7.1.3. Режим коррекции обратной короны.

       Этот режим сегодня является наиболее рациональным вариантом импульсного питания. В этом случае на определенный уровень постоянного напряжения U=, приложенного к электродам электрофильтра, периодически осуществляется наложение импульсов напряжения таким образом, чтобы коронный разряд создавался только в момент наложения импульса напряжения. Если это условие не выполняется, то теряется возможность точного управления током коронного разряда путем изменения частоты следования импульсов f_U , амплитуды импульса U_а = U_пр , его длительности t_U и асимметричности (отношения длительности фронта к длительности спада импульса t_ф / t_ср ) Точное управление током коронного разряда независимо от уровня пробивных напряжений U_пр в электрофильтре необходимо для коррекции обратной короны с целью обеспечения максимальной скорости дрейфа частиц в электрофильтре. На рис. 3 приведена стилизованная осциллограмма напряжения и тока электрофильтра при импульсном питании.         Плотность тока коронного разряда I_к должна изменяться таким образом, чтобы выполнялось следующее условие:        I_к · < Е_пр.сл.,        где Е_пр.сл. — напряженность поля в слое, при которой возникает обратная корона.        В высокоомном слое пыли на осадительных электродах электрофильтра при определенной плотности тока коронного разряда возникают искрения, а при дальнейшем увеличении плотности тока I_к происходит пробой слоя и образуется канал выхода положительных ионов в межэлектродный промежуток со стороны слоя. Следствием этого являются, нейтрализация заряда частиц пыли в промежутке и снижение пробивных напряжений на электрофильтре. На рис. 4 приведена зависимость Е_пр.сл. от медианного диаметра частиц. Образцы пыли отбирались из разных полей пятипольного электрофильтра (обозначение соответствует последовательности полей по ходу газа, из которых отобрана пыль). Слой получали насыпным методом толщиной 5 мм; контролировалась плотность тока, при которой возникала обратная корона и измерялось УЭС каждого образца (см. таблицу); по этим данным рассчитывалась величина Е_пр.сл., [ 2 ].

Зависимость УЭС образцов от медианного диаметра частиц

Номер поля, из которого взят образец	Медианный диаметр частиц, мкм	УЭС, Ом·м
1 2 3 4 5	35 25 20 10 7,5	3,7·1010 1,7·1010 1,3·1010 9,1·1010 8,1·1010

