静电除尘电源的发展.pdf

静电除尘电源的发展 刘 军 石健将 浙江大学电力电子技术研究所, 杭州 310027 摘要 静电除尘电源是静电除尘系统中的关键部分, 其性能直接影响除尘器的除尘效果, 以静电除尘电源在节能和提 高除尘效率上的关键因素为基础, 对静电除尘电源的发展进行分析研究。 具体阐述了静电除尘电源经历了由单相供 电向三相供电、工频调压向高频逆变以及单一供电模式向混合供电模式 3条较为明显的发展脉络, 指出高频静电除尘 电源具有控制方式灵活、输出高电压波形可控、闪络后关闭速度快和重启迅速等优点, 是当今静电除尘电源的主要研 究发展方向。 关键词 静电除尘 除尘效率 三相 高频 高压脉冲 0 引言 静电除尘是一种清除大气污染物粉尘的有力手 段之一,目前已经广泛应用于火力发电 、 水泥 、 冶金等 部门。静电除尘主要可分为气体的电离 、 粉尘荷电、 荷电粉尘的收集以及清理等 4 个过程 [ 1] 。随着人们 环保节能意识的增强以及国家对粉尘排放新标准的 施行 ,客观上对静电除尘提出了更高的要求。作为静 电除尘装置中关键部分的静电除尘电源更是围绕着 如何节能和提高除尘效率的方向发展, 以提升静电除 尘的性能 ,满足当前的要求。本文将阐述静电除尘电 源的特点和发展历程 。 1 静电除尘电源是节能和提高除尘效率的关键因素 静电除尘电源是静电除尘装置的核心部分,其性 能直接影响除尘的效果和效率。受静电除尘过程本 身为严重非线性特点的影响 如发生闪络 ,静电除尘 电源不同于一般电源, 其发展主要着眼于节能 、 提高 除尘效率 ,以下是静电除尘电源在提高除尘效率方面 的几个关键因素 。 1稳态时供电电压接近闪络电压 ,波动小。根 据多依奇捕集效率方程 1 可知, 在比集尘面积 A Q 一 定的情况下,决定静电除尘器除尘效率的是粉尘的驱 进速度 [ 1] 。 η 1 -e -A Qω 1 ω β UpUa 2 式中 A Q 单位气流量所对应的集尘面积 ,又称比 集尘面积; ω 粉尘粒子的驱进速 ; β 给定静电除尘器常数 ; Up 供电电压峰值; Ua 供电电压平均值 。 由上述分析可知 ,为了提高静电除尘器的捕集效 率,应尽可能的提高静电除尘器供电电压的峰值和平 均值 ,而静电除尘器稳态工作电压接近闪络电压即代 表峰值电压高, 波动小即意味着平均值电压高, 所以 稳态时静电除尘器供电电压接近闪络电压,波动小可 作为提高静电除尘器捕集效率的一条准则。 2闪络发生时能够快速检测, 关闭电源 。受工 作条件的影响, 静电除尘器发生闪络一般是不可避免 的。闪络发生时 ,静电除尘器作为电源的负载近似短 路状态,若不能迅速调整输出电压, 切断电源供给 ,势 必造成闪络的进一步加剧和恶化,造成能量的大量损 失,同时也会给静电除尘器的物理结构造成一定的冲 击和破坏。所以当闪络发生时应能够快速检测,立即 关闭电源。 3闪络后电源间歇时间短。闪络持续的时间 越长, 静电除尘器积累的空间电荷越多 , 从而退电离 的时间也越长, 这意味着系统需要停止较长的时间才 能开始再次运行 ,影响除尘效率。所以应该尽可能的 缩短闪络发生后静电除尘电源的间歇时间,提高静电 除尘电源的利用率, 从而提高除尘效率。这主要可以 通过快速检测闪络、关闭电源输出来实现 。 4输出电压重新上升至工作电压的速度快。 当闪络发生后, 系统停歇一段时间后需要重新启动来 建立静电除尘器的供给电压。在供给电压上升至额 定工作电压这段时间内, 由于供电电压较小从而导致 除尘效率较低。所以如何缩短供给电压建立的时间, 44 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 也是提高除尘效率的一个重要因素 。 2 静电除尘电源的发展 静电除尘电源在不断提高除尘效率的基础上 ,其 结构不断改进, 性能不断提升, 在这一发展过程中具 有3 个较为明显的发展脉络 。 1 单相供电 ※三相供电 [ 2 -4] 。静电除尘电源最 初采用可控硅相控交流调压的结构 ,其发展到今天已 经形成了一套非常成熟的技术。单片微机和计算机 智能控制系统的使用和推广使得静电除尘器系统工 作精确,操作和维护也变得十分简单 [ 5] , 典型结构如 图1 所示。 图 1 单相供电可控硅静电除尘电源结构 但是, 单相可控硅交流调压电源存在以下缺点 ① 供电不平衡, 功率因数低,不利于节能和环保; ②供 电电压脉动大, 平均值电压低 ,除尘效率低; ③输出高 压波形单一 ,对高浓度粉尘 ,高比电阻粉尘等工况的 适应性比较差。 为了克服以上缺点, 文献[ 2] 提出一种三相可控 硅整流电路,原理如图 2所示。其基本原理为三相电 网交流电直接输入 ,经过三相可控硅全控移相调压, 三相高压变压器升压和高压硅堆整流后得到静电除 尘器所需的负高压。 图 2 三相供电可控硅静电除尘电源结构 三相可控硅整流电路采用三相供电 ,系统供电平 衡,功率因数高 ; 输出采用六脉波整流, 输出电压波动 小,极大的提高了供电电压的平均值, 提高了除尘效 率。如果变压器次级采用星形和三角形 2 种形式串 联的结构, 其还可以得到十二脉波整流输出 ,可进一 步减少输出电压脉动 。 但是由于三相可控硅整流电路仍然采用可控硅 移相调压的控制方式 ,所以相对于单相供电可控硅静 电除尘电源除了在供电平衡以及输出电压波动小方 面有所改善外, 其他方面并没有本质的改变 ,如闪络 发生时系统不能及时切断电源供给等。 2 工频调压 ※高频逆变 [ 6 -9] 。采用传统的可控 硅相控调压方式的静电除尘电源很难同时满足本文 所指出的提高除尘效率的 4 个条件, 其根本原因是其 直接利用了电网工频电源并采用半控型器件可控硅 进行调压控制。由于可控硅的门极只能控制其开通, 不能控制其关断 ,所以在应对闪络时显得非常被动 。 目前, 功率器件已经有了长足的发展 ,这使得对 传统静电除尘电源结构和控制方式的改变成为了可 能。高频静电除尘电源正是采用了大功率高频功率 器件 如 IGBT 、 高频升压变压器以及高频调制技术 的新一代静电除尘电源。 图3 为高频静电除尘电源结构, 三相交流电通过 整流后在母线电容上得到直流电压 ,然后通过高频逆 变、 高频升压变压器 、 高压整流 ,最终在静电除尘器上 得到直流负高压。