楊明印，張連永

(1.華電國(guó)際十里泉發(fā)電廠，山東棗莊277100； 2.濟(jì)寧技師學(xué)院機(jī)電系，山東濟(jì)寧272000)

提高高比阻粉塵除塵效率的電源設(shè)計(jì)方案

楊明印1，張連永2

(1.華電國(guó)際十里泉發(fā)電廠，山東棗莊277100； 2.濟(jì)寧技師學(xué)院機(jī)電系，山東濟(jì)寧272000)

火電廠在降低排煙溫度、獲得較高燃燒效率的同時(shí)，導(dǎo)致煙氣中粉塵的比電阻升高。高比電阻粉塵易引起反電暈現(xiàn)象。為了避免靜電場(chǎng)反電暈造成的除塵效率的下降，提出了一種直流加脈沖的除塵供電電源。直流電源一方面能夠產(chǎn)生臨界擊穿電場(chǎng)的電暈電壓；另一方面在抑制反電暈期間能夠?yàn)殪o電場(chǎng)提供足夠的遷移能量，瞬時(shí)沖擊脈沖電源能夠使電場(chǎng)中的電子與離子獲得足夠的能量，有利于擴(kuò)散和粉塵荷電。兩種電源經(jīng)過耦合作用在除塵器上，能夠很好地抑制反電暈現(xiàn)象。此外，還給出了此種電源的硬件設(shè)計(jì)與控制方法，最后的仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了該方案的可行性。

靜電除塵原理；反電暈；晶閘管相控調(diào)壓；脈沖電路；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仿真驗(yàn)證

0 引言

電除塵技術(shù)作為治理煙氣粉塵污染的主要技術(shù)手段，自投入工業(yè)使用一個(gè)世紀(jì)以來，以其技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已在電廠煙氣治理中得到了廣泛應(yīng)用。隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，電廠在降低排煙溫度，獲得高燃燒效率的同時(shí)，更應(yīng)該保證煙氣的達(dá)標(biāo)排放。但是，隨著排煙溫度的降低，煙氣中粉塵的比電阻升高[1]，高比電阻粉塵容易引起反電暈現(xiàn)象，不利于除塵效率的提高。傳統(tǒng)的除塵電源在處理高比阻粉塵時(shí)效果不是很明顯，改進(jìn)的間歇脈沖供電方式雖然能夠很好地抑制反電暈現(xiàn)象，但是平均輸出電壓較低，不足以為靜電場(chǎng)提供足夠的遷移能量，限制了荷電粉塵遷移速率，降低了除塵效率。因此，為了實(shí)現(xiàn)電廠煙氣的超凈排放，研究具有適配輸出特性的除塵電源對(duì)提高除塵效率有著重要的理論與實(shí)踐意義。

1 靜電除塵原理和設(shè)計(jì)依據(jù)

靜電除塵的原理是利用靜電場(chǎng)力將煙氣中的粉塵除去，其工作過程大致可以分成三個(gè)階段：氣體電離、粉塵荷電和振打清灰。高壓電源作用在線型電暈極上時(shí)，電暈極附近的氣體發(fā)生電離，在電場(chǎng)力的作用下自由電子、負(fù)離子向集塵極運(yùn)動(dòng)，當(dāng)帶有粉塵的煙氣通過此電場(chǎng)時(shí)，粉塵就會(huì)荷電，荷負(fù)電的粉塵在電場(chǎng)力的作用下向集塵極遷移，最后落在極板上，當(dāng)集塵極的粉塵達(dá)到一定厚度時(shí)，就用振打或者聲波清灰的方法將其清除。

煙氣的溫度、濕度、粉塵成分發(fā)生變化時(shí)都會(huì)引起粉塵比電阻的變化，高比電阻粉塵荷電后到達(dá)收塵極后不易釋放電子，當(dāng)粉塵層中的電場(chǎng)強(qiáng)度大于其臨界值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，產(chǎn)生異號(hào)空間電荷，中和空間負(fù)離子。反電暈易造成二次揚(yáng)塵[2]，使除塵效率顯著下降。

(1)

式中：μ為氣體的粘度；dc為塵粒的直徑；ω為塵粒與氣流在橫向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)粉塵受到的電場(chǎng)力與空氣阻力平衡時(shí)，粉塵離子做橫向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的驅(qū)進(jìn)速度為：

(2)

