调幅高频电源在湿式电除尘器上的应用

廖文杰，陈焕其

（厦门市天源兴环保科技有限公司，福建 厦门 361100）

1 前言

当前，我国环境状况总体恶化的趋势尚未得到根本遏制，环境矛盾日益凸显，环保压力持续加大。部分区域和城市大气雾霾现象突出，许多地区主要污染物排放量严重超标，严重影响了人们的生产与生活。雾霾中的细颗粒物PM2.5由于粒径小、比表面积大，是废气中重金属沉积的主要区域。PM2.5可以直达肺部，直接参与人体血液循环，损坏肺部组织，引起一系列病变。而且其在环境空气中的停留时间长，输送距离远，是造成空气污染、降低大气能见度的主要原因。燃煤电厂是PM2.5的主要产生来源之一，且在未来相当长的时间内，我国以煤为主的能源供应格局不会发生根本性的改变。2005年的研究资料显示，燃煤电厂直接排放的PM2.5约占全国PM2.5排放量的10%，加之由燃煤产生的二次颗粒物，燃煤电厂排放PM2.5的比例还会更高。《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）中规定，一般地区燃煤锅炉烟囱烟尘排放限值为30mg/m3，重点地区燃煤锅炉烟囱烟尘排放限值为20mg/m3。汞及其化合物污染物排放限值为0.03mg/m3。新修订的《环境空气质量标准》（GB3095-2012），将PM2.5纳入强制监测范畴，并明确规定了时间要求。国务院在《重点区域大气污染防治“十二五”规划》的批复意见中明确提出：到2015年，重点区域工业烟粉尘排放量下降10%；可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）年均浓度分别下降10%、5%。发改委等三部委关于《煤电节能减排升级与改造行动计划》（2014～2020年）的通知，更进一步提出分地区超净排放的要求，均应逐步达到燃气轮机组排放限值的环保改造。新标准、严要求，是基于我国严峻的大气环境形势，因此燃煤电厂对细微颗粒物的控制势在必行。

2 湿式电除尘器的应用

湿式电除尘器在满足超低和超净排放、治理PM2.5方面的效果得到业内专家一致认可，环境保护部在《环境空气细颗粒物污染防治技术政策（试行）》（征求意见稿）中明确指出：鼓励火电企业采用湿式电除尘等新技术，防止脱硫造成的“石膏雨”（气溶胶、酸雾、脱硝带来的副产物）污染。作为一种先进的烟气治理技术，湿式电除尘技术在欧洲、美国、日本等国家和地区已得到广泛应用且效果良好。我国也有环保企业自主开发湿式电除尘技术，而且已经在燃煤电厂取得成功应用。上海长兴岛第二发电厂燃煤锅炉湿法脱硫后改造工程配套湿式电除尘器，出口粉尘排放浓度仅为6.1mg/m3，已引起业界高度关注。

2.1 电控设备是湿式电除尘器的控制核心

电控设备的控制策略和技术水平直接影响到湿式电除尘器的除尘效率和运行能耗。其中的调幅高频电源，作为具有优异性能的新一代电除尘器电源，正在推动电除尘器的技术发展，为进一步提高除尘效率、达到新的排放标准要求提供了技术保障。

厦门某环保公司开发的调幅高频电源已应用在蜂窝式湿式电除尘器WESP上，根据湿式电除尘器的特有的工作特性，调幅高频电源具有适应其特性的控制软件，可确保湿式电除尘器最大的收尘效率，避免多火花，并最大程度上保证湿式除尘器发生开路的工况，达到长期可靠和稳定运行。

2.2 试验用湿式电除尘器

浙江德创环保科技股份有限公司生产了一台蜂窝式湿式电除尘器试验台，该湿式电除尘器阳极收尘极采用正六边形内切圆直径Φ300mm的导电玻璃钢，有效长度为4.5m，37根管束组成一个模块，收尘面积173m2，阴极线采用铅锑合金锯齿线，上下气室采用碳钢加玻璃钢防腐处理工艺制作。喷淋冲洗清灰设定为每天一次，每次用水量0.5吨。为配合试验台对比试验，配套两台不同型式的高压电源，分别是100mA/72kV工频恒流源和200mA/72kV调幅高频高压电源。

2.3 试验台设计参数

该湿式电除尘器应用场合为车间的脱硝催化剂生产窑炉烟气深度治理；治理污染物为粉尘、气溶胶、雾滴；烟气量1万m3/h；烟气温度50℃～70℃；入口浓度55mg/Nm3；出口浓度小于5mg/Nm3；除尘效率为90%。

2.4 测试结果

排放浓度4.3mg/Nm3；设备阻力185Pa；雾滴去除率78.7%。

3 湿式电除尘器运行数据

3.1 工频恒流源

工频恒流源高压直流电源的控制过程是通过对运行电压变化趋势的反馈与预置值进行比较，以决定L-C投入数量。自身没有过多的电子元器件，结构简单，可靠性高；抗冲击能力强，能承受瞬态和稳态短路，输入输出电压为接近正弦波，为调幅控制方式，转换效率高，不干扰电网。

