DE2709294A1

DE2709294A1 - Steuerung einer ozonbehandlungsanlage

Info

Publication number: DE2709294A1
Application number: DE19772709294
Authority: DE
Inventors: Yasunobu Kawauchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-03-05
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1977-10-06
Also published as: JPS52119494A; FR2343278A1; US4138724A; FR2343278B1

Description

DIPL-ING KLAUo BLIHfJ DIPL-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE ? 7 Π Q 9 Q / WIDENMAYERSTRASSE 6 D 80OO MÜNCHEN 23 t / U V t V 1

TEL. (OSS) 22 29 30 3B 51 02

A 44 77 Ml/De 3. März 1977

Firma TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA, 72, Horikawa-Cho,
Saiwai-Ku, Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken, Japan

Steuerung einer Ozonbehandlungsanlage

Bankhaus M.rck. Finck * Co.. München. Nr 2β4β4 I Bankhaus M Aulhausar. München. Nr 2β1 300 Postschack: München 209 O4 SOO Telegrammadresse: Patentsenior

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£~ 27ΠΠ294

Die Erfindung betrifft die Steuerung einer Ozonerzeugeranlage, mit der die Anlage mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Da Ozon sehr stark oxidierend wirkt, wird er in zahlreichen Anwendungsfällen zur Behandlung von Abwässern, die organische Substanzen enthalten, zum Entfärben von gefärbten Abwässern, zum Sterilisieren und zum Deodorieren von Leitungswasser sowie zum Beseitigen des Stickoxids in Motorabgasen oder Stickoxid enthaltenden Rauchgasen benötigt. Folglich wurden verschiede Arten industriell einsetzbarer Ozonisierungsanlagen in letzter Zeit entwickelt, in denen Luft oder Sauerstoff als Ausgangsgas für die Erzeugung des Ozons verwendet wird.

Allgemein verwendet ein Ozonverzeuger eine Vielzahl von Ozongeneratoreinheiten, die ein inneres Glasrohr und ein dieses außen umgebendes Metallrohr aufweisen, und die erzeugte Ozonmenge hängt

en ab von der Anzahl der Ozongeneratoreinheit. Vo'ti Gesichtspunkt der Handhabung und der Herstellung sind die größten Abmessungen praktisch verwendbarer Ozongeneratoreinheiten folgende: ein Durchmesser von etwa 80mm und eine Länge von etwa 2000mm. Diese Daten sind für die elektrische Entladungszone maßgebend und folglich für die maximale Menge an erzeugtem Ozon. Folglich kann die Kapazität eines Ozonerzeugers entweder durch Erhöhen der Anzahl der Ozongeneratoreinheiten oder dadurch vergrößert werden, daß eine relativ kleine Anzahl an Ozongeneratoreinheiten zu einem Modul gruppiert wird und eine Anzahl derartiger Module parallel betrieben wird. Im allgemeinen ist das System mit einzelnen Modulen

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vorteilhafter als die Verwendung eines einzelnen Ozonerzeugers mit derselben Kapazität, wenn man dies aus der Sicht des Ausnutzungsfaktors betrachtet. Wenn der Ausnutzungsfaktor mit A bezeichnet wird und den prozentualen Anteil von Ausfällen und Reparaturen des Modul mit λ und μ und wenn man ferner annimmt, daß X und μ für jedes Modul gleich sind, dann gilt für jedes Modul die Beziehung A = μ/(χ +μ). Wenn P Module aus der Gesamtzahl von N Modulen bei Teillast sich in Betrieb befindet, bei welchem Lastzustand es möglich ist, eine Ozonmenge zu erzeugen, die dem Bedarf entspricht, dann läßt sich der Ausnutzungsfaktor durch folgende Gleichung darstellen:

P/N ⁼ ^Ci) A¹Cl - Af-¹ (1)

i=p

worin i eine ganze Zahl ist, die kleiner oder gleich N ist. Um

die Beschreibung zu vereinfachen, sei angenommen, daß N=3 und P=2 sind; dann sind

A -
^2/3 ( Λ + μ)²

wenn die Zeit zwischen zwei Störungen (MTBF) gleich 1000 Stunden und die Zeit zur Behebung einer Störung (MTTR) gleich 10 Stunden beträgt, dann läßt sich der Ausnutzungsfaktor berechnen zu A-,,= 0,9997, da ^ =0.0011/Stunde und μ = 0,11/h sind. Für den Fall eines einzelnen Ozongenerators mit derselben Kapazität der Gruppe von

Modulen wird, da A₁ ,..= —s—^ ist, der Ausnutzungsfaktor A₁ ,..

=0,9901, was zeigt, daß der Ausnutzungsfaktor der Modul-Ozonerzeuger

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anlage höher als der eines Ozon-Einzelgenerators ist.

Der Wirkungsgrad der Ozonerzeugung eines mit Luft als Ausgangsmaterial arbeitenden Ozongenerators ist etwa 5% der zugeführten elektrischen Energie, während die übrigen 95% in Wärme umgewandelt werden. Ein Anstieg der Temperatur des Ozongenerators und der Ausgangsluft läßt den Wirkungsgrad der Ozonerzeugung sinken und verschlechtert auch die Isolierfähigkeit der im Ozongenerator verwendeten Dielektrika. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, kühle und trockene Ausgangsluft zu verwenden und den Ozongenerator zu kühlen. In einigen Fällen wird für die Kühlung etwa 1/3 der dem Ozonerzeuger zugeführten gesamten Energie benötigt.

