中通堆栈式级联高效臭氧发生系统简介
3.1 堆栈式级联高效臭氧发生器成套制造技术—节能专家
中通和中国航天科工集团第六研究院210所与2016年合作研制成功的堆栈式级联高效臭氧发生器系统采用板式双面冷却技术、高频PWM变换技术、数字化PFC技术、智能化控制技术、一体化工艺技术等多项航天技术，臭氧产生效率提高了35%，能耗仅为5～6.5kWh/kgO3，与传统臭氧发生器相比能耗降低38%以上（传统的能耗为9.5～10.5kWh/kgO3）,不到3年节省的运行费用即可收回设备投资。中通臭氧发生器系统采用分布式标准化和模块化工艺技术，具有组态灵活、体积小等特点，可方便实现任意规模的臭氧发生器系统。中通堆栈式级联高效臭氧发生器系统，突破了目前板式臭氧发生器的多项技术和工艺难题，各项性能指标具有国际领先水平，是军民融合重大科技成果。
4 中通堆栈式高效板式臭氧发生器系统
4.1 概述
自大型臭氧发生器开始获得广泛应用起的一百多年以来，管式DBD放电室结构的臭氧发生器设备产品一直处于市场主流地位，这主要是因为大型板式臭氧发生器所需要的材料和加工技术不能给予支撑。但是现在情况不同了，随着近十几年来电子工业的高速发展，大型板式臭氧发生器所需要的材料和加工技术瓶颈已经成为历史。
目前市场上的主流臭氧设备有两类，即管式臭氧发生器和板式臭氧发生器。
管式臭氧发生器在国内工程化应用已经超过20多年时间，技术比较成熟。主要问题一是能耗高，每千克臭氧的能耗超过10kWh（不包括气源等辅助设备的能耗）；二是设备占地面积大，1kg臭氧组件的占地面积超过9㎡。
国内的板式臭氧发生器是清华大学于10多年前引进国外最先进的新型臭氧技术,在国内研制成功了最先进的板式臭氧发生器系统。板式臭氧发生器解决了管式臭氧发生器存在的一些列问题，每千克臭氧的能耗5.5kWh～8kWh（能耗取决于臭氧浓度，浓度越高单位臭氧产量的能耗就越高），最大体积为700mm×500mm×450mm左右，臭氧浓度可达到135mg/L（特别说明：由于目前对高浓度臭氧浓度的测试仪器无法进行商业化计量，各个臭氧生产厂家的测试仪器误差甚至相差1倍，我们公司是基于潍坊UV-2300型臭氧浓度分进行数据测试，该仪器通过碘量法校准，是目前国内市场上唯一比较比较准确的测量仪器）。
无论从技术方面，还是从设备生产及使用成本方面，对于大型臭氧发生器而言，板式产品都比管式产品具有明显的竞争优势。相信在不久的将来，板式大型臭氧发生器将逐渐在全球市场实现对管式产品的升级换代。目前行业普遍认为，再经历10多年时间，管式臭氧发生器基本上会全面淘汰。
结合我公司在模块集成板式大型臭氧发生器开发及应用方面的经验，本文对板式和管式两种臭氧发生器产品的技术体系进行对比，力求能够客观、全面地反映两种技术体系在制造技术、应用成本、维护管理费用方面的差异。
1.1 设备所使用的核心材料
1.1.1 放电介质材料
介质阻挡放电（DBD）结构的放电室将氧分子电离，并生成臭氧，其所可能涉及的基元反应多达58个，臭氧合成的最终效率取决于众多因素匹配、组合而取得的动态平衡结果。其中，通过强电场使高速电子具有足够的能量（高于8.4eV），是其必要条件之一。从如下DBD放电室电场强度公式可知，放电介质的介电常数是获得强电场的一个关键指标。
式中：Eg－电场强度，U－电场电压，
－放电介质的介电常数－气体介电常数
