CN1310645A

CN1310645A - 操作静电集尘器的方法

Info

Publication number: CN1310645A
Application number: CN98814237A
Authority: CN
Inventors: 维克托·勒耶斯
Original assignee: Fls Corp
Current assignee: Fls Corp
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2001-08-29
Also published as: EP1128909B1; WO2000016906A1; BR9816024B1; DE69817229D1; KR20010106450A; TW410171B; US6461405B2; EP1128909A1; AU9153898A; PL346832A1; TR200100339T2; US20010011499A1; ES2200367T3; BR9816024A; KR100584181B1

Abstract

一种操作静电集尘器(7)的方法,包括根据适合在集尘器电极之间提供具有DC分量和AC分量的电压的方式将由电源(10)所产生的电功率提供给该集尘器。控制单元(8)检测电极电压,建立一个电压峰值和一个电压平均值,并计算峰值与平均值的乘积从而获得预期性能指数(IEP)。调谐操作设置点以便于使该预期性能指数为最大。

Description

操作静电集尘器的方法

本发明涉及一种操作静电集尘器的方法并涉及用于给静电集尘器供电的电源。

静电集尘器(简称为ESP)是一种用于收集固体颗粒的系统，该系统依靠电场中所浸入电荷的运动来工作。静电集尘器特别可用于清洁烟气、烟尘等物质从而去掉灰尘、灰末、煤烟以及类似颗粒。使气体经过其中电场横切地对着流动方向的区域。将电场工作于高电压，其中从负电极中发出自由电子的电晕。电极将这些颗粒充电，充电颗粒将在该电场的作用下朝着正电极移动，该正电极通常被设计成其上沉积颗粒的集尘板的形式。在该正电极上颗粒放电并且可能辅助于摇动该板使其放电时，所收集到的灰尘颗粒会落入设置在该板下的贮箱中。

通常将该集尘板接地，尽管负电极是由保持在相对于该板而言是高的负电势的细金属导线所构成。

依靠电极结构，该电场在靠近导线电极附近具有较高的强度，这会导致周围气体离子化以及电晕的产生。朝着该集尘板，该电场在较大区域上分布并带有相应强度的减小。这种较低强度的电场可能不足以使气体离子化，但是，它可以起到使灰尘的充电颗粒朝着该集尘板的方向运动的目的。

在第一近似电性能中，该静电集尘器可以表示为一个带有分流电阻的一个电容器，该分流电阻表示由充电颗粒在电极间传送所带来的泄漏。为了产生这些颗粒的电离作用，电压必须超过某个最小门限值，该最小门限值被称为电晕开始电压。根据操作模式，通过各种因素来限制电压的上升。这些因素其中之一是采用放电不足的形式或采用延长电弧形式在电极之间形成火花放电。在电场中可以认识到的另一个因素是来自正电极上那些点的电晕形成即被称为反向电晕。反向电晕表示漏电流的增加并会减弱颗粒收集的效率。

欧洲专利0286467提出一种电源，其中经相位角可控的半导体闸流管来控制从主电网馈送到升压变压器的功率，因此在高电压一侧产生双倍于主频率的脉冲。这些脉冲将该静电集尘器充电为可变电压。根据该公开文本，在预定选择时间间隔执行一个检测步骤，借助于此，该电源被阻隔一段所选时间比如从0.1秒到5秒并且随后再恢复。可以观察该脉冲式集尘器电压的最小值，如果由检测灵敏度因子在阻隔间隔之后所观察到的这个最小值超过在阻隔间隔之前所观察到的最小值，则建立反向电晕。

美国专利5311420提出一种电源设备，包括将功率馈送到给升压变压器供电的硅可控整流器上的电源。该电源可以间歇供电形式运行，其中由随后带有预定数量截止周期的半周期电压脉冲来给集尘器供电，使导通与截止半周期的比率为最佳从而防止反向电晕。通过检测与输出电流值增加一致的高电压整流器输出电压的最小峰值的不增加来检测反向电晕的情况。

美国专利4779182提供了一种带有一些开关的反相器电源，可以操作这些开关来输出高频交流，该交流以1kHz到3kHz的频率交替。馈送电压可以被规定，并且还可以规定电压波动，即，上限和下限之间的电压起伏。从该高压整流器中所获得的直流可以被周期性阻隔所中断，以便于强行使静电集尘器上的电压波动。

