ES2387853B1 - Generador de pulsos de energización para un electrofiltro. - Google Patents

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Abstract

Generador de pulsos de energización para un electrofiltro.#Constituye una alternativa para la depuración de gases de combustión procedentes de grandes centrales térmicas de carbón mediante la generación de plasma no térmico, permitiendo salvar la limitación del control eficaz del perfil de los pulsos, destacando fundamentalmente porque comprende una pluralidad de módulos (2) iguales, cada uno de los cuales comprende: un enlace (3) de continua que almacena energía para su transmisión en forma de pulso a un transformador (5) de salida; un interruptor (4) que controla el flujo de corriente por dicho módulo (2) para crear el pulso; y un transformador (5) de salida cuyo primario está conectado al enlace (3) de continua para transmitir el pulso, y donde los secundarios de los transformadores (5) de salida de todos los módulos (2) están conectados en serie, generándose un pulso final resultante que es la suma de los pulsos individuales de cada uno de los módulos (2).

Description

GENERADOR DE PULSOS DE ENERGIZACIÓN PARA UN ELECTROFlLTRO
OBJETIVO DE LA INVENCiÓN
El objeto de la invención es un generador de pulsos adecuado para su combinación con una fuente de tensión de base continua para energizar un electrofiltro.
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
Los electrofiltros son equipos que se utilizan para capturar agentes contaminantes presentes en una corriente gaseosa, como por ejemplo gases efluentes procedentes de grandes instalaciones de combustión de carbón para producción de energía eléctrica. La tecnología más frecuentemente utilizada en las centrales térmicas actuales está basada en la generación de descargas eléctricas de plasma no térmico en el seno del gas a tratar. Estas descargas de plasma generan, a partir de las moléculas presentes en el gas, radicales libres que se comportan como excelentes agentes oxidantes, reaccionando posteriormente con los óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y metales libres para dar como resultado especies con un estado más oxidado y, por ello, más fáciles de capturar.
Actualmente, los métodos de producción de plasma más utilizados para el abatimiento de contaminantes atmosféricos son los métodos de descarga corona. Éstos, a su vez se pueden clasificar en función de la naturaleza de la fuente de producción de la descarga corona, siendo los más utilizados para electrofiltros aquellos que producen una alta densidad de plasma: la descarga barrera y la generación de pulsos.
Los sistemas de descarga barrera son los más utilizados tradicionalmente para la generación de plasma no térmico en aplicaciones de oxidación sobre pequeños caudales, debido a la alta concentración de plasma que generan y a que producen electrones con temperaturas moderadas. Han sido utilizados con éxito en la esterilización de aire y de productos de la industria alimentaria y en la oxidación de gases de combustión de automóviles.
Por otro lado, los sistemas de generación de pulsos, conocidos como "plasma pulsed corona power systems" (PPCP), presentan la ventaja de que pueden ser implementados directamente sobre los electrodos de un electrofiltro
convencional basado en la aplicación de una tensión continua, transformándolo en un reactor de generación de plasma y captura de contaminantes sin
necesidad de instalar un equipo adicional. Estos equipos pueden tratar
elevados caudales de gas, pero tienen el inconveniente de requerir un sistema
de energización capaz de generar pulsos de muy alto potencial y muy corta amplitud. La idea principal consiste en superponer a una tensión de base
continua proporcionada por una fuente OC una serie de pulsos de corta
duración con el objeto de mejorar la eficiencia del precipitador.