由效率公式可知，當(dāng)粉塵性質(zhì)一定時(shí)除塵器的除塵效率完全取決于粉塵的驅(qū)進(jìn)速度。通過對(duì)除塵效率公式的推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，粉塵的驅(qū)進(jìn)速度又與靜電場(chǎng)的平均電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比[3]。因此，在粉塵其它性質(zhì)一定的情況下，提高除塵器的電暈電壓能夠大幅度的提升粉塵的驅(qū)進(jìn)速度，進(jìn)而顯著提高除塵器的除塵效率。但是，電場(chǎng)電暈電壓的提高受到電場(chǎng)臨界擊穿電壓的限制，電暈電壓太高就會(huì)使電場(chǎng)絕緣介質(zhì)擊穿發(fā)生弧光放電，嚴(yán)重的會(huì)損壞除塵設(shè)備。此外，一味的提高電場(chǎng)平均電壓對(duì)于高比阻粉塵易引起反電暈現(xiàn)象，降低除塵效率。電暈電壓過低就會(huì)使得電場(chǎng)能量大部分用于電子與離子的激發(fā)，而電子、離子自身獲得的熱運(yùn)動(dòng)能量相對(duì)較少，驅(qū)進(jìn)速度不快，除塵效率不高。直流+脈沖供電時(shí)，脈沖接通期間，由于瞬間電壓較高，電子在沖擊脈沖電暈場(chǎng)中獲得的熱運(yùn)動(dòng)能量較大，有利于擴(kuò)散荷電，其次直流基電壓在正常工況下能夠維持輸出電壓略低于電場(chǎng)擊穿電壓運(yùn)行，提高除塵效率；在高比阻粉塵情況下能夠降低輸出電壓，很好的抑制反電暈的發(fā)生?？傊吣芰克矔r(shí)脈沖電源在非閃絡(luò)工況下能提高粉塵的荷電量與驅(qū)進(jìn)速度。因此，直流+脈沖輸出特性是較理想的供電方式，對(duì)于提高除塵效率抑制高比阻粉塵的反電暈現(xiàn)象有著重要的理論與實(shí)踐意義。

2 基礎(chǔ)電源

本設(shè)計(jì)采用三相晶閘管相控調(diào)壓整流電路作為基礎(chǔ)直流供電電源，主要考慮其性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，輸出電壓紋波系數(shù)小。電路原理圖如圖1所示。主要是由三相交流調(diào)壓電路、高壓硅堆整流變壓器、電壓抑制電路等部分組成。380V的工頻電源經(jīng)三組兩兩反并聯(lián)的晶閘管調(diào)壓后，再經(jīng)高壓硅堆整流變壓器升壓整流，最后輸出為一個(gè)周期內(nèi)有6個(gè)波頭脈動(dòng)的高壓直流電。通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，可以調(diào)節(jié)輸出直流電的大小進(jìn)而調(diào)節(jié)加在ESP上的電暈電壓的大小。

圖1 三相交流調(diào)壓主電路原理圖

為了電路安全考慮，設(shè)計(jì)了具有瞬態(tài)電壓抑制功能的電路。電容C值很小主要是利用其交流特性來抑制突變電壓，電阻R防止因LC電路振蕩產(chǎn)生的過電壓，并能降低回路電流，減小損耗。

3 高能量脈沖電源

為了獲得高能量的沖擊脈沖，使靜電場(chǎng)電荷獲得較高的能量，本文設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)生高頻脈沖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其原理圖如圖2所示。三相380 V工頻電源經(jīng)不可控整流橋給電容C0充電，由于C0的電容比較大其輸出電壓為直流電壓。T1導(dǎo)通時(shí)電容C0給電容C1充電，電容C0給電容C1充電時(shí)，電路中形成低壓脈沖，并且將能量?jī)?chǔ)存在電容C1上。T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通期間電容C1給脈沖變壓器副邊的電容C2充電，電路中形成的脈沖經(jīng)脈沖變壓器升壓后形成高壓脈沖，并且將能量存儲(chǔ)在電容C2上。高壓脈沖再經(jīng)過氣體擊穿火花隙開關(guān)和TLT(變壓器傳輸線)進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，變成具有沖擊效應(yīng)的高能窄脈沖，最后注入到除塵器本體?？傮w來說脈沖電源是由不可控整流橋、諧振式兩級(jí)充放電回路、脈沖變壓器和脈沖壓縮電路等部分組成。

圖2 高頻脈沖主電路原理圖

開關(guān)管周期性的開通與關(guān)斷，導(dǎo)致電容周期性的充放電是低壓脈沖形成的關(guān)鍵，而高能脈沖的頻率就是通過控制晶閘管觸發(fā)信號(hào)的頻率進(jìn)而控制開關(guān)管周期性的通斷來實(shí)現(xiàn)的。兩級(jí)充放電系統(tǒng)中通過LC倍壓諧振不但能夠提升脈沖電壓幅值還能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的軟關(guān)斷[4、5]，T1、T2開通時(shí)諧振電流為零開關(guān)管是軟開通，當(dāng)諧振電流過零后的任意時(shí)刻關(guān)斷T1、T2都能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟關(guān)斷。為了獲得具有沖擊效應(yīng)的高能窄脈沖，本設(shè)計(jì)采用氣體火花隙開關(guān)配合TLT傳輸線對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮[6]。首先利用氣體火花隙開關(guān)具有延時(shí)擊穿和重復(fù)頻率高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的壓縮；其次利用傳輸線變壓器根據(jù)輸入端阻抗與輸出端阻抗比例來實(shí)現(xiàn)電壓變換的特點(diǎn)，采用兩級(jí)輸出線變壓器，輸出線變壓器的輸入端采用并聯(lián)，輸出端采用串聯(lián)對(duì)脈沖進(jìn)行等幅值壓縮。