欧洲专利066950建议了一种电源，它实际包括两组完全的半导体闸流管可控高压电源单元。第一组输出稳定的基极电压，尽管第二组激发使单个脉冲叠加在从第一组提供来的基本电平上。该静电集尘器电压采用与尖峰信号叠加的稳定基本电平的形式。该脉冲周期处于50到200微秒的范围内。

在高电阻率灰尘的工作条件下，沉积在板式电极上的灰尘将抵御电离颗粒的放电。灰尘层两端的电压趋于增加，并且气体两端的电压趋于相应减小。如果灰尘层的端电压继续增加，则达到这样一个点，其中发生穿过灰尘层的电介质击穿的情况。该点被认为是反向电晕放电的开始点。灰尘层电介质的击穿产生减少颗粒充电的正离子，并导致收集效率的降低。

反向电晕的形成需要一些时间，并且与灰尘层的松弛时间相关。

当将灰尘层当成一个漏电电容器时，它将趋向于使传送到静电集尘器上的电流脉冲平坦。这种作用带来的好处是可以将短脉冲施加到电极上而不会促使在该灰尘层上形成反向电晕。反向电晕情况开始似乎是由该集尘器电流的时间平均值(平均值)来控制的。

因此，为了避免或减少反向电晕放电，必须减少传送到集尘器上的平均电流。这个问题可以解决而不会损失太多的电压电平。

基本控制问题是确定根据现有的操作条件而必须发送到集尘器上的电流。对于一些工业处理，灰尘电阻率时低时高，这导致反向电晕。在第一种情况中，电流必须尽可能地高，而在第二种情况中，电流必须降低。

直到现在还在使用的用于ESP的传统电源是变压器整流器装置，它包括一个高电压变压器和一个桥式整流器。由一对使用相位角控制的反向平行的闸流管来控制施加到HV变压器上的初级电压。

ESP负载可以由与一个电容平行的非线性电阻来表示。用于中等大小的ESP母线部分的电容是60-80nF(2000m2集尘板区域)。这表示该负载的时间常数是毫秒范围内的，导致施加到ESP上的电压波形包含有相当多的波动。因此，施加到ESP上的电压其特征在于其平均值、峰值以及波谷(最小值)值。将波动表示为峰值减去最小值。

传送到ESP上的电流包括整流过的类似正弦曲线的脉冲，其幅度和周期依赖于相位角的值。对于正常情况而言(没有反向电晕)，增加的电流产生增加的电压平均值和电压波动。电流脉冲具有比线路频率的周期(对于50Hz线是10ms)短的持续时间，但是，在非常高的灰尘电阻率的情况中，在一个电流脉冲中传送的电荷可以很高足以开始反向电晕的放电过程。

另外，ESP内部的火花、电弧以及短路的产生会导致线电流中的电流浪涌，这通常受到所包含的与初级电路串联的线性电感限制。

可以通过使用一种新型电源来解决这些问题，该电源被公知是作为工作于高于可听限制的切换频率的开关式电源(SMPS)。由SMPS发送的电流是短周期脉冲，其周期处于10到30微秒范围内。这种解决方式包括基本上可以由一个整流器以及连接在主电路和变压器整流器之间的DC-AC变换器来替换相位控制闸流管，在这种情况中，可以将其设计为可以处理高频情况。在可利用的各种变换器中，可以发现，串联谐振变换器可以提供与ESP供电有关的一些好处。

这种带有彼此串联的一个电感和一个电容的变换器可以传送整流过的正弦电流脉冲到周期为10到30微秒的ESP上，并能提供自然电流变换。另外，通过选择串联电感和电容值，仅通过这些元件就可以确定变换器主电路中的以及HV变压器初级电路中的电流的周期和幅度，且所述电流周期和幅度与ESP负载无关。

因此，该SMPS具有这些好处：能够将小量电荷传送到ESP中，并且当由变换器的谐振分量而不是由ESP负载来确定电流幅度时能避免电流浪涌。在该ESP短路的情况中，初级电流的幅度不变，并且线电流开始变为低值。该好的作用是由于这样这个事实：主电路仅仅只需传送功率来填补输出功率为零时该电源中的损失。

这种类型的电源还具有另一个重要特性。通过使用一个或一些电流振荡器并随后中断该电源某段时间，可以使电压波形实际上为一个纯DC电压(没有AC分量)。

另外，通过操作变换器从而在一个较长的时间间隔内即所谓的导通时间内产生电流振荡，例如，在1到2毫秒内，与传统的供电相比，集尘器电压可以以较高的上升速度增加。此后，在所谓的截止时间内，电流振荡中断，其中该集尘器电压呈指数地朝着电晕开始值下降。换言之，这种类型的SMPS可以在ESP负载上产生不同的电压波形，其范围从几乎纯DC电压到非常陡峭并且脉动的电压。

