薛飛    孫榮生

江蘇康爾臭氧有限公司，鎮(zhèn)江，212212

　　摘要：隨著我國供水水質的提高，使得臭氧+活性碳處理工藝得到更為廣泛的推廣和應用。自來水廠將會成為大型臭氧設備的核心市場，開發(fā)適用于水廠的穩(wěn)定、成熟、高效的國產(chǎn)大型臭氧發(fā)生器設備勢在必行。本文簡述了運用高頻變頻技術，開發(fā)生產(chǎn)出單機產(chǎn)量20Kg/h臭氧發(fā)生器的研制過程，它的研制成功表明國內(nèi)臭氧技術已成功解決了臭氧發(fā)生器專用的大功率高頻逆變電源技術，大功率高頻高壓變壓器技術以及運用ORP技術實現(xiàn)了發(fā)生器的PID閉環(huán)控制技術。運行實踐證明，高頻發(fā)生器具有體積小、效率高、耗電省等優(yōu)點。

　　關鍵詞：大型臭氧發(fā)生器  高頻電源  高頻變壓器  ORP技術  PID控制

　　隨著臭氧在各個行業(yè)及領域的廣泛應用，臭氧的發(fā)生技術和應用技術得到了快速發(fā)展，特別是新的《城市供水水質標準》的實施，對水質提出了更高的要求，增加了水的檢測項目和對消毒副產(chǎn)物的檢測項目。采用臭氧-活性炭技術將是水廠消毒的發(fā)展趨勢，臭氧深度處理技術將得到更加有力的發(fā)展。我國將會有更多的水廠采用臭氧處理工藝。產(chǎn)量大、高效率的臭氧發(fā)生器必將有廣闊的市場需求，目前國內(nèi)大型臭氧發(fā)生器設備主要依靠國外進口。因而研制和開發(fā)高性能、大產(chǎn)量新一代大型臭氧發(fā)生器替代進口是我國臭氧企業(yè)的首要任務。對于加快實現(xiàn)我國自來水產(chǎn)業(yè)運用臭氧-活性炭工藝的普及具有重要的意義。

　　鑒于國內(nèi)臭氧產(chǎn)品市場形勢，江蘇康爾臭氧有限公司的科研人員將已有的技術為基礎并消化吸收國外同類產(chǎn)品先進技術，經(jīng)過一年的努力研制成功20Kg/h（氧氣源）臭氧發(fā)生器，具有獨立的自主知識產(chǎn)權。對于國內(nèi)大型臭氧發(fā)生器特別是高頻的研制開發(fā)尚屬起步階段的今天，單機產(chǎn)量20Kg/h發(fā)生器的面市填補國內(nèi)空白，同時還有著更為重要的社會意義。

　　研制內(nèi)容及過程：

　　1．臭氧放電室部分：

　　臭氧發(fā)生管采用搪瓷介質放電體，對于的生產(chǎn)我們徹底改變了傳統(tǒng)的手工涂搪工藝和原由的搪燒工藝。手工涂搪對瓷層質量的一致性得不到保證，直接影響臭氧產(chǎn)率。為此我們采用了全自動搪瓷涂裝流水線作業(yè)工藝，由計算機控制瓷釉噴涂速度、釉膜厚度。使燒成后放電管的搪瓷層厚度誤差50um之內(nèi)。單個放電體臭氧產(chǎn)量實現(xiàn)了最大化，適應于運行頻率5000HZ，電壓4.0-5.0kV的工況,擊穿強度大于10kV。

　　每兩支臭氧放電管組成一個放電單元。每個放電單元設置高壓保險裝置，20Kg/h臭氧發(fā)生器設計過程中我們總結過去的經(jīng)驗，對高壓保險裝置進行了重新設計。熔芯采用延時保險絲，此熔芯經(jīng)過特殊加工而成，具有吸能的作用，使其既可以抗住放電過程中出現(xiàn)的非故障沖擊電流又能對短路、過載故障提供保護。

