SE507673C2 - Sätt att reglera strömtillförsel till en elektrostatisk stoftavskiljare - Google Patents

Description

507 10 15 20 25 30 35 673 är den oftast förekommande störningen den renslagning av filtret som måste ske för att på utfällningselektroderna lagrat stoft skall kunna bortföras ur filtret. Vid denna renslagning ökas utsläppen tillfälligt mycket kraftigt om 2 inte speciella åtgärder vidtages.

Ett ofta mycket svårbemästrat problem uppträder när stoft med hög resistivitet skall avskiljas. Vid sådana driftsfall tvingas man ofta att arbeta med ytterst ogynn- samma driftsparametrar p.g.a. risken för partialurladdningar i det på utfällningselektroderna successivt växande stoft- skiktet. När man får partialurladdningar i stoftskiktet blir effekten bl.a. emission av laddningar och stoft från utfäll- ningselektroderna, s.k. återstrålning (eng. back corona).

För att optimera driften och minska energiförbrukningen samtidigt som avskiljningen förbättras har flera metoder för pulsmatning av strömmen till filtret föreslagits. Exempel finns i US-4,052,177 och US-4,410,849. I den först nämnda föreslås inmatning av pulser som är av storleksordningen mikrosekunder, vilket innebär att likriktarna blir mycket dyra. I den senare föreslås pulser av storleksordningen millisekunder, vilket ganska enkelt kan erhållas genom selektiv styrning av helt vanliga tyristorlikriktare som matas med växelspänning av nätfrekvens.

Den fortsatta tekniska utvecklingen på området kraft- elektronik har även gjort det möjligt att via en frekvens- omvandling till en mellanfrekvens på 10 till 50 kHz väsent- ligt reducera storleken på transformatorer och likriktare.

Genom pulsbreddsmodulering av denna frekvens erhålles med relativt enkla medel pulslängder ned till 0,02-0,10 ms och en snabb reglering med tillförlitlig styrning av strömtill- förseln till den elektrostatiska stoftavskiljaren. Sådana metoder beskrivs i bl.a. DE 35 22 568 och WO 88/07413.

Med de nya teknikerna har antalet styrparametrar ökat och därmed komplexiteten i reglersystemen. Tyvärr leder detta också till att själva inregleringen ökar störningen i avskiljarens funktion. På samma sätt som utsläppen ökar under renslagningen av filtret kommer utsläppen att öka 10 15 20 25 30 35 3 sn? 673 under den tid som inreglering pågår eller kontroll av in- ställda reglerparametrar göres.

Om injustering göres manuellt med hjälp av utslaget på en opacitetsmätare (röktäthetsmätare) åtgår så lång tid för justeringen att man vid varierande drift mycket väl kan få så kraftiga utsläpp under själva justeringen att dessa blir en väl så stor del av de totala utsläppen som de som beror på renslagningen. Dessutom finns en risk att driftsvaria- tioner påverkar injusteringen så att optimeringen misslyckas om avsevärda förändringar i stoftkoncentrationen eller gas- temperaturen förekommer under den tid som åtgår för injust- eringen.

Vidare leder som nämnts själva renslagningen av utfäll- ningselektroderna till en tillfälligt kraftigt ökad stoft- koncentration i den utgående gasen. Varje mätning av opacit- eten för injustering av strömmatningen bör därför ske endast under tider då ingen renslagning utföres. Då detta sker mycket ofta i den avskiljare som ligger närmast eldstaden, eller annan stoftkälla, finns en stor risk att renslagningen ändå får en avgörande negativ betydelse på inregleringen.

Det är därför synnerligen angeläget att metoder utveck- las för en snabb och säker inreglering av strömmatningen till elektrostatiska stoftavskiljare grundad på enbart elektriska mätningar i själva avskiljaren eller tillhörande likriktare. Det har visat sig att även om renslagningen mycket starkt påverkar stoftkoncentrationen i den från avskiljaren utgående gasen ändras relationen mellan ström och spänning i en avskiljare endast marginellt på grund av detta.