Die Menge des erzeugten Ozons steigt proportional mit der zugeführten Spannung oder Frequenz an, und da diese elektrischen Größen proportional der elektrischen Leistung sind, steigt mit diesen elektrischen Größen auch die erzeugte Wärme. Speziell bei Hochfrequenzentladungen steigt, obgleich auch die erzeugte Ozonmenge anwächst, aufgrund des starken Anstiegs der elektrischen Verluste die Temperatur erheblich, so daß, wenn nicht ausreichende Kühlung vorhanden ist, die Isolation zusammenbricht. Wenn die Temperatur ansteigt, wird auch die Zerlegung des erzeugten Ozons beträchtlich, wodurch die Ausbeute an Ozon abnimmt. Wo der Ozonbedarf abhängig von der Zeit schwankt aufgrund Schwankungen in der Belastung oder an den Ozonprerbrauchenden Behandlungsapparaturen nimmt die je Energieeinheit erzeugte Ozonmenge, d.h. die Ausbeute an Ozon, ab, wenn nicht die den die Ozonerzeugereinrichtung bildenden Ozongeneratoren und ihren Hilfsgeräten wie Zuführ, Kühl, Trocken- und Verteilungseinrichtungen der Ausgangsluft und einer Vorrichtung zum Kühlen

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des Kühlwassers für die gesamte Apparatur genau gesteuert wird, was zu einer Erhöhung der Betriebskosten der Ozonerzeugeranlage führen würde. Die Steuerung an im Einsatz befindlichen Ozonerzeugeranlagen erfolgt ohne Beachtung dieser Probleme, so daß der Energieverlust groß und die Betriebskosten hoch sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist nun darin zu sehen, daß ein Steuersystem für eine Ozonerzeugeranlage geschaffen wird, die für deren Betrieb die elektrische Energiezufuhr entsprechend dem Ozcnbedarf steuert, um auf diese Weise den Betriebswirkungsgrad der Anlage zu verbessern. Dies kann dadurch geschehen, daß die von jedem Ozonerzeugermodul erzeugte Ozonmenge bestimmt wird durch die Menge an Ozon, die von einem oder mehreren Ozonverbrauchern angefordert wird wodurch zum Betrieb des Ozonerzeugers erforderliche Energie eingespart wird. Weiter wierd mit der Erfindung angestrebt, ein Steuersystem für einen Ozonerzeuger zu schaffen, durch das die Kapazität der Apparatur zur Behandlung nicht reagierten Ozons, das von der Ozonverbraucheranlage ausgestoßen wird, verringert wird.

Schließlich soll mit der Erfindung ein Programmsteuersystem für eine Ozon-erzeugereinrichtung geschaffen werden, daß die Menge des zu erzeugenden Ozons durch einzelne Ozonerzeugermodule steuert entsprechend der Belastung von einer Vielzahl von Ozonerzeugermodulen, um damit den Ausnutzungsfaktor und den Betriebswirkungsgrad der Ozonerzeugeranlage zu erhöhen.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein

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Steuersystem für eine Ozonerzeugeranlage geschaffen, die aus einer Vielzahl von Ozonerzeugermodulen besteht, von denen jedes wenigstens eine Ozongeneratoreinheit enthält zum Zuführen des erzeugten Ozons zu einem Ozonverbraucher, welches Steuersystem dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Computer vorgesehen ist, der die vom Ozonverbraucher geforderte Ozonmenge benützt, um die von den einzelnen Ozonerzeugermodulen zu erzeugende Ozonmenge zu bestimmen, während Mittel vorgesehen sind, die abhängig von der bestimmten Ozonmenge die Betriebsbedingungen der Ozonerzeugermodule steuern und das erzeugte Ozon dem Verbraucher zuführen.

Die Zeichnung enthält eine Darstellung des Prinzips und des Betriebsablaufs einer Ausführungsform der Erfindung. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1: ein Blockbild einer Ozonerzeugeranlage;

Fig. 2 Erläuterungsdarstellungen zum Erklärer des Funktionsabbis 5:

laufs der Steuerung aus Fig. 1;

Fig. 6: ein Datenflußbild;

Fig. 6B: einen Ausschnitt aus dem Datenflußbild; Fig. 7: den Kurvenverlauf der Beziehung zwischen der Kapazität einer Ozonerzeugereinheit und den Baukosten je Einheitskapazität;

Fig. 8A im einzelnen das Steuersystem und Fig. 9 ein Flußplan für und 8B:

den Lauf des Ausgangsgases, des erzeugten Ozons und des

Kühlwassers.
Fig. 1 zeigt eine Ozonerzeugeranlage 1, die über eine Steuerein-

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richtung 2 gesteuert wird und die ihr erzeugtes Ozongas an mehrere Verbraucherstationen 3 abgibt. Die Ozonerzeugeranlage besteht aus einer Vielzahl von Ozonerzeugermodulen, von denen jedes ein oder mehrere Einheitsröhren zum Erzeugen des Ozons aufweist, in denen das Ausgangsgas (Luft oder Sauerstoff) zur Erzeugung des Ozons mit einer stillen elektrischen Entladung behandelt wird . Ferner ist ein motorbetriebener Czonverteiler 11 vorgesehen, der die von jedem Verbraucher 3 benötigte Ozonmenge verteilt, eine Wechselspannungsquelle 12, ein Frequenzwandler 13, der an die Wechselspannungsquelle 12 angeschlossen ist, um deren Frequenz in eine für den Betrieb der Ozonmodule geeigmete Hochfrequenz von beispielsweise 500 Hz umzusetzen, ein Transformator 14, der mit einem automatischen Spannungsregler ausgestattet ist, damit eine der von jedem Ozonerzeugermodul 10 erzeugten Ozonmenge angepaßte Spannung eingestellt wird, ein Gasverteiler 15 zum Verteilen des Ausgangsgases zu den einzelnen Modulen 10 und zum Kühlen und Trocknen des Ausgangsgases, eine Kühlvorrichtung 16, die ein Kühlfluid durch die verschiedenen Apparaturen der Ozonerzeugeranlage zirkulieren läßt, und eine Verteilertafel 17, über die die elektrische Energie in Form von Steuersignalen verteilt wird entsprechend der von den einzelnen Verbrauchereinrichtungen 3 angeforderten Ozonmenge, wobei diese Signale zum Gasverteiler 15, zur Kühlvorrichtung 16, zum Ozonverteiler 12 und zum Transformator 14 geleitet werden.