发明人已经发现在相反的操作情况下，即，在反向电晕的情况中，以及在正常的情况中，带有高上升速度的脉动集尘器电压对收集效率起重要作用。

借助于导通和截止时间来控制平均电流，并且本发明涉及用于确定两个时间间隔的适当的值的控制策略，从而为对集尘器的特定操作条件带来最好的收集效率。

颗粒的充电与集尘器电压的峰值成正比，此时，施加于带电颗粒之上用于将它们从气流中去掉的外力与该集尘器电压的平均值成比例。发明人已经发现在颗粒收集效率与峰值和集尘器电压时间平均值的乘积之间具有好的相关性，因此，控制策略最好基于使这两个因子乘积最大化的判断标准。

这是通过如权利要求1中所述的本发明所获得的。

根据本发明的方法提供了一种用于选择最佳工作参数的最佳策略，并因此而改进了收集效率。另外，搜索最佳状态的过程无需背离操作ESP使其接近于最佳电状态。这在这种情况中是特别有好处的：通常为了获得最佳工作参数而不得不频繁执行搜索以解决操作条件的频繁变化问题。根据本发明的方法使得具有一个相对简单的控制策略。

根据一个最佳实施例，功率可以间歇地被馈送到ESP上，并且由于ESP负载的RC特性可以产生一个脉动电压。可以将该功率传送到ESP上作为电流脉冲串，并且使其适合于以大约30kv/ms的速度升高集尘器电压。在非常短的时间内增加集尘器电压可以获得高峰值并带有相对低的激发火花或反向电晕情况的风险。另一方面，这种上升速度是在相对简单设计的SMPS的性能范围内。

根据一个最佳实施例，电源中的变换器适合于以固定的切换频率工作并且具有包含正弦脉冲的确定的电流波形。这减少了较高次谐波的产生并消除了在ESP中有火花、电弧或短路情况下在主电路中存在的电流浪涌。

可以通过使用一个电源来实现根据本发明的方法，其中实施步骤包括改变AC分量同时将DC分量基本保持为恒定。

该电源适合于发现工作参数的最佳设置以便于确保有效的操作。该电源可以包括用于驱动固态元件以便于间歇产生输出功率的一个控制逻辑电路。这简化了电源单元的设计和控制，并且能产生显示脉动含量的一个输出电压，该脉动对于静电集尘器的效率具有好的影响。

显然，该电源可以输出一个高脉动的输出信号的事实不排除该电源适合于选择切换到另一种适合于特定环境的功能模式。在现有技术中所公知的另一种功能模式例如包括DC模式，有时被称为纯DC模式。根据本发明的电源可以以这种方式来容易地控制从而输出一个低脉动信号，例如，通过在接通和截止状态之间适当地快速切换从而间歇地输出一个高频信号。

从随后所给出的参考附图对于最佳实施例的描述将使本发明的其它目的、好处以及特性变得显然，其中

图1显示了能实现根据本发明方法的电源的电路图，

图2显示了用于具有电压高脉动工作模式的电压相对于时间的一组图，这组图包括相互具有相同时标的三个图，即：

图2a示出了来自变换器的输出电流，

图2b示出了集尘器电压，以及

图2c示出了馈送到静电集尘器中的电流，

图3示出了在压缩时间轴上的集尘器电压的图，而

图4示出了与图2中的部分相似的一对图，但是用于纯DC工作模式，

图4a是与图2b相似的图，但是是用于纯DC工作模式的，以及

图4b是与图2c相似的图，但是是用于纯DC工作模式的。

所有图都是示意性的，不需要标度，并且仅示出了理解本发明所必须的部分，而为了清楚起见删除其他部分。

在这些图中，相同或相似的部分使用相同的参考标记。

首先参考图1，其示出了能实现根据本发明的方法并被连接到一个静电集尘器上的电源的电路图。

标为10的电源主要包括三相全波整流器桥2、主要包括扼流圈3A和存储电容3B的电压平滑电路3、高频变换器4、升压变压器5、单相全波高压整流器6以及控制单元8。

该电源给静电集尘器7供电，该静电集尘器7是通用类型，包括接地的板式电极7B以及热电极7A。如同本领域所通用的那样，将可变幅度的高压馈送给电子集尘器，而热电极7A被馈送负极性电压。

