高頻電源在靜電除塵器上的應用

章志昕，葉青，來佳磊

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州310003；2.浙能紹興濱海熱電有限責任公司，浙江紹興312073）

高頻電源在靜電除塵器上的應用

章志昕1，葉青1，來佳磊2

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州310003；2.浙能紹興濱海熱電有限責任公司，浙江紹興312073）

為適應環(huán)保對發(fā)電廠除塵效果提出的新指標要求，在分析了幾種除塵器改造方案的基礎上，對某300 MW機組靜電除塵器的工頻電源進行了改造，介紹了靜電除塵器高頻電源的工作原理，改造后，單臺靜電除塵器減少煙塵排放114.6 t，節(jié)約電費112.5萬元，實現(xiàn)了節(jié)能減排的雙重目標。

高頻電源；靜電；除塵器

隨著國家GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》的發(fā)布，火電行業(yè)的各項環(huán)保排放指標都受到了更加嚴格的限制，其中煙塵濃度自2014年7月1日起執(zhí)行排放濃度小于30mg/m3，重點地區(qū)執(zhí)行特別排放限值，即20mg/m3以下。同時，為確保SO2的脫除率，煙氣脫硫工藝對煙氣入口的含塵濃度也有了嚴格要求，已建成運行機組的除塵設備提升改造勢在必行。

1 鍋爐及電除塵器概況

某發(fā)電廠2號機組容量為300 MW，于2011年10月投入商業(yè)運行，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造的亞臨界壓力、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架結(jié)構(gòu)的自循環(huán)Π型汽包鍋爐，鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025 t/h，額定蒸發(fā)量為960 t/h。配套浙江信雅達公司生產(chǎn)的2SY278－4雙室四電場臥式靜電除塵器，設計煤種為山西大同煤，收到基灰分為23%，除塵器入口含塵濃度（標況值）為25 320 mg/m3，煙塵比電阻為6.80×1011～6.70×1012Ω·cm。單個電場有效長度為4m，同極間距為400mm，電場的有效斷面積為278.4 m2，煙氣流速為0.81 m/s，最大煙氣量為1 821 791m3/h，設計效率為99.7%，本體阻力小于200 Pa，本體漏風率小于2%。系統(tǒng)采用380 V三相控工頻電源，高壓供電電源為1.0 A/72 kV－HW，共16臺整流變，16臺微機控制柜，其A/B PC段各有16個饋線開關，每臺饋線開關對應1個高壓程控柜，實現(xiàn)一對一單獨供電。

靜電除塵器主要利用直流高壓電源在電場內(nèi)陽極板和陰極線間建立起一個非均勻的高壓靜電場，煙氣通過時被強電場電離為正負電子，煙氣中的粉塵顆粒遇到負電子而荷電，從而被吸附到陽極板上，粉塵沉集到一定厚度以后用機械振打方法將其震入下部灰斗而除出去。系統(tǒng)采用工頻可控硅電源供電，其電路結(jié)構(gòu)是兩相工頻電源經(jīng)過可控硅移相控制幅度后，送整流變壓器升壓整流，形成50 Hz的脈沖電流送至電除塵器。

2 改造方案論證

根據(jù)現(xiàn)有靜電除塵器的運行狀況，要穩(wěn)定達到國標的新要求還有相當?shù)碾y度，特別是在燃煤灰分增大導致除塵入口粉塵濃度同步上升，粉煤灰比電阻特性發(fā)生變化時，現(xiàn)有除塵系統(tǒng)極易發(fā)生反電暈現(xiàn)象和由于提高輸入電壓造成的固定間距極板間的火花放電，導致系統(tǒng)的平均運行電壓比脈沖峰值電壓低20%，除塵效果難以得到有效保證。從節(jié)能提效兩方面出發(fā)，考慮降低靜電除塵裝置的改造投資，減少運行維護成本，分別對下列3種改造方案進行比選。

（1）改變供電電源。將原有的工頻三相電源改為高頻高壓電源，提高系統(tǒng)的運行平均電壓，加強電場內(nèi)粉塵的荷電能力，提高粒子的驅(qū)進速度，提高系統(tǒng)的除塵效率。

（2）將靜電除塵器改為布袋式除塵器或電袋復合式除塵器。布袋式除塵器是一種過濾式的除塵設備。它的運行限制主要是運行阻力的增加和濾料布袋的壽命。目前推廣使用的布袋和電袋一體式的除塵器，在保證除塵效率和對煤種的適應性方面較靜電除塵器有明顯優(yōu)勢，但設備改造占地面積過大，且布袋壽命受煙溫和濕度影響，廢棄布袋在自然界中難以被生物降解，又會引入新的污染源。

