一种应用于超低排放中试平台的湿式机电耦合除尘器高频电源

贾振宇

(神华国华北京电力研究院有限公司，北京 100025)

一种应用于超低排放中试平台的湿式机电耦合除尘器高频电源

贾振宇

(神华国华北京电力研究院有限公司，北京 100025)

介绍了一种高效除尘除雾装置高频电源的设计。对湿式机电耦合除尘器工作原理和基本构造进行了说明，在此基础上，对高频电源主电路、控制电路、散热系统、整流变压器、通讯模式进行了阐述。通过对比性试验证明，该高频电源既能有效提高电除尘器的除尘效率，又能大幅降低电除尘器的能量消耗，可以很好的保证湿式机电耦合除尘器的性能。

湿式机电耦合；电除尘器；高频电源；超低排放

0 引言

随着近年来大范围的雾霾天气的影响，燃煤电厂烟气排放引起社会各界的广泛关注，但囿于中国特殊的能源消费结构，在短期内无法彻底关停燃煤电厂，所以开发一种高效的烟气除尘除雾装置具有很积极的意义[1-2]。相比于传统电除尘器，湿式机电耦合除尘器是机械旋流式除尘除雾器与旋流电除尘器组合结构，下部为旋流板机械除雾器，上部为旋流电除尘器组合而成的，该除尘器集旋流子除雾器和湿式静电除尘器的特点为一体，充分发挥各自作用，达到最佳效果。除了具有机械式除尘除雾的低价、省地、效果较好的特点之外，同时具备湿电除尘器对微尘、气溶胶和PM2.5有高效去除率优点。其机构为小直径圆柱状，下部设置3层旋流子除尘除雾器，上部设置湿式静电除尘器，成为气旋湿电。为保证旋流子不发生堵塞现象，以及外侧壁不积灰，在下部旋流子中心盲板处设置有喷水装置，可定期或不定期对外侧管壁和旋流板进行冲洗。同时为达到良好的除尘除雾效果，根据烟气量大小布置一体化除尘除雾单元输入，以控制进入筒内烟气流速在合适的范围。

湿式机电耦合除尘器主要分两个工作区：机械式除尘除雾区及电除尘除雾区。吸收塔喷淋后的净烟气首先经过机械式除尘除雾区，烟气中含有大量的雾滴，雾滴由浆液液滴、凝结液滴和尘颗粒组成，大量的细小液滴与颗粒在经过机械式除尘除雾器的旋流板时，与旋流板叶片发生碰撞，烟气中的小颗粒雾滴经过碰撞聚集成为大颗粒，同时在旋流板叶片上形成液膜，烟气中的粉尘与液膜碰撞后被捕捉下来，液膜厚度逐渐增加从叶片脱离向下流入吸收塔浆池，实现除尘除雾滴作用。烟气经过旋流板后，运动方向由原来的垂直向上运动变成旋转上升运动，未被旋流板捕捉的雾滴在旋转运动过程中受离心力的作用向气旋筒表面运动，气旋筒表面同样是存在均匀的液膜，运动到液膜表面的雾滴及粉尘同样被捕捉，从而进一步达到了除尘除雾的作用。

在旋流板的上部、旋流筒的中心设置阴极放电极，旋流筒设计为阳极导电筒，当阴极放电极及阳极筒通电后，阴极与阳极之间形成电场。阴极持续释放电子，电子与烟气中的雾滴、粉尘、气溶胶等微粒碰撞结合从而使得微粒带电。同时，由于微粒随烟气的运动方向相同，在经过旋流板后为旋转上升运动，颗粒本身在旋转离心力的作用下已经向旋流筒方向运动，带电后在电场力的作用下加速了这个方向的运动，从而更加高效的去除烟气中的细小雾滴、细微粉尘、气溶胶等微粒。

综上可知，除尘器电源系统是该除尘器的重要组成部分，其性能优劣直接决定了除尘效率的高低。而高频电源与传统的 SCR(可控硅调压工频单相电源)相比性能优越，具有输出波纹小、工况适应性强、体积小、重量轻、模块化结构、转换效率高、功率因素高等多项显著优点，因此高频电源就成为当前新环保标准下的发展趋势[3-4]。

1 主电路设计

主电路整流桥采用赛米控SemikronSEMIX 系列，逆变部分采用英飞凌 Infineon半桥系列，而高压整流桥采用意法半导体 ST的SKKT系列。整流变压器的设计在下文详述。电源的IGBT模块、驱动保护器采用一体化方案使高频脉冲驱动信号连接线极短，驱动信号不易受干扰，驱动器直接检测IGBT开关导通过程中的压降，IGBT 过流过压过温保护，直接通过驱动器硬件完成，保护可靠、时间短[5]。