高频静电除尘电源的主要思想是 首先把三相工频电源转变成直流电 ,然后再利用现代 电力电子技术将直流电逆变成高频交流, 其主要特 点是 ①逆变桥电路能够把直流电压转换成高频交变 的方波 ,这种方式在控制上具有极大的灵活性, 体现 在对 逆 变 桥 可 以单 独 采 用 PWM、PS-PWM [ 10-12] 、 PDM [ 13-14] 等多种控制方式或多种控制方式的组合。 由于采用了高频控制 ,系统的动态响应速度可以快速 提高, 输出电压的纹波可以控制的很小 , 从而极大地 提高了除尘效率。另外, 由于控制方式的灵活性, 高 频静电除尘电源可以产生特定的高压输出波形,以适 应不同的除尘工况 [ 15 -16] 。 ②逆变桥电路高频交变方波的输出形式可以采 用高频变压器 [ 17 -18] 。在保持升压比不变的情况下 ,高 频变压器的原副边匝数相比于传统工频变压器会有 大幅度的减少, 随之而来的是变压器体积的明显减 小,相应的变压器油箱的体积也会明显减小。所以, 缠绕变压器的铜 、 制作油箱的铁、绝缘用的油等材料 的使用都会极大的减少, 节省原材料 。 ③另外与传统的可控硅工频相控电源相比, 高 频静电除尘电源应用了全控型 、 开关时间在几百个纳 秒的功率器件, 如 IGBT ,从而使系统具有快速的响应 速度 ,在静电除尘器发生闪络时能够迅速切断电源 。 45 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 图 3 高频静电除尘电源结构 图 4 为高频静电除尘电源和传统可控硅静电除 尘工频相控电源两种工作模式下静电除尘器的电压 与电流波形 , 包括系统发生闪络 、重新启动和稳态 3 种状态的对比波形 [ 19] 其中实线代表高频 IGBT 电源 波形 ,虚线代表传统可控硅相控电源波形 。 图 4 高频静电除尘电源和传统可控硅 静电除尘工频相控电源的对比 由图 4 可看出, 当发生闪络时 ,两者的输出电压 都迅速下降,不同的是高频静电除尘电源能够迅速响 应,封锁电源,所以输出电流也随之迅速下降至零 ; 而 传统可控硅静电除尘工频相控电源由于不能快速响 应,输出电流要经过很长时间才逐渐下降至零 ,在这 个过程中大量的能量消耗在静电除尘器中。 由于高频 IGBT 电源闪络持续时间短 ,从图 4 中 可以看出经过较短的退电离时间系统就可以再次重 新启动 ; 而传统电源由于闪络持续时间长 ,火花放电 严重, 产生大量的空间电荷 ,所以需要经过较长的退 电离时间系统才可以重新启动 。当系统重新启动时, 由于高频静电除尘电源的响应速度快, 所以输出电压 能够迅速达到预定电压, 而传统可控硅静电除尘工频 相控电源则需要很多个工频周期后才能达到。上述 两点表明,高频 IGBT 电源的有效除尘时间将远远高 于传统电源,除尘效率大大提高。 3 单一供电模式 ※混合供电模式 [ 20 -21] 。所谓混 合供电模式是指在静电除尘器直流供电的基础上叠 加高频脉冲电压 。有关资料 [ 20] 给出了一种混合供电 模式原理图, 如图 5。其中直流电压源的幅值可调, 并保持在静电除尘器电流对电压函数斜率最大点处; 脉冲的幅值 、 宽度、频率、斜率均可调节 , 以保证最大 的除尘效率 。 图 5 混合供电模式的静电除尘电源结构 直流叠加高频脉冲电压供电形式的优点为 ① 脉冲电压持续时间短, 不易触发闪络; ②脉冲电压幅 值高, 可增加粉尘的荷电量 ,进而增加粉尘驱进速度 提高除尘效率 ; ③采用单独的脉冲电压源 ,高压脉冲 可以以较高的频率产生。 混合供电模式需要增加一套脉冲电压源 ,从而增 加了静电除尘电源的复杂性, 同时直流电压源直流工 作点的选取以及脉冲的产生也增加了系统控制的难 度。目前, 混合供电模式的静电除尘电源技术还不是 很成熟 ,很少见到在实际工程中的成熟应用 ,还需要 进一步的完善和发展 。 3 结束语 静电除尘电源的发展始终以提高除尘效率和节 能为目的, 而在这过程中考虑到静电除尘器负载的特 殊性 ,有待于进一步研究合适的拓扑形式以及静电除 尘器不同工况、不同工作过程下的控制方式 ,以利于 更好的发挥静电除尘电源在静电除尘中的作用。 参考文献 [ 1] 谢广润, 陈慈萱. 高压静电除尘器. 北京 水力电力出版社, 1993 [ 2] Johnson N M, Neister S E, Bulter C F . 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Helmut electrostatic preciptator Power supply US , 4808200 [ 21] Santamaria,George T.Pulsed power supply for an electrostatic precipitator US, 4600411 作者通信处 刘军 310027 浙江大学玉泉校区电力电子技术研究 所 102 室 电话 0571 87951332 E -mail sinliujunsina. com. cn 2007- 12-06 收稿 上接第 37页 开发了各设备辅助设计功能, 为各设备的选型和设计 及工程实践提供了源数据和参考数据。 3 本软件还需进一步优化, 并在某些功能方面 可以进一步的加强, 从而更科学地指导工程设计与 实践 。 参考文献 [ 1] 黄建军, 路达, 赵毅. 氮氧化物催化还原技术在火电厂的应用研 究. 电力情报, 2002 3 27 -29 [ 2] 于龙, 张彦军. 选择性催化还原 SCR 脱硝技术研究.锅炉制 造, 2005 4 1 -4 [ 3] 杨. 氮氧化物减排技术与烟气脱硝工程. 北京 冶金工业出版 社, 2007 117 -126 [ 4] Schaub G, Unruh D, Wang J, et al.Kinetic analysis of selective catalytic NOxreduction SCR in acatalytic filter.Chemical Engineering and Processing, 2003 42 365-371 [ 5] 吴金华, 于秋生. delphi 程序设计教程. 