La energización mediante pulsos presenta una serie de ventajas que justifican su uso en determinadas aplicaciones pese a que requiera una inversión inicial considerable. En primer lugar, es posible controlar la corriente media entregada al precipitador sin tener que modificar el valor de la tensión; sencillamente se incrementa o disminuye la frecuencia de aparición de los
pulsos. Este hecho permite mantener el valor de la corriente por debajo del
umbral de aparición del efecto Back Corona, sin tener que reducir la tensión
aplicada. En segundo lugar, la corta duración de los pulsos permite que su
valor de pico sea muy elevado sin que aparezcan arcos eléctricos. Estas dos
caracteristicas juegan a favor de la eficiencia del equipo cuando se trabaja con contaminantes altamente resistivos, que requieren la aplicación de un voltaje
muy alto para ser ionizados. Además, a diferencia de lo que sucede en precipitadores energizados únicamente con una tensión de base continua, donde las descargas corona tienden a aparecer en puntos aislados en el
electrodo de descarga, la superposición de pulsos estrechos sobre una tensión
de base consigue que la tensión máxima alcanzada exceda sobradamente a la necesaria para que se produzca la descarga corona, y por lo tanto ésta aparecerá de forma mucho más uniforme en el electrodo. La corriente estará entonces mejor distribuida por todo el espacio, evitándose la formación de
puntos de alta densidad de corriente que propician la aparición local del efecto Back corona.
Como se ha mencionado, la mayoría de los precipitadores actuales emplean únicamente una fuente de base de continua como sistema de energización. La Fig. 1 muestra un esquema eléctrico básico de una fuente de
base de continua convencional formada por dos tiristores conectados en
antiparalelo a la entrada para controlar la potencia entregada al precipitador. La corriente que dejan pasar los tiristores llega hasta un transformador elevador,
donde se eleva hasta el nivel deseado. A continuación, un rectificador de
diodos transforma la corriente alterna en corriente continua, que será aplicada
a los electrodos del precipitador.
Por otro lado, el esquema básico actualmente utilizado para la energización mediante pulsos se muestra en la Fig. 2, Y comprende fundamentalmente tres elementos:
una fuente de tensión OC que proporciona la tensión de base,
un circuito generador de pulsos, que puede estar implementado de diferentes formas dependiendo de las características del pulso deseadas,y un módulo de control, que dependiendo de las consignas externas y del estado de los módulos anteriores y del precipitador, ajustará tanto el valor de la tensión base, como la amplitud y frecuencia de los pulsos.
Sin embargo, ninguno de los generadores de pulsos existentes
actualmente alcanzado el grado de madurez suficiente para adaptarse a las necesidades de la industria. Las características del pulso superpuesto a la tensión de base continua dependerán en gran medida de la tecnología
empleada en el generador de pulsos. Asi por ejemplo, será dificil conseguir
pulsos de muy corta duración con dispositivos cuya frecuencia de operación esté limitada, al igual que será difícil conseguir valores elevados de tensión si los aislamientos de que se disponen no están convenientemente dimensionados, o valores elevados de corriente si los dispositivos existentes no están diseñados para soportar dichos valores sin fundirse.
Actualmente existen fundamentalmente dos alternativas para generar los
pulsos. La primera alternativa consiste en generar los pulsos a unos valores
moderados de tensión, para luego transmitirlos a los electrodos mediante un
transformador de pulsos, que eleve su tensión hasta el valor deseado. El generador de pulsos con transformador permite conmutar a bajos niveles de
tensión, con lo que las exigencias en dispositivos interruptores, así como en
aislamientos se ven reducidas. Por el contrario, los dispositivos tendrán que
soportar valores más elevados de corriente, puesto que ésta se verá reducida
por la relación de transformación del transformador. Adicionalmente, esta
solución es más voluminosa, y más pesada que la alternativa sin transformador, además de ser económicamente menos favorable. La Fig. 3a muestra un esquema eléctrico general de un generador de pulsos de este tipo.
La segunda alternativa consiste en generar los pulsos directamente en alta tensión, con lo que se evita la inclusión de un transformador de alta tensión. Esto implica que todos los equipos han de estar preparados para conmutar altos valores de tensión, con las exigencias de aislamiento que eso conlleva. El interruptor de alta tensión generalmente consiste en un elevado número de tiristores conectados en serie, con un diodo antiparalelo, que tendrán que ser disparados simultáneamente. La Fig. 3b muestra un esquema de generador de pulsos DC sin transformador.
