新型高效节能静电除尘电源技术

王国仁，李艳庆，张先海

（1.漳泽电力河津发电分公司，山西河津 043300；2.山西漳泽电力股份有限公司，山西太原 030006；3.北京中陆能环科技有限公司，北京 100085）

新型高效节能静电除尘电源技术

王国仁1，李艳庆2，张先海3

（1.漳泽电力河津发电分公司，山西河津 043300；2.山西漳泽电力股份有限公司，山西太原 030006；3.北京中陆能环科技有限公司，北京 100085）

通过对静电除尘几种电源技术的比较，对临界脉冲电源的技术特点进行了介绍，根据临界脉冲电源在660M W火力发电机组上的工程试验，对节能减排相关数据进行了详细的对比分析，并根据临界脉冲电源的特点讨论了静电除尘器供电电源的发展趋势。

静电除尘；减排节能；临界脉冲电源；场强；空间自由离子密度；临界区

0 引言

火电、水泥、冶金、化工等行业的烟尘排放造成了严重的大气污染，在工业尘源治理的多种除尘设备中，20世纪初发展起来的静电除尘器，由于其除尘效率较高、运行费用低、维护管理简单方便等优点，使其在除尘领域中得到广泛的应用，国内外大规模的除尘几乎都采用了电除尘。随着环境保护意识和排放标准的大幅度提高，原静电除尘器性能难以满足环保要求，一段时期曾出现由静电除尘转为布袋或电袋除尘方式的倾向。布袋及电袋除尘器虽然能基本满足目前环保达标的基本需要，但由于其阻力大、电耗高、运转费用高、故障率高、维护管理不方便、二次污染等弱点，只能作为一定范围内的不得已选择。而且，由于其难以滤掉微细粉尘和效果难以长期稳定的固有缺陷，已满足不了重点地区的≤10 mg/Nm3及“超低排放”的≤5 mg/Nm3的粉尘排放新要求。近年兴起的“湿式电除尘”、“旋转阳极板”、“径流式电除尘器”、“烟气调质或微颗粒凝聚”、“本体扩容”等技术，由于空间、成本、运行维护费用、安全稳定性、二次污染、适用条件、实际效果等局限，难以普及。所以，除尘电源及其控制系统的技术性能突破就成为除尘领域期待的聚焦点。近年，在改进电源供电方式的过程中，设计思路不断创新，电源性能不断提升。市场上除了正在淘汰的“工频电源”及其过渡性的“三相电源”外，还有“高频”和“脉冲”等新型电源。

1 几种传统电除尘器电源的工作原理与性能比较

1.1 常规电源

常规电源就是两相交流380 V电源经反向并联可控硅调压后送至整流变压器一次绕组，而二次绕组的两个接线端，一端与阳极板相连（阳极板是接地的），另一端经过阻尼电阻与电场内的阴极极线相连，从而通电时在阴极板和阴极线之间能够形成一个强大的静电电场，达到除尘的作用。工频电源结构简单技术成熟，但除尘效率低、功率因数低、缺相不平衡。

1.2 三相电源

图1为三相电源主电路结构，三相电压经过一个同步检测电路后输出同相位的三相同步波形，主电路可控硅的6路触发脉冲就是通过该同步波形过零点的判断产生的。

图1 三相电源主电路框图

图2 高频电源电路框图

三相电源用到了6个反向并联可控硅进行调压，这6个可控硅按照1→2→3→4→5→6→1触发信号依次相差60°，三相电源采用宽于60°的宽脉冲或双窄脉冲触发，采用各相同步信号的“过零点”作为控制角计算的基准点。三相电源供电三相平衡，电源利用率比单相电源高，对电网污染减少，功率因数接近90%，电源的峰值电压比平均电压高25%，输出二次电压、电流，一次电流比常规电源小。但三相电源闪络冲击大，闪络后要关断多个半波，闪络特性很软，由于闪络冲击大，往往输出设置较低，处于无闪络状态，实际运行参数并不太高，工矿适应性较差。