高频电源的具体工作原理如下：首先输入的三相工频交流电源经过三相全桥整流滤波后变成低压直流电(见图1(a)整流电路)，再经过全桥IGBT等逆变电路装置逆变控制，产生高频交流脉冲(见图1(b)逆变电路)，高频高压整流变压器最后将低压高频交流脉冲升压整流后(见图1第(c)部分高频变压器)，供电给电除尘器电场使用。控制系统(见图1(d)MCU/DSP 控制器)主要控制高频工作运行及故障保护。散热系统(见图1(c)散热系统)主要为高频变压器、整流、逆变系统提供散热。

图1 高频电源原理

2 控制电路设计

IGBT是电压控制型功率器件，所需驱动功率小，控制电路简单，导通压降低，具有较大的安全工作区和短路承受能力,因此IGBT在大功率电力电子设备中使用的越来越多，通常IGBT控制电路设计相对比较复杂，对开发人员经验及水平要求较高，本项目中逆变器控制电路采用瑞士Concept公司生产的高性能、智能化SCALE系列IGBT驱动模块。SCALE驱动模块采用ASIC设计，电源15V，最高开光频率可大于100kHz，其可靠性和使用寿命都较长，最大可驱动1700V、1200A的绝缘栅双极性晶体管[6]。SCALE的优点主要有：使用功率范围宽，既可以驱动兆瓦级，也可驱动千瓦级，可以工作在所有的频率及调制模式；结构紧凑，使用灵活，可以选择半桥和全桥模式；成本相对较低，具有较高的性价比；二次开发简单，SCALE驱动模块具有智能化驱动功能，控制电路与主电路完全隔离，接口具有施密特触发器输入特性，对于输入的信号没有特殊要求，故障传送使用集电极开路输出，可与常用的逻辑电平相兼容。

3 散热系统设计

散热系统分为整体散热和局部散热。整体散热系统采用独特的风道设计，进风口与出风口都位于设备的底部。2台大功率风机装在高频电源底部油箱和逆变箱交界处，运行时风机利用强大的吸力，冷风从底部的进风槽口进入，快速流过高频变压器波纹散热片，带走变压器的热量，再流过逆变箱平板插片式散热器，带走逆变箱的热量，最后由底部风机强制把热空气排出。散热系统结构简单，散热效果好。相比于油冷却，能有效杜绝变压器油从油泵渗出现象[7]。局部散热系统专门为IGBT逆变箱设计独立风道，在每只逆变箱门上安装一只小风机，同时逆变箱顶部开有散热小孔，小风机往逆变箱内吹风，使得热气从逆变箱顶部散热孔送出，再通过整体散热系统由大功率风机从底部带走，从而有效地降低逆变箱内的温度，保证IGBT的正常运行。大风机和小风机皆可由触摸屏或上位机控制启停。变压器危险油温设定值和IGBT危险温度设定值可调，变压器危险油温设定值默认为85℃，IGBT危险温度设定值默认为75℃，当温度实时值达到临界油温值时(临界油温等于温度设定值减去5℃)，高频电源的二次参数自动降到额定值的50%继续运行；当温度实时值≥额定值-15℃时，运行频率降到额定值的一半；当变压器温度或IGBT温度大于等于危险温度时，会提示温度高报警，高频电源自动停止。同时当环境温度高于 40℃时，二次参数需降到额定值的 50%继续运行。

4 高频电源通讯控制系统设计

4.1单电源模式或单室四电源通讯模式

当只有1台高频电源或没有上位机监控软件时，可在运行人员的控制室设触摸屏高频手操器，通过RS485总线连接至高频电源，对高频电源进行监视控制等所有操作。当有一、二、三、四电场四个高频电源时，低压系统分别连接到RS485总线上，然后RS485总线连接至远方上位机。上位机对所有电场进行操作、监控及优化。高频电源与上位机的最大通讯距离为500m[8]，如图2所示。

图2 单室四电源通讯模式

4.2双室多电源模式

当采用双室多电源时，各电场高频电源系统通过以太网网线连接至工业以太网交换机，然后再通过光电转换器、光纤连接到远方上位机。上位机对所有电场进行操作、监控及优化，同时在工业以太网后面连接一只无线路由器，可通过无线手操器对所有电场进行操作、监控及优化,如图3所示。

