提高高比阻粉尘除尘效率的电源设计方案

杨明印，张连永

(1.华电国际十里泉发电厂，山东枣庄277100； 2.济宁技师学院机电系，山东济宁272000)

提高高比阻粉尘除尘效率的电源设计方案

杨明印1，张连永2

(1.华电国际十里泉发电厂，山东枣庄277100； 2.济宁技师学院机电系，山东济宁272000)

火电厂在降低排烟温度、获得较高燃烧效率的同时，导致烟气中粉尘的比电阻升高。高比电阻粉尘易引起反电晕现象。为了避免静电场反电晕造成的除尘效率的下降，提出了一种直流加脉冲的除尘供电电源。直流电源一方面能够产生临界击穿电场的电晕电压；另一方面在抑制反电晕期间能够为静电场提供足够的迁移能量，瞬时冲击脉冲电源能够使电场中的电子与离子获得足够的能量，有利于扩散和粉尘荷电。两种电源经过耦合作用在除尘器上，能够很好地抑制反电晕现象。此外，还给出了此种电源的硬件设计与控制方法，最后的仿真实验进一步证明了该方案的可行性。

静电除尘原理；反电晕；晶闸管相控调压；脉冲电路；控制系统设计；仿真验证

0 引言

电除尘技术作为治理烟气粉尘污染的主要技术手段，自投入工业使用一个世纪以来，以其技术成熟、结构简单、运行维护方便和适应性强等特点，已在电厂烟气治理中得到了广泛应用。随着节能环保要求的提高，电厂在降低排烟温度，获得高燃烧效率的同时，更应该保证烟气的达标排放。但是，随着排烟温度的降低，烟气中粉尘的比电阻升高[1]，高比电阻粉尘容易引起反电晕现象，不利于除尘效率的提高。传统的除尘电源在处理高比阻粉尘时效果不是很明显，改进的间歇脉冲供电方式虽然能够很好地抑制反电晕现象，但是平均输出电压较低，不足以为静电场提供足够的迁移能量，限制了荷电粉尘迁移速率，降低了除尘效率。因此，为了实现电厂烟气的超净排放，研究具有适配输出特性的除尘电源对提高除尘效率有着重要的理论与实践意义。

1 静电除尘原理和设计依据

静电除尘的原理是利用静电场力将烟气中的粉尘除去，其工作过程大致可以分成三个阶段：气体电离、粉尘荷电和振打清灰。高压电源作用在线型电晕极上时，电晕极附近的气体发生电离，在电场力的作用下自由电子、负离子向集尘极运动，当带有粉尘的烟气通过此电场时，粉尘就会荷电，荷负电的粉尘在电场力的作用下向集尘极迁移，最后落在极板上，当集尘极的粉尘达到一定厚度时，就用振打或者声波清灰的方法将其清除。

烟气的温度、湿度、粉尘成分发生变化时都会引起粉尘比电阻的变化，高比电阻粉尘荷电后到达收尘极后不易释放电子，当粉尘层中的电场强度大于其临界值时，就会产生局部放电现象，产生异号空间电荷，中和空间负离子。反电晕易造成二次扬尘[2]，使除尘效率显著下降。

(1)

式中：μ为气体的粘度；dc为尘粒的直径；ω为尘粒与气流在横向的相对运动速度。

当粉尘受到的电场力与空气阻力平衡时，粉尘离子做横向运动，此时的驱进速度为：

(2)

