高效电除尘器高压电源设计及节能优化控制

摘要

电除尘器作为大气污染防治的主要设备，目前已广泛应用于工业生产过程的烟尘治理。由于电除尘器电能消耗较大，运行成本较高，随着国家对企业烟气排放标准的不断提高，企业对降低成本的需求将更为迫切。而改进电除尘器设计、优化电除尘过程控制则是企业提高电除尘器除尘效率、降低电除尘过程能耗的有效途径。
　　电除尘器由多个级联除尘区组成，各除尘区的电场特性是影响除尘效率的关键，而电场特性又主要由各除尘区的工作电压及放电极几何形状决定。目前，由于对不同放电极对应的电场特性不明确，容易导致放电极与高压电源配置不合理，使得除尘效率受到严重影响。同时，各除尘区所需要的负高压直流电由高压电源提供，现有的单相工频高压电源因脉动系数较大、电源效率较低，难以获得较高平均电压，限制了除尘效率的提高，而且电能浪费严重;三相工频高压电源尽管可提高输出电压，但控制复杂，对同步信号精度要求苛刻，可控硅触发顺序需与输入相序严格对应，换相时容易产生电压尖峰造成硅堆损坏，存在较大安全隐患;高频高压电源较工频高压电源能够获得更高平均电压，但工作频率高、功率器件通断损耗大，难以实现大功率输出，无法满足中大型电除尘器应用需要。此外，具有不同能效比的各级联除尘区，因缺乏有效协调，只能以最大功率输出，也造成了大量不必要的电能浪费。为此，本文将以提高电除尘器除尘效率、降低电除尘过程能耗为目标，针对高效电除尘器高压电源设计及电除尘过程的节能优化控制问题开展研究，主要工作概述如下:
　　1.针对长期以来由于芒刺类电极电场特性不明确只能依靠经验选取芒刺电极，从而易导致电除尘器高压电源与芒刺电极的配置不合理使得除尘效率不高的问题，通过对具有不同几何形状的芒刺电极的放电原理及电场特性的详细实验分析与比较，给出了合理选择芒刺类电极以及确定相应高压电源额定电流的实验依据。实验结果表明，不同芒刺电极对应的收尘极电流密度均呈非均匀分布，当用于粉尘比电阻适中或较低的场合可获得较高除尘效率;BS芒刺电极电晕能力最强，应优先用于前级除尘区，以增强除尘能力;当采用芒刺电极时，按0.7 mA/m2～0.8 mA/m2的电流密度来确定高压电源额定二次电流对提高除尘效率将更有利。
　　2.为了给各除尘区提供较高工作电压，提高除尘效率，分别针对三相工频高压电源和高频高压电源进行了改进设计。针对三相工频高压电源容易产生电压尖峰的问题，通过对三相调压方式的分析，提出了一种采用线电压同步的可控硅触发控制方法，并利用在不同导通角下所建立的输出电压瞬时值、平均值、峰值的数学表达式，完成了三相工频高压电源的详细设计，不仅有效避免了换相时的电压尖峰，提高了设备可靠性，而且实现了可控硅触发顺序的自动调整，降低了控制复杂度，现场应用也更加方便;针对高频高压电源功率器件通断损耗大的问题，提出了基于串联谐振的固定脉宽变频软开关控制方法，实现了功率器件的零电流开通与关断，有效降低了其通断损耗。通过对谐振回路工作模态的分析，给出了不同模态下的工作电路和等效电路，获得了谐振回路电压与电流的完整状态方程描述，并在此基础上，研制了1200mA/80 kV大功率高频高压电源。通过三种高压电源的对比实验表明，所研制的高压电源较单相工频高压电源，能够显著提高平均电压，增大除尘效率，可满足不同容量电除尘器应用需要。
　　3.为降低电除尘过程中火花放电给除尘效率带来的不利影响，提出了基于火花放电时二次电压与二次电流的变化特征，采用软硬件并行检测火花放电的方法，并给出了火花检测的理论判据，实现了火花放电的准确检测，避免了火花漏检与误检;通过对火花放电能量的分类处理，有效提高了电压恢复过程中的供电电压;而且针对能量较大的火花放电，进一步提出了动态跟踪控制方法，可根据工况变化自动调整火花频率及电压恢复速度。与采用传统火花跟踪控制方式的实验比较结果表明，所提出的动态跟踪控制方法能够获得更高平均电压，增强了除尘能力，从而降低了电除尘过程中火花放电对除尘效率的消极作用。
　　4.针对实际多区级联电除尘系统的优化控制问题，提出了以电除尘器总电耗最小为目标、以满足出口烟气浓度要求为约束条件的电除尘系统节能优化控制方法;分别采用神经元网络和多项式拟合方法建立了U2-C0模型以及各除尘区U2-I2、U2-U1和I2-I1模型，提出了利用遗传搜索得到各除尘区最优二次电压、并通过高压电源的内环控制获得期望输出的寻优方案，实现了各除尘区输出功率的整体协调。通过在实际电除尘器上的实验验证表明，所提方法能够在满足出口烟气浓度排放限定的条件下有效减少电除尘器电能消耗。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 电除尘器工作原理

1．3 电除尘器常规设计

1．3．1 本体设计

1．3．2 高压电源设计

1．4 问题提出及相关研究进展

1．4．1 放电极几何形状与电场特性

1．4．2 电除尘器高压电源改进

1．4．3 火花检测与控制

1．4．4 电除尘系统节能控制

1．5 本文主要工作

2 芒刺类电极电场特性

2．1 引言

2．2 实验系统

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 电晕放电

2．3．2 伏安曲线

2．3．3 收尘极电流密度

2．3．4 RS芒刺电极表面电场强度分布

2．4 本章小结

3 三相工频高压电源与高频高压电源设计

3．1 引言

3．2 三相工频高压电源

3．2．1 三相调压方式分析

3．2．2 基于线电压同步的可控硅触发控制

3．2．3 三相高压电源实验验证

3．3 高频高压电源

3．3．1 主回路设计

3．3．2 谐振回路工作模态分析

3．3．3 控制单元设计

3．3．4 高频高压电源实验验证

3．4 高压电源应用

3．4．1 三种高压电源正常升压对比实验

3．4．2 三种高压电源火花放电对比实验

3．4．3 现场应用

3．5 本章小结

4 火花检测与动态跟踪控制

4．1 引言

4．2 火花检测

4．2．1 基于二次电压的火花检测理论判据

4．2．2 理论判据仿真与实验验证

4．2．3 软硬件并行检测及火花放电能量区分

4．2．4 三相工频高压电源与高频高压电源火花检测

4．3 动态火花跟踪控制

4．4 本章小结

5 电除尘系统节能优化控制

5．1 引言

5．2 数学模型

5．2．1 二次电压-出口烟气浓度模型

5．2．2 二次电压-二次电流模型

5．2．3 二次电压-一次电压模型

5．2．4 二次电流-一次电流模型

5．3 优化控制

5．3．1 目标函数

5．3．2 节能优化设计

5．3．3 遗传搜索运算

5．3．4 实验验证

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

附录A 高压电源实物图

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介