　　放電室采用臥管式水冷結構，殼體均用不銹鋼板材熱熔焊接而成，耐腐蝕，不易生垢。在放電室筒體內(nèi)部、發(fā)生器兩端管板之間設計了冷卻水折流板，延長冷卻水路徑、均勻布水，提高冷卻水的利用率，可以進一步改善發(fā)生器的冷卻效果，節(jié)約冷卻水用量。同時增設排污除垢裝置。

　　2．高頻臭氧電源的研制:

　　臭氧的產(chǎn)生效率與電源的頻率成正向增長關系，提高臭氧電源頻率一直是臭氧界關注的重點和研究方向。我們采用以IGBT為功率器件的高頻變頻技術，頻率調整范圍50-3000HZ可調，逆變輸出電壓可調，輸出電壓0-450V。主要由高頻逆變電源主電路，SPWM控制電路，IGBT驅動電路等幾部分組成。

　　大功率高頻高壓逆變臭氧電源的整體結構簡化框圖如下：

　　三相380V工頻交流電整流濾波后，變成單相0-500V可調直流電壓，然后該直流電壓經(jīng)過逆變電路逆變后，再由功率變壓器升壓輸出。電路中整流部分采用三相全橋可控整流技術，通過改變晶閘管的導通角而得到0-450V直流可調電壓，從而達到控制輸出功率與方便調試的目的。

　　臭氧電源的性能，特別是放電功率和穩(wěn)定性直接影響到臭氧產(chǎn)生的質量和應用效果。傳統(tǒng)的臭氧發(fā)生器電源采用可控硅為功率開關器件。但是用可控硅作為功率開關器件有很多弊端。因此項目設計的臭氧電源就采用了新型的功率開關器件IGBT以取代傳統(tǒng)的可控硅電路。并采用準諧振開關特性，可實現(xiàn)零電壓、電流開通與關斷，而且開關器件的開關功率損耗很小。

　　電源除了具備完善的過載、自動限流、過電壓、欠電壓、短路斷相等多重保護功能外，還專門設計功率器件工作溫升監(jiān)控保護功能。也即通過電源的操作鍵盤上的顯示器可直接了解到IGBT的工作溫升。從而有效保證電源的工作穩(wěn)定性。

　　電源運用數(shù)字PI閉環(huán)控制技術?？蓪崿F(xiàn)給定量和反饋量的比較，閉環(huán)反饋，有效穩(wěn)定輸出電流。

　　高頻電源控制操作方面，設計有獨立的LED顯示數(shù)字控制鍵盤和485通訊接口，可實現(xiàn)現(xiàn)場操作和遠程通訊。兩種狀態(tài)下均可實現(xiàn)對臭氧電源的輸出電壓、輸出頻率進行設定?？刂凭取?V、±1Hz。

　　3．高頻變壓器的研制:

　　高頻變壓器是我們此次研制工作的重點，雖然我們積累了100KW以下高頻變壓器的設計和運行經(jīng)驗。但20Kg/h發(fā)生器設計輸出功率250KW，初級輸入電流高達500A。輸出電壓和電流都很大，原有設計思路不能照搬，基于這些狀況我們開展了專項設計和研究。

　　為了減小尺寸、重量，提高效率。需要一種高磁通密度和高頻低損耗的變壓器磁芯材料。雖然有高性能的非晶態(tài)軟磁合金作為選擇，但從性能價格比考慮軟磁鐵氧體材料仍是最佳的選擇。

　　大截面磁芯的設計加工，由于國內(nèi)企業(yè)暫時還不具備開發(fā)我們所需規(guī)格的鐵氧體磁芯技術，我們只能聯(lián)同國內(nèi)某磁材企業(yè)共同研究，通過分析計算，結合已有技術和經(jīng)驗基礎上，繼續(xù)采用組合拼接的設計方案，通過篩選若干現(xiàn)有最大尺寸磁材，選擇合適的截面，對其進行切割、裁剪、磨削加工，再用特種粘合劑進行粘接組合，最后經(jīng)過整形磨削。達到設計要求的形狀和截面積。最終用多個單元組合拼裝而成一套磁芯。

