoff-Nasselektrofilters schließbar ist.
Mess- und Auswerteeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das potentialgetrennte Ausgangssignal 10, 14 zwischen 4 und 20 mA beträgt.
Mess- und Auswerteeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler eine Öffnung von mindesten 20mm² zur Durchführung eines Leiters mit ausreichendem Querschnitt aufweist.
Mess- und Auswerteeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler derart ausgestaltet ist, dass er eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweist.
Mess- und Auswerteeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend einen Anschluss 16 an ein Elektrofilter-Erdungssystem, der für industrielle Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit geeignet ist.
Verfahren zur kontinuierlichen, kontaktlosen Messung und Auswerten von Ableitströmen bei Kunststoff-Nasselektrofiltern mit einer Sprühelektrode einer Niederschlagselektrode und einem Erdanschluss, bei dem – eine Messeinrichtung 9, umfassend einen Stromwandler 13, ein potentialgetrenntes analoges Ausgangssignal 10, 14 des Betriebsstroms des Kunststoff-Nasselektrofilters zwischen der Niederschlagselektrode und dem Erdpotential bereit stellt, und – eine Steuereinrichtung 11, die das Ausgangssignal 10 auswertet, und dabei Signalmittelwerte des Ausgangssignal 10 bildet und Signale von Kurzschlussströmen detektiert, und – eine Auswerteeinheit, die durch einen Vergleich der gebildeten Signalmittelwerte mit den Signalen von detektierten Kurzschlussströmen auf die lokale Örtlichkeit von Kurzschlüssen innerhalb des Kunststoff-Nasselektrofilters schließt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit 11, zur Detektion von Kurzschlussströmen ein Trigger-Signal, welches einen Mittelwert des Stroms aus einem den Kunststoff-Nasselektrofilter mit Hochspannung versorgenden Hochspannungsgleichrichter 5 liefert, mit dem Betriebsstrom des Kunststoff-Nasselektrofilters vergleicht.