高频脉冲电源在热电厂超低排放中的应用

徐赫泽（中油电能电力生产保障公司）

大庆中油电能热电二公司3#炉电除尘器电源采用一电场高频电源，二、三、四电场工频电源的运行方式。根据EMS在线数据显示，目前除尘器出口粉尘排放浓度40~50mg/Nm3，脱硫塔出口粉尘排放浓度10~20mg/Nm3，符合原国家设计标准的低于30mg/Nm3，但不符合现行规定的超低排放低于10mg/Nm3的要求，同时原有电除尘二、三、四电场工频电源存在运行效率低，除尘耗电量居高不下等问题。基于上述原因，2018年7月黑龙江省电业主管部门明确要求进行超低排放改造，并于2020年10月30日完成该项目[1-2]。

1 主要问题

1）工频电源由于输出平均电压低，闪络现象峰值电压无法突破63kV，导致除尘效率低的同时也造成能耗巨大。工频及高频直流电源受火花放电电压限制无法持续提升电晕电压，否则易发生闪络现象，造成极板击穿，静电除尘器每年都会发生因闪络导致的电场短路情况，降低了电场利用率。

2）原有的电除尘器供电电源模式受到技术限制已无法进一步提高除尘效率。原电除尘器一电场为高频电源，二、三、四电场为工频电源，其电除尘器出口浓度可以满足原有排放标准，但当两个或两个以上电场发生短路故障时，排放极易超标，必需停炉检修，除尘效率无法进一步提升[3-5]。

3）除尘器工频电源变压器耗能高，表现为铜损和铁损大，导致变压器本体温升高，并且电能转换效率低，功率因数低等原因造成厂用电量增高。

2 原因分析

2.1 锅炉电除尘电源存在问题分析

热电二公司共5台锅炉，实施了废气脱硫和除尘改造。并且对静电除尘器进行了技术升级改造，在原有双室四电场电除尘器基础上整体增高，除尘器极板极线全部换新，第一电场配置1.6A/72kV的高频电源，二、三、四电场配置1.6A/72kV的工频电源。设计指标电除尘出口烟尘浓度小于或等于50mg/Nm3，目前电除尘出口烟尘浓度达40～50mg/Nm3。根据超低排放要求，除尘器出口浓度需不能高于40mg/Nm3，再经过脱硫系统协同作用，可实现粉尘的超低排放。

2.2 电源除尘效率低问题分析

原来使用的除尘器电源主要采用单相工频电源和高频电源。其中单相工频电源输出电压纹波系数大，一般在35%左右，其峰值电压一般比平均电压高30%，导致电晕电压低，一般不能升得很高，通常在50～70kV，因为在输出持续为高电压情况下，电场易发生闪络，其恢复时间不但提高了能耗而且降低除尘效率，工频电源为避免闪络无法突破，同时单一的工频波形在高比电阻粉尘的工况下，除尘效率低，因晶闸管属于半控型开关元件，当电源发生火花放电时，相应速度慢，检测和关断火花时间约为10ms，恢复时间为50~60ms。高频电源为三相电压输入，输出为直流连续电压，其频率在0~30kHz，控制频率短并且可调，其纹波系数小于1%，波形近似于一条直线，因此峰值电压和平均电压为同一电压，这使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高了电除尘器的供电电压和电流，增大了电晕功率的输入，同时其检测和关断火花时间约为25us，恢复时间约为10ms，远远低于工频电源，提高了电除尘器的效率，但对于高比电阻粉尘的收尘效率较低，易发生反电晕现象。因此，寻求新的电源技术，在提高粉尘驱进速度的同时，减少反电晕和闪络现象的发生，提高收尘效率和避免因闪络的发生造成设备损坏[6-8]。

2.3 工频电源电能转换效率低的原因分析

单相工频电源的采用的是油浸式工频变压器，为铁氧体材质，其自身功耗较高，同时由于工频电源易发生闪络现象，为避免电晕极和收尘极之间的频繁火花放电带来的冲击，其整流变压器内阻通常设计为总阻抗的30%~35%，因此电源转换效率一般为65%~70%。此外因工频电源采用单相交流输入，容易导致电网不平衡，其晶闸管调压在电压输入端产生大量的谐波电流，对电网造成一定干扰。工频高压直流的频率为50Hz，所以变压器体积和重量较大，发热量较大。高频电源采用超微晶材质，耗电量较低，同时为三相交流输入，其转换效率为93%以上，功率因数在0.9以上，因此高频开关电源损耗小，相对电源节能15%，因二次输出频率在0~30kHz可调，可以根据工况自动对输出电压进行微调，控制场强输出，避免电量浪费。

