IGBT ENERGETSKI PRETVARA ZA KONTROLISANO VIBRACIONO PRANJENJE PRIHVATNIH LEVKOVA NA POSTROJENJIMA ELEKTROSTATIKIH IZDVAJAADr eljko V. Despotovi, Dr Aleksandar I.RibiInstitut Mihajlo Pupin, Univerzitet u Beogradu, Volgina 15, Beograd, Srbija zeljko.despotovic@pupin.rs31.Savetovanje CIGRE2013,26.-30.05.2013, Zlatibor, Srbija SRPSKI NACIONALNI KOMITET MEUNARODNOG SAVETA ZA VELIKE ELEKTRINE MREE

UVODIzdvajanjem estica ugljene praine i pepela se znaajno smanjuje negativni uticaj otpadnih materija, koje nastaju kao produkt sagorevanja u kotlovskim postrojenjima termoelektrana i toplana. Spreavanje rasipanja estica ugljene praine i leteeg pepela iz dimnjaka pomenutih postrojenja, odnosno njihova "kolekcija" se ostvaruje elektrostatikim izdvajaima (ESI). Svetske norme koje se sve vie prihvataju i kod nas zahtevaju granine vrednosti emisije (GVE) manje od 50mg/m3, tendencija u svetu je redukcija GVE na vrednosti 25mg/m3 .Energetsko VN napajanje (tiristorsko 50Hz, VF tranzistorsko, retrofit tranzistorsko,...) elektrodnog sistema ESI ima presudan uticaj na efekat ienja dimnog gasaPored VN napajanja i sistema otresanja elektrodnog sistema, znaajno mesto zauzima i sistem za evakuaciju i odvoenje nataloenog pepela u prihvatnim levcima koji su locirani ispod elektrodnog sistema. Vibracijma prihvatnih levkova, podesne amplitude i uestanosti moe se znaajno poboljati efekat njihovog pranjenja Vibracioni aktuatori sa elektromagnetnim pogonom i sa veoma malim pomerajima (do 2mm) se najee koriste kao pobuivai i izvori vibracija u ovim sistemima.

Tipina distribucija pepela u procentnom iznosu na jednom tipinom termoenergetskom postrojenjuNajvei deo pepela 75-80%, je lociran u prihvatnim levcima koji se nalaze direktno ispod VN izdvajakih komora ESI.Veoma mali deo pepela (< < 1%) se taloi na dnu izlaznog dimnjaka

Odvajanje svih pomenutih tipova vrstih produkata se ostvaruje jakim elektrostatikim poljem koje se formira u talonoj komori.

U talonoj komori nalaze se dve vrste elektroda: talone i emisione izmeu kojih se dovode relativno visoki jednosmerni naponi 40-100kV.

Potrebne struje za efikasno elektrostatiko izdvajanje su reda veliine 1A.

ESIESIVN_IZDVAJAGENERATOR PARESAGOREVANJEPREIENIGASVN IZVOROTRESAIPRIHVATNI LEVCIMETALNE TALONE ELEKTRODEULAZNI DIMNI GAS(ulazne estice)PREIENI DIMNI GAS

SASTAV TALONE KOMORE-Periodinim otresanjem nataloenog materijala sa talonih i emisionih elektroda ostvaruje se njegovo nagomilavanje u PL.

-Kada se izvri otresanje elektroda, izdvojeni pepeo pada u levkove i privremeno se skladiti pre nego to se odloi na deponiju ili ponovo koristi u procesu.

-Izdvojeni pepeo je potrebno to pre ukloniti da bi se izbeglo otvrdnjavanje i kompaktiranje, ime bi dolo do tekoa za njegovo dalje uklanjanje. PL

TIPINO POSTROJENJE ZA PNEUMATSKI (VAZDUNI) TRANSPORT pepela i izdvojenih finih estica

TIPINO POSTROJENJE ZA HIDRAULIKI (VODENI) TRANSPORT pepela i izdvojenih finih esticaBAGER STANICE

FENOMENOLOGIJA VIBRACIONOG PRANJENJA PRIHVATNOG LEVKA I ako su vibracioni levci veoma esto korieni, interni protok materijala nije dovoljno shvaen, i u velikoj meri se oslanja na empirijskim informacijamaNa primer kada se lavina materijala uvodi u levak u prvom trenutku, dotini materijal moe dovesti do zapuenja izlaznog otvora i onemoguiti protok.Razlikujemo tri tipa zaepljenja:

-kohezivno-delimino-nepotpuno ienje KOHEZIVNODELIMINONEPOTPUNO

Daljim otresanjem i punjenjem PL moe doi do njegovog prepunjavanja, a u najgorem sluaju do povraaja pepela u visokonaponski meu elektrodni sistem.