由效率公式可知，当粉尘性质一定时除尘器的除尘效率完全取决于粉尘的驱进速度。通过对除尘效率公式的推导发现，粉尘的驱进速度又与静电场的平均电场强度的平方成正比[3]。因此，在粉尘其它性质一定的情况下，提高除尘器的电晕电压能够大幅度的提升粉尘的驱进速度，进而显著提高除尘器的除尘效率。但是，电场电晕电压的提高受到电场临界击穿电压的限制，电晕电压太高就会使电场绝缘介质击穿发生弧光放电，严重的会损坏除尘设备。此外，一味的提高电场平均电压对于高比阻粉尘易引起反电晕现象，降低除尘效率。电晕电压过低就会使得电场能量大部分用于电子与离子的激发，而电子、离子自身获得的热运动能量相对较少，驱进速度不快，除尘效率不高。直流+脉冲供电时，脉冲接通期间，由于瞬间电压较高，电子在冲击脉冲电晕场中获得的热运动能量较大，有利于扩散荷电，其次直流基电压在正常工况下能够维持输出电压略低于电场击穿电压运行，提高除尘效率；在高比阻粉尘情况下能够降低输出电压，很好的抑制反电晕的发生。总之高能量瞬时脉冲电源在非闪络工况下能提高粉尘的荷电量与驱进速度。因此，直流+脉冲输出特性是较理想的供电方式，对于提高除尘效率抑制高比阻粉尘的反电晕现象有着重要的理论与实践意义。

2 基础电源

本设计采用三相晶闸管相控调压整流电路作为基础直流供电电源，主要考虑其性能可靠、结构简单、技术成熟，输出电压纹波系数小。电路原理图如图1所示。主要是由三相交流调压电路、高压硅堆整流变压器、电压抑制电路等部分组成。380V的工频电源经三组两两反并联的晶闸管调压后，再经高压硅堆整流变压器升压整流，最后输出为一个周期内有6个波头脉动的高压直流电。通过调节晶闸管的导通角，可以调节输出直流电的大小进而调节加在ESP上的电晕电压的大小。

图1 三相交流调压主电路原理图

为了电路安全考虑，设计了具有瞬态电压抑制功能的电路。电容C值很小主要是利用其交流特性来抑制突变电压，电阻R防止因LC电路振荡产生的过电压，并能降低回路电流，减小损耗。

3 高能量脉冲电源

为了获得高能量的冲击脉冲，使静电场电荷获得较高的能量，本文设计了一种产生高频脉冲的拓扑结构，其原理图如图2所示。三相380 V工频电源经不可控整流桥给电容C0充电，由于C0的电容比较大其输出电压为直流电压。T1导通时电容C0给电容C1充电，电容C0给电容C1充电时，电路中形成低压脉冲，并且将能量储存在电容C1上。T1关断，T2导通期间电容C1给脉冲变压器副边的电容C2充电，电路中形成的脉冲经脉冲变压器升压后形成高压脉冲，并且将能量存储在电容C2上。高压脉冲再经过气体击穿火花隙开关和TLT(变压器传输线)进行进一步压缩，变成具有冲击效应的高能窄脉冲，最后注入到除尘器本体。总体来说脉冲电源是由不可控整流桥、谐振式两级充放电回路、脉冲变压器和脉冲压缩电路等部分组成。

图2 高频脉冲主电路原理图

开关管周期性的开通与关断，导致电容周期性的充放电是低压脉冲形成的关键，而高能脉冲的频率就是通过控制晶闸管触发信号的频率进而控制开关管周期性的通断来实现的。两级充放电系统中通过LC倍压谐振不但能够提升脉冲电压幅值还能够实现开关管的软关断[4、5]，T1、T2开通时谐振电流为零开关管是软开通，当谐振电流过零后的任意时刻关断T1、T2都能实现开关管的软关断。为了获得具有冲击效应的高能窄脉冲，本设计采用气体火花隙开关配合TLT传输线对脉冲进行压缩[6]。首先利用气体火花隙开关具有延时击穿和重复频率高的特点，实现对脉冲的压缩；其次利用传输线变压器根据输入端阻抗与输出端阻抗比例来实现电压变换的特点，采用两级输出线变压器，输出线变压器的输入端采用并联，输出端采用串联对脉冲进行等幅值压缩。