2.4 电除尘四电场电源匹配存在问题分析

现有电除尘电场的电源种类有多种，高频、单相工频还有三相工频电源、脉冲电源等等，在收尘效率和能耗上各有不同，同时脉冲电源其基波电源可以是单相工频、三相工频，也可以是高频电源。因此根据实际的电源种类配置方式较多，现有电场电源是一电场高频，二、三、四电场为工频电源，该种组合方式在高比电阻收尘上也存在除尘效率较低的弊端。

3 改造方案

3.1 工频电源升级为高频电源

原有工频电源受自身特性影响，其纹波系数在30%左右，平均电压较峰值电压低30%，影响除尘效率。

而高频电源电能效率转换高，同时其频率可在0~30kHz自动调节，减少电能损耗，同时其输出近似于平直的直流输出，纹波系数小于1%，峰值电压和均值电压等同，除尘效率大大提升。

3.2 选择使用分体式基波高频叠加脉冲电源

脉冲电源其频率一般为100Hz，其二次电流最高可达200A，脉冲宽度为100us，其瞬间可达到兆瓦级能量输出，而一般高频和工频二次输出额定值均为1.6A，脉冲电源提升高比电阻粉尘的荷电能力，提高除尘效率，通过对比分析选用高频电源作为基波，叠加脉冲电源，满足电源平稳输出的同时，达到节省耗电量的目的。基波叠加脉冲电源根据工艺不同分为一体式和分体式，最终选用分体式脉冲电源，可以确保在叠加脉冲电源部分发生故障检修时，高频基波电源可不退出运行，确保除尘的持续运行，在基波高频叠加电源运行时，其基波电压通常在50kV以下，避免电场在输出持续高电压情况下，发生闪络及反电晕。

3.3 实施高压电源的组合优化运行

结合除尘的实际情况，合理分配高频电源和脉冲电源的数量和组合方式，提高除尘运行效率。一、二电场采用高频电源，三、四电场采用脉冲电源，前级电场采用高频电源可以提供持续的高电压，提高电晕电流，减少电晕封闭情况，提高高浓度粉尘排放，后级电场多为高比电阻的细小微粒，采用脉冲电源效果更为明显，其基波电压控制在60kV以下，确保持续稳定的收尘，而避免火花放电情况，同时脉冲电源可叠加至最高140kV，脉冲频率为100Hz，脉冲宽度75~100us，最大限度的提高峰值电压，同时避免反电晕现象的发生[9-10]。

4 效果分析

1）改造后除尘器出口浓度低于30mg/Nm3，远低于预期的40mg/Nm3以下。电场高压电源电能转换效率和输出功率因数得到了有效的提高，提升除尘效率的同时，降低了厂用电消耗量。

2）选用集成化设计的电源设备，减少了运行人员的操作流程，选用分体式基波叠加脉冲电源设备，确保脉冲电源部分故障检修同时，不影响基波电源除尘运行。

3）经济效益计算。3#炉为410T锅炉，每年大负荷期间均为满负荷运行，煤质不变的情况下，其粉尘排放浓度比例相近，通过除尘系统的粉尘总量变化不大，除尘系统运行在相同工况下，统计其运行耗电量，2019—2020年负荷期耗电量见表1。在负荷相近情况下，同期对比节约电量243630kWh，节约电费15.59万元。

表1 2019—2020年负荷期耗电量 单位：kWh

5 结论

本项目依托超低排放改造项目，结合电除尘电源应用现状进行，对锅炉电除尘电源进行研究优化并得到实际应用，提高了高比阻粉尘的除尘效果，提升了电除尘电场整体的排放效率，同时有效抑制了闪络和反电晕的发生。优化了电源各电场的配置方案，合理分配高频电源和脉冲电源，在节省投资的前提下，确保除尘达标排放。在降低粉尘出口排放同时，对进一步降低能耗起到了积极作用，也为高频脉冲电源在热电厂超低排放中的应用提供了一定的实践经验。