4 直流—脈沖電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

圖4 同步電壓形成電路

電源控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電除塵過程的自動(dòng)控制，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)工況改變除塵電源的電壓電流的輸出，使除塵器的除塵效率達(dá)到最佳[7]。此外，還能夠根據(jù)判據(jù)判定除塵器過電壓、過電流與閃絡(luò)等故障的發(fā)生，封鎖輸出保護(hù)設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用微控制芯片dsPIC30F6014A[8]為中央控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流+脈沖除塵電源的智能控制，主要是有同步電壓捕捉、模擬量輸入通道、數(shù)字量輸出通道、可控硅觸發(fā)信號(hào)、故障保護(hù)及與外界通訊等模塊組成。硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。在三相調(diào)壓電路中，能夠及時(shí)正確的捕捉三相電壓的過零點(diǎn)是晶閘管能夠可靠導(dǎo)通的基礎(chǔ)，這是因?yàn)橹挥挟?dāng)晶閘管承受正向電壓并且門極有觸發(fā)脈沖的情況下，晶閘管才能導(dǎo)通。因此，電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該有同步電壓的過零檢測(cè)電路[9]，圖4為A相同步電壓形成的電路圖，在A端子輸入的是正弦波信號(hào)，從端子IC1輸出的是方波信號(hào)，輸入到控制器的同步信號(hào)捕捉模塊，作為晶閘管觸發(fā)脈沖輸出的判據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)較好的除塵效果，應(yīng)該控制除塵器的輸出電壓盡量接近閃絡(luò)電壓，并能實(shí)現(xiàn)一定的閃絡(luò)率。本設(shè)計(jì)采用以控制重建電場(chǎng)電壓的上升率為方法的最佳火花頻率控制。正常情況下高頻窄脈沖配合基礎(chǔ)直流電源的升壓與穩(wěn)壓輸出，閃絡(luò)情況下高頻窄脈沖與直流電壓封鎖輸出，延時(shí)一定時(shí)間待靜電場(chǎng)絕緣介質(zhì)恢復(fù)后基礎(chǔ)電源按照一定的電壓上升頻率重新建立電場(chǎng)電壓。反電暈情況下直流基礎(chǔ)電壓下降到能夠維持電場(chǎng)遷移能量最低電壓使高比阻粉塵在集塵極能夠順利的釋放電子，高頻窄脈沖全功率輸出以保證足夠的擴(kuò)散荷電能量，通過兩種電源的相互配合保證反電暈情況下除塵器有較高的除塵效率。

圖3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖

為了驗(yàn)證本方案的可行性，利用Matalab/Simulink中Power System工具箱[10]搭建了直流+脈沖電源電路，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，其輸出電壓波形示意圖如圖5所示。

圖5 輸出電壓波形示意圖

5 結(jié)論

通過仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)電源三相調(diào)壓控制角的移相范圍是0°～150°，高頻沖擊電源當(dāng)開關(guān)頻率在300～800 Hz變化時(shí)其脈沖寬度基本不變，高比阻粉塵情況下直流電源輸出電壓平均值為40 kV能夠維持基本的起暈電壓與遷移能量，高能量脈沖電源的輸出頻率能達(dá)到800 Hz，輸出瞬時(shí)電壓能達(dá)到120 kV，能夠?yàn)殪o電場(chǎng)提供足夠數(shù)量與能量的電子與負(fù)離子。仿真試驗(yàn)不但證明了本設(shè)計(jì)的可行性，還進(jìn)一步證明了直流+脈沖的靜電除塵供電方式不但能夠提高正常工況下的除塵效率，而且對(duì)高比阻粉塵的反電暈現(xiàn)象也有很好的抑制效果。

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Power Supply Design to Improve the Dust Collection Efficiency of High Resistivity Dust

Yang Mingyin1, Zhang Lianyong2

(1. Shiliquan Power Plant, Huadian Power International Corporation Limited, Zaozhuang 277100, China; 2. Electrical Technician Department, Jining Technician College, Jining 272000, China)

Specific resistance of dust in fumes rises while power plants try to reduce the temperature of smoke removal and gain higher combustion efficiency. The high specific resistance dust can easily lead to anti corona phenomenon. In order to avoid losing dust collection efficiency for anti corona electrostatic field, this paper proposes a kind of power supply of ESP which combines DC Power supply with pulse power supply. DC power supply, on one hand, can produce corona voltage. On the other hand, it can supply enough migration energy for electrostatic field and lash pulse power supply instantly to supply electron and ion with enough energy. It helps dust changes to diffuse. Two power supplies coupling on the filter can suppress the anticorona sufficiently. Moreover, this paper provides the hardware design and control method of this type of power supply. And the final simulation experiments have further proved the feasibility of the plan.

electrostatic precipitator principle; anti corona; thyristor phase control voltage; pulse circuits; control system design; simulation

2015-05-14。

楊明印(1985-)，男，助理工程師，從事集控運(yùn)行電氣設(shè)備運(yùn)行工作,E-mail：mingyin1003@126.com。

TM315

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.013