如同本领域所通用的那样，该电子集尘器7还包括诸如分压器以及电流互感器(未示出)这样的检测装置，借助于该检测装置，可以检测出馈送到电子集尘器中的电子集尘器电压u_L以及电流i_L，然后经导线9将检测结果传送到控制单元8。

变换器4包括由控制单元8所控制的四个半导体开关。通过对这些开关进行的适当操作，可以经串联电感4A、串联电容4B以及经升压变压器5的初级绕组来传送交替极性的电流。

串联电感4A以及串联电容4B一起提供了一个串联的谐振电路，调整该谐振电路来使电流振荡在预定的操作频率工作，例如，接近于40kHz，并且从而使扼流圈或阻隔电流处于另外的频率。

控制单元8以这种方式控制这些半导体器件的启动，即以交替对的方式接通这些开关，例如，接通S1和S3，而在后一个相位期间，接通S2和S4。切换间隔与该串联谐振电路的工作频率相匹配从而便于变换并确保最佳的工作效率。这些开关包括半导体器件，例如，场效应晶体管或由IGBT、IGCT或其他形式所表示的本领域公知类型的器件。用一个反向平行的二极管来旁路每个开关，其目的在于当极性相反时可以导通初级电流。

这样实现开关的控制以便于在被调谐到预定频率值的频率处能提供切换模式操作，这是本领域技术人员所能够做到的。

现在参考图2来说明根据本发明的电源12的一种工作模式。图2包括相对于时间的一系列三个图。这些图处于相同的时间标尺，图2a示出了变换器输出电流，图2b示出了集尘器电压，而图2c示出了馈送到集尘器中的电流幅度。根据所示的工作模式，间歇操作该高频变换器，即，在时间t导通期间，将电力馈送到变压器上，而在下一个t截止时间间隔内停止该变换器的操作。周期性地重复这个模式。在激活的t导通时间期间，该变换器以相对高的频率例如40kHz振荡。

这个持续时间可能是例如2ms而停止持续时间是8ms。因此，一个导通间隔将包括160个脉冲(半波)。

功率被转换为升压变压器中的高电压并在高压一侧被整流，并导致集尘器电容的充电过程，因此而升高了集尘器电压。在截止时间期间，该集尘器电压衰减，通过静电集尘器中电离颗粒的移动使该静电集尘器上的电荷放电。

控制单元持续监视静电集尘器的电压并计算通常在导通间隔结束时占优的电压峰值Up以及静电集尘器电压平均值Um。该控制单元通过将Up乘以Um来计算IEP预期性能的指数。该控制单元可以根据t导通和t截止的固定设置点来执行操作或者可以执行针对使操作参数最佳的一个搜索程序。

执行搜索程序的一个模式包括使t截止进行预定的改变而将t导通保持为一个恒定值。计算指数IEP从而建立与不同的T截止时间有关的IEP数值表。最佳静电集尘器性能希望有最大的IEP值。因此，选择产生这个最大值的t截止时间值用于新的设置点。

可以在各个间隔内执行这个搜索程序或者可以通过连续使t截止时间进行小的变动并记录IEP的任何变化来执行搜索程序。

另一个搜索程序可以包括保持t截止恒定而改变t导通的步骤。除了这种改变之外，第二种搜索程序执行与第一种搜索程序相同的步骤。

图3示出了与图2相比的在压缩时间标尺上的静电集尘器电压(数值)。图3以实线示出了由参考图2所描述的操作模式所产生的电压，而图3中的虚线表示通过不同的操作模式所提供的静电集尘器电压。由虚线部分所表示的操作模式产生一个脉动电压，其上升部分不像所实线所表示部分示出的那样陡峭。图上示出了通过工作于主频率的电源所获得的性能，该性能在双倍于主频率处具有一个脉动。

相反地，实线所画出的电压显示了带有陡峭上升部分的锯齿形脉动。可以通过根据本发明的电源来产生这种电压。

图3中的这两种曲线表示了在可能发现的最高电压处的工作模式，该模式中没有反向电晕状态。这些曲线在相同平均值附近波动。但是，正弦脉动峰值仅大于60kV(负极性)，锯齿形脉动峰值大约大于70kV。这个静电集尘器的静电集尘颗粒的收集效率与该静电集尘器的电压平均值与峰值的乘积有关。因此，可以希望用所述SMPS给集尘器供电所获得的收集效率要比如虚线所示的惯用供电方式所获得的要高。

