新型高效節(jié)能靜電除塵電源技術(shù)

王國仁，李艷慶，張先海

（1.漳澤電力河津發(fā)電分公司，山西河津 043300；2.山西漳澤電力股份有限公司，山西太原 030006；3.北京中陸能環(huán)科技有限公司，北京 100085）

新型高效節(jié)能靜電除塵電源技術(shù)

王國仁1，李艷慶2，張先海3

（1.漳澤電力河津發(fā)電分公司，山西河津 043300；2.山西漳澤電力股份有限公司，山西太原 030006；3.北京中陸能環(huán)科技有限公司，北京 100085）

通過對靜電除塵幾種電源技術(shù)的比較，對臨界脈沖電源的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，根據(jù)臨界脈沖電源在660M W火力發(fā)電機(jī)組上的工程試驗(yàn)，對節(jié)能減排相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，并根據(jù)臨界脈沖電源的特點(diǎn)討論了靜電除塵器供電電源的發(fā)展趨勢。

靜電除塵；減排節(jié)能；臨界脈沖電源；場強(qiáng)；空間自由離子密度；臨界區(qū)

0 引言

火電、水泥、冶金、化工等行業(yè)的煙塵排放造成了嚴(yán)重的大氣污染，在工業(yè)塵源治理的多種除塵設(shè)備中，20世紀(jì)初發(fā)展起來的靜電除塵器，由于其除塵效率較高、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在除塵領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外大規(guī)模的除塵幾乎都采用了電除塵。隨著環(huán)境保護(hù)意識和排放標(biāo)準(zhǔn)的大幅度提高，原靜電除塵器性能難以滿足環(huán)保要求，一段時(shí)期曾出現(xiàn)由靜電除塵轉(zhuǎn)為布袋或電袋除塵方式的傾向。布袋及電袋除塵器雖然能基本滿足目前環(huán)保達(dá)標(biāo)的基本需要，但由于其阻力大、電耗高、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高、故障率高、維護(hù)管理不方便、二次污染等弱點(diǎn)，只能作為一定范圍內(nèi)的不得已選擇。而且，由于其難以濾掉微細(xì)粉塵和效果難以長期穩(wěn)定的固有缺陷，已滿足不了重點(diǎn)地區(qū)的≤10 mg/Nm3及“超低排放”的≤5 mg/Nm3的粉塵排放新要求。近年興起的“濕式電除塵”、“旋轉(zhuǎn)陽極板”、“徑流式電除塵器”、“煙氣調(diào)質(zhì)或微顆粒凝聚”、“本體擴(kuò)容”等技術(shù)，由于空間、成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、安全穩(wěn)定性、二次污染、適用條件、實(shí)際效果等局限，難以普及。所以，除塵電源及其控制系統(tǒng)的技術(shù)性能突破就成為除塵領(lǐng)域期待的聚焦點(diǎn)。近年，在改進(jìn)電源供電方式的過程中，設(shè)計(jì)思路不斷創(chuàng)新，電源性能不斷提升。市場上除了正在淘汰的“工頻電源”及其過渡性的“三相電源”外，還有“高頻”和“脈沖”等新型電源。

1 幾種傳統(tǒng)電除塵器電源的工作原理與性能比較

1.1 常規(guī)電源

常規(guī)電源就是兩相交流380 V電源經(jīng)反向并聯(lián)可控硅調(diào)壓后送至整流變壓器一次繞組，而二次繞組的兩個(gè)接線端，一端與陽極板相連（陽極板是接地的），另一端經(jīng)過阻尼電阻與電場內(nèi)的陰極極線相連，從而通電時(shí)在陰極板和陰極線之間能夠形成一個(gè)強(qiáng)大的靜電電場，達(dá)到除塵的作用。工頻電源結(jié)構(gòu)簡單技術(shù)成熟，但除塵效率低、功率因數(shù)低、缺相不平衡。

1.2 三相電源

圖1為三相電源主電路結(jié)構(gòu)，三相電壓經(jīng)過一個(gè)同步檢測電路后輸出同相位的三相同步波形，主電路可控硅的6路觸發(fā)脈沖就是通過該同步波形過零點(diǎn)的判斷產(chǎn)生的。

圖1 三相電源主電路框圖

圖2 高頻電源電路框圖

三相電源用到了6個(gè)反向并聯(lián)可控硅進(jìn)行調(diào)壓，這6個(gè)可控硅按照1→2→3→4→5→6→1觸發(fā)信號依次相差60°，三相電源采用寬于60°的寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)，采用各相同步信號的“過零點(diǎn)”作為控制角計(jì)算的基準(zhǔn)點(diǎn)。三相電源供電三相平衡，電源利用率比單相電源高，對電網(wǎng)污染減少，功率因數(shù)接近90%，電源的峰值電壓比平均電壓高25%，輸出二次電壓、電流，一次電流比常規(guī)電源小。但三相電源閃絡(luò)沖擊大，閃絡(luò)后要關(guān)斷多個(gè)半波，閃絡(luò)特性很軟，由于閃絡(luò)沖擊大，往往輸出設(shè)置較低，處于無閃絡(luò)狀態(tài)，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)并不太高，工礦適應(yīng)性較差。

