高頻電源在青島鋼鐵燒結機頭電除塵項目上的成功應用

張鵬

摘 要：青島鋼鐵有限公司城市鋼廠環(huán)保搬遷工程2×240 m2燒結系統(tǒng)工程機頭電除塵項目2臺2BY284/2-4大型除塵器，配套32套高頻電源設備、8套低壓設備及IPC控制系統(tǒng)，其中32套高壓控制系統(tǒng)都應用新型高頻電源，投運后除塵效率99.86%、99.88%，出口排放濃度28.86 mg/m3、26.95 mg/m3，達到及超過除塵效率99.77%的設計指標要求；青島鋼鐵環(huán)保搬遷工程1號、2號燒結系統(tǒng)機頭電除塵高壓控制系統(tǒng)應用高頻電源與青島鋼鐵老廠3號、4號燒結系統(tǒng)采用常規(guī)工頻電源出口排放濃度43.95 mg/m3提高到28.86 mg/m3、26.95 mg/m3、除塵效率由99.62%提高到99.86%以上，樹立大型燒結系統(tǒng)成功應用、滿足低排放標準的典范工程。

關鍵詞：高頻電源；脈寬調(diào)制；節(jié)能；電除塵

中圖分類號：TF805.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）30-0039-03

1 工程介紹

青島鋼鐵燒結機頭2臺大型除塵器為2BY284/2-4電除塵設備為2×240 m2燒結系統(tǒng)工程機頭配套的煙氣除塵凈化設備，主要由本體設備和電控設備兩大部分組成，如圖1所示。

本體部分為雙列雙室四電場電除塵器，水平進風，水平出風。電控設備由高頻電源、低壓控制系統(tǒng)及IPC控制系統(tǒng)組成，如圖2所示。

高頻電源的優(yōu)點：

①工頻電源采用單相輸入，輸出電壓紋波可達到35%～45%，對電網(wǎng)有直接污染；高頻電源采用三相輸入，輸出電壓紋波小不到5%，且對電網(wǎng)無污染，為綠色環(huán)保電源。

②高頻電源能提供更大的輸出電流，可達工頻電源的2倍。

③高頻電源能提供更高的輸出電壓，可達工頻電源的1.3倍。

④高頻電源安裝在除塵器頂部，電纜用量顯著減少，同時，不占用控制室空間，可節(jié)省土建成本。

⑤采用高頻電源，與采用常規(guī)電源相比，在同樣電除塵器規(guī)格條件，對驅(qū)進速度的改善系數(shù)在5%左右，又減輕了進入后電場的粉塵負擔，并使整臺除塵器除塵效果增強。

⑥在青島鋼鐵城市鋼廠環(huán)保搬遷工程機頭電除塵所以電場全部采用高頻電源，節(jié)能提效效果顯著。

2 對青島鋼鐵使用的高頻電源主體結構，主電路的 工作原理，及控制電路的工作原理作了簡要的 論述

近年來，伴隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，特別是新一代功率電子器件如IGBT，MOSFET等的應用，高頻逆變技術越來越成熟，各種不同類型和特點的電路廣泛地被應用于DC/DC與DC/AC等場合。在這一前提下，設計一種高頻電源代替常規(guī)高壓電源，達到減小高壓電源裝置的體積與重量的目的已成為可能。同時其使用效果、輸出特性和成本等也都比常規(guī)高壓電源裝置具有明顯的優(yōu)勢，系統(tǒng)效率也得到了一定程度的提高。

2.1 電源主體結構

高壓逆變電源的電路組成框圖，如圖3所示。它主要包括主電路及控制電路兩部分。主電路主要包括配電開關、工頻整流器、斬波器、濾波器、IGBT橋式逆變器、保護電路、高頻高壓變壓器、高頻高壓硅堆（高頻整流器）等部分。控制電路主要包括電流、電壓、火花率采樣及其處理單元，PWM信號產(chǎn)生和驅(qū)動電路，單片機控制器，參數(shù)輸入鍵盤及液晶顯示，通信接口等部分。

2.2 主電路的工作原理

主電路的工作原理，如圖4所示，高頻逆變器中的功率開關管采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。它是將MOSFET和GTR的優(yōu)點集于一體的新型復合器件，具有MOSFET的高輸入阻抗、可用電壓驅(qū)動，GTR的通態(tài)功耗低等優(yōu)點。

圖4中交流電壓經(jīng)整流—斬波器調(diào)壓—濾波后得到直流電壓U1，將U1加到全橋式高頻逆變器上。D1～D4與功率開關管S1～S4反向并聯(lián)，承受負載產(chǎn)生的反向電流以保護開關管。C1～C4及R3～R6以及D5～D8的引入是為了避免4個開關管在關斷時過高的電壓上升率和減少管子的關斷損耗。當柵極脈沖信號輪流驅(qū)動S1、S4或S2、S3時，逆變主電路把直流電壓U1轉(zhuǎn)換為20kHz的高頻矩形波交流電壓送到高頻高壓變壓器，經(jīng)升壓整流濾波后給除塵器供電。控制S1、S4和S2、S3兩組IGBT的占空比，就可得到脈寬可調(diào)的矩形波交流電壓。

