魏勝非，李忠民，陳彩云，許德玄

（1.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130117；2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春 130024）

近來的醫(yī)學(xué)研究表明肺癌的發(fā)生呈上升趨勢，特別是不吸煙者的肺癌發(fā)生率也同樣呈上升趨勢.已有文獻報道，這種情況的出現(xiàn)同PM 2.5關(guān)系密切.所謂PM 2.5是指空氣動力學(xué)直徑小于2.5μm的顆粒，它能吸附各種有毒物質(zhì)并直接進入人體下呼吸道.現(xiàn)在已公認PM 2.5是環(huán)境污染物之一［1－2］.

熱電企業(yè)、供暖企業(yè)所使用的燃煤是PM 2.5的重要來源之一，因而對這些企業(yè)排放物的治理是抑制PM 2.5的重要手段.在眾多的治理方法中，靜電除塵是一種較為理想的方法.靜電除塵主要是靠顆粒荷電，荷電后的顆粒被靜電極板吸附而脫除，因而能夠提供顆粒荷電的高壓靜電電源非常重要.由于高壓電源一直工作在滿負荷的狀態(tài)下，所以其故障率很高；且高壓電源的工作狀態(tài)不能根據(jù)污染物的排放情況進行調(diào)整，也浪費了大量能源.如果能夠根據(jù)污染物的排放情況，適時地調(diào)整高壓電源的工作電壓，既可以有效減少污染物排放又可以節(jié)約能源，并有效地降低高壓電源的故障率.為此，本文進行了顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓的研究.

1 材料和設(shè)備

1.1 顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓系統(tǒng)的總體框圖

顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓系統(tǒng)由顆粒傳感器、單片機、高壓電源、除塵極板4部分組成（見圖1）.除塵極板分為筒狀高壓極板和線狀高壓極板，即分別為正、負高壓極板.一般將筒狀高壓極板作為收集灰塵的極板.

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

1.2 顆粒傳感器

顆粒傳感器由取樣管、硅油玻璃紙轉(zhuǎn)軸、CCD、光學(xué)腔、顯微鏡、硅油玻璃紙帶、步進電機、風(fēng)速傳感器、單片機組成（見圖2）.取樣管同排煙道相連.硅油玻璃紙帶在步進電機牽引下從取樣管下方沿取樣管滑過，其速度受步進電機控制.硅油玻璃紙帶是在玻璃紙帶上均勻涂抹硅油制成.涂抹硅油的目的是為了增加對顆粒物的吸引，利用硅油吸附顆粒物的方法為手工觀測的常規(guī)方法.手工操作時，是在玻璃皿底部涂抹硅油，然后在顯微鏡下觀察.

步進電機的速度由單片機控制，單片機根據(jù)風(fēng)速傳感器測得的煙道內(nèi)煙塵的速度調(diào)整步進電機的速度，使得硅油玻璃紙帶通過取樣管的速度同煙塵的速度相同，這樣取樣能夠反映主煙道截面顆粒物的情況.

硅油玻璃紙帶從取樣管下滑過，其上的硅油吸附了取樣管內(nèi)煙塵截面的顆粒物，硅油玻璃紙帶在步進電機的牽引下經(jīng)過顯微鏡，顯微鏡將此圖像放大，在光學(xué)腔內(nèi)CCD將此圖像攝錄.經(jīng)過圖像處理軟件分析，則此時的顆粒分布情況即可被獲得.

圖2 顆粒傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.3 高壓靜電電源

高壓靜電電源采用開關(guān)電源（switching power supply），即在轉(zhuǎn)換時，以自動控制穩(wěn)定輸出并有各種保護環(huán)節(jié)的電路.開關(guān)電源由六部分組成（見圖3）：第一部分是輸入電路，它包含低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)；第二部分為功率因數(shù)校正部分，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相；第三部分是功率轉(zhuǎn)換，它是由電子開關(guān)和高頻變壓器來完成的，是把高功率因數(shù)的直流電壓轉(zhuǎn)換成受到控制的高頻方波脈沖電壓；第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出；第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后與電路的基準電壓進行比較、放大；第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬調(diào)制，達到脈沖寬度可調(diào)［3－4］.

圖3 開關(guān)電源方框圖

本開關(guān)電源中的功率轉(zhuǎn)換采用IGBT模式［5－8］，選用型號為SKM500GAl23D／500A／1200V，它的驅(qū)動電路選用SKHl22AH4，移相PWM控制芯片選用UC3875.工業(yè)上除塵用靜電高壓通常需要50～100kV的直流高壓，電流一般為50～300mA.

