脉冲高压电源的应用

刘振兴，邹 标，李文芹

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

脉冲高压电源的应用

刘振兴，邹 标，李文芹

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

脉冲高压电源具有输出电压高、能耗低等突出优点。文章依托现场应用实例，对脉冲高压电源改造前后的粉尘排放及运行能耗进行了对比，总结了脉冲高压电源的技术特点和性能优势。脉冲高压电源对现有电除尘器的电源进行升级改造，可在烟气排放达标的同时降低电除尘器的运行能耗。

脉冲高压电源；现场应用；提效；节能

1 脉冲高压电源特点

2012年，国家发布了新的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），要求所有的现有电厂及新建电厂烟尘排放限值均为30mg/m3，对于重点区域要求小于20mg/m3。由于排放标准的提高，很多电除尘器都无法达到新的排放标准。对于这些电除尘器的现有电源升级改造是较合适的方案，在原电源的基础上增加脉冲高压电源可使一些原烟尘排放浓度在40～50mg/m3的电除尘器达到20～30mg/m3，同时可以节能30%～70%。

脉冲高压电源需要在直流高压电源的基础上叠加于除尘器电场。直流高压电源可以是：单相工频高压电源、三相工频高压电源、高频高压电源等。基础直流高压电源最高输出电压为60kV，脉冲高压电源最高输出电压80kV，两者叠加在一起时，最高输出电压可达140kV，远超原直流高压电源的输出电压。

与直流高压电源相比，脉冲高压电源的功耗非常低。脉冲电源用IGBT作为开关器件，主回路可以简单等效为L-C串联谐振电流，除尘器电场也可以简单等效为电容负载，通过脉冲电源内部的高压电容及脉冲变压器，与脉冲电源初级侧的电容进行耦合。脉冲电源次级侧的高压电容主要用于隔离直流高压电源的输出电压。当IGBT开通时，谐振周期开始，除尘器电场在0～T/2被脉冲电源充电，在T/2～T，除尘器电场对脉冲电源放电，绝大多数能量都可以通过谐振的方式回收到脉冲电源，因此脉冲电源具有非常低的能耗。

最新的拓扑结构采用IGBT并联在低压侧的方式，由于IGBT性能的提高，IGBT自身具有并联自动均流的特性，以及IGBT并联驱动的成熟应用，使得这种拓扑结构具有很高的可靠性，能够得到迅速推广应用。

脉冲高压电源已被现场实践证明可以有效提高除尘器的收尘效率。其原理在于：首先，脉冲高压电源可以大幅提高除尘器的峰值电压。电除尘器内部的电场场强分布极不均匀，与直流高压电源相比，100μs的高压脉宽不足以大幅提高击穿电压，也许只有直流高压电源击穿电压的1.1倍，但是由于脉宽极短，所以脉冲高压电源需要更长时间才会产生击穿。假设将常规直流电源在1分钟内50%击穿的电压记为Ubreak，脉冲高压电源每秒脉冲次数为100次，则脉冲高压电源需要100分钟，在1.1×Ubreak的电压下才会有50%的几率击穿。由于脉冲高压电源的低火花率，显然脉冲高压电源可以运行在更高的电压下。另外，脉冲高压电源可以显著增加电晕区域。除尘器内部的阴极线上分布着很多尖刺，常规的直流高压电源只能在尖刺处产生电晕，而脉冲高压电源可在整根阴极线上产生电晕，从而更好地使粉尘荷电。

国内大多数除尘器的电场采用400mm或450mm的同极距。脉冲高压电源在400mm同极距时，耐受电压约在110kV。450mm同极距的耐受电压约在120kV。

对于电除尘器本体情况良好的燃煤电厂（直流高压电源可达到60k～70kV无闪络，粉尘排放在40～50mg/m3）来说，增加脉冲电源可以使电除尘器满足新的排放标准要求，且在煤种变化时，电除尘器的排放更加稳定。

除了可以大幅提高峰值电压外，与直流高压电源相比，脉冲高压电源的另一大优势是能耗极低。在实际应用中，脉冲高压电源的实际能耗通常只有几千瓦，远低于直流高压电源。脉冲高压电源的特点使得其非常适应现在的节能提效要求。

煤种变化时，电除尘器电场内部的工况也会随之改变。如比电阻、烟温、灰分等。除尘器内部的击穿电压也不是固定值，会随着工况而改变。脉冲高压电源需要在各种工况下均能正常工作，尤其是在高火花率时。国内某环保企业生产的脉冲高压电源就能够满足高火化率要求，长期运行可以承受每分钟120次，短期可以承受每分钟200次火花。当电场内部发生短路，或接近短路时，需要减小脉冲高压电源的输出功率以保证设备安全。

