浅谈更换除尘电源的技术经济合理性

李国玉，孙淮浦

（上海激光电源设备有限责任公司，上海 201821）

节能是我国可持续发展的一项长远发展战略，是我国的基本国策。电除尘电源是电除尘系统中的核心装置，为电除尘提供高压电场。高频恒流高压直流电源是惯性约束核聚变能源系统中的核心单元技术之一，由上海激光电源设备有限责任公司2008年研发，2010年用于惯性约束核聚变项目，并在2013年用于静电除尘器。采用高频恒流高压直流电源替换传统的单相可控硅电源必然会带来有功电量和无功电量的节约，但需要增加投资。因此存在着增加投资回收年限问题，是否值得更换新电源，在技术经济上是否合理。本文从电源运行经济性上分析更换新电源是合理的[1]。

1 高频恒流高压直流电源与单相可控硅电源的区别

如图1所示，可控硅电源主要是通过两个反向并联的可控硅控制高压整流变压器一次侧电压，整流变压器将该电压升压后经高压硅堆整流得到所要求的直流电压。

图1 单相可控硅电源系统框图

如图2所示，高频恒流高压直流电源由工频三相交流电输入，经三相整流桥变为两相电压源，再经过逆变器逆变成为高频交流电压源，通过恒流组件进行V/I转换把高频交流电压源转化为近似正弦的高频交流电流源，再经升压变压器将高频交流电流源转化为高频高压交流电流源，最后整流输出为高频恒流高压直流电源。

图2 高频恒流高压直流电源系统框图

由于高频恒流高压直流电源变压器铁芯采用的是二代纳米晶，单相可控硅电源变压器铁芯采用的是硅钢片，传统的硅钢片不仅损耗大，而且饱和磁感应值较低，铁芯的体积和重量较大，铁损较大[2]。变压器的铁损为：

式中：P0——变压器的铁损，W；

KC——工艺系数；

PC——铁芯材料的单位损耗；

GC——铁芯质量，kg。

同样72kV/1.2A的铁芯，工频变压器使用的铁芯的质量是高频变压器的15倍左右，因此高频变压器的铁损远远小于工频变压器的铁损。

纳米晶铁芯磁导率相比硅钢片高很多，是铁氧体的10倍以上，所需激磁功率降低，减少了高压包和低压包的匝数，减少了所用铜线的长度和质量，降低了铜线的电阻值，因此降低了变压器的铜损，而铜损占了变压器总损耗的70%左右，变压器铜损为：

式中：Pcu——变压器的铜损，W；

I——运行电流；

R——铜线阻值。

从上面可以看出，变压器使用纳米晶材料，大大降低了变压器的损耗。

下面则通过电源短路损耗和开路损耗说明两种电源的能耗对比。

2 两种电源的能耗对比

在分析电源损耗时，常用空载试验时视在功率S0和短路试验时视在功率SK反应电源的能耗。电源在空载时输入的视在功率S0为：

式中：S0——视在功率，kVA；

I0%——空载电流百分比；

SN——变压器额定容量，kVA。

如果选用的电源的规格为72kV/1.2A，可控硅电源的空载损耗S0=10*72kV*1.2A*10-2=8.64kVA。

高频恒流高压直流电源空载电流百分比为5左右，如果选用的电源的规格为72kV/1.2A，高频恒流高压直流的空载损耗S0=5*72kV*1.2A*10-2=4.32kVA。

电源在短路时输入的视在功率Sk为：

式中：Sk——变压器在断路试验时的视在功率，kVA；

Uk——短路电压百分比；

SN——变压器额定容量，kVA。

可控硅电源短路电压百分比为15左右，如果选用的电源的规格为72kV/1.2A，可控硅电源的短路损耗Sk=15*72kV*1.2A*10-2=12.96kVA。

高频恒流高压直流电源短路电压百分比为8左右，如果选用的电源的规格为72kV/1.2A，高频恒流高压直流电源电源的短路损耗Sk=8*72kV*1.2A*10-2=6.91kVA。

电源在实际的运行过程中，损耗为短路损耗和空载损耗之和，空载损耗一直存在[3-6]，且基本保持不变，而短路损耗与电源负载率有关，如果负载率按70%，短路损耗与负载率的平方成正比，则单台电源1小时节能如表1。

表1 单台电源1小时节能

3 电源的回收年限

更新高频恒流高压直流电源可以节省有功电量和无功电量，但是增加了投资。因此存在着需多少年才能收回更换电源的费用。电源也并不是损坏后才需要更新，而是电源使用到一定年限后，即使有一定剩余价值时也可以更新。电源的使用年限一般按照20年计算，随着电源运行年限的增长，电源的剩余价值计算如下：

式中：WJ——旧电源剩值，万元；

ZJ——旧电源的投资，万元；

Cn%——折旧率，%；

TY——运行年限，年。

如果此台单相可控硅电源已经运行了10年，此台电源初始投资10万元，则旧电源剩余价值如下：WJ=10-10×5×10×10-2=5万。

更换新电源后，回收年限计算如下：

式中：TB——电源回收年限，年；

Zn——新电源购价，万元；

Gd——每年节约电费，万元；

GJ——旧电源残余价值，可取原购价的10%。

如果新的高频恒流高压直流电源投资为15万元，而旧电源剩余价值为5万元，旧电源残余价值为1万元，工业用电电费按照1元/kVA，则每年节约电费为63948×1=63948元，约为6.4万元。则电源回收年限。

根据钢铁企业电力设计手册，一般建议，当计算的回收年限小于5年时，电源应立即更新为宜，而经过计算对于用了10年的单相可控硅电源，更新电源的回收年限仅为3年，因此直接更换新电源为宜。

河北武安某钢铁厂，某台烧结机，单室三电场，电源规格为80kV/1300mA，以第二电场运行数据为例，实际回收年限如表2。

表2 单台电源回收

根据实际运行参数，运行10年的单相可控硅电源被更换后，一台新的高频恒流高压直流电源的投资3.1年可以回收，与理论计算基本一致。

4 结语

我国是能源资源严重短缺的国家，节约资源是我国的基本国策，使用高频恒流高压直流电源代替使用时间较长的单相可控硅电源对于国家来说节约了能源，对于企业来说节省了成本。经过分析，使用了10年的单相可控硅电源宜更换为高频恒流高压直流电源。按照上述计算方法，即使刚使用一年的单相可控硅电源更换为高频恒流高压直流电源3.6年也可以收回成本，因此在用的单相可控硅电源宜更新为高频恒流高压直流电源。