Några försök med optimering grundad på enbart mätning av elektriska storheter har redan gjorts och som exempel hänvisas till US-4,31l,49l, EP-465 547 och EP-184 922. exempel har dock kvarvarande brister när det gäller följsam- DQSSB. het, vid processändringar, och tillförlitlighet, när det gäller att finna den inställning som ger minimal energiför- brukning under varierande förhållanden vid avskiljning av högresistivt stoft. En avancerad och i de flesta fall korrekt metod beskrivs vidare i WO 93/10902. Denna är dock 507 673 10 15 20 25 30 35 4 behäftad med svagheten att den är komplicerad att implement- era i en reglerenhet och blir allt svårare att använda ju kortare pulserna är.

UPPFINNINGENS SYFTE Det har visat sig att de hittills prövade metoderna inte alltid, vid avskiljning av högresistivt stoft, leder fram till den optimala parameterkombinationen. Detta gäller speciellt för de metoder som bygger på mätning av stoftkonc- entrationen, men det gäller även för hittills föreslagna metoder som bygger på mätning av elektriska storheter.

Generellt gäller vidare att all inregleringsverksamhet innebär att den normala driften störs. Driftsparametrarna måste ändras något från den inställning som ansetts vara den bästa för att man skall kunna avgöra om parameterkombina- tionen fortfarande är den bästa. Störningen pågår ofta under ett avsevärt tidsintervall.

Det är en huvuduppgift för föreliggande uppfinning att anvisa en förbättrad metod för val av driftsparametrar för elektriska stoftavskiljare vid avskiljning av s.k. svårt stoft. Exv. stoft med hög resistivitet.

En annan uppgift för föreliggande uppfinning är att anvisa en metod som, grundad på mätning av enbart elektriska storheter, rent allmänt ger en snabbare och säkrare inreg- lering av elektrostatiska stoftavskiljare.

Det är speciellt en uppgift för aktuell uppfinning att anvisa en metod som kan användas vid all pulsmatning ända ned till pulslängder av storleksordningen 1 mikrosekund och därunder och som utan komplicerade beräkningsprogram med stor säkerhet ger den bästa arbetspunkten för den elektro- statiska stoftavskiljaren.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser ett sätt att vid en elektro- statisk stoftavskiljarenhet, innefattande emissionselek- troder och utfällningselektroder, mellan vilka en varierande 10 15 20 25 30 35 5 507 673 högspänning upprätthålles, styra en till dessa matad puls- erande likström. Vid sättet enligt uppfinningen varieras den pulserande likströmmens frekvens, pulshöjd och/eller puls- längd, så att ett flertal frekvens-höjd-längd-kombinationer erhålls.

För var och en av dessa kombinationer mätes eller beräknas de enskilda pulsernas laddning. De frekvens-höjd- längd-kombinationer som leder till överslag mellan emis- sionselektroder och utfällningselektroder, registreras.

Storleken på pulsladdningen vid överslag användes för utväljande av den pulserande likströmmens frekvens-höjd- längd-kombination.

ALLMÄN BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En av de grundläggande iakttagelserna vid drift av elektro- statiska stoftavskiljare är att avskiljningen blir mer effektiv när spänningen mellan emissionselektroder och utfällningselektroder ökas. väsentligen finner man att partiklarnas fysiska vandringshastighet beror på kvadraten av den elektriska fältstyrkan och därmed även på kvadraten av spänningen.

En effektiv avskiljning kräver därför en hög spänning.

Ju högre desto bättre. Det användbara spänningsintervallet begränsas uppåt av att man får överslag mellan elektroderna.

Vid problemfri drift söker man därför att arbeta så nära överslagsgränsen som möjligt.

