高压静电除尘在山东钢铁210t转炉烟气净化中的应用
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
山东钢铁集团莱钢设备检修中心的研究人员赵甲斌，在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文，通过对山东钢铁日照有限公司210t转炉烟气净化系统的高压控制结构组成系统分析，详细阐明了静电除尘系统中采取闪络检测控制及模糊控制应用，有效控制高压电场中放电强度，取得了良好的除尘效果。
目前转炉烟气净化系统主要是湿法净化系统（oxvgen converter gas recovery, 简称：OG法）和干法净化系统（electrostaic dust removal, 简称：LT法）两种，相比OG法经过LT法除尘后烟气净化效率高，无二次污染，回收的煤气热值较高，回收粉尘可直接利用，节约能源效益明显。
经过高压静电除尘器后的粉尘浓度可降至10mg/Nm3以下，能满足国家排放标准的要求。其中干法除尘系统主要由蒸发冷却器、静电除尘器、ID风机、煤气冷却器、切换站与放散塔和液压站组成。干法除尘可以部分或完全补偿转炉炼钢过程的全部能耗，具有较高的经济效益和环境效益，达到转炉负能耗炼钢的目标。
1 高压静电除尘器的构成
1.1 工作原理
高压静电除尘器首先由高压直流电源的阴极线（又称电晕极）和接地的阳极板之间形成一个高压电场，通过电场内的阴极发生电晕放电从而使气体被电离。当加在放电极和集尘极之间的电压达到一个固定值即起晕电压时，此两极之间的空气流电离变得可以导电，也就是产生电晕放电。
在放电极的一定区域内产生了带电粒子（包括自由电子，正负离子），在高压电场力的作用下，带电粉尘向着极性相反的电极运动，负带电粒子加速向集尘极运动。负带电粒子附着在放电极和集尘极之间空气中的灰尘或者烟雾等浮质上，从而使得它们也带了负电荷，因此引起它们同样向集尘极方向运动。到达极板或极线时，粉尘被吸附到上面，通过阳极与阴极振打装置打落入集灰装置，使整个转炉烟气得到净化。
1.2 系统组成
山东钢铁集团（简称：山钢）日照公司炼钢1#、2#转炉烟气除尘净化系统卧式静电除尘器设计前面两个电场即第一、第二电场采用三相电源，后面两个电场即第三、第四电场采用单相电源，具体供电电源参数见表1。这样兼顾电网供电平衡与除尘效率，达到提高环保与节能的目的。
表1 静电除尘供电电源参数表
在未净化气体进入静电除尘器后第一级电场含粉尘浓度最高。潮湿的静电除尘器中高粉尘，高悬浮微粒会阻止有效电场的形成。以更高的电压、电流为输出的电源安装在第一、第二电场，以提高静电除尘器的效率。
1.3 硬件配置部分
除尘器的高压电源设备作为静电除尘器的控制核心装置，它的主要作用是向静电除尘器的放电极提供高压电，从而为粉尘荷电和收集粉尘提供高压电场。高压供电装置由控制装置、整流器、逆变器和升压变压器部分组成，控制部分结构如图1所示。
基于高速率的响应速率及依照粉尘比电阻变化的静电除尘系统采取模糊控制原理，除尘器根据烟气温度、湿度、烟气量及含尘浓度等工况的改变而自动调整二次电压，在电压闭环的基础上控制电流闭环，使工作电压始终安全运行在接近于击穿电压，从而保证电除尘器的安全高效与稳定。
图1 三相电源控制结构系统图
高压变压器和整流器安置在现场除尘顶部充电式变压器油箱中。装置配备温度和油位检测、压流检测单元、高压信号处理及通信单元。系统控制柜位于电磁站内，进线、电压连接线和逆变元件安置在控制柜中。控制柜电源主输入部分由断路器、换相电抗器、预充电和主回路控制电路和半可控六脉冲整流桥组成。
当电源电压被使用或发生故障时，整流器与电源断开连接。在系统接通电源之前，连接电容器必须被预充电，充电时间程控10s，电压到达500V左右六脉整流桥被触发导通。当连接电压达到大480V时，六脉整流桥被停止触发而关闭。当连接电压低于360V时，直流电压低于510V逆变器不能工作。
逆变器既可以存储能量，又可以发出能量。工作时交流电源为400V时，直流电压可达560V左右。逆变器提供交直流电的变换。设计公司的功率器件为新型半导体器件绝缘栅双极晶闸管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）。
IGBT除其他特点外还有高电流承载能力（每个模块高达300A）和高达10～30kHz范围的工作频率，电流方向在500Hz的时候反向。统筹两个级别电流控制的频率约10kHz。也就是说主变压器电流具有方波特性。
