電除塵器用數(shù)字高頻開關電源在節(jié)能減排中的應用

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為逆變開關的無工頻變壓器開關電源替代了以往的半控功率器件可控硅為調節(jié)器的相控工頻電源。
   
在電除塵器領域，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的產(chǎn)品。本世紀初，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高頻開關電源的專家技術鑒定，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電源，并應用于大型鋼廠、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，在電除塵器領域，使用數(shù)字化高頻開關電源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)字高頻開關電源的顯著特征

⑴　純直流供電
   
SIR開關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1%,即平均電壓比峰值電壓低0.5%以內。
   
采用自適應控制技術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，可以設法扼制反電暈的發(fā)生和減少反電暈的影響。

⑵ 全新意義的間隙供電（IE）
   
在高比電阻粉塵或反電暈場合，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，且在一定范圍內正比于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。

⑶ 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備，因此“電流可控”輸出應優(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)設置方法，無須經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)的延遲，就能內設“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換也十分靈活，硬件電路仍然不變，這就是計算機的神奇！

⑷ 以DSP為核心的多功能綜合控制器
   
ESP高頻開關電源諧振變換器的控制以及電壓轉換器與電流轉換器之間的轉換等，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：火花檢測和控制；反電暈的檢測和控制；③間隙脈沖供電的控；最佳減排的控制；最佳節(jié)能效果的控制等。
   
還有，低壓控制設備的一些控制功能也可以在計算機上實現(xiàn)：陰陽極振打控制；倉壁振動控制；料位檢測；卸輸灰控制；保溫箱電加熱控制；灰斗電加熱控制；進、出口煙氣溫度檢測；故障檢測與報警等。
   
可以DSP為控制核心，在ESP的高頻高壓開關電源端，設置多處理器統(tǒng)一協(xié)調完成上述功能，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計。

3 零火花率目標 
    電除塵器除塵效率計算公式是： ……………………………………  (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。
    有效趨進速度ω 由下式計算：…………………………………… （2）
        式中： 
            ε0 α μ----是一些常數(shù)；
            Eq  ---- 荷電場強；
            Ep  ---- 收塵場強。
   
從上面公式可知: 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愈高。
   
為了獲得電暈功率，應當讓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。對于高頻開關電源SIR來說紋波很小，基本上是純直流供電，采用自適應控制技術，很容易實現(xiàn)零火花率的目標。比如，在漳山電廠使用的ALSTOM高頻電源就實現(xiàn)了火花率為0，除塵效果很好?；鸹式咏?，不僅能極大提高除塵效率，而且還可節(jié)能，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，ESPT/R電源的火花率標準是（60～150）次/分。正因為如此，工頻電源除塵效果更差。作者在這里提出零火花率的新標準，并且大聲疾呼：大力發(fā)展數(shù)字化高頻開關電源SIR，大量使用高頻開關電源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，收塵極的電流密度進一步增大，將引起更加嚴重的反電暈現(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?？朔措姇灥霓k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)象不嚴重時就已發(fā)現(xiàn)，立即采取措施，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，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的控制。比如：降壓振打；停電振打；提前停電振打；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，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)。在試運行中調整不同的參數(shù)，以適用特殊的應用，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，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，達到預定的除塵效果，就是電除塵設備和控制器的任務。
   
基于ESP數(shù)字化高頻開關電源輸出紋波小，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為（80～100）mg/Nm3。目前新修定的國家污染物排放標準要求最高允許煙塵濃度為30mg/Nm3。由于環(huán)保要求的日趨嚴格，原有電除塵器的總體設計已不符合現(xiàn)有國家標準的要求。
   
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準，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最佳運行的唯一標準。
   
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、最差粉塵性質等與除塵效率有關的相應的工藝條件。
   
ESP的這些前提條件，對工廠的日常運行非常有利。這導致過大的除塵能力，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?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)字化開關電源SIR便于設置一個以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头措姇炓讶缜笆?。而二次揚塵的避免主要是依靠穩(wěn)定的電流來實現(xiàn)。開關電源SIR呈恒流源性質，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也是節(jié)能的有效措施，開關電源SIR在實行這兩項技術時難度較小，效果比T/R電源更明顯。開關電源SIR電源轉換效率通?？勺龅?0%～95%以上，比常規(guī)T/R電源直接節(jié)電達15%～20%。SIR由常規(guī)T/R電源的兩相供電改為三相供電，功率因數(shù)由0.7提高至0.9甚至0.95以上。
    
綜合上述各個因素，作為一個電除塵系統(tǒng)，選用數(shù)字型開關電源，經(jīng)過系統(tǒng)節(jié)能減排的最佳設計，比原采用工頻T/R電源又未進行節(jié)能的最佳的系統(tǒng)設計的電除塵系統(tǒng)，其節(jié)能指標有望達到40%～90%。

8 結論

⑴　數(shù)字化開關集成整流電源SIR是實現(xiàn)節(jié)能減排的最佳供電電源，應當大力發(fā)展。

⑵　設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)最佳設計，可以實現(xiàn)最完美的節(jié)能減排。 ⑶　 基于上述兩點，ESP系統(tǒng)技術改造或新建項目，采用SIR而不用T/R, 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

    ［1］  黎在時，電除塵器的選型安裝與運行管理，中國電力出版社，2004年。
    ［2］  第八屆國際電除塵學術會議論文集，2001年。
    ［3］  第十二屆中國電除塵學術會議論文集，2007年。
    ［4］  張谷勛等，電除塵器電源的發(fā)展方向—高頻化和數(shù)字化，電源世界，2007年1月。
    ［5］  張谷勛等，高壓靜電除塵設備電源的新模式，第16屆全國電源技術年會論文集，2005年?！?br />