電除塵高壓脈沖電源技術(shù)探討

潘 云，劉星辰

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京210031)

電除塵高壓脈沖電源技術(shù)探討

潘 云，劉星辰

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京210031)

隨著我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的越來越嚴(yán)，燃煤電廠“近零排放”已成為當(dāng)下熱議的話題，對粉塵的排放提出了更嚴(yán)格的要求。為了實(shí)現(xiàn)“近零排放”目標(biāo)，滿足終端除塵裝置入口對粉塵低濃度的要求，對電除塵進(jìn)行提效改造成為關(guān)鍵一環(huán)。介紹了一種用于靜電除塵器的高壓脈沖電源，分析了脈沖電源基本原理、供電特性，列舉了相關(guān)脈沖電源工程改造實(shí)例，為電除塵器提效改造提供很好的改造思路。

電除塵;近零排放;高頻電源;脈沖電源;趨進(jìn)速度

0 引言

目前，在國內(nèi)外工業(yè)煙塵治理領(lǐng)域尤其是電力行業(yè)，電除塵技術(shù)一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，從20世紀(jì)80年代至本世紀(jì)初，環(huán)保領(lǐng)域電除塵器所使用的高壓供電電源基本上都是采用輸入為兩相的可控硅工頻相控電源T/R。在我國由于早期煙塵排放要求不嚴(yán)，電除塵比集塵面積相對于國外普遍偏小、加之煤種不穩(wěn)定，造成電除塵器除塵效率偏低［1］。雖然隨著環(huán)保要求的不斷從嚴(yán)、挖掘電除塵潛能，提高除塵效率的研究從未停止，如除塵電源由單項(xiàng)工頻電源改造為高頻電源，高頻開關(guān)電源能提供了幾乎無波動的直流輸出，這使得靜電除塵器能夠以火花發(fā)生點(diǎn)電壓運(yùn)行，高頻開關(guān)電源提高了靜電除塵器的供電電壓和電流，對于細(xì)且低比電阻的粉塵，電除塵器排放濃度顯著降低［2］。但是，隨著“近零排放”要求的提出，對采用電除塵技術(shù)的燃煤電廠，對電除塵出口的煙塵排放提出了更高要求。

本文介紹的脈沖電源，它獨(dú)特的電路原理、高效的輸出波形，能夠提供更高的電場電壓，增加粉塵荷電強(qiáng)度，更好的捕捉高比電阻粉塵，這對需要實(shí)現(xiàn)“近零排放”要求的燃煤電廠的電除塵提效改造，提供了參考和借鑒價值。

1 脈沖電源原理

脈沖高壓電源以窄脈沖(120μS及以下)電壓波形輸出為基本工作方式，其主要目的是在不降低或提高除塵器運(yùn)行峰值電壓的情況下，通過改變脈沖重復(fù)頻率調(diào)節(jié)電暈電流，以抑制反電暈的發(fā)生，使電除塵器在收集高比電阻粉塵時有更高的收塵效率。目前，常見的脈沖供電裝置有三種類型:

(1)脈沖高壓電源裝置使用火花間隙產(chǎn)生脈沖。這種方法雖則裝置簡單費(fèi)用較低，然而要求有高精度的維護(hù)水平。其脈沖寬度在μS量級或更窄，工作峰值電壓比常規(guī)電源提高較顯著，但目前功率容量相對較小。

(2)采用貯能式原理，由貯能電容、脈沖變壓器漏抗以及電除塵器電容組成串聯(lián)振蕩電路產(chǎn)生脈沖，在脈沖期間未被電除塵器耗用的脈沖能量通過反饋二極管回送到貯能電容貯存起來，以供下一個脈沖使用，因此具有顯著的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)。上述兩種裝置都常常設(shè)有獨(dú)立的變壓整流器來產(chǎn)生基礎(chǔ)直流電壓，在此基礎(chǔ)上疊加高壓脈沖。

(3)多脈沖供電裝置。這種裝置的特點(diǎn)是基礎(chǔ)直流電壓和疊加的脈沖都取自同一個特殊的變壓整流器，所產(chǎn)生的脈沖是每聞隔3～100ms發(fā)出50～100μS寬的短脈沖群。其運(yùn)行原理是連接在高壓變壓器后的電容器被充電，電能通過晶體管鏈經(jīng)電感傳送到除塵器形成振蕩電路。此電能在其基本部分消耗在電除塵器中之前是來回振蕩的，每一次振蕩產(chǎn)生的脈沖是由許多脈沖組成的短脈沖群。