La mayor parte de los generadores de pulsos actuales utilizan tiristores como dispositivos de conmutación. Debido a que los tiristores son dispositivos de conmutación relativamente lenta, los pulsos obtenidos rara vez tienen una
duración inferior a 50-1 00 ~s. Además, los generadores de pulsos que
actualmente se comercializan presentan características fijas en cuanto a capacidad de almacenamiento de energía, tensión de pico y corriente de pico, y por tanto son difíciles de actualizar en caso de que cambiasen las propiedades
del gas a tratar en el precipitador. Adicionalmente, un generador de pulsos de
uso industrial debe cumplir también requerimientos relativos al consumo de energía, eficiencia de transferencia de energía, vida útil y coste.
En consecuencia, existe aún la necesidad de desarrollar un generador
de pulsos adecuado para su uso a nivel industrial.
DESCRtPCIÓN DE LA tNVENCtÓN
La presente invención describe un generador de pulsos OC adecuado para su conexión a la fuente de tensión de base continua convencional de un electrofiltro, consiguiéndose asi una alternativa para la depuración de gases de combustión procedentes de grandes centrales térmicas de carbón mediante la generación de plasma no térmico. El generador de pulsos de la invención se basa en un desarrollo innovador consistente en numerosos dispositivos electrónicos de disparo de última generación en paralelo, consiguiéndose resultados prometedores para salvar la limitación del control eficaz del perfil de los pulsos.
La topologia propuesta se basa en el uso de dispositivos semiconductores IGBTs o MOSFETs utilizando la topologia de inductive adder
o sumador inductivo. Esta topologia aporta soluciones para parte de los problemas que se encuentran en la topología de switch stack utilizada en la técnica anterior, a costa de introducir un transformador. La idea fundamental es construir la forma de onda final mediante la superposición de las tensiones de salida de varios módulos independientes. Asi por ejemplo, la superposición de 50 módulos de generación de pulsos de 1 kV sirve para obtener pulsos de 50 kV.
Una ventaja de este novedoso generador de pulsos es que cada módulo
contiene todos los elementos necesarios para contribuir con su parte
correspondiente al pulso final de forma independiente de los demás. De esta
forma, bastará con añadir o quitar módulos para aumentar o disminuir la
amplitud de los pulsos de salida sin necesidad de modificar ningún otro
elemento. Esto permite modular fácilmente las características e intensidad de los pulsos para ajustarlas al tratamiento de contaminantes diferentes manteniendo altos rendimientos de captura, dotando así al generador de una
gran versatilidad.
Por tanto, la invención describe un generador de pulsos de energización
de un electrofiltro para la limpieza de gases contaminantes que está formado por una pluralidad de módulos iguales, cada uno de los cuales comprende:
a) Un enlace de continua que almacena energía para su transmisión
en forma de pulso.
b) Un interruptor implementado mediante un semiconductor de
potencia, preferentemente un IGBT, que está encargado de permitir o
interrumpir el flujo de corriente por el circuito para crear el pulso.
c) Un transformador de salida cuyo primario está conectado al
enlace de continua. Es responsable de transmitir el pulso a la línea de
salida, haciendo posible que los efectos de todos los módulos se sumen para alcanzar el pulso final deseado. Además, proporciona aislamiento galvánico entre los módulos y la tensión de salida.
Para combinar los pulsos de todos los módulos, los secundarios de los transformadores están conectados en serie, superponiéndose así los pulsos creados para obtener el pulso deseado. La Fig. 4 muestra un esquema simplificado de la estructura del generador de pulsos de la invención donde se
aprecian los diferentes módulos que lo componen y cómo están conectados unos con otros. En el caso representado donde el generador de pulsos está
formado por cuatro módulos, a la salida del generador de pulsos se obtiene una
tensión de aproximadamente 4 veces Vchg. que es la tensión del enlace de continua de cada módulo individual.