此外，放电介质的介电强度、介电损耗等技术指标，对于臭氧发生器的工作频率和介质击穿性能等也有重要影响。
对于管式电极放电室而言，因为其自身结构和加工特点，放电介质一般都是采用搪瓷或玻璃。而对于板式电极放电室而言，放电介质可以采用高品质高铝陶瓷大面积超薄基板
从表1可见，陶瓷放电介质的介电常数和介电强度是优质搪瓷的2倍以上，而介电损耗则比搪瓷低一个数量级。这就不难解释：为什么搪瓷介质的管式臭氧发生器工作频率很难超过1kHz，而我们公司使用陶瓷介质的板式臭氧发生器其工作频率却可以达到6-8kHz。
在放电效果改善之外，使用高品质高铝陶瓷作为放电介质，臭氧发生器中的介质击穿现象基本可以实现“完全杜绝”。
1.1.1 地电极及结构支撑部件材料
目前市场上主流的大型管式臭氧发生器，其地电极及支撑部件材料一般都是不锈钢，有的是玻璃。
而对于大型板式臭氧发生器而言，由于结构和加工工艺允许，地电极及支撑部件的材料完全可以选用导热性能更优、质量更轻、耐腐蚀性更好的材料。我们公司使用高品质铝镁钛合金等作为地电极支撑部件的材料，并辅以先进的等离子体陶瓷化表面处理技术，产品品质获得了大幅度的提升。表2为不锈钢和铝合金两种材料的关键参数对比。
臭氧的物理化学性质告诉我们，在高温下，臭氧会迅速自行消解成为氧气。因此，臭氧发生器机械结构中的散热效率是一个至关重要的参数
从导热系数一项分析：铝合金的导热系数大约是不锈钢的15倍，从中可以看出在大型板式臭氧发生器中，使用了性能更优的材料，可以使臭氧的合成效率获得大幅度的提高。
1.1 放电室结构设计及机械结构的模块化
1.2.1 放电间隙与放电路径
从DBD放电室电场强度公式可知，在众多参数中，放电室中放电间隙是影响电场强度的最重要的参数之一。放电间隙的大小，基本和臭氧发生器生成臭氧浓度呈线性关系。
从机械结构常识可知，两个平行平板之间可以比较容易的实现很狭窄的放电间隙；而两个同心圆管之间，在圆管长度比较大的情况下，放电间隙在达到某一程度时继续缩小则受到非常严重的限制（受加工水平和公差放大等因素限制）。
因此，目前市场上主流的大型管式臭氧发生器，其管式电极中放电间隙很难达到0.3㎜以下，常规范围是0.5-1㎜；其臭氧发生浓度相应的受到了限制，一般很难超过120㎎/L。
而我们公司所生产的大型板式臭氧发生器，放电室内的放电间隙为0.2-0.3㎜，臭氧发生的最大浓度则可以达到135㎎/L以上。
如上所述，放电间隙的大小和放电路径（板式电极放电室的宽度或管式电极放电室的长度）长短具有一定的相关性。放电路径的设计，与臭氧发生量、发生浓度、放电间隙、气体流速、工作频率、冷却效率等众多因素相关。在当前市场主流大型管式臭氧发生器中，经由单管或2-4管串联，其放电路径长达600-2000㎜（一般单管长度为600㎜）。
而我们公司所生产的大型板式臭氧发生器，放电路径则大幅度缩小，仅为约180㎜。且不论放电路径和臭氧发生技术指标之间的复杂关系，仅是通过大幅度缩小放电路径，大家便可以想象设备在用材、重量、体积、占地等方面的优势。
1.2.2 结构模块化的实现及其效益
板式放电室的结构设计，除了实现极窄放电间隙和极小放电路径之外，更重要的是可以为整体结构的模块化创造条件。而型管式臭氧发生器则基本无法实现模块化设计。
从机械结构的角度讲，模块化意味着每个放电室单元模块实现单独进气、单独冷却、供电单独控制。
