用于濕式電除塵器的高頻恒流高壓直流電源

孫淮浦，陳宇淵

（1.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201821；2.上海激光電源設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201821）

用于濕式電除塵器的高頻恒流高壓直流電源

孫淮浦1，陳宇淵2

（1.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201821；2.上海激光電源設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201821）

針對(duì)燃煤電廠排放粉塵濃度≤5mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)，燃煤電廠和鋼鐵廠脫硫煙氣深度處理裝置應(yīng)運(yùn)而生，即濕式電除塵器技術(shù)。然而濕式電除塵器煙氣為飽和濕煙氣，加之采用噴淋方式清灰，煙氣特性變化幅度大，電場(chǎng)工作很不穩(wěn)定，造成除塵效率的降低。高頻恒流高壓直流電源是慣性約束核聚變能源系統(tǒng)中的核心單元技術(shù)之一，用于濕式電除塵器后，可以很好地解決煙氣特性變化造成的除塵效率低的問(wèn)題，能夠有效地保護(hù)濕式電除塵器收塵極。高頻恒流高壓直流電源功率因素高，轉(zhuǎn)換效率高，在節(jié)能方面有顯著效果。

濕式電除塵器；高頻恒流高壓；直流電源除塵；節(jié)能

濕式電除塵器的原理是通過(guò)向陰極施加負(fù)高壓直流電，電極周圍空氣分子被電離，電離產(chǎn)生的正離子返回陰極，負(fù)離子則向沉淀極（陽(yáng)極）遷移。在負(fù)離子遷移途中，部分離子碰撞煙氣中的塵霧或由于靜電吸引而吸附在塵霧上，使塵霧荷電。荷電塵霧在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下向沉淀極趨近并吸附于沉淀極。霧滴在陽(yáng)極表面積聚形成水膜并依靠自重?cái)y帶粉塵向下流淌。為防止陰、陽(yáng)極表面可能出現(xiàn)的局部結(jié)垢現(xiàn)象，需定時(shí)進(jìn)行噴淋沖洗，以保持表面清潔。噴淋時(shí)，電場(chǎng)極易出現(xiàn)閃絡(luò)擊穿的現(xiàn)象，盡管時(shí)間很短，但這種擊穿對(duì)非金屬陽(yáng)極的影響是破壞性的，供電電源應(yīng)能做到即時(shí)滅弧；電場(chǎng)正常工作過(guò)程中，由于煙氣處于過(guò)飽和狀態(tài)，工況穩(wěn)定時(shí)，電壓也比較穩(wěn)定，然而，工作電流則可能出現(xiàn)過(guò)大或過(guò)低。過(guò)大易引發(fā)閃絡(luò)，過(guò)低又會(huì)降低除塵效率?？梢?jiàn)，濕式電除塵器對(duì)供電電源的要求非常嚴(yán)格。某公司開(kāi)發(fā)的用于濕式電除塵器的高頻恒流高壓直流電源可以很好地滿足濕式電除塵器的供電要求。

1 高頻恒流高壓直流電源原理

高頻恒流高壓直流電源由工頻三相交流電輸入，經(jīng)三相整流橋變?yōu)閮上嚯妷涸?，再?jīng)過(guò)逆變器逆變成為高頻交流電壓源，通過(guò)恒流組件進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換把高頻交流電壓源轉(zhuǎn)化為近似正弦的高頻交流電流源，再經(jīng)升壓變壓器將高頻交流電流源轉(zhuǎn)化為高頻高壓交流電流源，最后整流輸出為高頻恒流高壓直流電源。所謂恒流是指其電路特性，而并不是說(shuō)系統(tǒng)的輸出電流無(wú)法改變，其真正含義是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況選擇設(shè)定的電暈電流，在系統(tǒng)運(yùn)行中與電場(chǎng)電壓、負(fù)載大小無(wú)關(guān)，即不受工況和負(fù)荷的影響，高頻恒流高壓直流電源系統(tǒng)的電路原理見(jiàn)圖1。

圖1 高頻恒流電源原理示意圖

2 用于濕式電除塵器的恒流高壓直流電源

濕式電除塵器對(duì)PM2.5、PM10、SO2有很高的去除效率，但濕式電除塵器所使用的陽(yáng)極大部分為導(dǎo)電玻璃鋼，噴淋清灰時(shí)，電除塵器內(nèi)發(fā)生閃絡(luò)或者瞬態(tài)短路在所難免。電廠脫硫后濕式電除塵器的煙氣量都比較大，對(duì)660MW以上的機(jī)組，濕式電除塵器所配的電源的規(guī)格一般都大于72kV/2.0A。在電場(chǎng)容量大、電源功率高的情況下，電場(chǎng)出現(xiàn)閃絡(luò)時(shí)，滅弧的難度增加，火花對(duì)本體的傷害也大。而高頻恒流高壓直流電源可以有效解決此問(wèn)題。