Ovim se moe postii sasvim suprotan efekat od efekta elektrostatikog izdvajanja i poveanja izlazne emisije estica, u odnosu propisane referentne vrednosti, na izlazu ESI postrojenja.

Drugi efekat koji se moe javiti su sekundarni proboji i efekti povratne koroneSpreavanje zaepljenja PL i izvlaenje pepela u kombinaciji sa prethodno opisanim nainima transporta se znaajno moe potpomoi jednostavnim udarcima u zidove PL. Ovo je krajnje primitivan nain koji ne mora uvek da ima pozitivan efekat. PL

Alternativni nain ekiu, za reavanje problema zaepljenja je korienje vibracionih aktuatora koji se postavljaju po obodu PL PL

HORIZONTALNE VIBRACIJE PRIHVATNOG LEVKAHorizontalne vibracije dovode do porasta intenziteta masenog pranjenja u odnosu na sluaj pranjenja bez prisustva vibracija.Porast intenziteta pranjenja je zavisan od amplitude brzine vibracijaU ovom sluaju rasuti materijal protie na suprotnim stranama levka proizvodei efekat obrnutog levka (inverted funnel pattern)

EFEKATOBRNUTOG LEVKAPROTOK MASE

VERTIKALNE VIBRACIJE PRIHVATNOG LEVKAPri vertikalnim sinusnim vibracijama vibracioni kanal levka ostvaruje nekoliko modela protoka zavisno od vrednosti amplitude relativnog ubrzanja Uestanost vibracijaZa , dolazi do strujanja elija rasutog materijala neposredno uz zidove suda, koja su posledica kretanja estica materijala na dole du vertikale zida levka i na gore u okviru preostalog dela levka.U radu Wassgren et al. [6] se opisuje ovaj fenomen u vie detalja.

[6].C.R.Wassgren, M.L.Hunt, P.J.Freese, J.Palamara and C.E.Brennen, Effect of vertical vibration on hopper flows of granular material, Physics of Fluids, Vol.14, No.10, pp.3439-3448, October 2002.>1

Bez prisustva vibracija maseni intenzitet pranjenja W, iz PL je proporcionalan nasipnoj gustini -b , neposredno na izlazu levka, kvadratnom korenu ubrzanja koje deluje na sud, (ubrzanje usled gravitacije) - g i hidraulikog prenika Dh , izlaznog otvora suda stepena 5/2.Ako sud osciluje, postaje dominantna efektivna gravitacija geff , koja se menja tokom oscilatornog ciklusa kao:

?????

Ako je relativna amplituda ubrzanja >1 , sloj materijala naputa zid levka u toku jednog dela oscilatornog ciklusa i uspostavlja kontakt sa zidovima levka neto kasnije. Jednainu su originalno izveli Suzuki et al. [8], takoe ukljuujui empirijski izvedenu jednainu za nasipnu gustinu kao funkciju od :

Kada materijal ostaje iza zidova levkaKada je materijal u preletuKada sloj materijala udara u zidove PLUbrzanje predstavlja ubrzanje sloja materijala pri sudaru

INTENZITET PRANJENJA:~[8]. A. Suzuki, H. Takahashi, and T. Tanaka, Behaviour of a particle bed in the field of vibration. II. Flow of particles through slits in the bottom of a vibrating vessel, Powder Technology, Vol.2, No.72, 1968.