在设备尺寸大幅度缩小以外，平板式结构模块化的效益显而易见：
a) 某放电室、模块故障时，模块内供电、供气同时切断，从而使得臭氧发生浓度不受影响，而且不过多浪费气源气体；
b) 单个模块出问题，整机其它部分不受影响；
c) 独立模块并联，使得所有放电室工作面的冷却效果均一，陶瓷板复合铝合金水冷地电极的高散热效率可以保障更高的臭氧合成效率；
d) 检修时，直接替换掉故障模块，系统及工艺不停机；
由于模块化以及设备尺寸缩小所带来的冷却效率改善，我们公司所生产的大型板式臭氧发生器，进出口气体温升只有3-5℃，远小于市场主流大型管式臭氧发生器的水平。
1.2 电源系统开发及供电系统模块化
臭氧发生器的电源在（中）高电压、（中）高频率、电晕性容性负载、变容性负载等条件下工作，阻抗由大量潍坊店构成，负载条件相当特殊和非传统。因此，几乎没有例外，臭氧发生器设备制造商都是自行开发其电源系统！
对于市场主流大型管式臭氧发生器的集中式电源而言，不同规模设备型号，须分别开发相应电源，这也是其大规模设备很难开发成功的重要原因之一。
我们公司所生产的大型板式臭氧发生器，在电源系统方面采用分布式负载、独立模块化电源设计，电源系统采用了特殊的抗干扰措施，各电源模块可在互不干扰的情况下稳定工作。在产品开发中，使用了PWM串联谐振电路、IGBT逆变电路、高频高压变压器、驱动板电路、开发电源等新技术，可以在高频高压下工作（6-8kHz、3-6kV）,电源功率因数高（＞0.95）、臭氧合成效率高、电能利用效率高，从而实现设备产品的高技术参数和低能耗水平指标。
中通堆栈式高效板式臭氧发生器系统是中通和中国航天科工集210研究所于2016年合作研制成功的、具有国际领先水平的新型臭氧发生器系统，是军民融合重大科技成果。堆栈式高效板式臭氧发生器系统突破了目前板式臭氧发生器的多项技术和工艺难题，主要特点如下：
2.1.1 节能专家
采用板式双面冷却技术、高频PWM变换技术、数字化PFC技术、智能化控制技术、集成化技术等多项航天技术，臭氧产生效率提高了35%，能耗仅为5～6kWh/kgO3，与其它板式臭氧发生器相比能耗降低33%以上（其它臭氧发生器的能耗一般不小于8kWh/kgO3），三年半左右的运行时间所节省的运行费用即可收回臭氧设备投资。
2.1.2 系统稳定可靠
目前各臭氧设备的供电电源均采用开环控制方式，这种控制方式的优点是电路简单、成本低廉。其主要问题是输出电压随输入电压的变化而波动，从而导致臭氧产量、浓度的变化和能耗的升高以及系统可靠性的降低。因此，传统技术的臭氧供电电源无法保
证系统运行的稳定性！
青岛中通的电源系统在输入端配置了数字化PFC模块装置（功率因数校正装置），不仅有效的解决了传统电源存在的一系列问题，保证了设备运行过程中臭氧产量、浓度、能耗的稳定性，同时0.99的功率因数实现了对供电电网的0污染，完全消除了电源系统的无功能耗，显著提高了系统的工作效率，是全新一代绿色环保高效臭氧电源系统，并且引领着臭氧电源技术的发展方向。同时有完善的过流过压短路保护功能，有臭氧泄露保护报警，水压过高及流量过低报警，氧气压力报警，过热保护等功能，充分提高了臭氧系统的安全性。
2.1.3 高浓度臭氧