1.3 高頻電源

高頻電源輸入三相380 V/50 Hz交流電源，經(jīng)三相整流濾波和IGBT模塊高頻20～40 kHz逆變、高頻變壓整流后，經(jīng)限流電阻R0供給電除塵極板。輸出電流、電壓、反饋至控制系統(tǒng)改變脈沖工作頻率或脈沖寬度經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)器送給IGBT全橋高頻逆變器以對輸出電流輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖2是電除塵高頻電源電路框圖。

從目前應(yīng)用情況來看，高頻電源普遍存在提效幅度較小、電耗過大等問題。

2 新型靜電除塵臨界脈沖電源技術(shù)介紹

臨界脈沖電源是將380 V三相交流電經(jīng)整流濾波成直流，再逆變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器升壓后，再經(jīng)“臨界柔性模塊”變?yōu)閹в形⑿∶}動(dòng)的平穩(wěn)直流。相關(guān)技術(shù)工作者在國際上首次提出“空間自由離子密度對除塵效率的影響遠(yuǎn)大于場強(qiáng)”的理論并進(jìn)行了量化，首次提出“臨界區(qū)”的概念并量化應(yīng)用。臨界脈沖電源全面突破了現(xiàn)有工頻（單相、三相）、高頻及脈沖除塵電源增效節(jié)能的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了大幅度減排的同時(shí)大幅度節(jié)能，并避免了火花放電產(chǎn)生的電腐蝕，從而使本體性能長期高效穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 臨界脈沖電源的基本原理

臨界脈沖電源采用“硬件儲能與限能、軟件監(jiān)視電壓變化趨勢”的控制方式（見圖3），使工作點(diǎn)保持在空氣放電特性曲線的最高點(diǎn)及其左右很小的區(qū)域內(nèi)。體現(xiàn)“可變內(nèi)阻”特性，即“限能”抑制流注生長，避免產(chǎn)生火花放電。同時(shí)，“儲能”以保持高電壓。圖3為臨界脈沖電源的電壓控制區(qū)示意圖。

圖3 臨界脈沖電源的電壓控制區(qū)

2.2 臨界脈沖電源的特點(diǎn)

a）臨界脈沖電源具有“硬件儲能與限能”和“微脈沖”式供電特性，輸出的電壓隨著工況(電場內(nèi)溫度、濕度、壓力、粉塵濃度、粒度、比電阻以及電源電壓波動(dòng))的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)適應(yīng)，使輸出電壓值穩(wěn)定位于火花始發(fā)點(diǎn)以下臨界區(qū)。其連續(xù)輸出臨界電壓，可實(shí)現(xiàn)最理想的也是運(yùn)行中最高的場強(qiáng)（荷電場強(qiáng)、驅(qū)進(jìn)場強(qiáng)）并使電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，空間自由電荷最多，荷電效率最高。其工作電壓如圖4所示。

圖4 臨界脈沖電源的工作電壓

b）臨界脈沖電源具有大幅度節(jié)能和避免對除塵器本體極板的腐蝕的特點(diǎn)?；鸹ǚ烹?，時(shí)間占比很小，但消耗能量巨大，臨界脈沖電源在供電過程處于無深度火花放電狀態(tài)，電壓始終保持于臨界區(qū)以下（圖5中的曲線2），避免了大量的無效電耗，實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能。同時(shí)由于無火花放電避免了對除塵器本體極板的電腐蝕。臨界脈沖電源的提效節(jié)能示意圖如圖5所示。

圖5 臨界脈沖電源的提效節(jié)能示意圖

c）臨界脈沖電源具有高效集塵的特性。電除塵電源平均輸出電壓越高，電場越強(qiáng)，則荷電場強(qiáng)和驅(qū)進(jìn)（集塵）場強(qiáng)越大；煙塵通過的空間，自由電荷越多，則核電概率越高，核電速度越快。臨界脈沖電源輸出電壓一致保持在“臨界區(qū)”，實(shí)現(xiàn)了最理想的場強(qiáng)；電場保持在“二次電子崩”與“流注初期”狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了空間自由電荷最多，荷電效率最高。其高場強(qiáng)和高空間自由離子密度，使電暈放電能力保持極高狀態(tài)，低比電阻粉塵離開極板后，迅速再次荷電，使集塵效率大大加強(qiáng)。

