電除塵器電源的高頻化數(shù)字化與節(jié)能減排
來源：武漢國測數(shù)字電源有限公司 閱讀：2358 更新時間：2009-07-23 10:05電除塵器電源的高頻化數(shù)字化與節(jié)能減排
摘要 本文闡明了電除塵器（ESP）數(shù)字化高頻開關(guān)電源的顯著特點極有助于節(jié)能減排，進而提出了零火花率和以計算機為核心的系統(tǒng)多功能綜合控制器等新思想，經(jīng)過最佳設(shè)計后，相對使用常規(guī)T/R工頻電源的除塵器，可節(jié)省電能40%～90%或者可減少粉塵排放40%～90%。
關(guān)鍵詞 電除塵器（ESP） 節(jié)能減排 零火花率 綜合控制器 功率控制振打 反電暈
§1. 電除塵器電源的發(fā)展方向是高頻化和數(shù)字化
上世紀(jì)七十年代高反壓晶體管問世后，在電源界掀起了20kHZ革命的浪潮，我國電源工程師做出了貢獻，七十年代、八十年代和九十年代相繼完成了計算機電源、通信電源和電力操作電源的高頻化，以全控功率器件晶體管、MOS管和IGBT為逆變開關(guān)的無工頻變壓器開關(guān)電源替代了以往的半控功率器件可控硅為調(diào)節(jié)器的相控工頻電源。
在電除塵器領(lǐng)域，因為功率大，高壓電源基本上都在10KW～150KW功率量級，屬大功率電源，八十年代都是可控硅相控工頻整流電源。國際上，八十年代末，九十年代初就開始了高頻化的研究工作。九十年代中期就有了相應(yīng)的產(chǎn)品。本世紀(jì)初，2001年我國武漢國測數(shù)字電源有限公司就率先開展了ESP高頻開關(guān)電源的研制，2003年12月通過了由湖北省科技廳組織的400mA/72kV ESP高頻開關(guān)電源的專家技術(shù)鑒定，獲得了“GCHP系列靜電除塵器（ESP）用大功率智能高頻高壓電源”科技成果證書，2004年獲得了國家科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金立項證書和火炬計劃項目證書。從2004年開始，陸續(xù)研制了600mA/72kV、800mA/72kV和1000mA/60kV ESP數(shù)字化大功率高頻開關(guān)電源，并應(yīng)用于大型鋼廠、有色金屬冶煉廠、火力發(fā)電廠、水泥廠等工業(yè)場合，節(jié)能減排取得了良好的效果。
高頻化和數(shù)字化是電源發(fā)展的方向，更是電除塵器電源的發(fā)展方向，因為除了高頻開關(guān)電源實現(xiàn)小型輕量化，節(jié)省金屬材料，降低能耗的優(yōu)點之外，電除塵器高壓電源屬大功率電源，采用計算機技術(shù)實現(xiàn)高壓電源的高頻化能帶來顯著的節(jié)能減排、綜合控制、提高自動化水平、降低成本、提高電除塵器的性價比等優(yōu)點。也就是說，在電除塵器領(lǐng)域，使用數(shù)字化高頻開關(guān)電源SIR替代常規(guī)的工頻可控硅整流電源T/R之后，不僅解決了T/R電源功率因數(shù)低、轉(zhuǎn)換效率低、三相電網(wǎng)不平衡、材料消耗多等電源本身存在的缺點，更重要的是給整個電除塵系統(tǒng)帶來了革命性的變化，重點體現(xiàn)在節(jié)能減排和系統(tǒng)綜合控制上。
§2. ESP數(shù)字高頻開關(guān)電源的顯著特征
1. 純直流供電
SIR開關(guān)集成整流電源同常規(guī)工頻可控整流電源T/R接上電除塵器ESP輸出電壓波形的比較如圖1所示。很明顯：T/R電源輸出波形是直流加脈沖，峰—峰脈沖值達30%～45%之間，在高比電阻、反電暈的情況下，該波動甚至還會更大，這樣大的紋波大大降低了輸出電壓平均值，降低了除塵效果，SIR電源輸出電壓接近純直流，即一條水平線，平均電壓和峰值電壓幾乎相同，所含紋波一般都小于5%,即平均電壓比峰值電壓低2.5%以內(nèi)。
采用自適應(yīng)控制技術(shù)可以將輸出電平控制在接近火花電平又達不到火花電平，這樣就能使火花極少，輸出電壓電流比常規(guī)T/R電源高得多，在中、低比電阻應(yīng)用場合，輸出功率基本上都有效地用于除塵減排上，大大提高除塵效率。此外對反電暈的檢測也帶來了方便，可以設(shè)法扼制反電暈的發(fā)生和減少反電暈的影響。