1.4 實驗系統(tǒng)及材料

為了研究顆粒傳感器調(diào)節(jié)靜電除塵電源電壓的效果，組成的實驗系統(tǒng)如圖4所示.它由風(fēng)機、灰塵填料機、顆粒傳感器、排煙道、取樣煙道、筒狀高壓極板、線狀高壓極板組成.風(fēng)機為實驗系統(tǒng)提供風(fēng)力，以模擬實際煙道的顆粒受力情況.灰塵填料機向煙道內(nèi)添加粉塵.所用灰粉為鍋爐產(chǎn)生的處理后粉塵.筒狀高壓極板和線狀高壓極板組成高壓靜電除塵系統(tǒng).

圖4 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 實驗及分析

首先，電源以傳統(tǒng)方式工作，電源的正負極直接同除塵極板的兩極相連.每間隔10min，改變灰塵量.當(dāng)添加不同灰塵量時，測量高壓靜電電源的輸出電壓、電流、電源的工作溫度.重復(fù)實驗3次，實驗數(shù)據(jù)取平均值.完成電源的傳統(tǒng)工作方式實驗后，進行負反饋調(diào)節(jié)方式實驗.將電源組成圖1所示的裝置，傳感器同電源連接后，進行標定，目的是使電源輸出電壓滿足除塵要求，其排放的煙塵符合國家標準.標定后，進行實驗.同樣每間隔10min，改變灰塵量.當(dāng)添加不同灰塵量時，測量高壓靜電電源的輸出電壓、電流、電源的工作溫度，記錄數(shù)據(jù).重復(fù)實驗3次，實驗數(shù)據(jù)取平均值.得出的電壓數(shù)據(jù)如表1所示；測出的兩種工作模式下高壓電源溫度變化數(shù)據(jù)如圖5所示；測出的兩種工作模式下電源耗費功率比較如表2所示.

表1 兩種工作模式下電源電壓比較

從表1可見，在傳統(tǒng)工作模式下，由于電壓不能夠根據(jù)除塵的需要進行調(diào)整，即使在無顆粒污染物需要處理的情況下，只要接通交流電源，除塵電源的輸出即為最大輸出電壓7kV.隨著灰塵量的增加，其電壓輸出保持不變.在負反饋工作模式下，電源電壓隨灰塵量增大而增大.當(dāng)灰塵量為0時，其輸出電壓為0；當(dāng)灰塵量為最大時，其輸出電壓為最大.出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為在負反饋模式下，電壓輸出受到傳感器監(jiān)測信號的控制，使得輸出電壓可以根據(jù)灰塵量的變化而變化.

從圖5可見，兩種工作模式下，電源溫度都隨時間的增長而增長，但是負反饋模式增長的較慢，工作一段時間后，溫度可低10℃左右.電源溫度的增加不僅耗費能量而且不利于元件的工作，增大了故障率.因此，可以看出負反饋模式將降低高壓電源的故障率.

圖5 兩種工作模式下電源溫度變化

表2 兩種工作模式下電源功率比較

從表2可見，在傳統(tǒng)工作模式下，高壓電源的輸出功率不隨灰塵量的變化而變化，呈一直線.而在負反饋工作模式下，高壓電源的輸出功率隨灰塵量的增加而增加，以滿足處理更多灰塵的需要；在灰塵量最大時其輸出功率最大.特別是當(dāng)灰塵量為0時，兩種電源功率相差達最大值.

3 結(jié)論

本文通過對靜電除塵高壓電源的工作過程進行的深入研究，提出了負反饋控制機制并設(shè)計了相應(yīng)的裝置.利用此裝置進行了實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析，得出如下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)工作模式下，電壓不能夠根據(jù)除塵的需要進行調(diào)整；在負反饋工作模式下，電源電壓隨灰塵量增大而增大.

（2）兩種工作模式下，電源溫度都隨時間的增長而增長，但是負反饋模式的增長較慢.

（3）傳統(tǒng)工作模式下，高壓電源的輸出功率不隨灰塵量變化而變化；在負反饋工作模式下，高壓電源的輸出功率隨灰塵量的增加而增加.

這些結(jié)論表明負反饋模式工作的高壓電源將對高壓靜電除塵效率的提高起到重要的作用；同時具有負反饋控制的高壓電源也將是今后除塵電源的發(fā)展方向.

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