本文主要介紹第二種類型脈沖電源，基礎(chǔ)直流電壓可采用工頻電源、高頻電源等來提供，其電壓一般在40kV～60kV，脈沖源的電壓脈沖高達(dá)80～100 kV，疊加合成后，在瞬間形成一個高達(dá)140kV的高壓脈沖供給電除塵器電場，其峰值電壓遠(yuǎn)高于電除塵器在使用常規(guī)電源供電時的擊穿電壓［3］。圖1為脈沖電源工作拓?fù)鋱D，圖2為常規(guī)電源與脈沖電源的電壓波形比較。表1為脈沖電源主要參數(shù)。

圖1 脈沖電源工作拓?fù)鋱D

圖2 常規(guī)電源與脈沖電源的電壓波形比較

2 脈沖電源特點(diǎn)

2.1 提高除塵效率

脈沖供電對電除塵器的除塵效率通?？捎沈?qū)進(jìn)速度的改善系數(shù)來評估，其定義是電除塵器用新的供電方式與用常規(guī)直流供電時驅(qū)進(jìn)速度之比。

表1 脈沖電源主要技術(shù)參數(shù)

式中:ω為粉塵驅(qū)進(jìn)速度;P為電場的介電常數(shù);Ep為收塵極的電場強(qiáng)度;Ec為荷電電場強(qiáng)度;a為塵粒半徑;μ為氣體粘度。

其中Ep對應(yīng)電場平均電壓，Ec對應(yīng)電場峰值電壓在其他條件不變的情況下，可得ω∝Up。

由于電場形成閃絡(luò)需要一定的時間，而脈沖供電電壓是在很短的時間(μS級)內(nèi)在電極上施加快速上升的脈沖，提高了電場擊穿電壓，使粉塵粒子驅(qū)進(jìn)速度增大，從而提高電除塵器的除塵效率［4－5］。

2.2 克服反電暈

傳統(tǒng)供電為連續(xù)供電方式，反復(fù)充電電荷累計(jì)的結(jié)果使粉塵層維持在較高電壓;脈沖電源充電周期短，且粉塵層上的電荷有足夠的放電時間，從而使粉塵層上不易積累電荷，有效克服反電暈現(xiàn)象［6］。圖3為傳統(tǒng)供電方式下除塵示意圖，圖4為脈沖供電方式下除塵示意。

粉塵粒子驅(qū)進(jìn)速度ω的概念性表達(dá)式:

圖3 傳統(tǒng)供電方式下除塵示意

圖4 脈沖供電方式下除塵示意

2.3 針對PM2.5及超細(xì)粉塵

粉塵粒子荷電，按其機(jī)理分為電場荷電和擴(kuò)散荷電兩類。對于直徑大于0.5μm的顆粒，電場荷電占主導(dǎo)地位;粒徑介于0.2～0.5μm的顆粒，兩種荷電過程都是主要的;對于直徑小于0.2μm的顆粒，擴(kuò)散荷電是顆粒荷電的主要途徑。研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)直流電壓對超細(xì)粉塵的去除效率較低，在加上脈沖電壓后超細(xì)粉塵的去除效率明顯增加，且除塵效率隨著脈沖電壓的電壓等級的增大而升高［7－9］。

3 脈沖電源應(yīng)用情況

近兩年脈沖電源技術(shù)得到快速發(fā)展，根據(jù)脈沖電源除塵特點(diǎn)及電場粉塵分布特性，通常將脈沖電源布置于電除塵末級電場，來解決高比電阻粉塵及反電暈現(xiàn)象。通過與常規(guī)電源進(jìn)行對比分析表明，脈沖電源在電除塵低濃度情況下除塵效率提效依然明顯，脈沖電源在工程上的應(yīng)用實(shí)例證明了這一點(diǎn)。如某1000MW機(jī)組原電除塵器四個電場均為高頻電源，出口粉塵濃度33.2mg/m3;改造后三、四電場均為脈沖電源，出口粉塵濃度22.4mg/m3，除塵效率提高33%。某330MW機(jī)組電除塵器五個電場均為高頻電源，出口粉塵濃度25.2mg/m3，后四、五電場改造為脈沖電源，出口粉塵濃度16.4mg/m3，除塵效率提高35%。另一330MW機(jī)組原電除塵五個電場均為高頻電源，后將三四五電場改為脈沖電源，出口粉塵濃度由28.22mg/m31降至6.36mg/m3，除塵效率提高42%。