（3）增加除塵電場。以增加電場的收塵面積為目的。通過增加電場數(shù)、除塵裝置的有效寬度及高度來改善靜電除塵裝置的除塵能力，如增加五電場運行或增加旋轉(zhuǎn)電極除塵等方式實現(xiàn)，但對改造場地有明確要求，施工工期長，另外對于旋轉(zhuǎn)電極的轉(zhuǎn)動件可靠性也提出了高要求。

綜合考慮工程建設條件、年生產(chǎn)檢修計劃和經(jīng)濟運營情況等，選用高頻高壓電源方案作為電除塵系統(tǒng)的改造方案并組織實施。

3 高頻電源的工作原理及特點

3.1 高頻電源的工作原理

將三相交流電壓經(jīng)整流、濾波，輸出平直的直流電壓。直流電壓經(jīng)由IGBT逆變橋、諧振電容、諧振電感及高頻變壓器組成的高頻諧振式逆變電路，逆變成高頻交流電壓。逆變波形經(jīng)過高頻變壓器升壓，再經(jīng)高頻整流橋整流，從而得到電場所需要的直流電壓，其工作原理見圖1。

圖1 高頻電源的工作原理

3.2 兩種電源的指標及性能比較

高頻電源采用三相輸入，對電網(wǎng)無污染，無缺相損耗，與工頻電源的指標及性能比較見表1和表2。

表1 高頻電源與工頻電源技術指標比較

表2 高頻電源與工頻電源應用性能對比%

3.3 高頻電源的節(jié)能原理

電除器能耗主要有3類：

（1）用于粉塵荷電和捕集的電能，稱為有效能耗。

（2）對粉塵荷電和捕集起破壞作用的電能，稱為反效能耗，如反電暈和發(fā)生二次揚塵等。

（3）介于兩者之間的電能，為無效能耗，如電暈放電過程中未用于粉塵荷電和捕集的多余電荷等。

在總的電能消耗中，有效能耗的比例很小，反效和無效能耗占了絕大部分。

電除塵器采用常規(guī)供電方式運行時，第一電場為入口煙氣，其煙塵濃度最高，運行電壓較低，相應其電流也較低；第二電場由于第一電場已除去了約80%的煙塵，其電壓和電流值均相應增加，而各級電場的能耗也同樣是后級大于前級，但就絕對除塵量而言，前級遠大于后級，這意味著后級電場的大部分電量都是被白白耗掉的。而高頻電源有高于92%的電能轉(zhuǎn)換效率，相比工頻電源高出20%左右，有效降低了系統(tǒng)的固有轉(zhuǎn)換能耗。高頻電源的輸出電流工作頻率在0～40 kHz之間可調(diào)，可為電除塵器提供接近純直流至脈沖幅度較大的各種合適的電壓波形，有效適應煙氣中含塵工況的變化，減小無效及反效能耗的比例。

3.4 增效原理

根據(jù)電除塵原理中Deutsh公式：

式中：η為電除塵器的效率；A為電除塵器的比收塵集面積；ω為帶電粒子在電場中的驅(qū)進速度；Q為處理煙氣量。

帶電粒子的驅(qū)進速度的經(jīng)驗公式為：

式中：ω為帶電粒子在電場中的驅(qū)進速度；E為電場強度；α為帶電粒子的粒徑；ξ為含塵煙氣的粘度。

由上可知，如果電除塵器的集塵面積和煙氣量一定的話，電除塵的效率與電場內(nèi)施加的電壓成正比，因此在一般情況下，電場的平均運行電壓越高，電除塵效率越高。工頻電源有30%的波紋系數(shù)，在高粉塵工況下，其峰值運行電壓極易觸發(fā)火花，導致電壓陡降并消耗電能，在電場重新恢復電壓的時段內(nèi)，除塵效率也顯著降低。高頻電源波紋系數(shù)小于3%，波紋平穩(wěn)，使電除塵器能以次火花發(fā)生電壓運行，確保其輸出電壓和電流，提高了除塵效率。

4 改造后性能測試及效果

投資近300萬元對2號爐電除塵器的電氣部分進行了改造，工程共敷設16臺高頻電源動力電纜，吊裝16臺高頻電源安裝在除塵器頂部，通過在上位機上安裝新的控制軟件，對系統(tǒng)實現(xiàn)遠方操控。

改造后，對2號電除塵改造后運行情況進行了性能測試。高頻電源的使用兼有提效及節(jié)能2種效果，因此分別測試了3個運行工況（提效模式、節(jié)能模式、能效兼顧模式）。其中，提效模式是提高除塵效率不考慮節(jié)能，即指電除塵器所有電場在直流工作方式下運行；節(jié)能模式是指在保證原有除塵效率的前提下實現(xiàn)節(jié)能，即指電除塵器所有電場在脈沖工作方式下運行；能效兼顧模式則是介于兩者之間，即實現(xiàn)一定節(jié)能率的前提下，兼顧提效，即指電除塵器前2個電場在直流工作方式下運行，后2個電場在脈沖工作方式下運行。