       На результаты оказывает влияние, во-первых, то обстоятельство, что слой формируется не в поле коронного разряда и, во-вторых, что величина Е_пр.сл. существенно зависит от размера частиц. Согласно общим представлениям о возникновении пробоя промежутков можно ожидать, что с увеличением температуры газа величина Е_пр.сл. будет снижаться. Наиболее важным фактором следует считать равномерность распределения плотности тока по осадительным электродам, на которую влияют как конструкция электрода, так и изменение концентрации пыли на различных участках поля. На рис. 5 приведены результаты измерений средней плотности тока коронного разряда при пороговом напряжении, превышение которого приводило к возникновению обратной короны.          Условия отбора проб и проведения измерений аналогичны изложенным ранее. В межэлектродный промежуток подавался газ следующего состава, %: N₂ –74; СО₂ –12; Н₂ О –7 и О₂ -7. Коронирующие электроды — спиральные.        Наличие обратной короны фиксировалось электронно-оптическим усилителем. Отмечено небольшое уменьшение средней плотности тока, при которой пробивался слой, с ростом пульсаций выпрямленного напряжения.        Приведенные результаты показывают, что плотность тока коронного разряда по полям электрофильтра должна быть различной, чтобы обеспечить работу электрофильтра без обратной короны.        Обычно напряжение U = выбирается близким к напряжению возникновения коронного разряда U₀, но при этом необходимо учитывать, что при УЭС выше 10'° Ом-м последнее напряжение заметно выше, чем напряжение затухания. Кроме того, из отечественного опыта и анализа литературных данных следует, что обратный коронный разряд обладает самостабилизацией и развивается в пространстве и во времени; ток электрофильтра самопроизвольно возрастает без увеличения входного напряжения. В этом случае, если даже U = установлено ниже U₀ или на уровне U₀, стохастические флуктуации процесса могут вызвать возникновение обратной короны в локальной точке с сильным электрическим полем, что приведет к дополнительному искажению электрического поля и распространению обратной короны по всему осадительному электроду. Этот процесс происходит при УЭС пыли выше предельного значения 10¹² Ом-м, когда импульсное питание позволяет корректировать обратную корону.        В этом случае, чтобы погасить обратную корону, необходимо снизить U= ниже напряжения затухания коронного разряда. Ограничение величины U= низким уровнем создает серьезные трудности для схемных решений и неизбежно снижает степень очистки. Следовательно, для пылей с очень высоким УЭС, импульсный метод является неэффективным. Но в связи с тем, что распространение обратной короны по осадительному электроду происходит достаточно медленно (по крайней мере, в течение одной секунды) можно производить коррекцию обратной короны за счет снижения U= с уровня, близкого к U_0, до нуля при последующем восстановлении до первоначального. Более эффективным, конечно, является режим знакопеременного питания, но здесь его рассматривать не будем. Вопросы контроля обратного коронного разряда и управления источником питания тоже вынесены за пределы этого обзора.        Как показано выше, достоинства импульсного метода с ростом УЭС пыли становятся все менее ощутимыми и практически исчезают при УЭС более 10"—10¹² Ом • м. Для соблюдения условия (2) необходима очень малая плотность тока, при которой существенно снижается скорость зарядки частиц; заряд пыли с частиц в слое стекает настолько медленно, что с ростом толщины слоя пропорционально растет напряжение на слое пыли и при определенной толщине создается напряженность в слое, достаточная для возникновения локальной точки обратной короны, которая распространяется по всему осадительному электроду даже при I_к >0. Таким образом, при указанных значениях УЭС обратной короны уже не избежать, если на осадительных электродах имеется слой пыли [3].        Кроме напряжения U= плотность тока удобно регулировать частотой следования импульсов f_и и амплитудой импульсов U_а.        На рис. 6 приведены зависимости плотности тока коронного разряда от частоты следования импульсов при различных величинах амплитуды импульса напряжения, когда напряжение U₌=40 кВ. Данные относятся к случаю, когда используются схемы с независимым регулированием постоянного напряжения U₌, амплитуды импульса U_а и частоты f_и. Представленные результаты позволяют говорить о том, что плотность тока при импульсном питании может меняться от величины менее 0,001 мА/м² до величины большей чем при питании выпрямленным током. Диапазон изменения плотности тока выходит за пределы 1:100. В случае коррекции обратной короны уровень U₌ задан величиной U₀ поэтому плотность тока регулируется практически двумя параметрами: частотой f_и амплитудой импульса U_а, которая поддерживается на предпробивном уровне. Поскольку уровень пробивных напряжений зависит как от технологических параметров, так и от длительности импульса напряжения, то для конкретных условий и схемы импульсного источника регулирование плотности тока должно осуществляться частотой импульсов f_и, а изменение длительности импульса необходимо использовать для реализации других возможностей импульсного питания. Кроме удобства управления плотностью тока импульсное питание позволяет осуществить в электрофильтре более равномерное распределение плотности тока по электродам. На рис.7 приведено распределение относительной плотности тока I_{к пыли} / I_{к воздуха} по длине электрофильтра при входной запыленности Z_вх =25г/м³ (н.у.). Расстояние между осадительными электродами 0,4 м.

 

       Нижняя кривая получена при питании постоянным напряжением U_ф =65 кВ и током нагрузки I_к =77 мкА/м², верхняя кривая — при следующих параметрах импульсного питания U₌ =40 кВ; U_а=75 кВ; f_и Д,=50 имп/с; I_к =63,мкА/м²; скорость газа v_r = 1 м/с; температура 20°С. В поток вводились частицы СаСОз с медианным диаметром d₅₀=5 мкм и УЭС, равным 10⁷ Ом-м. Коронирующие электроды имели форму спирали [2].        Результаты показывают, что запирающее действие пыли сильнее сказывается при питании постоянным напряжением. Предполагается, что с ростом температуры в случае постоянного напряжения изменение распределения тока короны более существенное, чем в случае импульсного.        Кроме этого проводились исследования распределения плотности тока короны на поверхности осадительного электрода при питании постоянным (рис. 8, а) и импульсным (рис. 8, б) напряжением. Слой пыли толщиной 5 мм с УЭС равным 7·Ю⁹ Ом-м наносился на осадительный электрод вручную. Эксперимент проводился в воздухе с содержанием воды 0,6 об. % без добавления пыли, в газовую среду [2]. Коронирующие электроды — спираль с шагом 10 мм.        При импульсном питании условия эксперимента были следующие:U₌ =40 кВ, U_а =60 кВ, f_и =50имп/с, I_к =86 мкА/м². При питании постоянным напряжением тот же ток I_к =86 мкА/м² достигался при U₌ =53,1 кВ.