图3 双室多电源通讯模式

5 试验及结论

湿式机电耦合除尘器在烟气流量50000m3/h(350℃，1标准大气压)的燃煤电厂全流程烟气污染物控制中试试验平台上进行试验，全部烟气取自发电机组锅炉低温省煤器出口，经脱硝、脱汞、静电除尘、高效脱硫后，烟气进入湿式机电耦合除尘装置，经过两级旋流板以及电除尘的高效除尘除雾，目标使烟尘排放控制在2mg/m3以内。该机电耦合除尘器及高频电源参数如表1所示。

上位机软件仪表中，变压器二次输出电压平均值，随电除尘电场工况变化而变化，可以通过二次电压设定值限定二次电压大小。变压器二次输出电流平均值，随电除尘电场工况变化而变化。可以通过二次电流设定值限定二次电流大小。实时温度曲线可以显示IGBT1，IGBT2，变压器油温的变化曲线。如果高频电源因过载或者短路等原因导致内部主电路过热，可以及时启动风机，当温度超过预设的报警值则及时发出报警信息，避免电源损坏。

表1 湿式机电耦合除尘器性能数据

图4是闪络状态以及闪络参数设定画面。其中Vdrop是闪络下降值；T1是闪络封锁时间；T2硬性设定为 40ms；T3闪络发生后恢复到上一次闪络发生时的频率的时间；600ms是平均每次闪络的间隔时间。

图4 闪络状态

根据平台的实际情况，在湿式机电耦合除尘器带电和不带电两种情况下，分别测量进出口粉尘浓度，进而可以对比高频电源除尘能力。试验吸收塔各入口粉尘浓度情况，在100%，75%，50%负荷(烟气量)三种工况下，使用CEMS(烟气在线监测系统)测量出口粉尘浓度，每种工况持续时间24h，烟尘浓度取24h平均值。表2所示为高频电源带电及不带电时湿式机电耦合除尘器出入口粉尘浓度，以及电压电流参数。

表2 带电源时和不带电源时粉尘浓度

试验表明，该湿式机电耦合除尘器在投入高频电源后，可将出口粉尘浓度控制在1mg/m3以下，二次电流保持在50mA以下。而在不投高频电源的情况下，出口粉尘浓度最大值在2mg/m3以下，所以高频电源达到了设计预期的除尘效果。

通过对比性试验可知，高频电源性能良好，既有较高的除尘效率，又可以保持较低的能耗，实现了中试平台对于出口粉尘的控制的设计目标，进而可以为我国燃煤电站烟气超低排放工程实施提供技术支撑，提高燃煤电厂烟气净化系统安全运行水平。

[1]赵海宝,郦建国,何毓忠,等.低低温电除尘关键技术研究与应用[J].中国电力,2014,47(10):117-121.

[2]金定强,马修元,周 凯,等.湿式静电除尘器流畅的数值模拟与优化设计[J].电力科技与环保,2015,31(1):32-35.

[3]官 威.静电除尘器谐振软开关高频电压电源的设计与实现[D].杭州:浙江大学,2008.

[4]龙 涛,周宝山,徐 达.低低温和湿式电除尘器的绝缘优化设计及应用[J].电力科技与环保,2016,32(4):32-34.

[5]白保东,陈德志,王鑫博.逆变器IGBT损耗计算机冷却装置设计[J].电工技术学报,2013,28(8):97-106.

[6]王淑红,高永生.IGBT智能化驱动板SCALE[J].国外电子元器件,2004(7):28-31.

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[8]刘雪冰.高频开关电源监控装置的研究[D].北京:华北电力大学.2003.

Design of a high frequency power supply for ultra low emission pilot scale

This paper introduces the design of a high frequency power supply for high efficiency dust removing and fog removing equipment under the background of large pollution to the atmosphere. Compared with the traditional electric dust collector, the dust remover has higher dust removal efficiency and lower energy consumption. In this paper, the working principle and basic structure of the wet type electromechanical coupling dust remover are described firstly, and then three working modes of high frequency power supply are introduced. On this basis, the main circuit of high frequency power supply, the control circuit, the cooling system, the rectifier transformer and the communication mode are discussed. Finally, experiments show that the high frequency power supply can effectively improve the efficiency of the electric precipitator, and can greatly reduce the energy consumption of the electric precipitator, then draws the conclusion that the high frequency power supply can guarantee a good wet precipitator performance of electromechanical coupling.

wet electromechanical coupling;electrostatic precipitator;high-frequency power ;ultra low emission

国家科技支撑计划项目“大型燃煤电站近零排放控制关键技术及工程示范”(2015BAA05B02)

X701.2

：B

：1674-8069(2017)04-022-04

2017-03-29；

：2017-04-10

贾振宇(1984-)，男，硕士，工程师，主要从事清洁发电研究。E-mail：121947559@qq.com