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臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2016-11-12 14:54:09黃蓮欽
關(guān)鍵詞:電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃蓮欽

摘 要:臭氧發(fā)生器產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于市政飲用水處理、污水處理、工業(yè)廢水處理、煙氣脫硝、紙漿漂白、精細(xì)化工氧化等領(lǐng)域。我司目前生產(chǎn)各種類(lèi)型的臭氧發(fā)生器,而筆者2010年以來(lái)一直參與此設(shè)備的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文章從臭氧發(fā)生器著手,探究臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:臭氧發(fā)生器;電氣系統(tǒng);設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào):TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8937(2016)29-0010-02

1 臭氧發(fā)生器概述

臭氧發(fā)生器工作原理按臭氧產(chǎn)生的方式劃分,臭氧發(fā)生器主要有三種:高壓放電式、紫外線照射式、電解式。以下介紹的是高壓放電式發(fā)生器,該類(lèi)臭氧發(fā)生器采用先進(jìn)的微間隙介質(zhì)阻擋放電技術(shù),使用一定頻率下的高壓放電,使電場(chǎng)內(nèi)或電場(chǎng)周?chē)难醴肿影l(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而制造臭氧。

2 臭氧發(fā)生器原理介紹

臭氧發(fā)生器能夠在一定的氧氣質(zhì)量、露點(diǎn)、壓力和溫度下,利用石英玻璃介質(zhì)和微間隙放電結(jié)構(gòu),在高電壓下產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的介質(zhì)阻擋放電。當(dāng)含氧氣的氣體通過(guò)兩個(gè)電極間的放電間隙時(shí),部分氧氣分子(O2)會(huì)被轉(zhuǎn)化為臭氧(O3)從而實(shí)現(xiàn)臭氧制備。具體為電極上帶有高電壓時(shí),電極之間的放電間隙放電,氧氣分子被分解為自由態(tài)的氧原子(O),部分自由態(tài)的氧原子與未分解的氧氣分子重新結(jié)合生成臭氧(O3),即O+O2=O3。

3 臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明

電氣部分,如圖1所示,由三相380 VAC/50 HZ電源接入,由逆變器,升壓裝置和PLC控制系統(tǒng)組成。逆變器的作用是把頻率從工頻變?yōu)楦哳l,升壓裝置的作用是把電壓從低壓變?yōu)楦邏海玫匠粞醢l(fā)生器所需的高頻高壓電源,經(jīng)高壓電纜與發(fā)生器放電室相連,在高頻高壓的作用下,通過(guò)微間隙放電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生臭氧。

3.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)的控制,可以通過(guò)PLC控制柜上的人機(jī)操作界面手動(dòng)或者自動(dòng)實(shí)現(xiàn),也可以利用遠(yuǎn)程通訊接口通過(guò)工廠的控制中心實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控(實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程急停、自動(dòng)模式下調(diào)節(jié)產(chǎn)量參數(shù)、監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)及報(bào)警信息)。臭氧發(fā)生量可以根據(jù)需要以“恒定臭氧濃度,調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量”和“恒定進(jìn)氣流量,調(diào)節(jié)臭氧濃度”兩種方式進(jìn)行控制,并能靈活切換。例如在運(yùn)行中根據(jù)要求輸入一定的臭氧產(chǎn)量后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行中的其它參數(shù),如進(jìn)氣流量,氣體壓力和功率使系統(tǒng)輸出的臭氧產(chǎn)量和濃度達(dá)到設(shè)定要求。臭氧系統(tǒng)的控制可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制、開(kāi)關(guān)、設(shè)定、調(diào)節(jié)、總體工藝流程顯示,詳細(xì)工藝單元顯示、報(bào)告、報(bào)警、循環(huán)開(kāi)車(chē)、緊急停機(jī)、記錄、故障聯(lián)鎖、通信功能、通過(guò)通訊總線與上位自控系統(tǒng)統(tǒng)一工作等。參見(jiàn)整個(gè)系統(tǒng)連接圖,如圖2所示。

根據(jù)工藝和電氣控制要求等,做一個(gè)PLC的I/O點(diǎn)如下:

數(shù)字量輸入:DI_1急停信號(hào)輸入數(shù)字量輸出:DO_1故障報(bào)警輸出;

DI_2進(jìn)氣高壓開(kāi)關(guān)輸入DO_2進(jìn)氣閥電源輸出;

DI_3進(jìn)氣閥開(kāi)到位輸入DO_3逆變器主電源輸出;

DI_4進(jìn)氣閥關(guān)到位輸入DO_4逆變器啟動(dòng)輸出;

DI_5發(fā)生器55度開(kāi)關(guān)輸入DO_5內(nèi)循環(huán)水泵電源輸出;

DI_6出氣55度開(kāi)關(guān)輸入DO_6控制柜風(fēng)扇電源輸出;

DI_7內(nèi)循環(huán)水泵運(yùn)行輸入DO_7電源柜風(fēng)扇電源輸出;

DI_8內(nèi)循環(huán)水泵故障輸入模擬量輸入:AI_1進(jìn)氣流量輸入;

DI_9加水罐液位開(kāi)關(guān)輸入AI_2進(jìn)氣壓力輸入;

DI_10發(fā)生器水流量開(kāi)關(guān)輸入AI_3進(jìn)氣溫度輸入;

DI_11變壓器95度開(kāi)關(guān)輸入AI_4出水溫度輸入;

DI_12煙霧報(bào)警器信號(hào)輸入AI_5出氣開(kāi)度反饋輸入;

DI_13高壓偵測(cè)信號(hào)輸入AI_6電量?jī)x表輸入;

