電除塵器用數(shù)字高頻開關(guān)電源在節(jié)能減排中的應(yīng)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(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(guó)電源工程師做出了貢獻(xiàn)，七十年代、八十年代和九十年代相繼完成了計(jì)算機(jī)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(wú)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?yàn)楣β蚀?，高壓電源基本上都?0kW～150kW功率量級(jí)，屬大功率電源，八十年代都是可控硅相控工頻整流電源。國(guó)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(guó)武漢國(guó)測(cè)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(guó)家科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金立項(xiàng)證書和火炬計(jì)劃項(xiàng)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(chǎng)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?yàn)槌烁哳l開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)小型輕量化，節(jié)省金屬材料，降低能耗的優(yōu)點(diǎn)之外，電除塵器高壓電源屬大功率電源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)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(dòng)化水平、降低成本、提高電除塵器的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。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(diǎn)，更重要的是給整個(gè)電除塵系統(tǒng)帶來了革命性的變化，重點(diǎn)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

⑴　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(dá)30%～45%之間，在高比電阻、反電暈的情況下，該波動(dòng)甚至還會(huì)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(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(dá)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(chǎng)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(duì)反電暈的檢測(cè)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。

⑵ 全新意義的間隙供電（IE）
   
在高比電阻粉塵或反電暈場(chǎng)合，采用間隙供電比采樣純直流供電對(duì)提高除塵效果更有效。用T/R電源實(shí)現(xiàn)間隙供電也是直流加脈沖，但脈沖的上升時(shí)間較長(zhǎng)，而用高頻開關(guān)電源SIR實(shí)現(xiàn)間隙供電脈沖上升時(shí)間較短。
   
高比電阻粉塵的收塵效果與脈沖的上升時(shí)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。

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?yàn)?ldquo;電流提升”功能，這種情況必定會(huì)發(fā)生。電流負(fù)載狀態(tài)來自ESP內(nèi)的可變狀態(tài)，在火花時(shí)趨于極端。還有ESP陰陽(yáng)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(hù)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(jì)算機(jī)程序參數(shù)設(shè)置方法，無(wú)須經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)的延遲，就能內(nèi)設(shè)“恒流”方式，實(shí)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(jì)算機(jī)的神奇！

⑷ 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(hào)處理器DSP來實(shí)現(xiàn)的。此外還有一些控制功能無(wú)疑最好也通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，比如：火花檢測(cè)和控制；反電暈的檢測(cè)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(shè)備的一些控制功能也可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)：陰陽(yáng)極振打控制；倉(cāng)壁振動(dòng)控制；料位檢測(cè)；卸輸灰控制；保溫箱電加熱控制；灰斗電加熱控制；進(jìn)、出口煙氣溫度檢測(cè)；故障檢測(cè)與報(bào)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(shí)現(xiàn)電除塵系統(tǒng)的綜合控制和最佳設(shè)計(jì)。

3 零火花率目標(biāo) 
    電除塵器除塵效率計(jì)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(jìn)速度，m/s。
    有效趨進(jìn)速度ω 由下式計(jì)算：…………………………………… （2）
        式中： 
            ε0 α μ----是一些常數(shù)；
            Eq  ---- 荷電場(chǎng)強(qiáng)；
            Ep  ---- 收塵場(chǎng)強(qiáng)。
   
從上面公式可知: 荷電場(chǎng)強(qiáng)Eq和收塵場(chǎng)強(qiáng)Ep愈大，,趨進(jìn)速度ω就愈大，ESP除塵效率η就愈高，也就是說陰陽(yáng)極間電壓愈高，除塵效率η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(duì)于純直流供電來說，火花的發(fā)生對(duì)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(wú)益處的。對(duì)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(shí)現(xiàn)零火花率的目標(biāo)。比如，在漳山電廠使用的ALSTOM高頻電源就實(shí)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(wú)謂的電耗，真是兩全其美。相反，對(duì)工頻可控硅整流電源，因?yàn)榧y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(biāo)準(zhǔn)是（60～150）次/分。正因?yàn)槿绱耍ゎl電源除塵效果更差。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(chǎng)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(qiáng)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(jìn)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(chǎng)伏安曲線上的特征是：低電壓大電流，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流上升，電壓下降的負(fù)斜率情況，通常稱為拐點(diǎn)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(jì)算機(jī)檢測(cè)到拐點(diǎn)，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(cè)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(cè)反電暈較容易，反電暈現(xiàn)象不嚴(yán)重時(shí)就已發(fā)現(xiàn)，立即采取措施，實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn) 
   