Das Steuersystem 2 ist ausgestattet mit einem Einsteller für Betriebsbedingungen mit hohem Wirkungsgrad, welcher von Hand umgestellt werden kann zwischen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad und

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αϊ

Betrieb mit konstanter Last, bei dem auch die Ozonmenge durch ein vorbestimmtes Programm oder durch Handbetrieb eingestellt werden kann, bei dem von Hand oder auf digitale Weise die benötigte Ozonmenge eingestellt werden kann und die bestimmt, ob eines und welches der Module betrieben wird; ferner ist eine Speichereinrichtung 21 vorgesehen, in der ein Arbeitsprogramm für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad gespeichert wird sowie Informationen bezüglich der von den einzelnen Verbrauchern 3 benötigten Ozonmengen, die Veränderungen in der Zeit unterliegen, die Ozonausbeute Yj»- = fj(q) für die einzelnen Ozonerzeugermodule, was im einzelnen später noch beschrieben wird, eine Betriebseinheit 22 für laufenden Betrieb mit hohem Wirkungsgrad, die in der Lage ist, den Gesamtozonbedarf der Ozonverbraucher 3 bereitzustellen durch Auslesen des entsprechenden Betriebsprogramms für hohen Wirkungsgrad und den Ozonbedarf von der Speichereinrichtung 21 im Zeitpunkt des laufenden Programms. Die Einheit 22 ist in der Lage, die von den einzelnen Modulen zu liefernde Ozonmenge zu berechnen, was aus der benötigten Ozonmenge bestimmt wird durch Auslesen des Operationsprogramms für hohen Wirkungsgrad und der Ozonausbeuten der einzelnen Ozonerzeugermodule aus der Speichervorrichtung 21, wodurch eine optimale Verteilung der Ozonerzeugung auf die einzelnen Module erreicht wird. Ferner ist es möglich, die laufenden Betriebsbedingungen der einzelnen Ozonerzeugermodule zu berechnen auf-grund der zwischen, ihnen aufgeteilten Ozonmengen. Auch können die Betriebsbedingungen des Gasverteilers 15 und der Kühlvorrichtung 16 gesteuert werden und schließlich läßt sich der Betriebszustand des Ozonverteilers 11 berechnen, damit das erzeugte

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Ozon nach Maßgabe der gesamt benötigten Ozonmenge auf die einzelnen Verbrauchereinrichtungen 3 verteilt wird. Mit der Einheit 22 ist auch eine Energiesteuertafel 23 verbunden, die aus der Einheit Steuersignale in Abhängigkeit von den laufenden Betriebsbedingungen der einzelnen Ozonerzeugermodule und der Nebengeräte erhält, wodurch für die Verteilung über die Ozonverteilereinheit 11 gesorgt wird. Ein Zentralprozessor 24 faßt als alles umfassendes Steuerglied für die verschiedenen Elemente der Steuereinheit 2 und die Eingänge und Ausgänge dieser Elemente zusammen, und schließlich ist ein Taktimpulsgenerator 25 vorgesehen, der dem Zentralprozessor 24 Taktimpulse zuleitet.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen. Fig. 2 zeigt, daß die Menge des von jedem Ozonerzeugermodul 1O erzeugten Ozons proportional der zugeführten Spannung oder Frequenz schwankt, so daß es möglich ist, jede gewünschte Ozonmenge zwischen einer unteren Grenze q_T, welche durch die Entladungseinsatzspannung bestimmt ist, und einer oberen Grenze q zu verändern, die durch die Durchschlagspannung des Dielektrikums oder durch den Temperaturanstieg gegeben ist, was die Fig. 3 verdeutlicht. Unter konstanten Kühlbedingungen steigt, wenn die erzeugte Ozonmenge durch Spannungs- oder Frequenzsteigerung größer wird, die Zersetzung des gebildeten Ozons durch Hitze erheblich mit Erhöhung der Temperatur an, so daß die Ozonausbeute nicht größer wird, sie vielmehr abnimmt, auch wenn die Spannung oder die Frequenz über eine bestimmte Grenze hinaus gesteigert wird. Die Maschinen zum Betrieb der Rückkühlvorrichtung benötigen ebenfalls Energie, und ihr Wirkungsgrad erreicht einen

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Maximalwert bei einer bestimmten Leistungsabgabe und nimmt danach wieder ab. Aus diesen Gründen ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte Kurve für die Ozonausbeute in Abhängigkeit von der pro Zeiteinheit von einem Ozonerzeugermodul 10 erzeugten Ozonmenge und der gesamte Energieverbrauch der Ozonerzeugeranlage oder auch die Menge des pro Energieeinheit erzeugten Ozons. Die Kurve der Fig. 3 erreicht eine Maximalausbeute y. an einem Punkt, der die je Zeiteinheit erzeugte Ozonmenge darstellt. Bei Bezeichnung der in der Zeiteinheit durch das i"~ten Ozonisiererzeugungsmodul erzeugten Ozonmenge mit q läßt sich die Ozonausbeute y., als Funktion y. = f.(q)

χ q ι, q χ

ausdrücken.

Es wird nun angenommen, daß ilie vom Verbraucher 3 angeforderte Ozonmenge mit Q bezeichnet wird und die Anzahl der Ozcnisiererzeugungsmodule 10 die Zahl N hat. Die Module können untereinander gleiche oder unterschiedliche Kapazität oder Ausbeute haben. Die folgende Diskussion bezieht sich auf den letzt genannten allgemeineren Fall. Die vom i-'ten Modul (i = 1,2 .... N) erzeugte Ozonmenge wird mit q. bezeichnet, und es läßt sich die Beziehung zwischen der Abgabeleistung des i—ten Modul (oder die gesamte verbrauchte Energie einschließlich der für die Nebenapparaturen), die je Zeiteinheit erzeugt wird durch folgende Gleichung ausdrücken, wobei die Ausbeute durch Y. . = fi (q.) der Energieverbrauch durch

ι »qx x

das x-te Modul ist, ausdrücken

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Damit wird der Energieverbrauch E von N Modulen ausgedrückt durch folgende Gleichung

^Η IT¹V^ ^{(n =} ^λ-² ·'·- ^N) --

1=1 fi (qi)

Die Beziehung zwischen der benötigten Ozonmenge Q und der Menge an erzeugtem Ozon, verteilt auf jedes Modul, ist in folgender Beziehung festgehalten.