短切换时间（约300ns）指系统可以迅速对除尘器闪变做出反应。高压变压器和高压整流器的作用是产生高达90kV的电压。经过整流，直流电流由短路气隙以500Hz交变。该逆变器操作频率为500Hz意味着变压器铁心可以小于传统设备。静电除尘器可以被看作是一个非线性电阻和电容的并联电路。电容的范围为50～100kF。
电场上部绝缘子配置保温筒加热器，用以杜绝转炉高温烟气遇冷凝结成水珠影响电气构件的性能。因为一旦高压绝缘子附着水珠，就极易使得绝缘子处产生闪弧甚至短路的情况。
现场通过对绝缘子加热来避免冷凝和闪弧，每个电场共设置4个加热罩，打开加热按钮后持续加热并保持，绝缘子一直被加热，达到温度自动调温器的设定值后关闭。开启自动模式后，系统将根据设定的温度上下限值自动控制保温筒温度，当温度低于设定值时（滞后），加热器再自动开起。
2 静电除尘高压电源控制
2.1 控制参数集
高压采集单元提供的除尘器的电流和电压的实际值通过智能模糊控制单元硬件控制器ZKD166- N10-3-D-2200MA/90kV来处理，并显示于安装在柜体门上的LCD显示器上。操作盘上侧一直都显示二次电压、电流。电压和电流值都既以数字和棒条显示。另外，还显示有各个状态信号和操作元件。每个参数集的过程控制如电压/电流设定值以及闪络和短路检测参数可以单独调节。
调节的参数集如图2（a）所示。山钢两座210t转炉除尘器高压控制选择参数集1，实际过程运行的参数集1中的电源指示如图2（b）所示。
图2 控制显示面板内容序列
2.2 电源控制比较
单相电源普遍采用晶闸管相控调压方式，存在系统的功率因数低、谐波污染大及动态响应慢的弊端，同时当除尘系统发生闪络时，由于晶闸管的不可关断性以及移相触发本身半个工频周期的滞后性，致使不能对闪络进行更好地控制，将对除尘装置造成很大的电流冲击。
在图3（a）波形中可以看出，晶闸管控制的单相电源在其周期内并非完全以足够高的电流进行控制，从而导致了其自身的系统功率因数低。IGBT控制的三相变频电源图3（b）波形所示，高性能三相供电高压电除尘器电源控制系统，由于其高速度的反应以及最大的电晕功率，经滤波控制后，二次电流基本能成为直流。其最大电流即为其平均电流，很大程度上弥补了单相电源功率因数低、谐波污染大和动态响应慢等方面的缺陷。
图3 电源输出波形图
3 闪络控制与故障处理
静电除尘器的电晕电流所受的影响主要来自于自由电子和负离子的运动，因此不同的放电程度影响着粉尘的运动力和载荷，电场内放电强度由弱到强依次分为电晕放电、火花放电、闪络放电和电弧放电4个阶段。在检测到闪络发生后，系统将扫描二次电压的恢复情况。
如果在当前的半波周期内二次电压恢复到一个高值，就判定为火花。下一个半波周期将会进入自动恢复过程但输出电压会下降。如果当前的半波周期内二次电压还保持在一个较低的值，闪络控制就开始，即首先进入一个消电离过程（消电离时间）。半波持续时间将由闪络消电离参数由模糊控制器优化决定。
然后根据闪络斜率逐渐恢复二次电压或电流值（半波降低一次触发角度），直至达到闪络发生前一个半波的触发角的95%～98%（半波周期发生闪络或火花时的点火角度百分比）。除尘器间歇运行时，其电压或电流的恢复值是由控制参数Puls-ext控制的。
静电除尘器在运行过程中不可避免的出现极线变形或折断、灰尘搭桥或极间短路的情况，此时会造成二次电压无法升压的现象。高压检测系统测量二次电压降到短路电压极限值短路电压以下，而一次电流大于其额定值25%时，判定发生短路。通过调整参数短路等待时间，短路现象可以延迟。
依据等待时间进入参数短路消电离（持续半波），如果还处于短路状态，就会重复以上等待和消电离过程（消电离时间和等待时间）。等待二次电压恢复正常，否则系统将停止工作。需要停运检查电除尘器内部构件存在的异常。
山钢日照公司1#、2#转炉烟气净化系统自2018年投入运行以来，整体高压静电电控系统相对稳定。故障方面发生过电容爆燃事故，联系厂家综合分析，一方面降低电磁站室内温度，另一方面检测相关硬件后，对电流互感器和中间回路电容全部进行了更换，其中更换后的电容为大容量进口件。另外，还发生过一次放电极接地而导致无法升压的现象。正常冶炼装料阶段、吹炼阶段、溅渣阶段一个完整的周期根据吹氧量变化期间对应的电场电压、电场电流如图4所示。
图4 吹炼期间电场电压、电流及吹氧流量关系图
通过在山钢日照公司两座210t转炉冶炼生产来看，高压静电除尘电气控制系统运行良好，保证了烟气处理效果，提升了煤气回收利用率。