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Online and offline dielectric condition diagnosis of high voltage ceramic insulators in wet-type electrostatic tar precipitator units

Schröder, Philipp

Inst. Energie- und Automatisierungstechnik

Sustainable Energy, free from fossil fuels, has recently emerged as environmentfriendly and climate-friendly solution. Naturally, it has become the primary motto of European environmental policy and the energy industry. Pertaining developments are tremendous and have resulted in the advent of modern methods, technological advancements and better environmental protection schemes. Amongst all, biomass power generation schemes have received wide attention and popularity and are employed together with other sustainable energy options such as wind energy, solar energy, geothermal energy and hydro energy to secure a safe, stable and affordable energy supply. A biomass based power generation plant applying gasification mainly consists of gasifier for the generation of producer gas, several apparatus such as filter, scrubber, cooler, Electrostatic Precipitator (ESP), etc. for reliable gas cleaning, and the subsequent utilization unit (gas engine, generator set, etc.) that converts the gas energy into green electrical energy. Such multi-stage arrangements are necessary to ensure the cleanliness of producer gas for its unrestricted conversion into clean electric power and to maintain a clean environment. Despite their importance and popularity, certain aspects of the downstream equipment used for the removal of mixtures of organic compounds (collectively known as tar), such as protection, cleaning, maintenance, etc., are not dealt with adequate care and attention. In particular, the maintenance strategies of the tar ESP units have been the same for several decades without any significant improvement. The conditions on the ceramic insulators, which can severely restrict the ESP performance, are totally ignored until their permanent failure. An attempt to monitor their condition will help in improving the operating condition of an ESP unit, thereby ensuring the cleanliness of producer gas before its energetic utilization, henceforth reaching the goal of clean power generation. To achieve this, it is necessary to understand, at-least in macroscopic scale, the possible constituents in producer gas, their electrical characteristics and their influence on the dielectric integrity of the ceramic insulator and on the operating condition of an ESP unit. This forms the subject matter of this thesis. It is certain that the dielectric condition of ceramic insulators of an ESP unit has decisive influence on its performance and cleaning efficiency. Naturally, exercising one or more condition based monitoring methods on pertinent insulators might help to initiate preventive measures at an early stage. The currently practiced maintenance procedures on ESP units are not paying much attention in ensuring the dielectric integrity of the ceramic insulators. In most cases, the ESP unit is operated until the failure of its insulator, after which the complete arrangement (ceramic feed-through insulator and the suspended discharge electrode) is replaced. The main reason for the dielectric failure is identified as the deposition of tar on the exposed surface of the insulator. These condensable compounds that are present in the producer gas have to be removed reliably since their presence impairs the dielectric condition of the insulator, thereby limiting the performance of the ESP unit and compromising the operation of power conversion equipment. Early detection of such tar depositions would clearly provide an opportunity to prevent premature failure of the insulator. The respective cleaning measures could be simplified and the severity of the threat level (to human being and to the environment) arising due to the handling and disposal of hazardous waste materials could be minimized. In this context, preliminary information regarding electric discharges on outdoor insulators and quantification of their pollution level are already available. At the same time, the electrical behavior of condensable hydrocarbon and hetero-cyclic compounds (a few of these species are di-polar in nature) and their influence on dielectric quality of ceramic insulator, a synonym for insulation condition, remains unclear. It forms the primary aim of this thesis to explore these factors. It is believed that such an investigation provides an opportunity to prevent premature failure and to help in gaining knowledge about the electrical characteristics of tar. Summarizing all, the present thesis investigates the following objectives: • Determining the influence of tar on the dielectric integrity of the ceramic insulator and the pertinent impact of tar that is deposited on the insulator surface on the operating condition and performance of a wet ESP unit. • Gaining a macroscopical insight in the collective dielectric behavior of a complex mixture of tar that is deposited on the surface of the ceramic insulator. More details regarding the test objects, analytical equipment, experimental setup, inferences and conclusions drawn are provided in the respective chapters of the thesis.