在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，電源運(yùn)行一段時(shí)間后除塵效果有明顯的下降現(xiàn)象。查其原因，大多是因?yàn)楸入娮杵叩姆蹓m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(duì)振打裝置的振打功率、振打頻率、振打方式等進(jìn)行控制外，在振打時(shí)對(duì)加在極板上的高壓電源也作相應(yīng)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(shí)進(jìn)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(jì)算機(jī)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(shí)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(yùn)行取決于一些參數(shù)。在試運(yùn)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(dá)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(shí)，并且ESP各部件良好地工作，則給陽(yáng)陰極之間的煙氣-粉塵-大氣提供最大電壓最大電流，達(dá)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(shí)現(xiàn)純直流供電和全新的間隙供電，輸出電流可控，可實(shí)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(yùn)行過程中較易實(shí)現(xiàn)零火花率，克服反電暈，實(shí)現(xiàn)功率控制振打，達(dá)到最佳的減排效果。
   
高頻開關(guān)電源SIR相對(duì)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(yùn)行環(huán)境而有區(qū)別。如果再設(shè)置以計(jì)算機(jī)為核心的系統(tǒng)多功能綜合控制器，實(shí)行系統(tǒng)最佳減排設(shè)計(jì)，則新系統(tǒng)較原來減少粉塵排放可望達(dá)到40%～90%。
  
2008年武漢國(guó)測(cè)電源有限公司參與了日照鋼鐵有限公司環(huán)保改造項(xiàng)目。日照鋼鐵有限公司燒結(jié)廠的球團(tuán)3#主軸電除塵器本體為200m2單室三電場(chǎng)，同極距為450mm。項(xiàng)目改造前，采用三臺(tái)1200mA/72kV的可控硅電源供電，已運(yùn)行兩年，長(zhǎng)期檢查的煙塵出口濃度為（80～100）mg/Nm3。目前新修定的國(guó)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(jì)已不符合現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
   
在本次環(huán)保項(xiàng)目改造中，電除塵器本體未作任何改動(dòng)，只是對(duì)電除塵器的供電電源進(jìn)行了更換，即采用了武漢國(guó)測(cè)數(shù)字電源有限公司生產(chǎn)的三臺(tái)GCHP-2型600mA/72kV高頻開關(guān)電源。在電除塵器穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)月期間進(jìn)行了兩次環(huán)保檢測(cè)，實(shí)測(cè)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(guó)家污染排放標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了此次環(huán)保項(xiàng)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(yùn)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(duì)工廠的日常運(yùn)行非常有利。這導(dǎo)致過大的除塵能力，從而產(chǎn)生凈化氣體遠(yuǎn)低于允許的排放水平，這種情況在ESP滿功率運(yùn)行時(shí)尤為突出。
   
節(jié)能就是最小能量消耗必須達(dá)到一個(gè)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(yáng)塵以及振打等方面的問題。因?yàn)檫^高的火花率、反電暈和二次揚(yáng)塵都不利于減排，降低除塵效率都浪費(fèi)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(yáng)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便于設(shè)置一個(gè)以DSP為核心的系統(tǒng)綜合控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)，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(yáng)塵的避免主要是依靠穩(wěn)定的電流來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)電源SIR呈恒流源性質(zhì)，因此也有利于避免二次揚(yáng)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(shí)行這兩項(xiàng)技術(shù)時(shí)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?？勺龅?0%～95%以上，比常規(guī)T/R電源直接節(jié)電達(dá)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(gè)因素，作為一個(gè)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(jì)，比原采用工頻T/R電源又未進(jìn)行節(jié)能的最佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電除塵系統(tǒng)，其節(jié)能指標(biāo)有望達(dá)到40%～90%。

8 結(jié)論

⑴　數(shù)字化開關(guān)集成整流電源SIR是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最佳供電電源，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展。

⑵　設(shè)置以計(jì)算機(jī)為核心的ESP系統(tǒng)多功能綜合控制器，實(shí)行ESP系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)最完美的節(jié)能減排。 ⑶　 基于上述兩點(diǎn)，ESP系統(tǒng)技術(shù)改造或新建項(xiàng)目，采用SIR而不用T/R, 有望實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能40%～90%，或者減少粉塵排放40%～90%。

參考文獻(xiàn)

    ［1］  黎在時(shí)，電除塵器的選型安裝與運(yùn)行管理，中國(guó)電力出版社，2004年。
    ［2］  第八屆國(guó)際電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2001年。
    ［3］  第十二屆中國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)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(shè)備電源的新模式，第16屆全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集，2005年。■