Una importante ventaja de la invención está relacionada con la sincronización de los pulsos, que constituye un aspecto muy importante para
conseguir un pulso escarpado a la salida. Una falta de sincronización con los
generadores empleados en la técnica anterior podría provocar daños al equipo, mientras que en el sistema de la invención únicamente daría lugar a una forma
de onda escalonada a la salida. Además, en comparación con otras topologías,
las señales de disparo de los interruptores son todas relativas a la misma
referencia, puesto que el transformador de salida de los módulos proporciona el aislamiento galvánico necesario para que los pulsos puedan superponerse a la salida.
Este novedoso generador de pulsos es adecuado para su conexión a las fuentes de base de continua empleadas en electrofiltros convencionales actuales, obteniéndose así de un modo sencillo y rápido un sistema de energización cuya forma de onda es la suma entre la tensión de base continua
preexistente y los pulsos del generador, aunque evidentemente otra posibilidad es la construcción de dicho sistema de energización al completo. En cualquiera de los dos casos, la conexión entre la fuente de base de continua y la fuente de
pulsos se puede llevar a cabo en serie o en paralelo.
En consecuencia, la aplicación del generador de pulsos descrito tanto a electrofiltros convencionales instalados en plantas existentes como en equipos
•
de nueva construcción, da lugar a un sistema de control multicontaminante alternativo a los sistemas de control individualizado convencionales, que se caracterizan por presentar mayores costes de inversión y operación y claras dificultades para su aplicación en instalaciones existentes, dando respuesta a las nuevas exigencias legales en materia de emisiones.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
La Fig. 1 muestra un esquema de una fuente de tensión de base continua utilizada en precipitadores según la técnica anterior.
La Fig. 2 muestra un esquema general de un sistema de energización con
generador de pulsos conocido en la técnica.
Las Figs. 3a y 3b muestran sendos esquemas de generadores de pulsos
respectivamente con transformador y sin transformador.
La Fig. 4 muestra un esquema simplificado del generador de pulsos de la
invención.
La Fig. 5 muestra un esquema más detallado de un ejemplo de
generador de pulsos de la invención.
La Fig. 6 muestra un esquema más detallado de un ejemplo de fuente de base de continua conectable al generador de pulsos de la Fig. 5.
Las Figs. 7a y 7b muestran esquemas que muestran el control de la
aparición de arco en la fuente de base continua de la Fig. 6.
La Fig. 8 muestra un sistema de energización formado por una fuente de
base de continua conectada en serie con un generador de pulsos.
La Fig. 9 muestra un sistema de energización formado por una fuente de
base de continua conectada en paralelo con un generador de pulsos.
REALIZACiÓN PREFERIDA DE LA INVENCiÓN
Se describe a continuación un ejemplo de la invención haciendo referencia
a las figuras 5-9, que muestran un ejemplo detallado de un sistema de energización de electrofiltros formado por un generador según la invención.
La Fig. 5 muestra un esquema ya más detallado de uno de los módulos (2) que constituyen el generador (1) de pulsos de la invención. Se puede apreciar cómo el interruptor (4), que en este ejemplo es un IGBT, está conectado al enlace de continua (3) formado por un condensador. A su vez, el enlace de continua (3) está conectado al transformador (5) de salida. Además de estos elementos, se han representado también en esta figura algunos elementos auxiliares necesarios para el correcto funcionamiento del módulo.
Por ejemplo, se muestra un circuito de protección (6, 7) formado por dos ramales conectados a ambos lados del enlace de continua (3). Un primer ramal
(6) está conectado en paralelo al interruptor (4), y está formado por un
condensador en serie con una resistencia dispuesta en paralelo con un diodo.
Un segundo ramal (7) está conectado en paralelo al primario del transformador (5), y está formado por un diodo zener dispuesto en serie con un diodo.