　　變壓器的另一關鍵點就是導線的選擇和線圈繞制。大功率變壓器必然工作電流大，加之電壓高、高頻電流的集膚效應。對導線的選用和制造工藝都提出了更高要求。在大量的比較試驗基礎上導線采用合成高頻導線。能適應高頻工作條件要求，減少高頻電源的集膚效應。降低了導線工作溫升，避免過熱過載，影響使用壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對線徑的選擇，初次級電流密度的取值范圍以及不同運行頻率下導體的趨膚深度均作了周密的考慮和全面的計算分析。線圈繞制及變壓器的結構完全突破傳統(tǒng)形式，做到可以方便調整漏感和初次級之間的分布電容，確保變壓器的漏感在設計范圍內(nèi)。

　　變壓器繞制完后都要進行絕緣處理。由于此種變壓器次級電壓較高(5KＶ)，耐壓測試要求初、次級進行１０KＶ耐壓試驗，這種電壓等級按照國內(nèi)通常工藝采用環(huán)氧樹脂灌注，可以保證絕緣強度，但是有體積大，重量重等缺點。經(jīng)過反復試驗，篩選絕緣材料，最終決定采用有機硅橡膠填充硅微粉作為絕緣介質，在變壓器上直接采用端封工藝，真空脫氣泡并固化。這樣的工藝處理可以減?。保车捏w積和重量，為實現(xiàn)高功率密度提供了必要條件。

　　基于多項新技術的運用，使此高頻升壓變壓器具有體積小、重量輕、工作溫升低的優(yōu)點。經(jīng)過長期工作達到熱平衡后，實測變壓器的溫升為35℃。該發(fā)生器已經(jīng)在東莞德永佳制衣企業(yè)的污水處理工程上不間斷連續(xù)近2個月時間，各項性能參數(shù)均表現(xiàn)良好。客戶長期運行實踐證明，變壓器設計是成功的。

　　4．自動控制系統(tǒng)部分：

　　臭氧發(fā)生器系統(tǒng)控制采用先進的HMI人機界面?？蓪Τ粞醢l(fā)生器運行時的各類工況參數(shù)進行設定，監(jiān)測、報警和保護。（臭氧發(fā)生器進氣、出氣溫度，進水、出口溫度，氣源露點，壓力，流量，臭氧濃度等均可實行在線檢測與調節(jié)，并實行遠、近程控制和觸摸屏顯示。實現(xiàn)在線監(jiān)測、自動調節(jié)。）同時安裝有智能綜合電能監(jiān)測儀表，對臭氧發(fā)生器工作時的工作電流、臭氧功率、功率因數(shù)等近三十項參數(shù)進行實時監(jiān)視。

　　對于水處理應用領域，水中臭氧濃度在線監(jiān)測技術也有新的突破。利用ORP（氧化還原電位）值與水中臭氧濃度存在特定的對應關系的原理，研制成功ORP在線監(jiān)控水中臭氧濃度監(jiān)測儀。以ORP值的變化反應出水臭氧剩余臭氧濃度的變化，從而反饋臭氧發(fā)生器控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調節(jié)，自動投加臭氧的PID閉環(huán)控制技術。ORP閉環(huán)控制技術無論是硬件還是軟件均屬國內(nèi)領先水平，并填補國內(nèi)大型臭氧發(fā)生器在水處理應用場所實現(xiàn)的臭氧投加自動調節(jié)功能的空白。

　　在此方面，國外應用極譜電極儀器檢測，但由于價格原因，國內(nèi)應用較少。大型臭氧發(fā)生器上采用ORP技術在線檢測水溶臭氧濃度幾乎沒有，有很強的實用性，具有極廣的推廣價值（運用于自來水深度處理時應該考慮到水中含氯對ORP值測量的影響）。ORP控制技術的應用可將我國臭氧水處理工程技術水平提高到一個新的高度。

　　結束語：

　　20Kg/h高頻臭氧發(fā)生器產(chǎn)品的成功研制標志著我國臭氧發(fā)生器研發(fā)技術與設備制造應用技術有了突破性的進步。縮小了我們國產(chǎn)臭氧設備與國外同行之間的差距。也將會推動我國臭氧技術在水處理、化工、制藥等領域的快速發(fā)展！

　　論文作者：

　　江蘇省揚中市大橋工業(yè)園區(qū)康爾公司，212212，電話：0511-8427095，E-mail：xuefei7763@hotmail.com