Hög spänning betyder också generellt att strömtätheten blir hög. Om det stoft som avskiljes leder ström bra innebär detta inte något problem, men om stoftet har hög resistiv- itet och strömtätheten i gasen är hög kommer det avskiljda stoftskiktet på utfällningselektroderna att laddas upp så att den elektriska fältstyrkan i skiktet blir tillräcklig för att genom stoftskiktet driva samma höga strömtäthet.

Detta leder ofta till elektrisk nedbrytning av stoftskiktet, s.k. återstrålning (eng. back corona) om inte strömtätheten begränsas. 507 673 6 10 15 20 25 30 35 Det är sedan länge, mer än 50 år, känt att pulsmatning av strömmen till elektrostatiska avskiljare ger förbättrade prestanda för avskiljaren när stoftet är svårt att avskilja, d.v.s. högresistivt. Som nämnts ovan har detta lett till att man med ibland mycket komplicerad utrustning sökt införa nödvändig energi i avskiljaren även med mycket korta pulser.

Så småningom växte kunskapen fram att det fungerade utmärkt även med pulser av samma storleksordning som halv- vågorna i den vanliga växelspänning som används i distribu- tionsnäten. Detta förklarades med att laddningsförändringar i stoftskiktet, som vid laddningstillväxt orsakar den s.k. återstrålningen, har en tidskonstant på ungefär 1 sekund.

Det får emellertid inte tolkas som så, att det tar 1 sekund att ladda upp skiktet, även om många gör detta misstag, utan som att det tar ungefär en sekund för skiktet att ladda ur sig när uppladdningen har upphört. Uppladdningen styrs enbart av tillförd laddning, d.v.s. av strömmens storlek.

Uppladdningen kan alltså ske på mindre än en millisekund om strömstyrkan är tillräckligt stor.

Pulsmatning av strömmen påverkar även överslagsspän- ningen i någon mån, och strömmen vid överslag i mycket hög grad. Laddningen i varje enskild puls är vidare, vid över- slag, rent principiellt en funktion av pulsfrekvensen.

Givetvis kan man generera överslag med godtyckligt stora pulser. Här och i fortsättningen underförstås ofta, med laddning vid överslag, den minsta laddning som vid aktuell frekvens, eller andra givna förutsättningar, ger överslag.

Om pulserna förutsättes vara väldigt korta och till- föres med sådana intervall att stoftskiktet hinner att förlora huvuddelen av sin laddning mellan pulserna blir den laddning som måste tillföras i en enskild puls för att orsaka överslag väsentligen konstant, oberoende av puls- frekvensen. Om man ökar pulsfrekvensen kommer successivt en allt större del av laddningen från föregående puls att finnas kvar i stoftavskiljaren när nästa puls kommer och därmed minskar den laddningstillförsel som krävs för över- slag. Kommer pulserna mycket tätt kan varje enskild puls vara väldigt liten vid överslag. 10 15 20 25 30 35 507 673 Om vi förutsätter att stoftskiktets resistivitet är så 7 låg att ingen risk för återstrålning föreligger är gräns- värdet för pulsens storlek vid höga frekvenser noll. Omvänt kan man säga att erforderlig pulsladdning vid överslag växer med intervallet mellan pulserna, från noll när intervallet är mycket kort, till ett konstant värde när intervallet är långt, vanligtvis sekunder. Figur 1 åskådliggör denna princip. Med intervall mellan pulserna menas här och i fortsättningen T=1/f där f är pulsfrekvensen.

Om pulsernas form ändras finner man att en längre puls kommer att innebära att en större laddning krävs för över- slag än vid en kortare puls om pulsfrekvensen hålles kons- tant. Detta beror på att filtret förlorar en del av ladd- ningen redan under pulsen, d.v.s. den effektiva laddningen kan anses ha minskat. En kurvskara enligt Fig. 2 erhålles.

Relationen mellan kurvorna beror givetvis i hög grad på resistiviteten i stoftskiktet, om ett sådant finnes.