2. 全新意義的間隙供電（IE）
在高比電阻粉塵或電暈場合，采用間隙供電比采樣純直流供電對提高除塵效果更有效。用T/R電源實現(xiàn)間隙供電也是直流加脈沖，但脈沖的上升時間較長，而用高頻開關(guān)電源SIR實現(xiàn)間隙供電脈沖上升時間較短。
高比電阻粉塵的收塵效果與脈沖的上升時間直接相關(guān)，且在一定范圍內(nèi)正比于dv/dt。其值為20～30kV/ms效果較好。這就是說，在間隙供電（IE）條件下電暈產(chǎn)生比純直流供電更有效，可節(jié)能或使用比較小的電源。
3. 輸出電流可控
由于ESP電容比較大和SIR的電壓傳輸比很大，輸出端可能產(chǎn)生大電流，特別在間隙供電方式因為“電流提升”功能，這種情況必定會發(fā)生。電流負載狀態(tài)來自ESP內(nèi)的可變狀態(tài)，在火花時趨于極端。還有ESP陰陽極間也可能發(fā)生短路，如果ESP高壓電源是電壓源型而不是電流源型，即使有過載保護也容易損壞設(shè)備，因此“電流可控”輸出應(yīng)優(yōu)先于“電壓可控”輸出。
許多的諧振變換器是電流可控的，性質(zhì)象理想的“恒流”源一樣。選用諧振變換器作逆變電路，采用計算機程序參數(shù)設(shè)置方法，無須經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)的延遲，就能內(nèi)設(shè)“恒流”方式，實現(xiàn)電流可控輸出，而且電流可控與電壓可控輸出之間的轉(zhuǎn)換也十分靈活，硬件電路仍然不變，這就是計算機的神奇！
4. 以DSP為核心的多功能綜合控制器
ESP高頻開關(guān)電源諧振變換器的控制以及電壓轉(zhuǎn)換器與電流轉(zhuǎn)換器之間的轉(zhuǎn)換等都是通過數(shù)字信號處理器DSP來實現(xiàn)的。此外還有一些控制功能無疑最好也通過計算機實現(xiàn)，比如：1火花檢測和控制，2反電暈的檢測和控制，3間隙脈沖供電的控制，4最佳減排的控制，5最佳節(jié)能效果的控制等。
還有低壓控制設(shè)備的一些控制功能也可以在計算機上實現(xiàn)：1陰陽極振打控制，2倉壁振動控制，3料位檢測，4卸輸灰控制，5保溫箱電加熱控制，6灰斗電加熱控制，7進、出口煙氣溫度檢測，8故障檢測與報警等。
可以DSP為控制核心，在ESP的高頻高壓開關(guān)電源端，設(shè)置多處理器統(tǒng)一協(xié)調(diào)完成上述功能，形成系統(tǒng)綜合控制器，實現(xiàn)電除塵系統(tǒng)的綜合控制和最佳設(shè)計。
§3. 零火花率目標(biāo)
電除塵器除塵效率公式是：
………………………………………… (1)
(1) 式中： η----- 電除塵效率,%
Q----- 處理煙氣量，m3/s
A----- 電除塵器極板面積，m2
ω----- 有效趨進速度，m/s
其中
…………………………………… （2）
（2）式中：
ε0 α μ----是一些常數(shù)
Eq ---- 荷電場強
Ep ---- 收塵場強
從上面公式說明: 荷電場強Eq和收塵場強Ep愈大，,趨進速度ω就愈大，ESP除塵效率η就愈高，也就是說陰陽極間電壓愈高，除塵效率η就愈高。
為了獲得電暈功率，應(yīng)當(dāng)讓ESP電壓盡可能高，離火花電平愈近愈好。對于純直流供電來說，火花的發(fā)生對除塵效果和電源設(shè)備的安全以及ESP極板的壽命都是毫無益處的。對于高頻開關(guān)電源SIR來說紋波很小，基本上是純直流供電，采用自適應(yīng)控制技術(shù)，很容易實現(xiàn)零火花率的目標(biāo)，比如使用在漳山電廠的ALSTOM高頻電源就實現(xiàn)了火花率為0，除塵效果很好。火花率接近0，不僅能極大提高除塵效率，而且還可節(jié)能和減少無謂的電耗，真是兩全其美。相反，對工頻可控硅整流電源，因為紋波很大，為了減少排放，火花率不能為0，ESP高頻電源的火花率標(biāo)準(zhǔn)是60～150次/分，正因為如此，工頻電源除塵效果差。作者在這里提出零火花率的新標(biāo)準(zhǔn)，并且大聲疾呼：大力發(fā)展數(shù)字化高頻開關(guān)電源SIR，大量使用高頻開關(guān)電源SIR.。