现参考图4来描述根据图1的电源的不同工作模式。

图4示出了与图2相似的三个时间图。根据图4的工作模式的不同之处在于其导通间隔周期和截止间隔比图2中的要短。因此，根据图4，导通间隔可能是100微秒而截止时间是200微秒。这将在静电集尘器电压上产生一个低脉动，如同从图4a图中所显示的那样。在一些工作条件下，主要是在具有非常低电阻率灰尘的条件下，这种静电集尘器电压的低脉动是有好处的。

已经运行了原型试验以便于确定根据本发明的方法的有效性。这里作为例子给出了这种试验的一些试验结果。

一个静电集尘器母线断面为1200m²收集板面积以及断面电容(section capacitance)为50nF。将载有高电阻率灰尘的气体馈送给静电集尘器。使用借助于一个30kHz的切换型电源供电的集尘器来执行试验，该电源工作于间歇供电模式。间歇供电模式包括交替的导通间隔和截止间隔。控制单元使得可以独立切换导通间隔和截止间隔。导通间隔被设置为1.8ms，足以将集尘器电压从30kV(设置电压上的电晕)增加到90kV(接近于在一个导通间隔内的最大额定电压)。

提供仪器来测量静电集尘器热电极的峰值电压以及平均电压并测量放电气体中剩余灰尘的散发(emission)。在第一操作期间，用于确定最佳工作点的策略是基于在各个间隔期间观察脉冲集尘器电压的最小值，其中阻隔电源，即，该策略类似于在欧洲专利0286467中所描述过的那种。在第二操作过程中，用于确定最佳工作参数的策略包括改变截止间隔的设置，而读出峰值电压和平均电压并计算相应设置的这两个因子的乘积，以及为工作设置点选择使该乘积最大的一对设置。

在下表1中给出了试验结果：

方法	t截止	U平均	U峰值	IEP	散发
方法	t截止	U平均	U峰值	IEP	散发	原来的方法	18μs	34kV	65kV	2.210kV²	133mg/Nm³
新方法	6μs	39kV	66kV	2.574kV²	119mg/Nm³	原来的方法	18μs	34kV	65kV	2.210kV²	133mg/Nm³

因此，试验结果验证了通过操作根据由新的最佳策略所建立的设置点的集尘器所获得的优化性能。

尽管上面已经解释了一些特定实施例，但是可以用一些方式来执行本发明，并且这些解释仅仅起将本发明示范化的作用但不限于此，本发明的保护范围由后附权利要求限定。

Claims

1．一种操作静电集尘器的方法，包括步骤

-根据一种适合于在集尘器电极之间提供具有DC分量以及AC分量的电压的方式来给该集尘器馈送电功率，

-检测电极电压并建立电压峰值和电压平均值，

-将所述峰值与所述平均值相乘从而构成所期望性能指数(IEP)，

-使所述方式连续递增变化并重复检测、建立以及乘法步骤以便于建立所述指数与所述变化的相关性，以及

-根据对应于所述指数的最大值所建立的各种变化来修改所述方式。

2．根据权利要求1的方法，其中操作方式的改变是借助于导通时间和截止时间通过改变DC分量和AC分量来执行的，这种分量的改变是彼此独立或同时进行的。

3．根据权利要求2的方法，其中通过使DC分量保持基本恒定来执行导通时间和截止时间的同时改变。

4．根据权利要求2的方法，其中通过使AC分量的幅度保持基本恒定来执行导通时间和截止时间的同时改变。

5．根据权利要求1的方法，其中，将功率作为电流脉冲的脉冲串传送到静电集尘器上，该电流脉冲串适合于以至少30kV/ms以及最好更高的速度升高该集尘器电压。

6．根据权利要求5的方法，其中该电流脉冲串包括以至少20kHz以及最好更高的频率振荡的电流脉冲。

7．根据权利要求1的方法，其中，将功率作为电流脉冲的脉冲串传送到静电集尘器上，每个电流脉冲串适合于将集尘器电压从电晕开始电压升高到最大额定电压。

8．根据权利要求1的方法，其中实现所述变化的步骤包括改变DC分量而使AC分量基本保持不变。

9．根据权利要求1的方法，其中间歇地将功率馈送到静电集尘器上。

10．根据权利要求1的方法，其中，以适合于通过至少10kV/ms的速度升高集尘器电压的浪涌方式来将功率馈送给静电集尘器，所述速度较好是至少20kV/ms并且最好是至少30kV/ms。