即使原電除塵出口在30mg/m3左右的低濃度情況下，將電除塵后面2/3個電場更換為脈沖電源后，除塵效率也能提高約30%～45%。同時每臺脈沖電源能耗約18kW，也具有良好節(jié)能效果。上述數(shù)據(jù)均是在機(jī)組工況基本相同，高頻電源運(yùn)行穩(wěn)定的情況下測試所得。脈沖電源工作時瞬時輸出電壓可達(dá)120～140kV，瞬時輸出電流可達(dá)200～300A。

4 結(jié)語

(1)應(yīng)對環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，脈沖電源改造相對于除塵器擴(kuò)容、電袋改造等方案，改造難度小、工期短、成本低，同時可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)改造，必將成為今后除塵提效改造中的首選方案。

(2)脈沖電源以其特有供電特性，在解決高比電阻粉塵、提高除塵效率方面已被業(yè)內(nèi)人士所公認(rèn)。但由于脈沖電源對元器件要求較高，目前核心元器件主要為進(jìn)口，造成國內(nèi)脈沖電源成本較高。相信隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展、核心元器件的國產(chǎn)化，脈沖電源必將成為今后電除塵高壓整流電源的主流。

［1］中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會.電除塵行業(yè)2014年發(fā)展綜述［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2015(6):6－15.

［2］中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會［S］.電除塵器供電裝置選型設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，2012.

［3］陳嚴(yán)勇，周許生，壽松鶴.脈沖電源技術(shù)及其在電除塵器中的應(yīng)用與發(fā)展前景［J］.電子世界，2014(16):103－104.

［4］蔣云峰，李連永.ESP用脈沖高壓電源研究［C］.第15屆中國電除塵學(xué)術(shù)會議論文集，2013.

［5］蔣云峰，張谷勛.ESP用高頻高壓大功率開關(guān)電源［C］.十一屆學(xué)術(shù)會議論文集，2007.

［6］張谷勛，熊茂.電除塵器使用的新一代脈沖高壓電源［J］.電源世界，2014(1):21－24.

［7］雷盼靈，曾慶軍，陳峰.靜電除塵用新型脈沖高壓電源研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14(31).

［8］高壓脈沖電源MPS一節(jié)能高效的電除塵器電源系統(tǒng)介紹［C］.全國火電大機(jī)組(300MW級)競賽第三十八屆年會論文集.2012.

［9］蔣云峰.關(guān)于ESP電源現(xiàn)狀及未來發(fā)展的探討［C］.第13屆中國電除塵學(xué)術(shù)會議論文集，2009.

［10］張劍.電除塵器極配試驗(yàn)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與極線空載試驗(yàn)分析［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2008，24(5):7－10.

［11］王瀚曄，顧山.600MW機(jī)組除塵器提效改造［J］.電力科技與環(huán)保，2014，30(5):45－46.

Discussion on high voltage pulse power technical of ESP

As the requirement of environmental protection is more and more severe，“near zero emissions”coal－fired power plant has become the current hot topic，and puts forward more strict requirements on dust emissions.In order to achieve“near zero emissions”，meet the terminal dust removal device entry requirements for low concentration of dust，tinkering with the electric lift effect become a key link.In this paper，a high voltage pulse power supply for electrostatic precipitator，analyzes the characteristics of basic principle of pulse power supply，power supply，lists the relevant pulse power engineering examples，the reconstruction of for electrical precipitator efficiency to provide a good idea.

ESP;ultra－low emissions;high frequency power;pulse power;hasten to speed

X701.2

B

1674－8069(2016)04－035－03

2016-01-26;

2016-02-19

潘云(1981-)，男，江蘇南京人，工程碩士，工程師，從事火電廠電力環(huán)保咨詢及設(shè)計(jì)工作。E－mail:panyun_1981@163.com