Ett högresistivt stoftskikt kommer att ändra utseendet på kurvorna. Man finner att det ibland är möjligt att mata in en mycket hög ström utan att ens komma i närheten av för- väntad överslagsspänning. Ibland får man likväl överslag vid en mycket låg spänning, ibland kan man mata in tillgängliga likriktares maximalström utan att få överslag.

I de fall man med pulsmatning söker en överslagspuls- laddning när man har högresistivt stoftskikt på utfällnings- elektroden kommer man att finna att man vid låga frekvenser får ungefär samma resultat som när stoftet är lågresistivt, medan man vid höga frekvenser behöver en växande pulsladd- ning istället för en avtagande. Principiellt samband mellan pulsladdning vid överslag och frekvens för mycket korta pulser framgår av Fig. 3.

Om en ny kurva registreras för en annan pulsform finner man att den i likhet med vad som gällde för lågresistivt stoft ligger högre när pulsen är längre. Man finner vidare att vissa pulslängder inte leder till överslag över en viss frekvens. Generellt kan man finna en tendens till ett mini- mum för en viss frekvens. Denna kan vara mer eller mindre sov 675 8 10 15 20 25 30 35 uttalad och beror på det aktuella stoftets resistivitet. En kurvskara visas i Fig. 4.

Detta minimum kan sägas bero på att den elektrostatiska stoftavskiljarens begränsning vid korta intervall mellan pulserna sättes av stoftskiktet, medan den vid långa inter- vall mellan pulserna bestäms av det som sker i den gas som strömmar genom stoftavskiljaren. Föreliggande uppfinning bygger på den oförutsägbara upptäckten att en relation existerar mellan stoftavskiljarens verkningsgrad och den minsta pulsladdning som krävs för överslag. Man bör välja att arbeta i det område där man är nära minsta pulsladdning för överslag med de givna begränsningar som pulsdon och övrig utrustning har.

Enligt föreliggande uppfinning föreslås därför att man varierar pulsernas längd, höjd och frekvens så att man ex- empelvis för varje frekvens fastställer den minsta laddning som leder till överslag och sedan upprepar detta förfarande för andra frekvenser och använder dessa värden på pulsladd- ningen vid överslag för att välja parametrar för den fort- satta driften. Lämpligtvis genomför man en undersökning av ett tillräckligt stort frekvensområde så att man finner en viss frekvens som ger det allra lägsta värdet på pulsladd- ningen vid överslag, över vilken frekvens man åter får en ökad pulsladdning, och fortsätter driften med en frekvens nära detta värde. I takt med förändringar i gasen som skall renas varierar man sedan pulsens storlek vid denna frekvens så att man ligger nära överslagsgränsen. Företrädesvis väljer man just den frekvens som gav minimum för laddningen.

Den föredragna variationen av pulsernas utseende är sådan att man väljer den maximala höjden på pulsen och för att få en varierande laddning varierar bredden på pulsen.

Ett alternativ är att man håller relationen mellan längd och höjd väsentligen konstant. Inom uppfinningens ram ligger givetvis också att man håller frekvensen konstant och vari- erar pulslängd och pulshöjd. Valet av styralgoritm beror på pulsdonets uppbyggnad. En konstant höjd är att föredra vid användning av pulsbreddsmodulerade högfrekvensomriktare. Vid användning av nätfrekvens och tyristorer tvingas man att 10 15 20 25 30 35 507 675 9 acceptera att bredd och höjd samvarierar på ett sätt som bestäms av nätspänningen och att pulsfrekvensen bara kan varieras som submultipler av nätfrekvensen. Vid användning av högfrekvensomriktare kan pulsfrekvensen varieras t.ex. mellan 1 Hz och 10 kHz, företrädesvis mellan 1 Hz och 1 kHz.

En av uppfinningens stora fördelar är den mättekniska enkelheten. Genom att man lätt i styrorganen håller reda på frekvensen kan pulsernas laddning räknas fram ur strömmens storlek genom att strömmen divideras med antal pulser per tidsenhet. Vid användning av pulsbreddsmodulerade högfre- kvensomriktare kan pulsladdningen beräknas ur pulsbredden.

