电除尘器高频电源和脉冲电源应用分析

周建伟，顾立群

（宝山钢铁股份有限公司电厂 上海 201900）

近年来随着国家对环保的日益重视，节能减排工作已被提高到一个新的高度。作为主要的用煤用户，火电行业承担着节能减排巨大的压力［1-2］。随着环保排放标准的逐步提高，人们必须考虑进一步提高电除尘效率［3-4］。静电除尘器（ESP）简称电除尘，是利用高压直流电源产生的强电场使气体发生电离，即产生电晕放电，进而使含尘气体中的粉尘粒子荷电，并在电场力的作用下，将粉尘粒子从气体中分离出来并加以收集处理的除尘装置［5］。除了本体设备、极配、电场结构等不断优化改进外，由于电除尘电场的工作能量由供电电源提供，因此电除尘电源的性能优劣将直接影响除尘效率以及供电能效［3-6］。目前，电除尘主要使用的是晶闸管控制高压硅整流电源，一般由检测控制系统、变压器和整流器（T/R）装置组成，采用单相工频（50 Hz/60 Hz）交流电源，简称工频电源。近年来人们又研究开发了许多新型电源并逐步应用，主要有：恒流源、三相电源、脉冲电源、高频开关电源等［5,7-9］。目前市场上主推的是高频电源和脉冲电源，尤其是高频电源，其开发运用广泛。

本文通过宝钢电厂1、2号机组现役电除尘器高频电源和脉冲电源的工程设计、安装、调试和运行维护的实践阐述两种新型电源的供电特性以及对提高除尘效率的应用机理。

1 高频电源与脉冲电源供电特性分析

1.1 高频电源

高频开关电源简称高频电源，通过工频交流—直流—高频交流—高频脉动直流的能量转变形式，供给电场一系列窄电流脉冲，一般脉冲宽度在 20～50 μs，脉冲频率在 20～50 kHz［9］。如宝钢电厂选用的某进口高频电源脉冲频率50 kHz，脉冲宽度20 μs，额定二次电压70 kV，额定二次电流1 700 mA，其工作原理示意图如图1所示，其中IGBT为绝缘栅大功率晶体管。其主要供电特性如下：

图1 高频电源原理示意图Fig.1 Schematic diagram of high frequency power supply

（1）在高频脉动直流供电方式下，输出电压的峰值与谷值几无差异，即二次电压平均值高，可提高除尘效率。平均电压基本上就是击穿电压，比工频电源平均电压约高30%，因而可增加粉尘荷电，从而提高除尘效率。对于中低比电阻粉尘，向电场内注入的能量明显高，增强对粉尘荷电能力，二次电流约为工频电源的1.5～3倍。

（2）快速的火花处理能力，即当电场内发生火花闪络时能快速恢复电场电压，保持除尘性能稳定。因高频电源的每个脉冲时间很短，一旦检测到火花可以立刻关闭供电脉冲，因而火花能量很小，等待电场恢复的时间就少得多，相较工频电源恢复速度约快10倍。

（3）高频电源可对其电流脉冲进行控制，其脉冲幅度及频率均可进行调节，因而可形成任意的电压和电流波形，以适应电除尘不同工况的需求。例如在电除尘后级电场如三、四电场等，随着粉尘浓度的减少，需要的荷电功率就较小，电源供电能量大部分被浪费。在此情况下，高频电源可采用特殊的供电方式——间歇供电方式，从而保持电除尘效率的同时节约大部分的电能。

（4）高频电源实质上提供的是一系列频率极高宽度极窄的电流脉冲，根据文献［10］得知窄脉冲电流有利于提高粉尘荷电能力，因此对高比电阻粉尘荷电是有利的。但在高频电源直流供电下，电晕电流大的特点却易引发反电晕，因此一旦发生反电晕高频电源就显得力不从心，必须切换到间歇方式。因高频电源间歇供电频率远高于工频电源，且频率和幅值可调，因此抑制反电晕较工频电源有效，但采用间歇脉冲方式是以降低平均电压和平均电流为代价，其实质是提高了粉尘的荷电能力而降低了荷电粉尘向收尘极板迁移的能力［11］。

总之，高频电源在高浓度及不易荷电的烟尘条件下，其供电能力明显比工频电源强，因此除尘效率得以提高。

1.2 脉冲电源

脉冲电源供电技术是20世纪80年代发展起来的一种先进的电除尘供电技术，它不仅能使含尘气体得到更充分的荷电，从而提高除尘效率，而且能有效地抑制高比电阻粉尘引发的反电晕现象，提高了电除尘对高比电阻粉尘的处理能力［3］。