2? qi (i = 1, 2 N)

Daraus kann der Lastanteil jedes Modul, der zur Erzeugung der gesamt benötigten Ozonmenge Q erforderlich ist zu Bedingungen des minimalen Energieverbrauchs bestimmt werden durch die Betriebsgleichungen 3 und 4, so daß ein q. erhalten wird, das minimale Energie erfordert.

Dies ist ein Problem der partiellen Differentiation zur Bestimmung der Grenze von E unter der notwendigen Bedingung

Q₀ = Σ^Ε qi (i = 1, 2 .... N) i=l

die sich lösen läßt durch das Verfahren der unbestimmten Koeffizienten nach La_jgrange oder nach dem Prinzip der optimalen Bedingung der dynamischen Programmierung. Nachfolgend sollen die Berechnungsschritte für das Verfahren mit unbestimmten Koeffizienten nach La^grange an einem Beispiel diskutiert werden.

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Durch partielles Differenzieren der beiden Seiten der folgenden Gleichung (5) nach q., um den Grenzwert zu erhalten, und durch Nullsetzen läßt sich die Gleichung (6) bilden

q₂, .... q_K) =

N qi

(5)

^qi ^qi \ ** fi(qi)J
i=l

worin X einen Lagrange Koeffizienten darstellt. Da fi(qi) eine bekannte Funktion ist, ergibt sich aus Gleichung 6, qi =Gi (A ) · Daraus läßt sich der Wert von X durch nachfolgende Gleichung bestimmen.

Q₀ - 2J^N qi - iJ^NGi U) (7)

^iSt also eine Funktion H (Q ), d.h. A = H (Q ). Durch Einsetzen O O

dieses Wertes von X in eine Gleichung qi = Gi (J\ ) ergibt sich Gleichung 8

qi - Gi (h (Q₀)} (i = 1.2 N) (8)

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Darin bedeuten Gi und H Symbole, die Funktionen darstellen. Das so bestimmte q. stellt die optimale Menge des erzeugten Ozons dar, welches das i—te Modul hervorzubringen hat unter der Bedingung des minimalen Energieverbrauchs.

Die Menge des Ozons, das von der Ozonverbrauchereinrichtung 3 benötigt wird, wird durch folgende Berechnungsschritte bestimmt. Es sei angenommen, daß die fortlaufende Belastungskurve über einen Tag einer Verbrauchervorrichtung, beispielsweise eines Kessels eines Dampfkraftwerks, festliegt. Die im Abgas enthaltene Stickoxidmenge, die durch die Behandlung mit Ozon umgesetzt werden muß, ist im wesentlichen proportional der Generatorlast, so daß die Menge des benötigten Ozons mit der in Fig. 4 gezeigten Kurve dargestellt werden kann, welche sich über die Zeit ändert. Sind nun M Ozonverbraucher 3 vorhanden und wird die Menge des von dem J ten Verbraucher benötigten Ozons im Zeitpunkt T mit (Q.)._. wie in Fig. 4 angegeben, so ist die Ozonmenge (Q )._. , die von allen M Verbrauchern im Zeitpunkt t benötigt wird, durch folgende

Gleichung ausgedrückt ,,

Die M Ozonverbraucher können alle dieselbe Kapazität haben und von derselben Art sein oder können auch verschieden Kapazität haben und unterschiedlich aufgebaut sein, wie dies bei Stickoxidbeseitigungsanlagen von Rauchgasen oder der Behandlung von organischen Abwässern der Fall ist. Wo der Ozonbedarf (Q.). . wie in Fig. dargestellt, als Funktion über der Zeit vorgegeben ist, läßt sich der Ozonbedarf des j ten Verbrauchers im Zeitpunkt t berechnen, indem t in der Funktion ersetzt wird oder bestimmt wird nach dem Polygonalzug-Annäherungsverfahren, wonach die Kurve in kleine Inter-

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valle Z\ t unterteilt wird, wie in Fig. 5 dargestellt. In den Bereichen, in denen sich die Last nicht ändert, d.h. dort, wo der Ozonbedarf konstant ist, ist es möglich, die Einstellung von Hand vorzugeben und die jeweilige Bedingung für höchsten Wirkungsgrad zu berechnen. Ein anderes System der Steuerung für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad ist möglich, wenn das Ergebnis der Behandlung durch den Ozonverbraucher unter den Betriebsbedingungen, die im Zeitpunkt t herrschen, festgestellt wird und dieses Ergebnis zur Berechnung für die im nächsten Zeitaugenblick (t + /\ t) zuzuführende Ozonmenge benützt wird, die dann erhöht oder erniedrigt

M
wird um 2] _öq . Genauer gesagt wird nach diesem System die

0=1 d

zu jedem Verbraucher 3 zuzuführende Ozonmenge im Zeitpunkt t des Betriebsbeginns bestimmt zu (Q)._., das Steuerprogramm wird dann von Hand in derselben Weise eingestellt wie die Handeinstellung des Ozonbedarfs unter der oben beschriebenen Betriebsbedingung für hohen Wirkungsgrad, und der optimale Wert der von jedem Ozonerzeugermodul hervorzubringenden Ozonmenge wird durch den Algorhythmus für die Steuerung des Betriebs mit hohem Wirkungsgrad berechnet, um nach dem Berchnungsergebnis zu steuern. Gleichzeitig wird der gesamte Ozonbedarf ü (Q.)+. +. = (Q„).i-_+. nach den eingestellten

_# 3 z-v ο τ-τ,

Werten der einzelnen Verbraucher verteilt, und das Behandlungsergebnis wird mit Detektoren überwacht, die in den Verbrauchervorrichtungen vorgesehen sind. Das festgestellte Ergebnis wird dem Ozonisiersteuersystem 2 im Time-Shar ing-Verfahren unter Verwendung e^nes Multiplexsystems zugeführt. Das Steuersystem vergleicht analog oder digital den Steuermengeneingang mit einem vorgegebenen Soll-