工频恒流源早期在化工行业电除雾器上应用较多，湿式电除尘器也有应用案例。

3.1.1 空载运行

工频恒流源最多允许过载20%。二次电流可以运行在120mA。工频恒流源空载升压数据见表1。

表1 工频恒流源空载升压数据

从表1中只能看到5组数据，这是因为100mA的电源设有5个档位，也就是说电源运行时只有5个状态选择。大容量电源档位多达数十个。表1中所示全部投入时，二次电压为45kV，二次电流为108mA。

工频恒流源空载V/I曲线见图1。

图1 工频恒流源空载V/I曲线

3.1.2 带负载

工频恒流源带负载升压数据见表2。工频恒流源带负载V/I曲线见图2。

表2 工频恒流源带负载升压数据

图2 工频恒流源带负载V/I曲线

从表1和表2中可以看出两者的运行数据很接近，说明湿式电除尘器在冷态和热态运行时的负载特性很接近。验证了湿式电除尘器线电流密度的选择普遍都在0.6mA以上。

3.1.3 喷淋冲洗

如图3、图4所示，开启喷淋冲洗，管道压力设定为0.2M～0.25MPa，约5秒后电场出现闪络放电，电源检测到放电后，通过L-C逐级下调电场运行参数，电压稳定在一个区域内，在此期间电场仍有零星放电发生。喷淋冲洗结束后，电源自动回复到原设定的参数上运行。喷淋冲洗期间二次电压可维持在25kV左右运行。

图3 喷淋清洗时二次电流

图4 喷淋清洗时二次电压

3.2 调幅高频电源

为了与恒流源调幅模式做比较，特意选择调幅控制模式的高频高压电源进行比对。调幅高频电源与常规高频电源的不同在于采用母线电压调节模式控制输入变压器一次电压，其电流波形是连续的，仅是幅度的变化，与工频恒流源相似，有别于常规调频高频电源。这有利于湿式电除尘器喷淋时对大电流的需求和有效控制。

调幅高频电源空载V/I曲线见图5。

图5 调幅高频电源空载V/I曲线

3.2.1 空载运行

调幅高频电源空载升压数据见表3。

表3 调幅高频电源空载升压数据

在额定容量放开运行时，二次电流可达300mA，二次电压可达61kV，有利于提高湿式电除尘器收尘率。

3.2.2 带负载

调幅高频电源带负载升压数据见表4。调幅高频电源带负载V/I曲线见图6。

表4 调幅高频电源带负载升压数据

图6 调幅高频电源带负载V/I曲线

从表3和表4中，可再次看出两者的运行数据很接近，说明湿式电除尘器在冷态和热态运行时无论用何种高压电源，其负载特性都很接近。

3.2.3 喷淋冲洗

如图7、图8所示，开启喷淋冲洗后，出现闪络放电，高频电源检测到放电后，也采用控制软件逐级下调电场运行参数的办法来规避电场放电，减少火花的发生。喷淋冲洗结束后，高频电源也是自动回复到原设定的参数上运行。其回复过程的曲线相对工频恒流源相对平滑，线性度较好，电压上升率更快。喷淋冲洗期间二次电压可维持在25kV左右运行。

图7 喷淋清洗时二次电流

图8 喷淋清洗时二次电压

4 湿式电除尘器运行试验小结

（1）湿式电除尘由于运行于饱和水汽状态下，其导电介质是水分子，因此其运行电流很大，与电除尘空载电流几乎一致。所以选择高压电源应选择易出电流的电源，工频恒流源和调幅高频电源就属于此类电源。

（2）湿式电除尘电源选择应以电流为主导，该试验台极配方式其线电流密度达0.7mA/m2，调幅高频电源线电流密度甚至还可高达1.5mA/m2以上。

（3）湿式电除尘器由于存在喷淋及水汽的影响，导致运行过程中较易出现闪络和瞬时短路现象，因此其配套高压电源应具备较强的抗短路冲击能力，工频恒流源和调幅高频电源相对于其它电源具有较好优势。

（4）同等条件下可以看出，调幅高频电源较工频恒流源更易出电流，同等电压下是工频恒流源的1.2倍。这对于提高收尘效率是有益的。

（5）工频恒流源相对于调幅高频电源而言，其对于闪络的控制能力明显弱于调幅高频电源，恒流源对于工况要求较高的场合其火花控制方式有一定的局限性。

（6）湿式电除尘器高压电源应充分考虑水喷淋系统对高压的影响，尽量减小喷淋电压对除尘效率的影响，对于闪络恢复时间和恢复电压与干法电除尘不同，应尽量避免连闪和跳闸现象的发生，这两种电源都可以胜任。

（7）从上述数据可以看出，一样的电场，在输出同等电流时两种电源所输出的二次电压是不一样的。很明显，调幅高频电源所输出的二次电压更低，工频恒流源要输出更高的二次电压。这说明调幅高频电源在输出一样的二次电压时所产生的二次电流比工频恒流电源要高出1.2倍以上。选用调幅高频电源在同样的电场能输出更大的电晕功率，当然有更好的收尘效果。