2 应用实例

目前国内已有超过300台脉冲高压电源在运行，主要应用于电力、冶金、建材等行业。目前国内企业倾向于将脉冲高压电源安装在电除尘器的末电场，与前电场相比，末电场的粉尘颗粒更细，粉尘含量更低，使用直流高压电源收集这种粉尘效率较低且效果相对较差，脉冲高压电源对这种情况则效果较好。下文列出一些使用脉冲高压电源对电除尘器进行改造的实例，与改造前对比，增加脉冲高压电源显示出非常突出的节能提效的优势。

山西太钢不锈钢股份有限公司能源动力总厂2×300MW机组配套采用2台浙江某环保公司的2F288-5型电除尘器，该电除尘器为双室五电场结构，额定烟气流量约为205万m3/h，烟气流速0.99m/s。改造前采用单相工频高压电源，烟气排放大于50mg/Nm3。改造后采用高频高压电源替代原单相工频高压电源，并在第四、第五电场增加脉冲高压电源。前三电场使用针刺线，后两个电场采用螺旋线。改造后由华北电力科学研究院有限公司进行性能试验，1号炉于2015年12月进行了性能试验，2号炉的测试结果与1号炉类似。

测试时，1号炉的输出负载为271MW，电除尘器的入口烟气流量约为188万m3/h，左室和右室入口烟温分别为127℃和124℃，出口烟温分别为122℃和120℃。煤质分析结果如表1所示。

表1 煤质分析结果

测试结果显示，除尘器出口平均排放为15.14mg/Nm3。另外，除尘器电源用电量也减少32.5%，用电量数据见表2。除尘器电源的主要运行参数见表3。

表2 电源用电量统计

表3 除尘器电源的主要运行参数

高频高压电源与高频高压电源叠加脉冲高压电源的对比实例：贵州粤黔电力有限责任公司2号机组600MW，配套锅炉为DG2028/17.35-Ⅱ2型锅炉，锅炉为亚临界参数、自然循环、前后墙对冲燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、尾部双烟道，再热汽温采用烟气挡板调节。静电除尘器为F441-4型电除尘器，该除尘器为双列双室四个电场，同极间距450mm，阴极线为芒刺线，振打形式为顶部阴极电机振打和侧部阳极振打。额定烟气流量约为184万m3/h，烟气流速1.16m/s。

2014年4～5月，原16台工频变压器改造成高频高压电源，容量为2.0A/72kV。改造后A列除尘器出口浓度为51mg/Nm3，B列除尘器出口浓度为54mg/Nm3。2015年8月，在A列二、三、四电场增加6台脉冲高压电源，这样就可以很方便地对比高频高压电源和高频高压电源叠加脉冲高压电源的除尘效率及能耗之间的差异。

测试期间，锅炉负荷为600MW，A列除尘器的入口烟气流量约为165万m3/h，烟温为138℃，出口烟温为136℃。B列除尘器的入口烟气流量约为159m3/h，烟温为140℃，出口烟温为138℃。测试期间所用煤的煤质分析结果如表4所示。

表4 煤质分析报告

测试结果表明，A列排放烟气浓度分别为26.98mg/Nm3和25.11mg/Nm3，平均26.05mg/Nm3；B列的排放烟气浓度分别为36.33mg/Nm3和35.82mg/Nm3，平均36.08mg/Nm3。A列总能耗为477.824kWh/h，B列总能耗为709.496kWh/h。

对比测试结果，排放减少27.8%，同时能耗降低32.7%。除尘器电源的主要运行参数如表5所示。

表5 除尘器电源的主要运行参数

3 结论

脉冲电源未来应具有更窄的脉宽，更高的输出电压，以及更密集的每秒脉冲输出次数。随着半导体开关器件的进步，以及电容、磁性材料等的逐步发展，未来会有更新的拓扑结构出现。而窄脉冲电源可以被应用在NOx和SO2等大气污染物的协同脱除上，未来也许会形成收尘、脱硫、脱硝于一体的新型复合烟气治理单元。

Application of Pulse & High Voltage Power Source

(Fujian Lon
(Fujian Longking Co., Ltd, Fujian Longyan 364000, China)

The pulse and high voltage power source has the outstanding strongpoints in the output of high voltage and low energy consumption. Relied on the locale application examples, the paper makes the contrast on the dust powder emission and the operation energy consumption before and after the reform of pulse and high voltage power source, sums up the technical characteristics and performance advantages of pulse and high voltage power source. The pulse and high voltage power source carries through the upgrading reform on power source of electrostatic precipitator, and can reduce the operation energy consumption of electrostatic precipitator while complying with the standard of the fue gas emission.

pulse and high voltage power source; locale application; effciency-raising; energy saving

X701

A

1006-5377（2017）02-0029-03