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wert der Steuermenge, um auf diese Weise den absoluten Wert und das Vorzeichen einer Differenz oder Abweichung festzustellen. Ist eine bekannte funktioneile Abhängigkeit zwischen der Abweichung und der Ozonmenge vorhanden, die nötig ist, um sich dem Sollwert zu nähern, dann wird die Ozonmenge ( Z^. Q-)_t__t» um die vergrößert oder verkleinert werden muß, mit Hilfe des absoluten Wertes der berechneten Abweichung und der Richtung der Abweichung bestimmt werden. Daraus kann die im nächsten Zeitpunkt (t + /\t) , in dem der Betriebszustand geändert wird, zu erzeugende und zuzuführende Ozonmenge durch folgenden Ausdruck bestimmt werden

Diese Gleichung wird berechnet nach dem Algorhythmus der Steuerung für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad, um die laufenden Bedingungen jedes Ozonerzeugermoduls und der Hilfsgeräte im Zeitpunkt t = t + y\ t wie auch die Verteilungsbedingungen im Ozonverteiler zu bestimmen.

Fig. 6 zeigt einen Flußplan für den Steuervorgang des Steuersystems 2 für das Ozonerzeugersystem 1. Die Vorgänge, die der Flußplan zeigt, sind in der Speichervorrichtung 21 als Programm gespeichert. Die Einstellvorrichtung 20 für den Betrieb mit hohem Wirkungsgrad bestimmt entweder ein Handeinstellsystem für den Ozonbedarf, ein laufendes System zur Bestimmung des Ergebnisses der Ozonbehandlung oder ein Programmablaufsystem als dasjenige, mit dem der Vorgang

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AS

gesteuert wird. Aufgrund dieser Bestimmung arbeitet die Berechnung des Zentralprozessors 24 und der Einheit 22 für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad und berechnet von Zeit zu Zeit die Menge des erzeugten Ozons q., aufgeteilt auf die einzelnen Module, die von dem jeweiligen Verbraucher 3 benötigte Ozonmenge Q. und die gesamte Ozonmenge Q , die vom gesamten System erzeugt wird, und ruft Steuersignale hervor, die der Energiesteuertafel 23 zugeführt und dort in Signale umgewandelt werden zur Einstellung des Leistungszustands der verschiedenen Maschinen und Apparaturen des Ozonerzeugersystems. Diese Steuersignale werden an die Verteilertafel 17 für elektrische Leistung weitergeleitet. Daraufhin verteilt diese Verteilertafel 17 die Steuersignale an den Transformator 14, die Gasverteilereinrichtung 15 und die Rückkühlvorrichtung 16, wodurch der Verteiler 11 Ozon an die verschiedenen Verbraucher entsprechend ihrem Bedarf verteilt.

Vorstehende Erläuterung stellt einen Überblick über das erfindungsgemäße Steuersystem dar. Die Einzelheiten der einzelnen Elemente werden nun in Verbindung mit den Fig. 8A, 8B und 9 beschrieben.

Das Ergebnis der Ozonbehandlung durch die Ozonverbraucher 3 (j=1, j=2, j = 3) ist in den Fig. 8A und 8B mit Sensoren 101 festgestellt, und die Ausgangswerte dieser Sensoren werden durch Verstärker 102 verstärkt, von Filtern 103 gefiltert und dann einem Multiplexer 104 zugeführt, der unter der Steuerung eines Kanaladress-Signals vom Zentralprozessor 24 ein Datensignal erzeugt auf Timesharring-Grundlage, das einem Analog-Digitalwandler 106 über einen Probenentnahme/Haltekreis 105 zugeführt wird, der durch ein Probenentnahme/Haltesteuersignal gesteuert wird, daß vom

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Zentralprozessor 24 zur Erzeugung eines Signals P zugeführt wird. Dieses Signal kommt zu einer Subtrahiervorrichtung 107, in der die Abweichung Z!\ = K - β berechnet wird, wobei K den Bezugs- oder Sollwert der Ozonbehandlung darstellt. Der Ausgang der Subtrahiervorrichtung 107 wird einem Ozonmengenwandler 108 zugeleitet, in dem eine Umwandlung ( Z\ Q.). . = C χ /^ vorgenommen wird. Der Ausgang des Ozonmengenwandlers 108 wird einer Addierschaltung 109 zugeleitet, in der eine Berechnung

durchgeführt wird. Ein Ubertragungsgateschaltkreis G.. für die Steuerübertragung für hohen Wirkungsgrad im Betriebsablauf ist vorgesehen, der mit Hilfe eines Steuerartenübertragungssignals gesteuert wird, das vom Zentralprozessor 24 ausgesendet wird, um den Ausgangswert der Addierschaltung 109 oder das Signal (Q.).. von einem Handdateneinsteller 110 in einer Primärspeichervorrichtung 111 zu speichern, deren Ausgang der Addiervorrichtung 109 und der Betriebseinheit 22 für Betriebsablauf mit hohem Wirkungsgrad zugeführt wird. Diese Einheit 22 verarbeitet die aus der Speichervorrichtung 21 ausgelesenen Daten und die Primärdaten und liefert das verarbeitete Datensignal an eine Ubertragungsgateschaltung für die laufende Betriebsart G_ weiter, die auf die Steuerung eines Ubertragungssignals für die laufende Betriebsart, das vom Zentralprozessor 24 ausgesendet wird, hin entweder die Ausgangsgröße von der Betriebseinheit 22 für laufenden Betrieb mit hohem Wirkungsgrad oder Signale (Q )_t=t> (Q)_t=t und (q.)._. an die Leistungssteuertafel 23 abgibt. Die Leistungssteuertafel 23 enthält ein Pufferregister 112 und erzeugt unter der Steuerung

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des Zentralprozessors 24 ein Steuersignal S1 für die Eingabegaszuführung, ein Steuersignal S2 für die Kühlung dieses zugeführten Gases, ein Steuersignal S3 für die Steuerung der Kühlwassermenge von (Q )._., ein Steuersignal S4 als Ozonverteilerwert (Q)..,

O t~t J t—t

ein Steuersignal S5 für die Modulentladespannung, ein Steuersignal S6 für die Kühlwassermenge eines Moduls und ein Steuersignal S7 von (qj.). _t zum öffnen des Zuführgasverteilerventils. Der Zweck dieser Steuersignale wird später in Verbindung mit Fig. 9 noch erläutert.