§4. 反電暈的克服
反電暈源于收集板上粉塵層間的壓降。當(dāng)電場收集的粉塵比電阻高，在粉塵層間將產(chǎn)生較高的壓降。如果電壓足夠高，將在收集板和粉塵層表面產(chǎn)生介質(zhì)擊穿，形成很大的正離子流。由反電暈產(chǎn)生的正離子流和來自電暈極的電子流相互疊加形成強大的電流。反電暈一旦發(fā)生，如果供電電源繼續(xù)增加輸入功率，收塵極電流密度進一步增大，將引起更加嚴(yán)重的反電暈現(xiàn)象，表現(xiàn)在電場伏安曲線上的特征是：低電壓大電流，同時會出現(xiàn)電流上升，電壓下降的負斜率情況，通常稱為拐點現(xiàn)象。
反電暈大大降低了除塵效果。克服反電暈的辦法首先是使用計算機檢測到拐點，而后施加合適頻率和合適的幅度、寬度的間隙脈沖電源，以減低和扼制反電暈現(xiàn)象。
常規(guī)的T/R電源電壓波形中含有很大的紋波，檢測反電暈較為復(fù)雜，施加的脈沖波形單一，電流上升邊緩慢，克服反電暈較困難，效果差。新型的集成開關(guān)整流電源SIR基本上是純直流供電，檢測反電暈較容易，反電暈現(xiàn)象不嚴(yán)重時就已發(fā)現(xiàn)，立馬采取措施，實行間隙脈沖供電，SIR脈沖波形可以任意而且陡峭，克服反電暈效果明顯。相對T/R電源，SIR電源克服反電暈較容易，效果較好。
§5. 功率控制振打的實現(xiàn)
在現(xiàn)場試驗時，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，電源運行一段時間后除塵效果有明顯的下降現(xiàn)象。查其原因，大多是因為比電阻偏高的粉塵采取常規(guī)振打方法很難從極板上清打下去，灰塵越積越多，日積月累致使極板上粘附著一層較厚的粉塵，大大影響了電除塵效果。
如果采取功率控制振打技術(shù)，除了對振打裝置的振打功率，振打頻率，振打方式等進行控制外，在振打時對加在極板上的高壓電源也作相應(yīng)的控制，比如：1降壓振打，2停電振打，3提前停電振打，4連續(xù)停電幾小時進行振打等，發(fā)現(xiàn)振打清灰的效果較好。
SIR電源是用數(shù)字計算機作為控制器的，甚至采用多處理器作系統(tǒng)綜合控制器，顯然能夠很方便地實現(xiàn)功率控制振打技術(shù)，取得良好的振打清灰效果。
§6. 減排
電除塵器ESP的完美運行取決于一些參數(shù)。在試運行中調(diào)整不同的參數(shù)，以適用特殊的應(yīng)用，其目的是在ESP出口達到最小的粉塵濃度排放，如果ESP氣流分布得到精心的引導(dǎo)，又確定了最佳的振打定時，并且ESP各部件良好地工作，則給陽陰極之間的煙氣-粉塵-大氣提供最大電壓最大電流，達到預(yù)定的除塵效果，就是電除塵設(shè)備和控制器的任務(wù)。
基于ESP數(shù)字化高頻開關(guān)電源輸出紋波小，可實現(xiàn)純直流供電和全新的間隙供電，輸出電流可控，可實現(xiàn)恒流和具有以DSP為核心的系統(tǒng)綜合控制器等顯著特征，使得ESP運行過程中較易實現(xiàn)零火花率，克服反電暈，實現(xiàn)功率控制振打，達到最佳的減排效果。
高頻開關(guān)電源SIR相對常規(guī)T/R工頻電源可以提高除塵效率，減少粉塵排放30%～80%，具體依使用條件和運行環(huán)境而有區(qū)別。如果再設(shè)置以計算機為核心的系統(tǒng)多功能綜合控制器，實行系統(tǒng)最佳減排設(shè)計，則新系統(tǒng)較原來減少粉塵排放可望達到40%～90%。
2008年武漢國測電源有限公司參與了日照鋼鐵有限公司環(huán)保改造項目。日照鋼鐵有限公司燒結(jié)廠的球團3#主軸電除塵器本體為200m2單室三電場，同極距為450mm，項目改造前，采用三臺1200mA/72kV的可控硅電源供電，已運行兩年，長期檢查的煙塵出口濃度在80～100mg/Nm3。目前新修定的國家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求最高允許煙塵濃度為30mg/Nm3。由于環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，原有電除塵器的總體設(shè)計已不符合現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