臭氧浓度是评价臭氧发生器性能的重要指标之一。级联式臭氧发生技术是中通通过多年的研究发明的一种高浓度臭氧产生工艺方式，该技术的核心是通过对臭氧发生器结构的优化设计和工艺改进，实现介质的连续多次电离，从而达到提高浓度的目的。该工艺技术是中通的独有的核心臭氧技术，臭氧浓度可以稳定在120～200mg/L，高于《臭氧系统设备选用指南》中所要求的标准，达到国外同类臭氧产品标准。在产生高浓度臭氧的同时，发生器的电耗仍处于较低水平，在不增加电耗的情况下，显著减少氧气量，降低运行成本。
2.1.4 先进的集成化技术
借助航天产品先进的工艺技术平台，中通臭氧设备的所有主要部件实现了各个层级的全模块化和标准化，在此基础上实现了臭氧系统的高度集成化。
中通的模块化技术实现了气路和水路接口的全部隐形化，该隐形化技术不仅使产品的零件数量与常规板式产品相比减少了70%以上，维护性大大提高，体积和重量也减小了50%以上，并具有美观、简洁、装配方便、可靠性高等特点。
中通先进的集成化技术不仅保证了产品的高度集成化，更重要的是通过特有的模块化技术及其嵌入式的精密定位技术，确保每一个陶瓷放电板在任何条件下压力均衡，实现了单一放电单元的模块化，解决了其它板式结构产品普遍存在的陶瓷放电板受力不均匀而易碎裂的工艺技术难题。
中通先进的集成化和模块化技术保证了系统中各个主要组件的全互换性，显著改善的产品的综合性能指标。
2.1.5 全冷却技术提高了臭氧的产生效率
臭氧发生器在电离介质产生臭氧的过程中介质空间处于电晕状态，这种工作状态会产生大量的热量，而臭氧在高温条件下极容易还原成氧气。因此，臭氧发生器的冷却结构设计是臭氧发生器系统的关键技术之一。
传统的板式臭氧发生器内部结构示意图如图6所示，这种结构最主要的问题是紧贴两片放电板的地电极处于电晕的双面加热区域，而地电极无法进行直接冷却散热，地电极的热量无法有效散去，这种先天性的散热结构缺陷导致臭氧区温度偏高，从而降低了臭氧的产量和浓度。
中通板式臭氧发生器内部结构示意图如图7所示，这种结构的特点是地电极和冷却板公用，每块放电板两面均可通过水冷系统有效散热，可提高散热效率30%以上，完全解决了其它板式产品的先天性散热结构
2.1.6 分布式一体化技术
分布式一体化技术也是中通的核心技术之一。该技术与其它板式产品的主要区别是将集中供电改为分布式供电，将臭氧放电室、高压电源、气路和水路系统集成在一面标准的控制柜中，实现了一级部件的高度集成化和模块化。该技术有效保障了系统的灵活性组态，能够压缩现场的安装和调试工期80%以上，也有效解决了因设计等因素变更系统配置的难题，并具有系统简洁、整齐、美观、占用场地面积小、操作和维护方便等显著特点。
2.1.7 军民融合，保障了产品的设计水平和制造能力
中通与中国航天科工集团第六研究院210所签署战略合作协议，资源共享，优势互补，充分利用航天军工的技术能力、制造水平、工艺技术和试验条件，使中通的研发和生产能力、设备的制造质量得到了充分保证，为公司持续发展奠定了坚实基础。
2.1.8 完善的条件确保系统的符合性和经济性
中通先进的设备技术、丰富的工程经验、完善的试验条件确保客户系统的符合性和经济性，在项目实施前通过科学、严谨的试验数据为客户制定合理的设计方案，最大限度的降低了工程风险。
2.2 PLC控制系统
臭氧控制系统包括PLC控制系统、人机界面（触摸屏）、在线监测仪及仪表阀门等。在线监测仪及仪表阀门包括臭氧浓度和产量检测仪、露点测控仪、泄露报警仪、涡街流量计、压力变送器、温度变送器、阀门等。