Wie diagrammartig in den Fig. 8A und 8B dargestellt, weist die Betriebseinstellvorrichtung 20 für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad einen Handdateneinsteller 110 auf, der Umschalter 115 enthält zum Einstellen der Signale (Q_Q)_t=t, (_Qj,_t=t und (^) _t=t> einen übertragungsschalter 113 zum Anwählen der Ozonerzeugermodule, der Ozonverbraucher und der Ozongesamtmenge (Q )±. ₌ ±.' ^e^-^nen Digitalschalter 114, um die jeweilige Nr. des Ozonerzeugermoduls oder des Ozcnverbrauchers einzustellen, und einen Kippschalter 115 zum Einstellen der Gasmenge. Ferner ist eine Anlagenanzeige-tafel 116 vorhanden mit einer Anzahl von Kippschaltern 117 für die Ozonerzeugermodule und die Ozonverbraucher, einem Programmstartzeiteinsteller 118, der mit dem Zentralprozessor 24 verbunden ist, und einer Anzahl von Kippschaltern 119 zum Einstellen der Stunden und Minuten. Mit dem Zentralprozessor 24 ist ein Taktimpulsgenerator 25 verbunden. Ein Einsteller 120 für die Steuerart des Betriebs mit hohem Wirkungsgrad dient zum Einstellen eines Programmbetriebes, eines Handbetriebes und eines Ergebnismeßbetriebs und ist mit dem

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Steuerarteneingang des Zentralprozessors 24 verbunden. Ein Einsteller 121 für die Betriebsart dient zum Einstellen der Art des Betriebs mit hohem Wirkungsgrad oder der Art mit konstanter Belastung und ist mit dem Betriebsarteneingang des Zentralprozessors 24 verbunden. Ferner ist eine Betriebssteuertafel 22 mit Start- und Stopptaste und eine Tafel 123 für die Steuerquelle vorgesehen.

Fig. 9 läßt erkennen, daß das Ausgangsgas, im vorliegenden Falle Luft, einem Kompressor 150 über ein Filter 149 zugeleitet wird. Die kompremierte Luft wird dann in einem Luftkühler 151 gekühlt, dem von einem Kühlaggregat 152 ein Kühlmittel, z.B. Salzsole, zugeleitet wird, und die so gekühlte Luft gelangt dann in die parallel geschalteten Ozonerzeugermodule 10 (i = 1, i = 2....i=N) über Trockner 153, ein Druckregulierventil 154 und Verteilerventile V3, V4 und V5. Jedes Modul 10 enthält ein Glasrohr 155 und eine Entladeelektrode 156, die an die Sekundärwicklung eines Spannungsstellbahnentransformators 14 angeschlossen ist. Im vorliegenden Beispiel wird die Sekundärspannung des Transformators 14 mit Hilfe eines Spannungseinstellers 157 eingestellt, der etwa ein Induktionsregler oder ein auf der Primärseite angeordneter Anzapfungsumschalter sein kann. Das von einzelnen Ozonerzeugermodulen

10 erzeugte Ozon wird in einem Tank 160 in der Ozonsammeieinrichtung

11 gesamm-elt und dann zu den Ozonverbrauchern 3 (j=1, j=2, j=3) geleitet über Ventile V9, V1O und V11. Spülwasser zirkuliert vom Wasserkühlturm 161 zum Kompressor 150, dem Kühlaggregat 152, den Trocknern 153 und den Ozonerzeugermodulen 10, wofür zur Steuerung Ventile V1, V2, V6, V7 und V8 dienen. Steuersignale S1 bis S7,

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die in der Steuertafel 23 erzeugt werden, werden nach folgender Tabelle benützt.

Tabelle

Steuer- gesteuertes Objekt

signal

51 Kompressorantriebsmotor M1 Kühlwasserventil V1 für Kompressor 150

52 Kühlmittelkompressorantriebsmotor M2 Solepumpenantriebsmotor M3 Kühlwasserventil V2 für Kühlmittelaggregat

53 Kühlgebläseantriebsmotor M4 für Wasser Kühlturm 161

Antriebsmotor M5 für Kühlwasserumlaufpumpe

54 Verteilerventile V9, V10, V11 für Ozonverbraucher

55 Primärspannungseinsteller 117 des Spannungsstelltransformators 14 für Ozonerzeugermodule 10

56 Kühlwasserventile V6, V7, V8 der Ozonerzeugermodule

57 Luftverteilerventile V3, V4, V5 für Ozonerzeugermodule

Der Steuerablauf der vorstehenden Tabelle erfolgt nach Maßgabe der Steuertafel 23 in Fig. 1.

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Mit der Erfindung wird also ein neues Steuersystem für eine Ozonerzeugeranlage geschaffen, mit dessen Hilfe die Anlage mit einem minimalen Energieaufwand betrieben werden kann, wozu, wenn die Belastung der Ozonerzeugereinrichtung schwankt, z.B. die Last am Generator eines Dampfkraftwerkes und damit die Menge des Abgases oder die Anteile an Stickoxid darin des Kraftwerkskessels, da erfahrungsgemäß das Abgas des Kessels verhältnismäßig zur Generatorlast schwankt, oder z.B. die Menge an organische Substanzen enthaltenden Abwässern oder die BOD -Konzentration von Abwasser, wird eine Steuergröße, die sich mit der Zeit ändert, als Größe zur Durchführung eines Programmablaufs des Ozonbehandlungssystems benutzt, um damit eine Energieeinsparung zu erzielen. Es ist möglich, auf diese Weise die Betriebskosten der Ozonbehandlungsanlage und damit die Kosten für das erzeugte Ozon zu senken. Außerdem läßt sich, da die Steuereinrichtung die Auslaßseite der Gesamtanlage überwacht, das Ergebnis der Ozonbehandlung dazu benutzen, nicht nur Energie einzusparen sondern auch die Menge an schädlichen Stoffen, die im Rauchgas oder im Abwasser enthalten sind, unterhalb eines bestimmten Grenzwertes halten. Da Ozon eine sekundär verunreinigende Substanz ist, d.h. ein oxidierender Stoff, der die Atmosphäre belastet, oder mit anderen Worten eine photochemische atmosphärische Belastung, ist es erforderlich, Anlagen anzufügen, um austretendes Ozon in einem Ozonverbraucher zu behandeln, z.B. eine Rauchgasanlage zur Beseitigung des Stickstoffs, zum Zerlegen von Ozon, das daraus entweicht, ohne daß die gewünschte Reaktion abgelaufen ist. Wird eine Ozonerzeugeranlage, die stets eine konstante Ozonmenge erzeugt, dort eingesetzt, wo die Belastung mit der Zeit Veränderungen unterliegt, ist es er-