KORTFATTAD FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu närmare beskrivas i anslutning till bifogade ritningar där Fig. 1 visar den principiella relationen mellan pulsladdning vid överslag och intervallet T mellan pulserna vid avskilj- ning av stoft med låg resistivitet; Fig. 2 visar motsvarande för varierande pulslängder; Fig. 3 visar den principiella relationen mellan pulsladdning vid överslag och intervallet T mellan pulserna vid avskilj- ning av stoft med hög resistivitet; Fig. 4 visar motsvarande för varierande pulslängder; Fig. 5 visar ett förenklat kopplingsschema för en anordning lämplig vid utförande av det föreslagna sättet.

BESKRIVNING AV FÖRESLAGEN UTFÖRINGSFORM Figur 5 visar i ett principkopplingsschema en spännings- omvandlande anordning som matar högspänd likström till en stoftavskiljare 1. Anordningen består av en trefas lik- riktarbrygga 2, en pulsgenerator 3, en transformator 4, en 507 673 10 15 20 25 30 35 10 helvågslikriktarbrygga 5 för enfas, en drossel 6 samt en styrutrustning 7 med tillhöriga mätmotstånd 8, 9 och 10.

Den trefasiga likriktarbryggan 2 innefattar sex dioder 21 till 26 och är via tre ledare 27, 28, 29 anslutna till ett vanligt trefas växelströmsnät.

Pulsgeneratorn 3 består av fyra transistorer 31 till 34 och fyra dioder 35 till 38. Transistorerna styrs genom att deras baser är anslutna till styrutrustningen 7.

Helvågslikriktarbryggan 5 består av fyra dioder 51 till 54.

Styrutrustningen 7 är förutom anslutningen till trans- istorerna 31-34 kopplad till ett mätmotstånd i serie med stoftavskíljaren 1, för mätning av strömmen till stoftav- skiljarens elektroder, och till en spänningsdelare bestående av två motstånd 9 och 10 kopplade mellan stoftavskiljarens elektroder för mätning av aktuell spänning mellan dessa elektroder.

Anordningens funktion är följande. Via ledningarna 27-29 matas likriktarbryggan 2 med trefas växelström. Denna lik- riktas och överför via ledningar 11 och 12 en likspänning till pulsgeneratorn 3. Med styrutrustningen 7 styrs trans- istorernas 31-34 ledtider så att en pulsbreddsmodulerad spänning, väsentligen formad som en fyrkantsvåg, via led- ningar 13 och 14 påföres transformatorns 4 primärsida.

Den i transformatorns 4 sekundärlindning inducerade spänningen likriktas av likriktarbryggan 5 och via glätt- ningsdrosseln 6 matas stcftavskiljarens 1 elektroder med den erhållna likströmmen.

Styrutrustningen 7 styr som nämnts transistorerna 31-34 och övervakar dessutom stoftavskiljarens ström och spänning via motstånden 8 och 10. Genom att ledtiderna för transist- orerna styrs kan pulsbredden för den genererade, väsentligen fyrkantsformade strömmen, varieras och därmed styr man såväl ström som spänning i stoftavskíljaren.

Vid en exemplifierande användning av uppfinningen tänkes anordningen enligt ovan arbeta med en mellanfrekvens på 50 10 15 57673 ll kHz och en aktuell pulsfrekvens på 10 Hz. Pulshöjden är den för donet maximala och strömmen regleras så att överslags- gränsen kontinuerligt avkännes genom att pulslängden vari- eras något runt ett medelvärde på ungefär 1 ms.

Vid inregleringen sänkes pulsfrekvensen till 5 Hz och pulslängden ökas stegvis tills överslag sker. Pulsladdningen registreras. Vid successivt ökad pulsfrekvens, upp till värden över 10 Hz, upprepas förloppet så att för varje fre- kvens en minsta överslagsladdning fastställes. Den frekvens för vilken den under regleringen noterade minsta pulsladd- ningen vid överslag erhölls används i den fortsatta driften.

