靜電除塵器高壓電源的發(fā)展趨勢(shì)探討

摘 要：靜電除塵技術(shù)自七十年代開(kāi)始發(fā)展，在大氣污染治理行業(yè)得到最普遍、最廣泛地推廣和應(yīng)用。隨著環(huán)保要求的日益提高，目前實(shí)施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），要求煙塵排放濃度標(biāo)準(zhǔn)≤30mg/Nm3。高壓供電裝置作為靜電除塵器的核心，其供電能力和特性在很大程度上決定了除塵器的效率和能耗指標(biāo)。文章介紹了單相高壓電源、三相高壓電源、三相高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的特點(diǎn)，指出三相高壓電源、高頻開(kāi)關(guān)電源是改造和新建靜電除塵器的首選供電設(shè)備。

關(guān)鍵詞：靜電除塵器；改造；三相高壓電源；高頻開(kāi)關(guān)電源

1 概述

靜電除塵器作為一種技術(shù)成熟的工業(yè)煙氣凈化設(shè)備，是國(guó)際上公認(rèn)的高效除塵設(shè)備，具有運(yùn)行可靠、維護(hù)方便及電耗低等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)在大氣污染治理中得到最廣泛地推廣和應(yīng)用。隨著環(huán)保力度加大，火電廠煙塵排放濃度越來(lái)越低，由200mg/m3降到50mg/m3；再到目前實(shí)施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），要求排放濃度≤30mg/Nm3。這就要求靜電除塵器的除塵效率在99.99%以上，為達(dá)此目的，靜電除塵器的電場(chǎng)數(shù)越來(lái)越多，選配的電源也越來(lái)越大。高壓供電裝置是靜電除塵器的核心，其供電能力和調(diào)節(jié)特性在很大程度上決定了除塵效率、能耗指標(biāo)和電網(wǎng)污染。目前，靜電除塵器高壓電源絕大部分采用單相380V工頻交流輸入，面臨著輸出排放達(dá)標(biāo)困難和電網(wǎng)污染的雙重挑戰(zhàn)。

2 靜電除塵器電源的發(fā)展

靜電除塵器是利用強(qiáng)電場(chǎng)電暈放電使氣體電離、粉塵荷電，在電場(chǎng)力作用下使粉塵從氣體中分離出來(lái)，其設(shè)備包括靜電除塵器本體、高壓供電設(shè)備、加熱器、振打清灰設(shè)備等。特點(diǎn)是：本體壓力損失小，一般為200～300Pa；能夠以較小的能量除去絕大部分的灰塵；對(duì)粉塵的特性較敏感，適宜的比電阻為104～5×1010Ω·cm； 靜電除塵器工作過(guò)程中電暈放放電、氣體電離、粉塵移動(dòng)都必須由強(qiáng)大可靠的電源做保障，高壓供電裝置是靜電除塵器的核心，其供電能力和特性在很大程度上決定了靜電除塵器的效率、能耗指標(biāo)和電網(wǎng)污染。為保證環(huán)保排放、節(jié)能降耗，可持續(xù)發(fā)展的客觀要求，從上世紀(jì)八十年代至現(xiàn)在，靜電除塵器在電源方面做了很多改進(jìn)，大致上可分為三種類型，最初的單相可控硅工頻相控電源、將輸入改為三相的可控硅工頻電源及近些年剛使用的高頻開(kāi)關(guān)電源。

3 單相可控硅整流電源

單相電源作為一種性價(jià)比很高的電除塵高壓裝置，被廣泛使用，在目前已投運(yùn)的靜電除塵器中占據(jù)絕大份額。

單相380VAC/50HZ交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)反并聯(lián)可控硅移相調(diào)壓，由變壓器升壓整流輸出高壓加到靜電除塵器，經(jīng)升壓和整流后的波形為100HZ脈動(dòng)信號(hào)，輸出二次電壓波形如圖1。這個(gè)技術(shù)90年代得到普遍推廣，運(yùn)行中主要有三大缺點(diǎn)：一是輸出電壓平均值比峰值低25%-35%，波形脈動(dòng)大，當(dāng)系統(tǒng)阻抗不匹配和在高濃度粉塵的工況下極易產(chǎn)生火花擊穿，容易出現(xiàn)高電壓低電流或低電壓大電流的不正常狀態(tài)，影響整體的除塵效率。二是工作頻率低，功率因數(shù)低，耗費(fèi)電能；理論計(jì)算效率只有70%，實(shí)際為65%左右。三是不平衡供電，單相電源輸入為380VAC/50HZ，其中兩相工作，另一相處于空載。在非三電場(chǎng)的靜電除塵器應(yīng)用中，相序無(wú)法匹配，存在著嚴(yán)重的缺相損耗。靜電除塵器選用的電源規(guī)格越大，不平衡問(wèn)題就越嚴(yán)重，越不利于供電電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高和節(jié)能降耗產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施，靜電除塵器的電場(chǎng)數(shù)越來(lái)越多，選配的電源也越來(lái)越大，單相電源自身原固有的技術(shù)缺陷也更加明顯的顯現(xiàn)出來(lái)，大部分已不能滿足環(huán)保排放的要求，對(duì)其實(shí)施全面改造以提高除塵效率已是迫在眉捷的問(wèn)題。

4 三相高壓硅整流電源

三相高壓硅整流電源采用三相380V交流輸入，通過(guò)三路六只可控硅反并聯(lián)調(diào)壓，經(jīng)三相變壓器升壓，三相橋式整流器，整流成一路直流高壓加到靜電除塵器。