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forderlich, auf der Abgabeseite dieser Behandlungseinrichtungen austretendes Ozon wiederum zu behandeln und diese zusätzliche Anlage mit einer solchen Kapazität auszulegen, daß sie die maximal auftretende Ozonmenge auf der Abgabeseite zu verarbeiten vermag. Gemäß der Erfindung nun wird es möglich, die Kapazität der Ozonverbraucher zu verringern und den Betriebswirkungsgrad zu erhöhen, da die Ozonisiereinrichtung gesteuert wird und eine solche Menge von Ozon erzeugt wird, daß die aus dem Verbraucher endseitig austretende Ozonmenge klein und konstant ist.

Die Beziehung zwischen der Kapazität von Einheitsozonisiereinrichtungen und den Baukosten je Einheitskapazität ist in der Fig. 7 dargestellt. Es ist danach also möglich, eine Ozonisieranlage mit einer gewünschten Kapazität zu schaffen, in dem Einheitsozonisiereinrichtungen mit unterschiedlichen Kapazitäten q ,

el

q. ....q kombiniert werden, wie dies Fig. 7 nahelegt. Da außerdem die Ozonisiereinrichtung aus Modulen hergestellt wird, läßt sich der Ausnutzungsfaktor der Gesamtanlage günstiger gestalten als in konventionellen Anlagen mit einem einzigen, die Gesamtkapazität aufweisenden Ozonisiergerät, obgleich der hohe Wirkungsgrad auch im Betrieb mit Teillast aufrechterhalten werden kann. Es läßt sich also die Ozonisieranlage bei einer Ausbildung gemäß der Erfindung stets mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben.

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Fig. 1:

1. Ozonerzeugeranlage

2. Steuersystem

3. Ozonverbraucher

10. Ozonerzeugermodul

11. Ozonverteiler

13. Frequenzwandler

14. Transformator

15. Ausgangsgasverteiler

16. Kühlvorrichtung

17. Leistungsverteilertafel

20. Einsteller für laufenden Betrieb mit hohem Wirkungsgrad

21. Speicher

22. Operationseinheit für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad

23. Leistungssteuertafel

24. Zentralprozessor

25. Taktimpulsgenerator

Fig. 2:

Abszisse:

Spannung oder Frequenz Ordinate:

je Zeiteinheit erzeugte Ozonmenge (q)

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Fig. 3:

Abszisse:

je Zeiteinheit erzeugte Ozonmenge Ordinate:

Ozonausbeute

Fig. 4:

Abszisse:

ührzeitjbrdinate: Ozonbedarf je Zeiteinheit (Q.)

Fig. 5:¹.

Abszisse:

ührzeit Ordinate:

Ozonbedarf je Zeiteinheit (Q.)

Fig. 7:

Abszisse:

Kapazität eines Einheitsozonerzeugers Ordinate:

Baukosten je Einheitskapazität

Fig. 6:

Ist

a) die Steuerung eine solche, die laufend das Ergebnis

der Behandlung mit Ozon überwacht? Ist

b) die Steuerung ein laufendes Programm?

c) Handeinstellung des Ozonbedarfs.

d) Ozonbedarf von Hand eingestellt.

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e) Berechne.

f) Ist ein Ausgangswert eingestellt.

g) Stelle Ozonbedarf von Hand ein. h) Berechne.

i) Lies Ozonbedarf ab.

j) Auf Leistungssteuertafel

k) siehe Figur 6B.

1) Subtrahiere das vom Detektor festgestellte Ergebnis der Ozonbehandlung vom Sollwert und berechne die Abweichung.

m) Wandle die Abweichung um in

n) Berechne.

Fig. 6B:

Wandle (q.)._. in Steuersignal für erzeugte Ozonmenge um und führe dies in die Verteilertafel 17 für elektrische Energie ein. Wandle (Q )_t=t in Steuersignal für Zuführung, Kühlung und Trocknung des Ausgangsgases um und führe dies in Steuertafel 17 für elektrische Leistungsverteilung ein. Wandle (q.)._. in Steuersignal für Verteilung des Ausgangsgases um und führe dies in Steuertafel 17 für elektrische Energieverteilung ein. Wandle (Q.).. in Steuersignal für Ozonverteilerventile V9, V1O, V11 um und führe dies in Steuertafel 17 für elektrische Energieverteilung ein.

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Fig. 8A:

20: Einsteller für laufenden Betrieb mit hohem Wirkungsgrad.

21: Speicher

24: Zentralprozessor; laufende Betriebsart; Steuerbetriebsart .

25: Taktimpulsgenerator 101: Fühler 102: Verstärker 103: Filter 1O4: Multiplexer 105: Hobenentnahme/Haltekreis 106: Analog/Digitalwandler 107: Subtrahiereinrichtung 1O8. Ozonmengenwandler 120: Einsteller für Betriebsart mit laufender Steuerung

auf hohen Wirkungsgrad; Programm; Handbetrieb; Ergebnismessung. 121: Einsteller für laufende Betriebsart; hoher Wirkungsgrad; konstant.