        Распределение плотности тока при импульсном питании характеризуется небольшим регулярным изменением, соответствующим шагу спиральных коронирующих электродов. В случае же постоянного напряжения распределение тока в существенной степени неравномерно: имеются участки с очень низкой плотностью тока и участки со значениями плотности тока, которые в пять раз превышают среднюю плотность. При импульсном питании отношение максимальной измеренной плотности тока к средней равно 1,75, и на 80% площади осадительного электрода плотность тока отличается от средней менее чем на 25%.        Проведенные автором исследования с игольчатыми электродами подтвердили указанную тенденцию, но изменения были меньше. Неравномерность при постоянном напряжении, тоже были значительно меньше.        С увеличением УЭС при импульсном питании будет происходить сглаживание распределения плотности тока и, кроме этого, импульсное питание позволяет легко уменьшить среднюю плотность тока, чтобы избежать возникновения обратной короны. В случае постоянного напряжения уменьшение величины напряжения с целью снижения плотности тока, например, для спиральных коронирующих электродов, ведет к тому, что на поверхности коронирующего электрода будет коронировать меньшее число точек, и распределение тока не удается улучшить.        Приведенные результаты получены для импульса с длительностью переднего фронта t_ф = 54·10⁶ с и спада t_с = 145·10⁶ с, причем спад импульса происходил до половины его амплитуды.        Увеличение температуры или образование объемного заряда за счет пыли будет изменять распределение плотности токов при сохранении тенденций, характерных для распределения токов при постоянном и импульсном напряжении.        Таким образом, при импульсном питании ток короны используется более эффективно, чем при постоянном напряжении.        Равномерность распределения тока по электроду в существенной мере зависит от длительности импульса, особенно его переднего фронта; при длительности импульса менее 1 мкс распределение становится практически равномерным.        Улучшение распределения тока при импульсном питании позволяет улучшить зарядку мелких частиц, в то время как крупные частицы лучше заряжаются за счет увеличения напряженности электрического поля при импульсном питании.        Как указывалось выше, длительность импульса имеет важное значение и спор об оптимальной длительности еще не разрешен, в частности из-за того, что каждая из фирм стремится доказать преимущества собственных схемных решений. С учетом этого факта попытаемся проанализировать имеющиеся данные.        Все реализуемые для импульсного питания длительности импульсов можно разделить на три группы.        Миллисекундные импульсы — длительность таких импульсов варьирует от нескольких миллисекунд, в случае одиночных импульсов, до сотен миллисекунд, когда идет пакет импульсов. Одним из вариантов импульсного питания с миллисекундными импульсами является система МIЕ, рассмотренная выше. Большим преимуществом миллисекундного импульса является чрезвычайная простота реализации импульсного питания. При этом стоимость источника практически не возрастает при сокращении надежности работы источника питания.        Использование миллисекундного импульса позволяет реализовать на пыли с высоким УЭС не только режим экономии электроэнергии, но и частично режим коррекции обратной короны. Однако при таком импульсе не используется важнейшее преимущество импульсного питания, состоящее в увеличении напряжения пробоя в электрофильтре при применении узкого импульса.        Рост амплитуды напряжения при миллисекундном импульсе связан с обычным ростом пробивных напряжений при отсутствии обратной короны. Следовательно, максимальное напряжение на электрофильтре ограничено величиной постоянного напряжения, при котором происходит искрообразование в электрофильтре. Результатом является ограничение среднего напряжения в случае системы МIЕ и ограничение уровня постоянного напряжения в случае наложения на него миллисекундных импульсов. Таким образом, при улавливании пыли со средним УЭС невозможно ожидать увеличения степени очистки при питании электрофильтра миллисекундными импульсами.        Длительность миллисекундных импульсов лежит обычно в интервале от 10—20 мкс до нескольких сотен микросекунд.        Для таких импульсов нагрузка, которой является электрофильтр, представляется совокупностью сосредоточенных элементов. Электрофильтр является активно-емкостной нагрузкой. Геометрическая емкость совместно с емкостью объемного заряда составляют емкостную составляющую нагрузки, т.е. межэлектродную емкость электрофильтра. Параллельно подключается активное сопротивление, определяемое проводимостью межэлектродного промежутка при коронном разряде.        Для формирования микросекундного импульса необходимо на фронте импульса передать в межэлектродную емкость достаточно большую энергию, выражаемую следующим образом:                                           W=C(U_a )² /2,                где С — величина межэлектродной емкости;             U_a   — величина возрастания напряжения в импульсе.        Так, например, в случае электрофильтра ЭГА с площадью осаждения поля 2500 м², чтобы сформировать импульсы напряжения величиной U_a =50 кВ, необходимо передать энергию более 150 Дж. С уменьшением длительности переднего фронта возникает проблема ключа, способного коммутировать такие энергии. Поскольку энергия, запасенная в межэлектродной емкости, существенно больше потребляемой коронным разрядом, ее следует возвратить. Скоростью возвращения энергии из электрофильтра и долей ее использования на коронный разряд регулируются длительность и форма заднего фронта импульса.        В настоящее время практически все фирмы используют колебательный L -С контур для формирования микросекундного импульса напряжения. На рис. 9 приведены схема связи колебательного контура с электрофильтром трансформаторного типа (а) и схема связи напрямую (б). Трансформаторная связь накладывает более жесткие ограничения на длительность и амплитуду импульса, чем непосредственная связь накопительного конденсатора С₀ с электрофильтром через ключ, шунтированный встречным диодом. Индуктивность L обеспечивает колебательный характер перезарядки накопительного конденсатора С_о и межэлектродной емкости электрофильтра (см. рис. 9, б). Степень возврата энергии в этой схеме высокая (70—80%). Такая схема запатентована в США, пат. № 4138233 с приоритетом Японии от 21.06.76 года. Схема удобна для формирования импульсов напряжения на электрофильтре, но имеет тот недостаток, что емкость конденсатора С_о должна быть существенно выше, чем межэлектродная емкость, в противном случае, степень возврата энергии резко снижается.        Учитывая, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) электрофильтра в процессе работы изменяется в широком диапазоне, соответственное изменение проводимости межэлектродного промежутка приводит к изменению степени возврата энергии, и наступает такое соотношение параметров схемы и нагрузки, когда не выполняются условия колебательного процесса и на электрофильтре импульсы напряжения не будут формироваться. В этом случае можно говорить о потере схемой «импульсных свойств». Чем меньше величина индуктивности L, тем при меньшем диапазоне изменения ВАХ схема теряет импульсные свойства. Для уменьшения t_и необходимо уменьшить L, поэтому длительность импульса напряжения помимо возможностей ключа ограничивается также и этой принципиальной особенностью схемы.