三相電源的電氣工作原理決定了二次電壓平均值與有效電暈電流都得到提高，三相電源二次電流的疊加波形和疊加后的實(shí)際波形如圖2，三相電源的峰值電壓與平均電壓比接近5%。由于其輸出波形波動(dòng)小，電壓平均值接近于單相電源的峰值電壓。根據(jù)多依奇公式η=1-exp[-（A/Q）ω]（式子中的ω為驅(qū)進(jìn)速度，ω=βVPVAV，β為常數(shù)，VP二次電壓峰值，VAV為二次電壓平均值）可以知道：除塵效率與峰值電壓和平均電壓之積成正比。用三相電源可以顯著提高電壓平均值和有效電流平均值，從而有效地提高粉塵的荷電能力，提高除塵效率。

三相電源與單相電源比較有三個(gè)明顯特點(diǎn)：一是三相電源采用三相調(diào)壓、升壓和三相整流，各相電壓、電流、磁通的大小相等，相位上依次相差120度，有效地克服了當(dāng)前單相高壓電源缺相損耗和不平衡供電的弊端，有利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行；二是三相電源的工作最高電壓接近單相電源的峰值電壓，有效提高輸出電壓和電暈功率，進(jìn)而提高除塵效率；三是輸出電壓電流與單相電源一樣，仍有波動(dòng)，對(duì)高比電阻的煙塵較難達(dá)到最新環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

5 三相高頻開(kāi)關(guān)電源

電除塵用三相高壓供電技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際靜電除塵器供電的前沿技術(shù)，三相交流輸入整流為直流電源，經(jīng)全橋逆變?yōu)槿嘟涣?，隨后升壓整流輸出直流高壓。三相電源工作頻率可達(dá)40kHZ，主要包括三個(gè)部分：變換器、變壓器、控制器。其中全橋變換器實(shí)現(xiàn)直流到三相交流的轉(zhuǎn)換，三相變壓器/三相整流器實(shí)現(xiàn)升壓整流輸出。

三相380v50HZ或60HZ交流電源，經(jīng)三相整流濾波成約520v直流電壓，再經(jīng)IGBT模塊高頻20KHZ逆變，高頻變壓整流為70kv。輸出電流、電壓、反饋至控制器改變脈沖工作頻率或脈沖寬度經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)器送給IGBT全橋高頻逆變器以對(duì)輸出電流輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)路保護(hù)、短路保護(hù)、變壓器油和IGBT的過(guò)熱保護(hù)。三相高頻開(kāi)關(guān)電源的頻率可達(dá)40kHZ，相當(dāng)于常規(guī)工頻電源的800倍，其輸出電壓、電流接近于直線，圖3是高頻開(kāi)關(guān)電源輸出直流電壓波形。

從圖中可以看出：常規(guī)的單相可控硅工頻整流電源產(chǎn)生的輸出谷值電壓，比高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輸出直流電壓低25%。高頻開(kāi)關(guān)電源提供了幾乎無(wú)波動(dòng)的直流輸出，這使得靜電除塵器能夠以火花發(fā)生點(diǎn)電壓運(yùn)行，提高了靜電除塵器的供電電壓和電流，可使粉塵排放濃度顯著降低。神華集團(tuán)山西王曲電廠2013年11月至2014年7月率先在國(guó)內(nèi)600MW等級(jí)機(jī)組投運(yùn)的靜電除塵器上采用三相高效電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了提效、節(jié)能，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站測(cè)試煙塵排放濃度結(jié)果為1號(hào)機(jī)組煙塵排放濃度1.6mg/m3，2號(hào)機(jī)組煙塵排放濃度小于3.8mg/m3，達(dá)到了國(guó)家超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。三相高頻開(kāi)關(guān)電源具三相硅整流電源的一切優(yōu)點(diǎn)，能克服單相電源的固有缺點(diǎn)，同時(shí)又比普通三相電源具有更好工況適應(yīng)性好，更高的運(yùn)行電壓，接近全直流的輸出及火花控制特性。

6 結(jié)束語(yǔ)

新環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實(shí)施，新建工程須一次性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，已建工程大多達(dá)不到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，須進(jìn)行技術(shù)改造。如果單純擴(kuò)大靜電除塵器容量或者增加靜電除塵器數(shù)量，不僅花費(fèi)大量資金，占用更大空間，有些地方甚至不可能實(shí)行，三相高壓電源經(jīng)過(guò)近年來(lái)的發(fā)展，以其輸出電壓高，提高除塵效率明顯；功率因數(shù)高電能轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)能效果明顯；三相平衡供電；利于電網(wǎng)安全等優(yōu)點(diǎn)在不同行業(yè)都有很成功的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了靜電除塵器供電電源技術(shù)水平質(zhì)的飛躍，是傳統(tǒng)可控硅工頻電源的革命性的更新?lián)Q代產(chǎn)品，三相高壓電源取代單相電源是必然的趨勢(shì)。

三相高頻開(kāi)關(guān)電源具三相硅整流電源的優(yōu)點(diǎn)，能克服單相電源的固有缺點(diǎn)，接近全直流的輸出及火花控制特性，又比普通三相電源具有更好的工況適應(yīng)性，是靜電除塵器電源發(fā)展的趨勢(shì)，是新建和改造靜電除塵器的首選供電設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]山西魯晉王曲發(fā)電有限責(zé)任公司重大技改項(xiàng)目可行性研究報(bào)告[R].

[2]超監(jiān)界火電機(jī)組檢修技術(shù)叢書(shū)輔助設(shè)備檢修[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[3]高香林.電除塵技術(shù)[M].保定：華北電力大學(xué)出版社，2001.

[4]朱琪.電除塵電源節(jié)能改造[J].華電技術(shù)，2008.