在本次環(huán)保項目改造中，電除塵器本體未作任何改動，只是對電除塵器的供電電源進行了更換，即采用了武漢國測數(shù)字電源有限公司生產(chǎn)的三臺GCHP-2型600mA/72kV高頻開關(guān)電源。在電除塵器穩(wěn)定運行的一個月期間進行了兩次環(huán)保檢測，實測出口濃度分別為25mg/Nm3和23mg/Nm3，比原工頻電源減少了粉塵排放75%，大大低于國家污染排放標(biāo)準(zhǔn)，達到了此次環(huán)保項目改造的要求。
§7. 節(jié)能
最大的除塵效率和最小的粉塵排放并不總是ESP最佳運行的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
通常ESP的選型涉及最壞的情形，如最大的煙氣量，最高的溫度，最大煙氣粉塵含量，最差粉塵性質(zhì)等與除塵效率有關(guān)的相應(yīng)的工藝條件。
ESP的這些前提條件，對工廠的日常運行有利得多。這導(dǎo)致過大的除塵能力，從而產(chǎn)生凈化氣體遠低于允許的排放水平，這種情況在ESP滿功率運行時尤為突出。
節(jié)能就是最小能量消耗必須達到一個固定的、可接受的或必須清除的煙氣粉塵濃度。
節(jié)能和減排一樣必須恰當(dāng)?shù)靥幚砘鸹，反電暈和二次揚塵以及振打等方面的問題，因為過高的火花率、反電暈和二次揚塵都不利于減排，降低除塵效率，都浪費能量，不利于節(jié)能。由于常規(guī)T/R工頻電源的固有特性，致使高的火花率、反電暈和二次揚塵發(fā)生，既不利于減排，又不利于節(jié)能，且解決的難度也比較大。數(shù)字化開關(guān)電源SIR很便于設(shè)置一個以DSP為核心的系統(tǒng)綜合控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)最佳設(shè)計，基本上可以防止和抑制這些有害現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展；鸹ê头措姇炓言谇懊嬲f過了。二次揚塵的避免主要是依靠穩(wěn)定的電流來實現(xiàn)。開關(guān)電源SIR是諧振變換器，呈恒流源性質(zhì)，因此也有利于避免二次揚塵的發(fā)生。
施行間隙脈沖供電和功率控制振打技術(shù)也是節(jié)能的有效措施，開關(guān)電源SIR在實行這兩項技術(shù)時難度較小，效果比T/R電源更明顯。開關(guān)電源SIR電源轉(zhuǎn)換效率通常可做到90%～95%以上，比常規(guī)T/R電源直接節(jié)電達15%～20%。
綜合上述各個因素，作為一個電除塵系統(tǒng)，選用數(shù)字型開關(guān)電源，經(jīng)過系統(tǒng)節(jié)能減排的最佳設(shè)計，比原采用工頻T/R電源又未進行節(jié)能的最佳的系統(tǒng)設(shè)計的電除塵系統(tǒng)，其節(jié)能指標(biāo)有望達到40%～90%。
§8. 結(jié)論
1. 數(shù)字化開關(guān)集成整流電源SIR是實現(xiàn)節(jié)能減排的最佳供電電源，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展。
2. 設(shè)置以計算機為核心的ESP系統(tǒng)多功能綜合控制器，實行ESP系統(tǒng)最佳設(shè)計，可以實現(xiàn)最完美的節(jié)能減排。
3. 基于上述兩點，ESP系統(tǒng)技術(shù)改造有望實現(xiàn)節(jié)約電能40%～90%，或者減少粉塵排放40%～90%。
參考文獻
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