        Использование микросекундных импульсов позволяет осуществлять режим экономии электроэнергии. Только за счет рекуперации энергии удается снизить ее расход на 50—70%. Микросекундные импульсы весьма эффективны при работе в режиме коррекции обратной короны. Скорость дрейфа в случае применения микросекундных импульсов повышается в 1,2—1,7 раза. Эффект улучшения очистки возрастает с увеличением УЭС.        О влиянии длительности микросекундного импульса на увеличение скорости дрейфа имеются различные мнения. Так, представители фирмы «Ф. Л. Шмидт» утверждают, что длительность импульса в пределах 2—300 мкс почти не влияет на увеличение скорости дрейфа. Следует учесть, что эта фирма выпускает импульсные источники с длительностью импульса 50—200 мкс. Схема имеет трансформаторную связь с электрофильтром (см. рис. 9, а), и получение импульсов менее 50 мкс существенно усложняет конструкцию импульсного трансформатора.        Анализ результатов испытаний импульсного питания с длительностью импульсов 1,5 и 140 мкс с амплитудой импульса U_а=25 кВ показал, что имеет место влияние формы импульсов на степень очистки. В обоих случаях достигнуто снижение пылеуноса в два раза. Улавливалась зола угольной пыли с УЭС (1—5)10'° Ом-м. Отмечено, что при работе с высокоомной пылью постоянную составляющую напряжения U₌ необходимо поддерживать на уровне U_о. В этом случае U_а =25 кВ явно недостаточно для выхода на искровые пробои, и необходимо увеличивать U₌ и, соответственно, плотность тока. При узком импульсе требуемое увеличение U₌ будет еще больше, что снижает эффект увеличения скорости дрейфа для указанного УЭС при импульсном питании, особенно с узким импульсом.        Фирмой «Ион физикс» (США) проведены испытания на электростанции «Рочестер час энд электрик би-би» [4] электрофильтра, питаемого импульсами 1 и 500 мкс. В случае золы с УЭС равным 1,5· 10¹⁰ Ом·м, образующейся при сжигании угля, содержащего 1% серы при узких импульсах, скорость дрейфа возросла в 1,8 раза. В аналогичных условиях при широких импульсах никаких улучшений не наблюдалось. Применяя импульсы малой длительности, удалось поддерживать базовое постоянное напряжение U₌ на уровне 90% от напряжения при питании от обычного источника. В случае широких импульсов в предпробивном режиме базовое напряжение поддерживалось только на уровне 60% от уровня обычного режима работы.