脉冲电源一般是向电除尘电场提供两组叠加的高压电源，即在一定幅值的直流电压（基础电压）的基础上叠加一定的重复频率、宽度较窄而电压峰值又很高的脉冲电压。宝钢电厂选用的某脉冲电源额定基础电压60 kV，额定二次电流600 mA，脉冲宽度75 μs，脉冲幅值10～80 kV可调，重复频率2～100 Hz可调。

大量的研究［12-14］表明，电除尘采用脉冲供电可提高效率，降低能耗。这是因为脉冲供电提高了峰值电压，通过改变脉冲频率可使电晕电流在很宽的范围内调节，因此有利于捕集易产生反电晕的高比电阻粉尘。电压脉冲宽度对平均电晕电流的影响很小；电压脉冲上升时的初始电晕电流比脉冲峰值时的电晕电流大得多，这说明大部分电荷是在电压脉冲上升时产生；脉冲电压峰值与总电荷呈线性关系，脉冲峰值越高，产生的总电荷越多，平均电晕电流越大。脉冲电源能有效抑制高比电阻粉尘引发的反电晕现象，使电除尘在高比电阻粉尘工况下能较好地运行，同时其稳定的基础电压可确保荷电粉尘向极板顺利地迁移而被收集［13-14］。

2 案例介绍

电除尘技术中高频、脉冲电源的应用取得了良好的业绩［15］。本文以宝钢电厂1、2号350 MW机组上的除尘改造为例，介绍高频除尘和脉冲除尘的节能减排效果。

2.1 改造方案

宝钢电厂1、2号350 MW机组系20世纪80年代初投产运行，锅炉按煤与高炉煤气混烧设计，配置了两电场电除尘，电源采用工频电源，在锅炉燃用设计、校核煤种范围内下粉尘排放质量浓度小于等于200 mg·Nm-3。随着设备运行年限的延长以及燃烧煤种的变化，当前实际运行排放质量浓度一般在200～300 mg·Nm-3，最大可达500 mg·Nm-3，这显然不能满足现行环保排放标准。为此，电厂结合现场位置空间布置情况、机组年修时机和环保排放政策或标准预期提升等考虑分两步进行改造：第一步利用现有位置空间将两电场更新改造为三电场，电场有效高度从12 m提高至14 m；第二步将引风机搬迁后移，再扩建两个电场，最后形成五电场电除尘器，其中每个电场分两个室进行分区供电。2011年实施了第一步改造，采用高频电源，改造后排放质量浓度小于等于100 mg·Nm-3；2013年实施了第二步改造，采用脉冲电源，改造后排放质量浓度在20 mg·Nm-3左右。完成全部改造后电除尘主要规格参数如表1所示，表中g为重力加速度。

2.2 改造调试过程及运行性能分析

宝钢电厂1、2号机组电除尘两步改造分阶段完成后，高频电源和脉冲电源先后投入运行。高频电源投运后，运行二次电压和电流大为提高，如一电场电压基本稳定在60 kV，电流达到600 mA以上，二、三电场电压稳定在65 kV以上，电流可达到1 500 mA，这说明电晕功率足够高。在试运行期间，通过后部烟道在线烟气自动监控系统（CEMS）对粉尘进行监测，粉尘监测记录数据显示有周期性的尖峰现象。出现粉尘尖峰的时间与振打周期基本同步，且第一电场不定期地出现电压高电流小的极线电晕封闭现象。这说明振打方式和振打时序设置不尽合理，导致粉尘二次飞扬现象和极线极板清灰不及时。为此，对每个室的阴、阳极振打时序设置按照正交实验原则进行调整，且在不同场设置不同程度的降功率振打，降低了粉尘二次飞扬的影响。

表1 电除尘技术规格参数表Tab.1 Technical specifications of electrostatic precipitator

脉冲电源改造投运后，试运行过程中不同电场有不同分区的电源发生故障停运以及在第一、二电场观察到明显的反电晕现象。如在第一电场某分区高频电源故障停运且邻近分区发生反电晕现象，下游第二电场高频电源电压电流明显下降，但第三电场电压电流基本上维持在设定值，对应的下游脉冲电场分区的电压电流明显下降，脉冲功能自动切除。粉尘排放质量浓度在30～50 mg·Nm-3之间，停运第四、五脉冲电场，粉尘质量浓度在300 mg·Nm-3左右。若前三个电场运行正常，第四、五电场个别脉冲电源脉冲模块故障停运（基础电压部分正常运行），粉尘排放质量浓度在30～50 mg·Nm-3。

结合以上故障现象分析电源供电特性：

（1）在高频电源直流供电下，高电压大电流易引发反电晕现象，特别是处于第一电场高浓度粉尘条件下，电场内闪络频发加上清灰不及时导致的反电晕以及电晕封闭等多种因素，导致电压电流急剧下降和晃动，严重时电压电流接近于零，使整个电场几乎失去了工作机制。