北京 机械工业出版社, 2004 64 -156 [ 6] 王洪涛, 李雨松. 动态好氧堆肥模拟模型研究与应用. 中国环境 科学, 2001 3 240 -244 [ 7] 袁筱凤. 湿空气焓值的计算. 湖北化工,1998 4 43 -48 [ 8] 郑向阳. 从含湿气体的热物理特性分析锅炉烟气潜热的利用. 工业锅炉, 2006 1 16 -20 [ 9] 蒋寻寒, 曹祖庆. 一组性能优良的水和水蒸汽高精度特性公式. 动力工程, 2003 12 2777 -2809 [ 10] 虞亚辉, 黄荣国. 水和水蒸汽比容及焓的拟合式. 华东电力, 1999 7 19 -21 [ 11] Salama A I A. Sampling schemes for mass balance of flowsheets with multi-component streams. Int. J. MinerProcess, 1999 55 219 -229 [ 12 ] 胡满银, 乔欢, 徐勤云, 等. 火电厂 SCR 系统运行仿真的研究. 计算机工程与设计, 2007 3 1126 -1129 作者通信处 吴其荣 400045 重庆市 重庆大学 B 区 3 舍 219 重 庆大学资源与环境科学学院 E -mail wqr20021 126. com 2008- 05-23 收稿 47 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 tion safety. Keywords tipper mechanisms of dust production numerical simulation collecting and cleaning dust dust cleaning effect EXPERIMENTAL RESEARCH ON HIGH TEMPERATURE GRANULAR BED FILTER HaoJingzhang He Peng 28 Abstract The goal of this study was to uate the perance of granular filter designed for hot gas cleaning. The effect of temperature on the characteristic of granular bed filter for high temperature dust removalwas studied, and a ula of temperature versus dust removal efficiency and pressure drop was obtained. Moreover, the experimental resultswere similarwith those of the ula. With the increase of temperature, the dust -removing efficiency and pressure dropwould become higher during the process of dust -cleaning. Keywords dust-removing granular bed high temperature INVESTIGATION ON ENVIRONMENTAL PROTECTION OF BUILDING CONSTRUCTION Tian Jing 31 Abstract It is done an investigationon the attitude of managing personnel of construction enterprise andthat of residents aroundworksitesto environmental protection. The results show thatin treatment of pollution, building refuses are mainly incinerated or transportedto a landfill site; for construction noises, there are no constructions at night, anti noise walls are set up. Insufficient supervision of environment. less in environ - mental protection and lack of scientific management are the main factors to pollute environment by building constructions. The relevant solutions are proposed based on perfection of specifications and laws, enhancement of construction management, and improvement on construction techniques etc. Keywords building construction attitude to environmental protection questionnaire THE SIMULATION OF MASS BALANCE AND AIDED DESIGN IN SCR FUME DENITRATION SYSTEMDu Yungui Wu Qirong Yu Yu 35 Abstract SCR selective catalyst reductiondenitration technology is one of the main fume denitration technology in thermal power plants, whose mass balance calculation is an important means of guiding practice