1.3 高频电源

高频电源输入三相380 V/50 Hz交流电源，经三相整流滤波和IGBT模块高频20～40 kHz逆变、高频变压整流后，经限流电阻R0供给电除尘极板。输出电流、电压、反馈至控制系统改变脉冲工作频率或脉冲宽度经隔离驱动器送给IGBT全桥高频逆变器以对输出电流输出电压进行调节，图2是电除尘高频电源电路框图。

从目前应用情况来看，高频电源普遍存在提效幅度较小、电耗过大等问题。

2 新型静电除尘临界脉冲电源技术介绍

临界脉冲电源是将380 V三相交流电经整流滤波成直流，再逆变为高频交流，经高频变压器升压后，再经“临界柔性模块”变为带有微小脉动的平稳直流。相关技术工作者在国际上首次提出“空间自由离子密度对除尘效率的影响远大于场强”的理论并进行了量化，首次提出“临界区”的概念并量化应用。临界脉冲电源全面突破了现有工频（单相、三相）、高频及脉冲除尘电源增效节能的瓶颈，实现了大幅度减排的同时大幅度节能，并避免了火花放电产生的电腐蚀，从而使本体性能长期高效稳定运行。

2.1 临界脉冲电源的基本原理

临界脉冲电源采用“硬件储能与限能、软件监视电压变化趋势”的控制方式（见图3），使工作点保持在空气放电特性曲线的最高点及其左右很小的区域内。体现“可变内阻”特性，即“限能”抑制流注生长，避免产生火花放电。同时，“储能”以保持高电压。图3为临界脉冲电源的电压控制区示意图。

图3 临界脉冲电源的电压控制区

2.2 临界脉冲电源的特点

a）临界脉冲电源具有“硬件储能与限能”和“微脉冲”式供电特性，输出的电压随着工况(电场内温度、湿度、压力、粉尘浓度、粒度、比电阻以及电源电压波动)的变化，自动调节动态适应，使输出电压值稳定位于火花始发点以下临界区。其连续输出临界电压，可实现最理想的也是运行中最高的场强（荷电场强、驱进场强）并使电场保持在“二次电子崩”与“流注初期”状态，空间自由电荷最多，荷电效率最高。其工作电压如图4所示。

图4 临界脉冲电源的工作电压

b）临界脉冲电源具有大幅度节能和避免对除尘器本体极板的腐蚀的特点。火花放电，时间占比很小，但消耗能量巨大，临界脉冲电源在供电过程处于无深度火花放电状态，电压始终保持于临界区以下（图5中的曲线2），避免了大量的无效电耗，实现大幅度节能。同时由于无火花放电避免了对除尘器本体极板的电腐蚀。临界脉冲电源的提效节能示意图如图5所示。

图5 临界脉冲电源的提效节能示意图

c）临界脉冲电源具有高效集尘的特性。电除尘电源平均输出电压越高，电场越强，则荷电场强和驱进（集尘）场强越大；烟尘通过的空间，自由电荷越多，则核电概率越高，核电速度越快。临界脉冲电源输出电压一致保持在“临界区”，实现了最理想的场强；电场保持在“二次电子崩”与“流注初期”状态，实现了空间自由电荷最多，荷电效率最高。其高场强和高空间自由离子密度，使电晕放电能力保持极高状态，低比电阻粉尘离开极板后，迅速再次荷电，使集尘效率大大加强。

d）有效抑制反电晕的特性。当阳极板积灰到一定厚度时，比电阻高的负离子其荷电不容易释放到阳极板，负离子逐渐积聚到阳极板表面，与阳极板形成局部小电场。这个局部小电场将抵消用于驱动带电尘粒的主电场，局部小电场场强增强后，将引起类似电晕的放电，激发出大量的正负粒子对，正离子向阴极迁移，造成除尘器电流增大，但消耗的电能没有起到吸尘作用，这种现象就是反电晕现象。临界脉冲电源利用脉冲式供电技术有效地抑制了反电晕的发生。