模擬量輸出:AO_1出氣開(kāi)度給定輸出AI_7臭氧濃度輸入;

AO_2頻率給定輸出;

AO_3功率給定輸出。

從以上I/O點(diǎn)可知,數(shù)字量輸入點(diǎn)13個(gè),數(shù)字量輸出點(diǎn)7個(gè),模擬量輸入點(diǎn)7個(gè),模擬量輸出點(diǎn)3個(gè)。PLC若采用西門(mén)子品牌S7-200系列時(shí),規(guī)格為PLC中央處理器CUP226帶1個(gè),CPU本身有含數(shù)字量輸入點(diǎn)16個(gè),數(shù)字量輸出點(diǎn)16個(gè),擴(kuò)展模擬量輸入模塊EM231 4點(diǎn)輸入配2個(gè)模塊,擴(kuò)展模擬量輸出模塊EM222 2點(diǎn)輸出配2個(gè)模塊,以上配置就可以滿足I/O點(diǎn)表的內(nèi)容。

3.3 實(shí)例說(shuō)明電氣設(shè)計(jì)及元件選型

3.3.1 某公司客戶需求

某公司客戶需求,見(jiàn)表1。

根據(jù)如下圖電氣原理圖,如何選擇主要元件規(guī)格,具體如圖3所示。

3.3.2 計(jì)算臭氧發(fā)生器功率

根據(jù)我司產(chǎn)品特點(diǎn),在最不利條件下,按每1 kg/h臭氧最大功率8.5 kW計(jì)算,臭氧發(fā)生器功率:

P=3×8.5 kW=25.5 kW。

3.3.3 逆變器選擇

此逆變器是臭氧設(shè)備專用的,是我司自主研發(fā)的產(chǎn)品,此產(chǎn)品采用的是IGBT4kHz的高頻電源技術(shù)。

目前我司逆變器產(chǎn)品規(guī)格為500 W、3 kW、10 kW、22 kW、37 kW、55 kW、90 kW、110 kW、225 kW、320 kW等等,根據(jù)公司產(chǎn)品特點(diǎn),90 kW以下為三相輸入單相輸出,大于90 kW都為三相輸入三相輸出,臭氧發(fā)生器產(chǎn)量小于8 kg/h的都為三相輸入單相輸出,從以上規(guī)格型號(hào)中可以看出,可以選用的有37 kW、55 kW、90 kW三種規(guī)格,從成本考慮優(yōu)先選用37 kW這檔逆變器。

3.3.4 主要電氣元件選擇

主斷路器選擇。根據(jù)規(guī)范要求,一般選開(kāi)關(guān)的額定電流比實(shí)際負(fù)載電流大1.3倍,不要選得太大,必須考慮過(guò)載保護(hù)及短路保護(hù)都能動(dòng)作。如果選取過(guò)大的額定電流,過(guò)載保護(hù)失去作用;再者,因?yàn)榫€路的粗細(xì)及長(zhǎng)短關(guān)系,負(fù)載端的短路電流達(dá)不到瞬時(shí)脫扣器的整定動(dòng)作值,從而短路保護(hù)可能失效。

根據(jù)公式功率:

P=UIcosφ

以上所知臭氧發(fā)生器額定功率P=25.5 kW,功率因素取cosφ=0.9,計(jì)算額定電流I=43.1 A。根據(jù)以上原則,斷路器要選擇在56 A,根據(jù)斷路器規(guī)格故選擇60 A的斷路器。

主接觸器選擇。根據(jù)專業(yè)知識(shí),交流接觸器電壓等級(jí)要和負(fù)載相同,選用的接觸器類(lèi)型要和負(fù)載相適應(yīng);計(jì)算電流要小于等于接觸器的額定工作電流。

接觸器銘牌上的額定電流是指主觸頭的額定電流,是保證接觸器觸點(diǎn)長(zhǎng)期正常工作的電流值。通常用的電流等級(jí)有:交流接觸器5 A、10 A、20 A、40 A、60 A、100 A等等。那接觸器應(yīng)選60 A規(guī)格,線圈電壓根據(jù)線路要求選用220 V。

3.5 接地設(shè)計(jì)

臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)在供電的過(guò)程當(dāng)中,應(yīng)當(dāng)采用TN-S系統(tǒng)。由于臭氧發(fā)生器為高壓放電設(shè)備,根據(jù)GB 50169-2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》和GB 14050-2008《系統(tǒng)接地的形式及安全技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,臭氧發(fā)生器的金屬底座和外殼應(yīng)提供安全可靠接地,以保證設(shè)備和人身安全。因此,客戶應(yīng)在臭氧制備間內(nèi)預(yù)埋接地裝置,并預(yù)留接頭(接地電阻≤4Ω),以便設(shè)備安裝時(shí)與設(shè)備的接地端子連接。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所訴,臭氧發(fā)生器的電控設(shè)計(jì)是循序漸進(jìn)的,是根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)量身設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)電氣系統(tǒng)有足夠的重視,積極提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量,為臭氧發(fā)生器的有效應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明,高壓放電式臭氧發(fā)生器具有技術(shù)成熟、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、臭氧產(chǎn)量大、體積和占地空間小等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1] 高艷雄,劉海龍,高冠龍,等.臭氧發(fā)生器氮氧化物的產(chǎn)生規(guī)律研究[J].山 西科技,2013,28(1):35-37.

[2] 黃繼強(qiáng),薛龍,呂濤,等.可控諧振的DBD型臭氧發(fā)生器電源[J].高電壓技 術(shù),2010,36(2):444-449.

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