Nachhaltige Energie, frei von fossilen Brennstoffen, hat sich in jüngster Zeit zu der idealen umwelt- und klimafreundlichen Technologie entwickelt. Dabei ist Nachhaltigkeit zu einer der wichtigsten Konzepte der europäischen Umweltpolitik und Energiewirtschaft geworden. Die nachhaltigen Entwicklungen bieten immenses Potential und haben zu moderneren und nachhaltigeren Methoden, technologischen Weiterentwicklungen und verbesserten Umweltschutzmaßnahmen geführt. Konzepte zur Stromerzeugung aus Biomasse haben große Aufmerksamkeit und Beliebtheit erhalten und werden zusammen mit anderen nachhaltigen Optionen der Energiegewinnung (nämlich Windenergie, Solarenergie, Erdwärme und Wasserkraft) eingesetzt, um eine sichere, stabile und bezahlbare Energieversorgung zu gewährleisten. Biomassekraftwerke, basierend auf der Vergasungstechnik, bestehen im Wesentlichen aus dem Vergasungsreaktor zur Produktgaserzeugung, mehreren Gasbehandlungsschritten wie Filter, Wäscher, Kühler, Elektrofilter usw., die das Produktgas reinigen, während die nachgeschalteten Aggregate (Gasmotor und Generator) das niederkalorische Produktgas in CO2 neutrale elektrische Energie verstromen. Die mehrstufigen Abscheidetechniken zur Produktgasreinigung sind erforderlich, um die uneingeschränkte Wandlung des Produktgases in Energie zu gewährleisten und um eine saubere Umwelt aufrechtzuerhalten. Trotz der Bedeutung und Beliebtheit der Biomassekraftwerke werden bestimmte Aspekte der Kraftwerkskomponenten, wie Schutz-, Reinigungs- und Wartungsstrategien, die zur Abscheidung der kondensierbaren Kohlenwasserstoffverbindungen (allgemein unter dem Begriff „Teer“ zusammengefasst) eingesetzt werden, nicht mit der erforderlichen Sorgfalt und nicht mit dem erforderlichen Interesse behandelt. Insbesondere die Instandhaltungsstrategien von Elektrofilteranlagen sind seit mehreren Jahrzehnten ohne nennenswerte Verbesserungen unverändert. Dem Zustand der keramischen Isolatoren der im erheblichen Maße die Elektrofilterleistung beeinträchtigt wird kaum Beachtung geschenkt, die Isolatoren werden hingegen zumeist bis zum dauerhaften Versagen betrieben. Das Bestreben, den Zustand der Isolatoren zu überwachen, wird helfen, den Betriebszustand von Elektrofiltern zu verbessern, um dadurch die Reinheit der Produktgase vor deren energetischen Nutzung sicherzustellen und somit das Ziel einer sauberen Energieerzeugung zu erreichen. Um dies zu erreichen, ist es zumindest auf makroskopischer Ebene erforderlich, die möglichen Bestandteile im Produktgas von Biomassevergasern, deren elektrische Eigenschaften und deren Einfluss auf die dielektrische Integrität von keramischen Hochspannungsisolatoren sowie auf den Betriebszustand von Elektrofilteranlagen zu verstehen. Dies ist das Ziel der vorliegenden Arbeit. Zweifelsfrei hat der dielektrische Zustand keramischer Stütz- und Durchführungsisolatoren von Elektrofilteranlagen einen maßgebenden Einfluss auf deren Leistung und die Reinigungswirkung. Daher ist es selbstverständlich zu erwarten, dass eine zustandsorientierte Überwachungsmethode, oder mehrere zustandsorientierte Überwachungsmethoden, auf die entsprechenden Isolatoren angewendet werden, wodurch Präventivmaßnahmen bereits in einem frühen Stadium eingeleitet werden können. Derzeitig praktizierte Instandhaltungsverfahren an Elektrofilteranlagen schenken der Gewährleistung der dielektrischen Unversehrtheit von keramischen Isolatoren keine große Aufmerksamkeit. In den meisten Fällen wird ein Elektrofilter bis zum Ausfall eines Isolators betrieben, wonach der betreffende Isolator ausgetauscht werden muss. Die Hauptursache für das dielektrische Versagen sind Ablagerungen einer Vielzahl kondensierbarer Kohlenwasserstoffe auf der gasberührten Oberfläche der Isolatoren. Diese Kohlenwasserstoffe, die im Vergaser-Poduktgas vorhanden sind, müssen vor der energetischen Verwertung aus dem Gas entfernt werden, da deren Anwesenheit den dielektrischen Zustand der Isolatoren, die Leistung der Elektrofilteranlage und den Betrieb der Energie-Wandlungseinrichtungen beeinträchtigt. Die frühzeitige Erkennung von solchen Verschmutzungen bietet eine Möglichkeit, vorzeitiges Versagen der Isolatoren zu verhindern. Die erforderlichen Reinigungsmaßnahmen könnten somit vereinfacht werden und das Ausmaß von Gefahrstoffeinwirkungen (auf Mensch und Umwelt), bedingt durch Umgang mit gefährlichen Abfällen und Entsorgung dieser Abfälle, könnte minimiert werden. Für Freiluftisolatoren, die gewöhnlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, existieren verschiedene Verfahren zur Erfassung von elektrischen Entladungen und verschiedene Modelle für die Bewertung ihres Verschmutzungsgrades. Zugleich ist das elektrische Verhalten von kondensierbaren Kohlenwasserstoffen und ihrem Einfluss auf die dielektrische Qualität der Keramikisolatoren weitestgehend unklar. Das primäre Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese Faktoren zu untersuchen. Es wird davon ausgegangen, dass diese Untersuchung Möglichkeiten zum Verhindern von vorzeitigen Fehlern und Anlagenausfällen bereitstellen kann und hilft, Erkenntnisse über die elektrischen Eigenschaften von kondensierbaren Kohlenwasserstoffen zu erlangen. Die vorliegende Arbeit untersucht zusammengefasst die folgenden Aspekte: • Ermittlung des Einflusses von Teer auf den dielektrischen Zustand und die Qualität von keramischen Isolatoren und die damit verbundenen Auswirkungen auf den Betriebszustand und die Leistung von Elektrofilteranlagen. • Erkenntnisse über das makroskopische, kollektive dielektrische Verhalten von kondensierten überwiegend aromatischen und heterozyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen, die auf der Oberfläche von keramischen Isolatoren abgelagert sind. Weitere Details hinsichtlich der Prüfanordnungen, Versuchsdurchführungen, Ergebnisse und Rückschlüsse sind in den entsprechenden Kapiteln dieser Arbeit enthalten.