and technological design.Based on technical principle of SCR fume denitration and the experience of engineering practice, itwas explored the program for mass balance of SCR and simulated the main technological parameters of SCR system, as well as developed the auxiliary design function of each device. Keywords flue gas denitration SCR mass balance program design aided design SMOKE PURIFICATION AND ENERGY-SAVING TECHNOLOGICAL TRANSATION FOR CHARGING CAR OF COKE -OVENChen Yingying Wang Haitao 38 Abstract Smoke purification of charging car of coke -oven isone of the key points in coking plant smoke purification. This paper introduces how to trans smoke wet purification of the charging car of coke -oven to dry purification, including the effects of saving energy , water and re - ducing noise. Keywords charging car smoke purification energy -saving technology COUNTERMEASURES FOR CONTROLLING NOXPOLLUTION OF CENTRAL HEATING BOIL - ERSLi Wei Ding Xiaowen Ma Wenjing et al 41 Abstract The boilers with low excessair coefficient were chosen in the environmentalimpact assessment of a centralheating project, mean - while the scheme of enhancing managementof boiler operation was usedto control NOXemission. The low excessair coefficient of the selectedboil - erswas lower than 1 . 43, by which NOXemission concentration in fume could be reduced to 143 mg m3. The index of NOxcanmeet the emission standard. Keywords central heating environmental impact assessment control of NOXpollution THE DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY FOR ELECTROSTATIC PRECIPITATOR Liu Jun Shi Jianjiang 44 Abstract The power supply for anelectrostatic precipitator is the key part in the electrostatic precipitator system, and its perance is the key factor to improve the efficiency of the dust removal. The developmentof power supply for electrostatic precipitatorsisreviewed based on energy- saving and improvement of dust removal efficiency. It has three development trends, which is from single -phase power supply to three -phase power supply, from voltage regulation under line frequency to high frequency inverting and from one power mode to hybrid power mode. The high frequen - cy power supply for electrostatic precipitators is the developing trends andhas the advantages of flexible control, controlledwave of output high voltage and fast reaction under flashover and restart. Keywords electrostatic precipitation dedust efficiency three phase high frequency high voltage pulse MERCURY CONTROL TECHNOLOGIES FOR COAL -FIRED FLUE GAS Tian Lihui Li Caiting Zeng Guangming et al 48 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008