臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)設(shè)計

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)各種類型的臭氧發(fā)生器，而筆者2010年以來一直參與此設(shè)備的電氣系統(tǒng)設(shè)計。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。

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

中圖分類號：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，使電場內(nèi)或電場周圍的氧分子發(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、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)生非常強烈的介質(zhì)阻擋放電。當(dāng)含氧氣的氣體通過兩個電極間的放電間隙時，部分氧氣分子（O2）會被轉(zhuǎn)化為臭氧（O3）從而實現(xiàn)臭氧制備。具體為電極上帶有高電壓時，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

3.1 電氣模塊設(shè)計說明

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?，得到臭氧發(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

臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)的控制，可以通過PLC控制柜上的人機操作界面手動或者自動實現(xiàn)，也可以利用遠(yuǎn)程通訊接口通過工廠的控制中心實施遠(yuǎn)程監(jiān)控（實現(xiàn)遠(yuǎn)程急停、自動模式下調(diào)節(jié)產(chǎn)量參數(shù)、監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)及報警信息）。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。例如在運行中根據(jù)要求輸入一定的臭氧產(chǎn)量后，系統(tǒng)會自動調(diào)整運行中的其它參數(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)的控制可實現(xiàn)監(jiān)視、控制、開關(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、報告、報警、循環(huán)開車、緊急停機、記錄、故障聯(lián)鎖、通信功能、通過通訊總線與上位自控系統(tǒng)統(tǒng)一工作等。參見整個系統(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PLC的I/O點如下：

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

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

DI_3進(jìn)氣閥開到位輸入DO_3逆變器主電源輸出；

DI_4進(jìn)氣閥關(guān)到位輸入DO_4逆變器啟動輸出；

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

DI_6出氣55度開關(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加水罐液位開關(guān)輸入AI_2進(jìn)氣壓力輸入；

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

DI_11變壓器95度開關(guān)輸入AI_4出水溫度輸入；

DI_12煙霧報警器信號輸入AI_5出氣開度反饋輸入；

DI_13高壓偵測信號輸入AI_6電量儀表輸入；

模擬量輸出：AO_1出氣開度給定輸出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點可知，數(shù)字量輸入點13個，數(shù)字量輸出點7個，模擬量輸入點7個，模擬量輸出點3個。PLC若采用西門子品牌S7-200系列時，規(guī)格為PLC中央處理器CUP226帶1個，CPU本身有含數(shù)字量輸入點16個，數(shù)字量輸出點16個，擴展模擬量輸入模塊EM231 4點輸入配2個模塊，擴展模擬量輸出模塊EM222 2點輸出配2個模塊，以上配置就可以滿足I/O點表的內(nèi)容。

3.3 實例說明電氣設(shè)計及元件選型

3.3.1 某公司客戶需求

某公司客戶需求，見表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 計算臭氧發(fā)生器功率

根據(jù)我司產(chǎn)品特點，在最不利條件下，按每1 kg/h臭氧最大功率8.5 kW計算，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，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，一般選開關(guān)的額定電流比實際負(fù)載電流大1.3倍，不要選得太大，必須考慮過載保護(hù)及短路保護(hù)都能動作。如果選取過大的額定電流，過載保護(hù)失去作用；再者，因為線路的粗細(xì)及長短關(guān)系，負(fù)載端的短路電流達(dá)不到瞬時脫扣器的整定動作值，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，交流接觸器電壓等級要和負(fù)載相同，選用的接觸器類型要和負(fù)載相適應(yīng)；計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，是保證接觸器觸點長期正常工作的電流值。通常用的電流等級有：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

臭氧發(fā)生器電氣系統(tǒng)在供電的過程當(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)備安裝時與設(shè)備的接地端子連接。

4 結(jié) 語

綜上所訴，臭氧發(fā)生器的電控設(shè)計是循序漸進(jìn)的，是根據(jù)項目的特點量身設(shè)計。設(shè)計人員應(yīng)對電氣系統(tǒng)有足夠的重視，積極提升設(shè)計的質(zhì)量，為臭氧發(fā)生器的有效應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。實踐表明，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、臭氧產(chǎn)量大、體積和占地空間小等優(yōu)點，在國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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