2.3 控制電路的工作機理

2.3.1 單片機控制器

為了使整個電源系統(tǒng)具有自診斷和人機交換式的控制功能，該電源選用單片機80C196K，主要負責實時監(jiān)控和與上位機進行數(shù)據(jù)通信的任務。

當除塵器處在工作狀態(tài)時，單片機一方面定時采集其反饋的電流電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換通道將其讀入，并通過一定算法得出控制量Uk，通過單片機輸出控制量給脈寬調(diào)制控制器，進而改變調(diào)制脈沖寬度；另一方面可以實現(xiàn)根據(jù)用戶的需求改變電源的外特性，如恒流，恒壓，緩降等。

另外，單片機還定期地將本電源的輸出電流、輸出電壓、火花率等信息傳遞給上位機，將故障信息由串口發(fā)向上位機，以示警告，同時接收來自上位機的控制命令，使自身投入或退出工作或改變工作參數(shù)。

2.3.2 脈寬調(diào)制控制器

脈寬調(diào)制控制器電路，如圖5所示，它的作用主要是為驅(qū)動電路提供控制脈沖以實現(xiàn)PWM控制。其核心是產(chǎn)生PWM信號的專用集成芯片SG3525A。SG3525A是電壓型PWM集成控制器，外接元器件少，性能好，具有外同步、軟啟動、死區(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定、誤差放大以及關閉輸出驅(qū)動信號等功能。其內(nèi)部結構主要包括基準電壓源、欠壓鎖定電路、鋸齒波振蕩器、誤差放大器和脈寬調(diào)制比較器5部分。

3 投運情況

4號同等燒結系統(tǒng)配置電除塵設備采用常規(guī)工頻的節(jié)能控制系統(tǒng)出口排放濃度43.95 mg/m3提高到28.86 mg/m3、26.95 mg/m3除塵效率由99.62%提高到99.86%以上。

4 經(jīng)濟效益

一般電除塵器的年運行成本包括設備的電耗費用、人工管理費及維護成本，而采用傳統(tǒng)方案和常規(guī)運行模式的電耗費用占總費用80%以上。高壓部分采用高頻電源控制后，我們根據(jù)負荷和工況的變化，采用不同的運行模式做對比。在煤質(zhì)穩(wěn)定的情況下，經(jīng)過一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)排放濃度基本穩(wěn)定。從現(xiàn)場調(diào)取的數(shù)據(jù)計算得出的電除塵器不同運行模式下的功率，見表1。表中非節(jié)能模式的功率已隱含了斷電振打、間歇供電和其他本體配置等節(jié)能措施的節(jié)能效果。

從上表可得出，單臺燒結生產(chǎn)線機頭電除塵運行在高頻超級節(jié)能模式與工頻普通節(jié)能模式年節(jié)電量=381.62-247.83=

133.79（萬度），節(jié)電率=133.79/381.62×100%=35%，節(jié)省電費133.79（萬度）×0.4元/度電計算=53.52萬元，2條燒結生產(chǎn)線機頭電除塵年節(jié)省電費107.04萬元。

2臺2×240 m2燒結系統(tǒng)機頭電除塵器在高頻超級節(jié)能模式，與工頻節(jié)能模式模式的運行節(jié)能35%；高頻超級節(jié)能模式與在與非節(jié)能模式下相比節(jié)能達69%以上，經(jīng)濟效益非常明顯。總體來說，采用高頻電源后的新型的節(jié)能控制系統(tǒng)能在保證除塵效率的情況下運行在最佳節(jié)能狀態(tài)，大大滿足節(jié)能提效要求。

5 結 語

新型高頻電源，通過先進的控制方式，使得高壓除塵系統(tǒng)在面對復雜的除塵工況下達到最大限度的節(jié)能減排效果，必將取代過去落后的高壓控制器，成為電控產(chǎn)品技術創(chuàng)新的又一重大成果，與其它電控技術成為電除塵控制領域的主流。

通過本項目的成功應用，樹立大型燒結系統(tǒng)成功應用、滿足低排放標準的典范工程，更加有利證明，高頻電源，對于滿足現(xiàn)今低排放標準和節(jié)能降耗方面有更加廣闊的應用前景，具有較大的市場應用空間。

參考文獻：

[1] 郭俊，廖增安，陳麗艷，等.集多項新技術的高效節(jié)能型電除塵器研究和 應用[A].第十三屆中國除塵技術論壇文集[C].2009.

[2] 龍凈環(huán)保.青島鋼鐵燒結機頭2×240 m2燒結系統(tǒng)配套機頭電除塵器 使用維護手冊.

[3] 龍凈環(huán)保.青島鋼鐵燒結機頭2×240 m2燒結系統(tǒng)配套機頭電除塵器 工程BOILER低壓圖紙DDJX10001.