Vid denna frekvens varieras sedan på sedvanligt sätt puls- längden så att väsentligen maximal ström kan tillföras.

Intervallet mellan inregleringarna måste fastställas erfar- enhetsmässigt, men då inregleringen inte innebär ett totalt avbrott eller en avgörande störning kan den utan olägenhet utföras med korta intervall om driftsparametrarna varierar.

Claims (10)

507 673 12 10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. Sätt att vid en elektrostatisk stoftavskiljarenhet, innefattande emissionselektroder och utfällningselektroder, mellan vilka en varierande högspänning upprätthålles, styra en till dessa matad pulserande likström, varvid de enskilda pulsernas laddning mätes eller beräknas k ä n n e t e c k n a t av att den pulserande likströmmens frekvens, pulshöjd och/eller pulslängd varieras, så att ett flertal frekvens-höjd-längd- kombinationer erhålls; att de frekvens-höjd-längd-kombinationer som leder till överslag mellan emissionselektroder och utfällningselek- troder registreras, och att storleken på pulsladdningen vid överslag användes för utväljande av den pulserande likströmmens frekvens-höjd- längd-kombination.

2. Sätt enligt patentkrav 1, varvid pulserna genereras av ett pulsdon, k ä n n e t e c k n a t av att pulsernas höjd väljes som den vilken pulsdonet maximalt kan generera och att inregleringen sker genom variation av pulslängd och frekvens.

3. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att relationen mellan pulsernas höjd och längd hålles kons- tant under inregleringen.

4. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av 10 15 20 25 30 507 673 13 att pulsfrekvensen hålles konstant och att inregleringen sker genom variation av pulslängd och pulshöjd.

5. Sätt enligt patentkrav 1, varvid pulsen genereras genom att fasstyrda likriktare överför åtminstone en del av en halvvåg från en väsentligen sinusformad nätspänning som efter upptransformering och likriktning tillföres den elektrostatiska stoftavskiljarenheten, k ä n n e t e c k n a t av att frekvensen varieras genom att de fasstyrda likriktarna hålles ledande under en del av eller en hel halvvåg och därefter väsentligen oledande under en eller flera halv- vågor.

6. Sätt enligt något av patentkraven 1 till 4, varvid puls- erna genereras av ett pulsdon, i form av en högfrekvens- omriktare, genom pulsbreddsmodulering av en mellanfrekvens och pulsdonets mellanfrekvens är mellan 1 och 100 kHz, före- trädesvis mellan 10 och 50 kHz, k ä n n e t e c k n a t av att pulsfrekvensen varieras mellan 1 Hz och 10 kHz, före- trädesvis mellan 1 Hz och 1 kHz.

7. Sätt enligt något av tidigare patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att den frekvens-höjd-längd-kombination för vilken erforder- lig pulsladdning vid överslag är minst fastställes och att en pulsfrekvens nära den som erhölls vid denna frekvens- höjd-längd-kombination väljes för den fortsatta driften. 507 673 1,, 10 15 20 25 30

8. Sätt enligt något av patentkraven l, 2, 3, 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a t av att man vid inregleringen börjar med en frekvens som är lägre än den som gällde för driften alldeles före inreg- leringen och för aktuell frekvens, minsta erforderlig pulsladdning vid överslag tills vid successivt ökande frekvens fastställer, man har passerat ett minimum för pulsladdningen vid överslag och därefter väljer pulsparametrar nära dem som gav aktuellt minimum för den fortsätta driften.

9. Sätt enligt något tidigare patentkrav k ä n n e t e c k n a t av att strömmen till den elektrostatiska stoftavskiljarenheten mätes och att den enskilda pulsens laddning beräknas som medelvärdet av strömmen dividerat med pulsfrekvensen.

10. Sätt enligt något av patentkraven 2, 6, 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a t av att den enskilda pulsens laddning beräknas med hjälp av pulsbredden.