4 直流—脉冲电源控制系统设计与仿真

图4 同步电压形成电路

电源控制系统能够实现电除尘过程的自动控制，能够根据实时工况改变除尘电源的电压电流的输出，使除尘器的除尘效率达到最佳[7]。此外，还能够根据判据判定除尘器过电压、过电流与闪络等故障的发生，封锁输出保护设备。本设计采用微控制芯片dsPIC30F6014A[8]为中央控制器，实现对直流+脉冲除尘电源的智能控制，主要是有同步电压捕捉、模拟量输入通道、数字量输出通道、可控硅触发信号、故障保护及与外界通讯等模块组成。硬件设计原理图如图3所示。在三相调压电路中，能够及时正确的捕捉三相电压的过零点是晶闸管能够可靠导通的基础，这是因为只有当晶闸管承受正向电压并且门极有触发脉冲的情况下，晶闸管才能导通。因此，电路设计中应该有同步电压的过零检测电路[9]，图4为A相同步电压形成的电路图，在A端子输入的是正弦波信号，从端子IC1输出的是方波信号，输入到控制器的同步信号捕捉模块，作为晶闸管触发脉冲输出的判据。

为了实现较好的除尘效果，应该控制除尘器的输出电压尽量接近闪络电压，并能实现一定的闪络率。本设计采用以控制重建电场电压的上升率为方法的最佳火花频率控制。正常情况下高频窄脉冲配合基础直流电源的升压与稳压输出，闪络情况下高频窄脉冲与直流电压封锁输出，延时一定时间待静电场绝缘介质恢复后基础电源按照一定的电压上升频率重新建立电场电压。反电晕情况下直流基础电压下降到能够维持电场迁移能量最低电压使高比阻粉尘在集尘极能够顺利的释放电子，高频窄脉冲全功率输出以保证足够的扩散荷电能量，通过两种电源的相互配合保证反电晕情况下除尘器有较高的除尘效率。

图3 控制系统硬件设计原理图

为了验证本方案的可行性，利用Matalab/Simulink中Power System工具箱[10]搭建了直流+脉冲电源电路，进行了仿真实验，其输出电压波形示意图如图5所示。

图5 输出电压波形示意图

5 结论

通过仿真实验发现基础电源三相调压控制角的移相范围是0°～150°，高频冲击电源当开关频率在300～800 Hz变化时其脉冲宽度基本不变，高比阻粉尘情况下直流电源输出电压平均值为40 kV能够维持基本的起晕电压与迁移能量，高能量脉冲电源的输出频率能达到800 Hz，输出瞬时电压能达到120 kV，能够为静电场提供足够数量与能量的电子与负离子。仿真试验不但证明了本设计的可行性，还进一步证明了直流+脉冲的静电除尘供电方式不但能够提高正常工况下的除尘效率，而且对高比阻粉尘的反电晕现象也有很好的抑制效果。

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Power Supply Design to Improve the Dust Collection Efficiency of High Resistivity Dust

Yang Mingyin1, Zhang Lianyong2

(1. Shiliquan Power Plant, Huadian Power International Corporation Limited, Zaozhuang 277100, China; 2. Electrical Technician Department, Jining Technician College, Jining 272000, China)

Specific resistance of dust in fumes rises while power plants try to reduce the temperature of smoke removal and gain higher combustion efficiency. The high specific resistance dust can easily lead to anti corona phenomenon. In order to avoid losing dust collection efficiency for anti corona electrostatic field, this paper proposes a kind of power supply of ESP which combines DC Power supply with pulse power supply. DC power supply, on one hand, can produce corona voltage. On the other hand, it can supply enough migration energy for electrostatic field and lash pulse power supply instantly to supply electron and ion with enough energy. It helps dust changes to diffuse. Two power supplies coupling on the filter can suppress the anticorona sufficiently. Moreover, this paper provides the hardware design and control method of this type of power supply. And the final simulation experiments have further proved the feasibility of the plan.

electrostatic precipitator principle; anti corona; thyristor phase control voltage; pulse circuits; control system design; simulation

2015-05-14。

杨明印(1985-)，男，助理工程师，从事集控运行电气设备运行工作,E-mail：mingyin1003@126.com。

TM315

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.07.013