122: Tafel für Betriebsablaufsteuerung; Start; Stop; 123: Tafel für Steuerquelle.

a) Channel Address Signal Line, Kanaladress-Signalleitung

b) Control Mode Transfer Signal Line, Steuerartübertragungssignalleitung.

c) Sample/Hold Command Signal Line; Hoben/Halte-Steuersignalleitung.

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Fig. 8B:

22: Einheit für Betriebsablauf mit hohem Wirkungsgrad 23. Energiesteuertafel; (Q ) . Energiesteuersignal S1

für Zuführgassteuerung; Steuersignal S2 für Zuführgaskühlung; Steuersignal S3 für Kühlwassermenge. (^•)x._x. Steuersignal S4 für Ozonverteilerventil. (q.(. . Steuersignal S5 für Modulentladespannung Steuersignal S6 für Modulkühlwassermenge Steuersignal S7 für öffnen der Zuführgasverteilerventile

109: Addiereinrichtung

110: Handdateneinsteller

111: Primärspeicher

112: Pufferregister

113: Ubergabeschalter; Module; Verbraucher 114: Digitalschalter

116: Tafel für laufende Anzeige

117: Ozonerzeugermodule; Ozonverbraucher 118: Startzeiteinsteller für Programmablauf 119: Stunde; Minute

a) Running Mode Transfer Signal Line, Ubergabesignalleitung für laufende Betriebsart.

Fig. 9:

3: Ozonverbraucher
11: Ozonverteiler

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	—	Frequenzwandler	3 -*
		Kompressor	3*
13:	. Luftkühler
150	Kühlanlage
151.	. Trockner
152	: Wasserrückkühlturm
153	: Filter
161
149

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t. ,

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

( 1 ·) Steuersystem einer Ozonbehandlungsanlage, bestehend aus mehreren Ozonerzeugermodulen, von denen jedes wenigstens einen Einheitsozonerzeuger enthält und wobei das erzeugte Ozon einem oder mehreren Ozonverbrauchern zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Ozonerzeugermodulen (10) erzeugten Ozonmengen berechnet werden nach dem Mengenbedarf an Ozon in den Ozonverbrauchern (3) und daß die Arbeitsbedingungen der Ozonerzeugermodule (10) und die Zuführung des Ozons aus den Modulen zu den Verbrauchern (3) gesteuert wird in Abhängigkeit von der berechneten Ozonmenge, wie sie in den Ozonerzeugermodulen erzeugt wird.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen spannungsstellbaren Transformator (14) zur Energiespeisung der Ozonerzeugermodule (10) und von der vom Rechner bestimmten Ozonmenge abhängige Mittel, die die Größe der vom spannungsstellbaren Transformator (14) abgegebenenSpannung variieren.
3. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ventile (76, V7, V8 )zur Verteilung des Zuführgases unter den Ozonerzeugermodulen (10) und Mittel, die abhängig von der vom Computer be-

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- 2-ORIGINAL INSPECTED

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stimmten Ozonmenge die Ventile steuern.
4. Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen, durch die Kühlmedium durch die Ozonerzeugermodule (10) zirkuliert und eine Steuereinrichtung dieser Mittel in Abhängigkeit von den vom Computer berechneten Ozonmengen.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Kühlen und Trocknen des Zuführgases, das den Ozonerzeugermodulen (10) in Abhängigkeit von den vom Computer berechneten Ozonmengen zugeführt wird.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ozonerzeugermodul mehrere Einheitsozongeneratoren mit unterschiedlicher Kapazität aufweist.
7. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Ozonverbrauchern (3) mit dem Ozonerzeugersystem (1) über einen Ozonverteiler (11) verbunden sind und daß das Steuersystem einen Einsteller (20) für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad
aufweist mit Mitteln zum Umschalten zwischen Steuerung mit hohem Wirkungsgradbetrieb und Konstantlastbetrieb, Mitteln zum Einstellen der erzeugten Ozonmenge auf ein vorbestimmtes Programm und Mitteln zum Einstellen der benötigten Ozonmenge von den Ozonverbrauchern (3), daß ein Speicher (21) zum Speichern des Ablaufprogramms für hohen Wirkungsgrad, der Informationen bezüglich der benötigten Ozonmenge von den Ozonverbrauchern und der Ausbeute der einzelnen Ozon-

-3-

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erzeugermodule vorhanden ist, daß eine Einheit für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad vorgesehen ist mit Mitteln zur Berechnung der von den Ozonverbrauchern (3) benötigten Ozonmenge in Abhängigkeit vom Betriebsprogramm mit hohem Wirkungsgrad, Mitteln zur Berechnung der von den einzelnen Ozonerzeugermodulen zu erzeugenden Ozonmenge in Abhängigkeit vom Betriebsprogramm mit hohem Wirkungsgrad, so daß eine optimale Ozonmenge an die einzelnen Ozonerzeugermodule verteilt wird, Mitteln zur Berechnung der laufenden Bedingungen der einzelnen Ozonerzeugermodule aufgrund der verteilten Ozonmenge zwischen den einzelnen Ozonerzeugermodulen und Mitteln zur Berechnung der Betriebsbedingungen des Ozonverteilers (11) aufgrund des Gesamtozonbedarfs der Ozonverbraucher (3), und daß ein Zentralprozessor (24) vorhanden ist, der mit dem Einsteller für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad (20), dem Speicher (21) und der Einheit für laufenden Betrieb mit hohem Wirkungsgrad operativ verbunden ist zur Steuerung der Eingänge und Ausgänge.
8. Steuersystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gasverteiler (15) für das Zuführgas unter die einzelnen Ozonerzeugermodule (10), Mittel, um ein Kühlmedium durch den Gasverteiler (15) und die Czonerzeugermodule (10) zirkulieren zu lassen, und vom Ausgang des Zentralprozessors (24) abhängige Mittel zum Steuern des Gasverteilers (15) und der Kühlmittelzirkuliereinrichtung.
9. Steuersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebseinheit für hohen Wirkungsgrad Mittel zum Berechnen der Betriebsbedingungen des Gasverteilers (15) und der Kühlmittel-ZIRKULIEREINRICHTUNG (16) enthält.

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