FIKSIRANA KONSTRUKCIJA ZA FUNDAMENT ELASTINI PRELAZPOKRETNI DELOVI PRIHVATNIH LEVKOVA IZLOENI DEJSTVU VIBRACIJA AKTUATORA -EVAFLEKSIBILNA KONSTRUKCIJA PRIHVATNIH LEVKOVA

*

Rezultantna vertikalna pobudna sila Fv

Rezultant na horizontalna pobudna sila Fh=0

Pojedinane pobudne sile F1,F2 i F3

Pobudne struje aktuatora EVA i1(t),i2(t) i3(t)

EVA -

ElectromagnetniVibracioni AktuatorMEHANIKA VIBRACIONOG LEVKAIzlazni tok materijalapobudna sila

ELEKTROMEHANIKI SISTEM ZA POBUDU VIBRACIONOG SUDA(a)-MEHANIKA KONSTRUKCIJA

(b)ELEKTROMAGNETNI AKTUATOR

EKVIVALENTNI ELEKTROMEHANIKI MODEL VIBRACIONOG PRANJAA

MEHANIKI DEO SISTEMA

EVA (i), i=13ELEKTROMEHANIKIMODEL

FAZNO KONTROLISANI TIRISTORSKI PRETVARA ZA POBUDU VIBRACIONOG LEVKA(a) Unidirekciona topologija (b) talasni oblici struje i napona EVAvibracionilevaklinearnokretanjenapon u(t)struja i(t)-Ovom topologijom se postie diskretan spektar pobudne uestanosti vibracionih aktuatora (50Hz,25Hz,16.66Hz, 12.5Hz, 10Hz, 8.33Hz,.....)-Skokovito podeavanje pobudne uestanosti-Kontinualno podeavanje amplitude oscilacija

FAZNO KONTROLISANI TRIJAKI PRETVARA ZA POBUDU VIBRACIONOG LEVKA(a) Unidirekciona topologija (b) talasni oblici struje i napona EVAkontinualno podeavanje struje EVAnapon u(t)struja i(t)linearnokretanjevibracionilevak-Ovom topologijom se postie pobudna uestanost vibracionih aktuatora od 100Hz (dvostruka mrena), obzirom da je pobudna sila proporcionalna kvadratu pobudne struje -Kontinualno podeavanje amplitude oscilacija

PROBLEM: Degradacij elastinih elemenata (opruga)100Hz6000 osc/min360 000 osc/h1106 osc/ dnevno (srednja vrednost)GODINJE 360106 ciklusa

-drift karakteristika opruga-opadanje krutosti k1 -promena rezonantne frekvencije-opadanje rezonantne frekvencije-opadanje amplitude oscilacijak1k1PUCANJE OPRUGA!!!!REENJE: KOMPOZITFIBERGLASS OPRUGE

IGBT PREKIDAKI PRETVARAI ZA POBUDU VIBRACIONIH AKTUATORA asimetrina polumosna topologija (two switch forward), simetrina polumosna topologija (symmetric half-bridge) puni most (full-bridge)

vibracionilevaklinearnokretanje

STRUJNA KONTROLA EVA (amplitudska i frekventna)(a) principski blok dijagram (b) karakteristini talasni oblicivibracionilevaklinearnokretanje-Programirana strujna kontrola vrne vrednosti struje aktuatora-Nezavisno podeavanje uestanosti i amplitude oscilacija-Obezbeeno praenje rezonantne uestanosti strujnisenzor

PROTOTIP IGBT PRETVARAA SA KONTROLNIM KOLOM1-IGBT modul2-IGBT drajver3-DSP kontrolni modul4-Optika izolacija5-LEM strujni senzor6-DC link7-Prekostrujna zatita8-Senzor pomeraja9-Transmiter pomeraja10-Senzor ubrzanja11-Transmiter ubrzanja12-Elastini elementi (opruge)13- Elektromagnetni Vibracioni Aktuator -EVA14- Prihvatni levak ESI

Obezbeeno:-Praenje i pretraivanje rezonantne uestanosti-Zadavanje amplitude vibracija

EKSPERIMENTALNI REZULTATI-amplitudska kontrola ubrzanja vibracionog suda Kontrola amplitude ubrzanja vibracionog koa

-rezonantna uestanost mehanikog sistema10Hz, -rezonantna uestanost aktuatora 40Hz;

osciloskopski snimci:

-filtrirani signal ubrzanja vibracionog koa (CH1),-relativni pomerajpokretnog dela EVA(CH2), -struja i napon EVA;

(a), (b)-koeficijent radnog reima =10%, (c),(d)-koeficijent radnog reima =5%.