（2）高频电源对极细粉尘的处理能力相当差。尽管电压电流运行数据较为理想，但实际上极细粉尘几乎可以毫无阻拦地通过，下游脉冲电源电场内发生的许多闪络足以证明这一点。

（3）脉冲电源电场内检测到明显增多的火花闪络说明其对极细粉尘的荷电能力强，但一旦发生大量闪络，脉冲电源首先关闭脉冲功能，从而变成了三相整流电源，其应对火花响应速度比单相整流电源还慢，导致其电场内基础电压和二次电流明显下降，除尘效率下降。

（4）脉冲电源中脉冲模块故障即脉冲电压作用失去后，除尘性能明显下降，说明脉冲电源实质就是以叠加的超高瞬间电压强化对高比电阻粉尘的荷电，其稳定的基础电压使荷电的粉尘迁移到极板并被收集。

高频电源能适应高浓度粉尘的处理，且处理的粉尘浓度范围比电阻范围更为宽泛，但由于其大电流的特性对高比电阻粉尘易引发反电晕，特别是对高比电阻细粉尘的处理能力较差；而脉冲电源处理高比电阻细粉尘有较为明显的优势，其原因为通过改变脉冲频率和脉冲电压幅值，可使电晕电流在很宽的范围内调节，平均电晕电流的大小决定了反电晕的产生与否，因此可使得平均电晕电流的大小低于反电晕产生的阈值，同时又能产生足够多的空间电荷使粉尘荷电。因此使用脉冲电源既可减小反电晕的产生，又可节能降耗。但对浓度较高的烟尘进行处理时电场一旦发生较高频率与能量的火花闪络，脉冲电源先切除脉冲功能，再降低基础电压和电流，因此其电场电压和电流会明显下降且恢复能力略显缓慢，特别在处理中低比电阻粉尘时更甚，影响了除尘性能的稳定。宝钢电厂采用的脉冲电源其实质就是三相电源叠加中频宽脉冲，因三相电源应对火花闪络恢复电场的响应能力比单相工频电源还差，所以一般将脉冲电源基础电压设置成远在发生闪络的临界电压之下，这实际上降低了平均电压。

2.3 电源选用分析

宝钢电厂采用高频电源和脉冲电源的组合技术对现有的电除尘进行改造，经过调试使电除尘出口粉尘排放质量浓度稳定在10～20 mg·Nm-3。烟气经过湿法脱硫装置进一步除尘后到烟囱排放，排放质量浓度基本上稳定在5～10 mg·Nm-3。改造取得了成功，并获得了宝贵的经验和教训，这对行业内电除尘高效升级改造起到启示和参考作用。

从电源技术上看，高频电源在处理高浓度中低比电阻粉尘时有明显优势，而脉冲电源更擅长处理较低浓度高比电阻细粉尘的。对于选择何种电源为佳，首先看除尘器进口粉尘浓度，其次依据工况条件下粉尘比电阻值来决定，如现有电除尘进行改造时最好对每个电场灰斗内的粉尘取样进行比电阻测量：

（1）进口粉尘质量浓度超过5 mg·Nm-3时采用脉冲电源不是很适合，主要原因是易引发火花闪络导致脉冲电源脉冲功能切除。另外，对于我国燃煤发电锅炉来说，几乎不存在电除尘进口粉尘质量浓度低于5 mg·Nm-3的情况，因此第一电场采用脉冲电源得不偿失。在其他行业如建材水泥或钢铁烧结烟气的处理中可直接将脉冲电源用在第一电场，而脉冲电源技术恰恰起源于这些行业。

（2）粉尘比电阻≤ 5 × 1011Ω·cm 时宜选高频电源，其在运行过程中经常发现有反电晕现象，并可切换到间歇供电方式运行，能实现自动切换则更佳。

（3）粉尘比电阻在 5 × 1011～1013Ω·cm 之间宜选脉冲电源。

（4）粉尘比电阻≥ 5 × 1013Ω·cm时，不管任何电源，均不能选用电除尘。

3 结 语

宝钢电厂1、2号机组除尘改造中将高频电源运用在一、二、三电场，改造后排放质量浓度≤100 mg·Nm-3，将脉冲电源运用在四、五电场，改造后排放质量浓度稳定在20 mg·Nm-3左右。

（1）高频电源和脉冲电源技术特性不同，高频电源适合处理高浓度中低比电阻粉尘，脉冲电源适合处理低浓度高比电阻粉尘。

（2）对于选择何种电源为佳，需根据除尘器进口粉尘浓度以及不同工况下粉尘比电阻来选择。