由于蜂窝式湿式电除尘器内部聚尘板、冲洗管道等结构的材料的特殊性，要求电场内尽量减少火花，以保护电极不被灼伤。使湿式电除尘器能长期可靠、稳定运行。所以对供电电源的控制特性提出了更加苛刻的要求：

1）当电场有火花发生时，控制电源能及时捕捉火花并及时封锁输出。

2）火花熄灭后能迅速恢复二次电压的输出，此电压值为闪络点电压值的降一档值而不是到达闪络点电压值，防止马上又产生第二个火花。

3）在闪络点电压值降一档值的电压运行一定时间，如果没有新的火花发生，则二次电压自动上升一电压档，再运行一定时间，如还是没有火花发生，则二次电压再自动上调一电压档，直到二次电压或二次电流到达设定值。

在试验中工程人员首先用工频恒流电源给湿式电除尘器供电，运行过程中发现工频恒流电源基本上能满足湿式电除尘器对供电电源的特殊要求，但也发现了恒流电源的几个在控制特性上的致命问题：

1）火花捕捉不够灵敏，当工程人员听到电场有火花放电的声音，而且控制柜表头也在摆动时，恒流电源却不能及时捕捉到火花，二次电压电流都没能及时下降，导致电场内出现连续的放电和火花。

2）有出现假闪现象，当个别火花被捕捉到后，二次电流有时下调一级，有时下调两级，这时在稳定运行过程中电场没有再放电时却发现恒流电源自动误把二次电流又下调，甚至把二次电流输出下调到零，然后再慢慢上调。

3）恢复时间慢，工程人员发现每次二次电流下调一级后再恢复到上一级电流时所需时间大约有一分钟，不利于收尘。

4）每次调节的电流和恢复时间都是不变的，说明其不能自动调节。

选用国内企业研发的调幅高频电源后，运行中发现其控制特性远远优于恒流电源：

1）火花捕捉极为灵敏，对于小火花及爬电产生的火花都能完全捕捉，而且每分钟内产生的火花数都有显示。因其是峰值可变可控，有利于控制火花的发生，保护导电膜。

2）封锁迅速，调幅高频电源能在捕捉到火花后微秒级内迅速关断调压和IGBT的输出，使得电场不会出现二次火花或连闪。

3）恢复时间短，火花熄灭后，二次电压能在10ms内迅速恢复到闪络电压的下一级电压，并保持住一定时间。

4）每次调节的电压及恢复时间都可通过上位机或触摸屏任意更改，可适应不同的烟气工况。

5）当电场在冲水时出现短暂的电场短路现象时，调幅高频电源能及时封锁输出，并保持正常工作，不会出现短路或报警跳闸。

通过对两种供电电源实际运行的对比分析得出：调幅高频电源控制的特性远远高于工频恒流电源，能保证湿式除尘器得到最大的电晕功率，得到更高的除尘效率。

5 调幅高频电源的特性

调幅高频电源是厦门某环保企业自主开发的新型电除尘器高频电源，克服了调频高频电源适应能力差、二次电流不连续、对有些工况连续输出功率小、调频效率低的不足，能适应老旧电除尘设备的改造。其特性有：

（1）采用母线电压控制技术，使得输入高频变压器的一次输入电压可变，二次电压运行于闪络点附近，可满足电除尘器动态变化的需求。

（2）调幅调压模式使得高频逆变可维持设计开关频率20kHz长期运行，保证变压器转换效率大于93%，保证高频变压器长期工作于设计频率，不受工况变化影响。

（3）采用纯直流供电、连续电流模式，能提供最大电晕电流，克服了调频模式无法实现连续电流供电的弊端。

（4）峰值可变可控，火花击穿取决于电压峰值，由于峰值可控，减少了不必要的火花，运行稳定可靠。

（5）闪络控制由调幅和调频共同作用，电流冲击小，恢复快速可靠，可适用于复杂变化工况使用。

（6）开关频率不变，变压器不会出现偏励磁，加之变压器的线包结构特殊，所以温升低，运行特别可靠。

（7）双层壳体设计，能保证户外运行的稳定和可靠，能适用于恶劣环境和工况。

（8）相同工况条件下，调幅高频电源比调频电源电晕功率大10%，对于复杂工况电晕功率可大于20%，效率提高10%以上。

（9）具有完善的保护功能：闪络、开路、短路、过载、欠压、IGBT过热、油温过热及通讯失败等处理及报警，远程控制操作并有显示。

（10）在各种不同的烟气工况条件下性能稳定、故障率低，产品在出厂前已调试好，现场安装简便，只要将三相电源线、地线、通讯线接好，就可正常运行，不需工程人员现场调试。

6 结语

通过给湿式电除尘器提供高压电源的调幅高频电源和工频恒流电源的运行特性比对，从适应湿式电除尘器运行要求的角度分析了两种控制电源的特性和优势，分析各种控制模式的特性以及优缺点，为湿式电除尘器厂家选型控制电源提供了参考。

（略）