Frekventna kontrola EVA i njen uticaj na odravanje amplitude vibracija;

(a)-pobudna uestanost struje EVA(100Hz) razliita od mehanike rezonantne uestanosti EVA (100.4Hz),

(b)-uspostavljen rezonantni reim EVA (pobudna uestanost struje i mehanika rezonantna uestanost EVA jednake).EXPERIMENTALNI REZULTATI- frekventna kontrola vibracija

EKSPERIMENTALNI REZULTATI-kompenzacija starenja oprugaFrekventna kontrola EVA kao nain za kompenzaciju drifta karakteristika opruga;

(a) krutost EVA opruga

(b) krutost EVA opruga

(c) krutost EVA opruga

FREKVENTNA KONTROLAPRAENJE REZONANTNE UESTANOSTI

MERENJE RELATIVNOG INTENZITETA PRANJENJAIntenzitet pranjenja (discharge rate) za frekvencije ispod 50Hz opada sa porastom relativnog ubrzanja vibracionog suda. Za uestanosti 60Hz-80Hz, relativni intenzitet pranjenja je priblino jednak 1 ili blago vei od 1, ali pri uestanostima 100Hz se dobija znaajan porast intenziteta pranjenja (priblino za 20%).

RELATIVNA AMPLITUDA UBRZANJARELATIVNI INTENZITET PRANJENJA

MERENJE RELATIVNOG INTENZITETA PRANJENJAOPSEG UBRZANJA 0-2g-Za uestanost oscilovanja vibracionog koa 40Hz i 50Hz nema efekta poveanja relativnog intenziteta pranjenja. ak naprotiv sa poveanjem amplitude ubrzanja intenzitet pranjenja se smanjuje. -Za uestanost oscilovanja od 60Hz, skoro da uticaja i nema. -Za vee uestanosti oscilacija 80Hz i 100Hz, uticaj postaje izraen, naroito pri uestanosti 100Hz, kada je mogue postii poveanje intenziteta pranjenja za oko 12%.

Povoljnom uticaju vertikalnih vibracija na intenzitet pranjenja, treba dodati i njihovo dodatno povoljno dejstvo na vibracioni ko, koje se ogleda u spreavanju nalepa pepela po bonim zidovima levka kao i spreavanje zaepljenja izlaznog otvora levka, tako da je ukupni uticaj na celokupno izvlaenje pepela iz levka, bilo da se radi o pneumatskom ili hidraulinom sistemu, veoma znaajan.

ZAKLJUAKU radu je predstavljeno jedno mogue reenje laboratorijskog prototipa IGBT pretvaraa za pobudu vibracionih aktuatora koji se koriste kao sredstvo za pranjenje prihvatnih levkova na postrojenjima elektrostatikih izdvajaa.Kontrola vibracija posredstvom IGBT pretvaraa doprinosi znaajnom poboljanju intenziteta pranjenja. Uticaj frekventne kontrole je posebno znaajan sa stanovita energetske efikasnosti, obzirom da je mogue uspostaviti i odrati rezonantni reim vibracionog aktuatora, u kojem se ima relativno mala potronja s obzirom na ostvareni pomeraj. Takoe je ovim nainom kontrole mogue kompenzovati uticaj starenja i degradacije elastinih elemenata, obzirom da su oni izloeni intenzivnim vibracijama u duem vremenskom periodu.Eksperimentalno je ustanovljeno da se uestanosti vibracija koa, u kome se nalazi pepeo dobijen sa jednog tipinog ESI postrojenja, koje imaju efekat na poveanje vibracionog pranjenja u odreenom procentu, kreu u opsegu 60Hz-100Hz. Pri ovome mogue je postii 12% bolji protok rasutog materijala pri uestanosti 100Hz.

ZAHVALNICARezultati dobijeni u ovom istraivanju su ostvareni na Projektu Tehnolokog Razvoja TR33022 "Integrisani sistemi za uklanjanje tetnih sastojaka dima i razvoj tehnologija za realizaciju termoelektrana i energana bez aerozagaenja, koje finansira Ministarstvo Prosvete i Nauke Republike Srbije u periodu 2011-2014.

HVALA NA PANJI!!!

PITANJA???

Maj 2013

Autor: Dr eljko Despotovi

*