2.4 临界脉冲电源的工程应用

大唐集团某电厂660MW水氢超超临界燃煤发电机组，双室五电场，属于大分区，除尘器比集尘面积为96.67m2/m3/s，除尘器入口浓度约为42 g/Nm3，实测除尘器出口干烟气含尘量为54.14 mg/Nm3。“临界脉冲电源”与某“工频脉冲电源”在同一机组两个完全相同的除尘器上进行了对比测试。其结果如表1所示。

由表1可以看出在同一工况下，临界脉冲电源比工频脉冲电源减排效果提高65%以上，同时耗电量降低54%，体现了节能和减排的双重效果。

3 结论

目前，常规电源已应用了几十年，属成熟产品，是目前国际国内应用最广泛的电除尘高压电源，但由于常规电源输入到电除尘电场的电压纹波较大（通常为20%～30%），其功率因数和效率相对较低。三相电源功率因数和效率相对较高，输入到电除尘电场的电压纹波较小（5%左右），但三相电源不具备间歇脉冲供电技术，不能适应工况变化，在燃用低硫煤、高比阻粉尘条件下存在反电晕现象，使除尘效率降低，能耗增大。高频电源虽然具有闪络（火花）控制特性好、功率因数和效率高、输入到电除尘电场的电压纹波较小（≤3%），平均值和峰值基本相同等优点，但高频电源减排幅度提高有限，耗能较大，并且由于其火花放电产生电腐蚀给电除尘本体维护带来麻烦[1-3]。

临界脉冲电源能有效提高除尘效率，减少粉尘排放，并使本体保持长期高效稳定的卓越性能，在减排的同时实现节能是电除尘电源今后的发展方向。实践证明，临界脉冲电源已经能满足国内不同装机容量火力发电机组电除尘器除尘效率的要求。而且，临界脉冲电源三相平衡，无缺相损耗，抗高低温、高湿、低压能力强。临界脉冲电源技术已成为最具代表性和最具发展潜力的静电除尘电源国际领先前沿技术。

表1 临界脉冲电源和工频脉冲电源的除尘效果对比

[1]黄三明.电除尘技术的发展与展望[D].中国硅酸盐学会环保学术年会论文集，2008.

[2]张介轩.软特性准稳定直流电源在电除尘器的应用及其前景[J].城市管理与科技，2001（1）:11-13.

[3] 徐亚权.电除尘器反电晕的产生及处理过程[J].黑龙江电力，2003（4）:23-25.

New Type of High-efficiency and Energy-saving Power Supp ly Technique for Electrostatic Precipitation

WANG Guoren1，LIYanqing2，ZHANG Xianhai3
（1.Shanxi Electric Power Zhangze Co.，Ltd.Zhangze Generation Branch，Hejin，Shanxi 043300，China；2.Shanxi Electric Power Zhangze Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China；3.Beijing Zhonglu Energy and Environment Technology Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

Several power supply techniques for electrostatic precipitation are compared,and the features of critical pulse power supply are introduced in detail.According to the testof criticalpulse power supply on 660MW thermalpowergeneration unit，data related to emission reduction and energy-saving are compared and analyzed.The developing trend ofpower supply for electrostatic precipitator is discussed.

electrostatic precipitation；emission reduction and energy-saving；critical pulse power；field intensity；free ion density；critical region

TN86；TP273

A

1671-0320（2015）05-0060-04

2015-05-18，

2015-07-12

王国仁(1967)，男，山西万荣人，1989年毕业于太原电力高等专科学校发配电专业，工程师，从事电气检修技术管理工作；

李艳庆(1962)，男，山西永济人，1985年毕业于太原工学院电力分院发配电专业，高级工程师，从事发电厂生产管理和研究工作；

张先海（1969），男，吉林永吉人，1992年毕业于哈尔滨工业大学焊接工艺及设备专业，2002年毕业于日本九州艺术工科大学生活环境专业（硕士），2005年毕业于日本九州大学电气电子系统工程专业（博士），从事除尘电源系统及其他环保节能技术开发和推广工作。