d）有效抑制反電暈的特性。當(dāng)陽極板積灰到一定厚度時(shí)，比電阻高的負(fù)離子其荷電不容易釋放到陽極板，負(fù)離子逐漸積聚到陽極板表面，與陽極板形成局部小電場。這個(gè)局部小電場將抵消用于驅(qū)動(dòng)帶電塵粒的主電場，局部小電場場強(qiáng)增強(qiáng)后，將引起類似電暈的放電，激發(fā)出大量的正負(fù)粒子對，正離子向陰極遷移，造成除塵器電流增大，但消耗的電能沒有起到吸塵作用，這種現(xiàn)象就是反電暈現(xiàn)象。臨界脈沖電源利用脈沖式供電技術(shù)有效地抑制了反電暈的發(fā)生。

2.4 臨界脈沖電源的工程應(yīng)用

大唐集團(tuán)某電廠660MW水氫超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，雙室五電場，屬于大分區(qū)，除塵器比集塵面積為96.67m2/m3/s，除塵器入口濃度約為42 g/Nm3，實(shí)測除塵器出口干煙氣含塵量為54.14 mg/Nm3?！芭R界脈沖電源”與某“工頻脈沖電源”在同一機(jī)組兩個(gè)完全相同的除塵器上進(jìn)行了對比測試。其結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出在同一工況下，臨界脈沖電源比工頻脈沖電源減排效果提高65%以上，同時(shí)耗電量降低54%，體現(xiàn)了節(jié)能和減排的雙重效果。

3 結(jié)論

目前，常規(guī)電源已應(yīng)用了幾十年，屬成熟產(chǎn)品，是目前國際國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的電除塵高壓電源，但由于常規(guī)電源輸入到電除塵電場的電壓紋波較大（通常為20%～30%），其功率因數(shù)和效率相對較低。三相電源功率因數(shù)和效率相對較高，輸入到電除塵電場的電壓紋波較?。?%左右），但三相電源不具備間歇脈沖供電技術(shù)，不能適應(yīng)工況變化，在燃用低硫煤、高比阻粉塵條件下存在反電暈現(xiàn)象，使除塵效率降低，能耗增大。高頻電源雖然具有閃絡(luò)（火花）控制特性好、功率因數(shù)和效率高、輸入到電除塵電場的電壓紋波較?。ā?%），平均值和峰值基本相同等優(yōu)點(diǎn)，但高頻電源減排幅度提高有限，耗能較大，并且由于其火花放電產(chǎn)生電腐蝕給電除塵本體維護(hù)帶來麻煩[1-3]。

臨界脈沖電源能有效提高除塵效率，減少粉塵排放，并使本體保持長期高效穩(wěn)定的卓越性能，在減排的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能是電除塵電源今后的發(fā)展方向。實(shí)踐證明，臨界脈沖電源已經(jīng)能滿足國內(nèi)不同裝機(jī)容量火力發(fā)電機(jī)組電除塵器除塵效率的要求。而且，臨界脈沖電源三相平衡，無缺相損耗，抗高低溫、高濕、低壓能力強(qiáng)。臨界脈沖電源技術(shù)已成為最具代表性和最具發(fā)展?jié)摿Φ撵o電除塵電源國際領(lǐng)先前沿技術(shù)。

表1 臨界脈沖電源和工頻脈沖電源的除塵效果對比

[1]黃三明.電除塵技術(shù)的發(fā)展與展望[D].中國硅酸鹽學(xué)會(huì)環(huán)保學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008.

[2]張介軒.軟特性準(zhǔn)穩(wěn)定直流電源在電除塵器的應(yīng)用及其前景[J].城市管理與科技，2001（1）:11-13.

[3] 徐亞權(quán).電除塵器反電暈的產(chǎn)生及處理過程[J].黑龍江電力，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

王國仁(1967)，男，山西萬榮人，1989年畢業(yè)于太原電力高等專科學(xué)校發(fā)配電專業(yè)，工程師，從事電氣檢修技術(shù)管理工作；

李艷慶(1962)，男，山西永濟(jì)人，1985年畢業(yè)于太原工學(xué)院電力分院發(fā)配電專業(yè)，高級工程師，從事發(fā)電廠生產(chǎn)管理和研究工作；

張先海（1969），男，吉林永吉人，1992年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專業(yè)，2002年畢業(yè)于日本九州藝術(shù)工科大學(xué)生活環(huán)境專業(yè)（碩士），2005年畢業(yè)于日本九州大學(xué)電氣電子系統(tǒng)工程專業(yè)（博士），從事除塵電源系統(tǒng)及其他環(huán)保節(jié)能技術(shù)開發(fā)和推廣工作。