臭氧控制系统选用西门子PLC,臭氧发生器自带本地PLC及触摸屏，包括开关机、功率投加控制等在内的臭氧发生器的所有操作均可以在本地完成。
可以将臭氧系统运行数据以通讯或硬接线方式传送至上位机，若采用通讯方式此套系统可以采用Profibus-DP及以太网通讯。
臭氧控制系统包含制氧间控制系统及人机界面（触摸屏）、1套臭氧间控制系统及人机界面(触摸屏)、尾气破坏器PLC及操作面板。控制柜带有人机界面，负责完成臭氧系统的过程画面显示、报警显示、趋势显示、成组显示、棒图显示等工作，并可以启动发生器和按要求自动调节臭氧生产。臭氧系统可编程控制器与业主厂计算机监控系统通过数据通讯网络连接(通讯协议为现场总线)，将系统的主要数据通过数据通讯网络传输给中控室工控机监控系统进行监测。
臭氧自控系统操作面板(人机界面)显示文字包括：中文、字母和数字。臭氧控制系统的可以实现如下技术要求：能根据氮氧化物含量，自动调节臭氧产量及工作台数；启动或停止臭氧发生器；能改变进气量及每台臭氧发生器的功率以达到控制臭氧产量要求；能对氧气及臭氧泄漏报警反应，启动通风设备，并自动关机；能对发生器系统故障迅速作出反应。能根据要求控制冷却水系统；能根据要求控制气源系统。
主要的工艺控制参数：臭氧发生器出口管上的臭氧浓度；臭氧投加的流量；气中臭氧浓度；进入臭氧发生器的冷却水量；臭氧发生器压力、温度及其它所有参数；通过臭氧发生器的气体及流量；进气露点。关键点的压力信号。
具备的主要功能：监视、控制、开关、设定、调节、总体工艺流程显示、工艺参数历史曲线回放，详细工艺单元显示、报告、报警、循环开车、紧急停机、记录、故障联锁、通信功能、通过通讯网络与全厂自控系统统一工作等。
2.3 冷却水循环系统（发明专利：ZL201611246476.9）
臭氧发生器的大部分电能并不是用来生成臭氧而是转变成热量，如果这部分热量得不到有效的散失，臭氧发生器放电间隙的温度会持续升高甚至超过设计的运行温度。高温不利于臭氧的产生而利于臭氧的分解，导致臭氧产量和浓度下降，甚至损坏设备。
对于本套臭氧系统，我司采用具有自主知识产权的冷源回收循环利用装置（发明专利：ZL201611246476.9）设计制造，该装置是基于液态氧通过汽化器转化为气态氧吸收大量热量，使不锈钢水箱中的水降温形成冷却水，直接作为臭氧发生器放电室的冷却水源。臭氧发生器放电室工作时产生的热量通过循环冷却水传导热量，再经过变频水泵及监测仪表回送冷却水至浸没汽化器的不锈钢水箱进行再冷却的原理。
该装置其特征在于由DCS智能测控系统、变频水泵、监测仪表、臭氧放电室、汽化器及不锈钢水箱构成。DCS智能监测系统通过控制气动阀和声光报警器，自动控制臭氧发生器的供氧、监测汽化器的泄露。
本装置相对于传统模式（冷水机式），对于60kg/h臭氧发生器用电节约100KWH；相对于招标书内外冷却水用电节约40KWH，节约用水节约200m³/h。这是真正的节能降耗，循环经济效益显著，利国利企。
3 设备供货周期
30kgO3/h及以下臭氧发生器系统，供货周期为合同生效后30～50个工作日内；30kgO3/h以上臭氧发生器系统，供货周期为合同生效后60～75个工作日。
现场安装调试周期一般不超过15个工作日
4 臭氧发生器设备主要参数
4.1 臭氧发生器基本参数：