在設定高頻電源為節(jié)能、能效兼顧和提效3種運行模式下，電除塵的除塵效率分別為99.85%，99.85%，99.86%，出口煙塵濃度分別為15.6mg/m3，11.3mg/m3，12 mg/m3，電除塵系統(tǒng)總功耗分別為445.4 kW，622.7 kW，768.6 kW。改造前后電除塵器性能對比見表3。

表3 電除塵改造性能測試結(jié)果對比

（1）對改造后的靜電除塵器進行了空載升壓試驗，二次電壓最高可達74 kV，二次電流最大可達1 200mA，系統(tǒng)供電質(zhì)量有了明顯提升，除塵器出口煙塵排放濃度小于13mg/m3，滿足國標特別排放限值要求。

（2）采用的高頻電源為一體化結(jié)構(gòu)，體積小，重量輕。直接安裝在電除塵器頂部，節(jié)省了配電室空間，節(jié)省了大部分信號電纜和控制電纜。

（3）經(jīng)濟效益測算。在節(jié)能模式下運行，電耗部分節(jié)約555 kW，按年運行小時數(shù)5 500 h、上網(wǎng)電價0.368 4元/kWh（不含稅）計算，采用高頻電源后單臺每年節(jié)電效益為555×5 500×0.368 4= 112.5萬元。在提效模式下運行，按年運行小時數(shù)5 500計算，單臺年減少煙塵排放量（33.44-12.6）×5 500=114.6 t，可減少排污費用114.6×1 200÷ 2.18=6.3萬元。

5 結(jié)語

通過對靜電除塵器進行的高頻電源改造，進一步減少了機組的粉塵排放量，在保證除塵效率滿足國標排放特別限值要求的前提下，還可節(jié)約電除塵的能耗損失。在實際運行中還存在一些不足和缺陷，需在后期的工作中持續(xù)改進：

（1）高頻電源裝置多安裝在電除塵器頂部，戶外的高溫天氣對裝置內(nèi)部的電子元器件的可靠性提出了更高要求，應考慮在設備運行環(huán)境方面加以改善。

（2）由于高頻電源輸出電壓高，除塵效率高，收塵板積塵量大，在高壓狀態(tài)下進行除塵振打時，極易引起二次揚塵，需在控制程序上進行相應調(diào)整。

（3）高頻電源裝置在持續(xù)以提效模式運行時，輸出電壓相對于節(jié)能模式高出近30%，對高頻開關等元器件的絕緣介質(zhì)、防潮、防靜電等性能指標應有更高的要求。

（4）在電除塵器進行高頻電源改造后，由于荷電粉塵的積聚量增加極易引起瓷套、瓷軸及瓷瓶等的“爬電”現(xiàn)象，引起電場短路和電壓升不上的情況發(fā)生，故障頻次隨著運行時間的增加有上升趨勢，應采取相應技術措施加以消除。

[1]姜雨澤，韓乃民，王新美.燃煤電廠電除塵采用高頻電源供電的實驗研究[J].環(huán)境工程學報，2010，4（9）∶2069-2072

[2]徐金苗，李偉科，樊曉茹.高頻電源對電除塵器性能及能耗影響的試驗研究[J].電力建設，2013，34（6）∶73-77.

（本文編輯：陸瑩）

Application of High Frequency Power Supp ly in Electrostatic Precipitator

ZHANG Zhixin，YEQing，LAIJialei
（1.Zhejiang Energy Group R&D，Hangzhou 310003，China；2.Zhejiang Energy Shaoxing Binhai Thermoelectric Co.，Ltd.，Shaoxing Zhejiang 312073，China）

In order to adapt to new index of environmental protection requirements on power plant dust removal，power frequency power supply of electrostatic precipitator is retrofitted on the basis of analysis on electrostatic precipitator retrofit scheme.The paper introducesworking principle of high-frequency power supply for electrostatic precipitator.After retrofit，the smoke discharged from a single electrostatic precipitator is reduced by 114.6 tonswith electricity cost of 1.125 billion Yuan saved.Therefore，the goals of energy saving and emission reduction are achieved.

high-frequency power supply；electrostatic；precipitator

TM621.7+3

B

1007-1881（2016）01-0057-04

2015-08-12

章志昕（1973），女，高級工程師，長期從事火力發(fā)電廠環(huán)保相關設備的運行及管理工作。