La Fig. 6, por otro lado, muestra un esquema de una fuente de base de continua (10) adecuada para su conexión al generador (1 ) de pulsos anterior. El circuito utilizado es equivalente al mostrado en la Fig. 2 de la técnica
anterior, y está formado por dos tiristores conectados en antiparalelo a la entrada para controlar la potencia entregada al precipitador. La corriente que
dejan pasar los tiristores llega hasta un transformador elevador, donde se eleva hasta el nivel deseado. A continuación, un rectificador de diodos transforma la
corriente alterna en corriente continua, que será aplicada a los electrodos del
precipitador.
Este esquema permite además controlar el fenómeno de sparking, que consiste en la aparición de arcos eléctricos a través del aire en el precipitador, cerrándose e l circuito eléctrico y por tanto permitiendo el paso de la corriente a
través del aire. La tensión que se aplique a los electrodos del precipitador
deberá ser tal que mantenga el número de arcos eléctricos por debajo de un determino valor por minuto. En este ejemplo, se monitoriza la corriente del primario y, en caso de que ésta supere un cierto valor configurable, se interpreta que ha ocurrido un arco y se corta la alimentación durante un tiempo también configurable. Pasado dicho tiempo, se arranca de nuevo la fuente de continua (10) con una tensión de referencia inferior a la que existía cuando ocurrió el arco. Si, llegado a dicho tensión, no se produce ningún arco durante
un intervalo de tiempo configurable, la fuente (10) intentará aumentar la tensión de referencia hasta que consiga un punto de operación de máxima tensión sin spark. Esto se muestra en la Fig. 7a, donde se observa cómo la tensión va aumentando durante el arranque hasta que se detecta un arco. En ese momento, la fuente de base continua (10) desconecta la tensión y espera un tiempo para volver a aumentar la tensión de salida. Si no vuelve a producirse
un arco, se alcanzará el valor de referencia introducido.
La Fig. 7b, por otro lado, muestra un procedimiento de control en caso de que se produzcan arcos de modo continuado cuando se alcanza la tensión de referencia. En este caso, a partir de un número de arcos consecutivos dentro de un determinado intervalo de tiempo, la tensión de referencia se actualiza a un valor inferior. Pasado un tiempo de funcionamiento con la nueva tensión de referencia, se intenta de nuevo alcanzar la tensión de referencia inicial.
Por último, las Figs. 8 y 9 muestran dos sistemas de energización formados por una fuente de base de continua (10) Y un generador (1) de pulsos formado por tres módulos conectados respectivamente en serie y en paralelo.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Generador (1) de pulsos de energización para un electrofiltro, caracterizado porque dicho generador (1) de pulsos comprende una pluralidad de módulos (2) iguales, cada uno de los cuales comprende:
    -
    un enlace (3) de continua que almacena energía para su
    transmisión en forma de pulso a un transformador (5) de salida;
    -
    un interruptor (4) que controla el flujo de corriente por dicho
    módulo (2) para crear el pulso; y
    -
    un transformador (5) de salida cuyo primario está conectado al
    enlace (3) de continua para transmitir el pulso,
    y donde los secundarios de los transformadores (5) de salida de todos los módulos (2) están conectados en serie, generándose un pulso final resultante que es la suma de los pulsos individuales de cada uno de los módulos (2).
  2. 2.
    Generador (1) según la reivindicación 1, donde el interruptor (4) comprende un IGBT.
  3. 3.
    Generador (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, donde el enlace (3) de continua comprende un condensador.
  4. 4.
    Generador (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que además
    comprende un circuito (6, 7) de protección formado por: un primer ramal (6) en paralelo al interruptor (4), formado por un
    condensador en serie con una resistencia en paralelo con un diodo; y
    un segundo ramal (7) en paralelo al primario del transformador (5),
    formado por un diodo zener en serie con un diodo.
  5. 5.
    Sistema de energización para un electrofiltro que comprende el generador (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores conectado a una fuente (10) de base continua.
  6. 6.
    Sistema según la reivindicación 5, donde la fuente (10) de base continua y el generador (1) de pulsos están conectados en serie.
  7. 7.
    Sistema O según la reivindicación 5, donde la fuente (10) de base continua y el generador (1) de pulsos están conectados en paralelo.
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