2.1 高頻恒流高壓直流電源系統(tǒng)框（見(jiàn)圖2）

圖2 高頻恒流高壓直流電源系統(tǒng)框圖

從上述的原理圖中可以看出，二次電流和二次電壓的采用不經(jīng)過(guò)傳感器，直接通過(guò)V/F采樣板，將電壓轉(zhuǎn)換頻率，通過(guò)光纖轉(zhuǎn)入150M的DSP主控板，整個(gè)判斷過(guò)程為1～2個(gè)μs。

2.2 濕式電除塵器發(fā)生短路時(shí)保持恒流

高頻恒流高壓直流電源是電流源的一種，能直接控制、調(diào)整電流，負(fù)載發(fā)生變化甚至出現(xiàn)短路，輸出電流恒定不變，這就是“恒流”的含義。輸出電壓U=I×R（負(fù)載的等效電阻值），隨著負(fù)載的變化而變化，當(dāng)濕式電除塵器發(fā)生短路時(shí)，R=0，輸出電壓U=0，則輸出功率P＝U×I=0，即注入電場(chǎng)的功率為0，這就對(duì)本體起到了很好的保護(hù)作用。設(shè)若使用電壓源供電，當(dāng)濕式電除塵器發(fā)生短路時(shí)，輸出電壓U不變，R=0，輸出電流I=U/R→∞，輸出功率P＝U×I→∞，這種瞬態(tài)高能位輸出必定會(huì)對(duì)電極產(chǎn)生損傷，逐次累積的結(jié)果對(duì)濕式電除塵器是災(zāi)難性的。

2.3 對(duì)工況變化的適應(yīng)性好

進(jìn)入濕式電除塵器的煙氣參數(shù)并不是一成不變的。當(dāng)煙氣的溫度、濕度及濃度等發(fā)生變化時(shí)，其放電特性也會(huì)發(fā)生變化，電場(chǎng)等效電阻值同樣發(fā)生變化。當(dāng)煙氣濃度增加時(shí)，電場(chǎng)的等效電阻是增加的，高頻恒流高壓直流電源的輸出電壓會(huì)隨著等效電阻的增加而增加，運(yùn)行電壓和電暈功率呈現(xiàn)正反饋跟蹤特性。恒流電源與可控硅電源供電的負(fù)載跟蹤特性的對(duì)比見(jiàn)表1和表2。

恒流源：根據(jù)歐姆定律知U = I×R，得到恒流源的負(fù)載跟蹤特性，見(jiàn)表1。

表1 電流源（恒流源）供電的負(fù)載跟蹤特性

電壓源：根據(jù)歐姆定律知I=U/R，得到恒流源的負(fù)載跟蹤特性，見(jiàn)表2。

表2 可控硅（恒壓源）供電的負(fù)載跟蹤特性

從表1、表2可以看出，恒流源具有正反饋的跟蹤特征，隨著濃度的增加，其除塵效率是恒定的，而可控硅電源與之相反。

2.4 火花抑制特性

2.4.1 高頻恒流高壓直流電源遇到火花時(shí)其供電特性

當(dāng)濕式電除塵器產(chǎn)生火花時(shí)，電壓源只能通過(guò)減少導(dǎo)通角的方式，大幅降低輸出電壓，然后再逐漸地增加導(dǎo)通角，其恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，除塵效率難以保證，而高頻恒流高壓直流電源當(dāng)產(chǎn)生火花時(shí)，電壓迅速降低，當(dāng)火花結(jié)束時(shí)，電壓可在微秒級(jí)內(nèi)上升，對(duì)除塵效率幾乎不產(chǎn)生影響。見(jiàn)表3和圖3。

表3 高頻恒流高壓直流電源供電的火花抑制特性

圖3 高頻恒流高壓直流火花熄滅過(guò)程

2.4.2 高頻恒流高壓直流電源的火花參數(shù)設(shè)置

高頻恒流高壓直流電源的火花設(shè)置參數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 高頻恒流高壓直流電源的火花參數(shù)設(shè)置

通過(guò)上述參數(shù)的設(shè)置，當(dāng)電場(chǎng)在運(yùn)行時(shí)有效地避免了持續(xù)的拉弧，可以更加有效保護(hù)濕式電除塵器。

當(dāng)高壓直流電源的規(guī)格比較大（大于72kV/2.0A），由于其能量比較大，額定輸出功率P=7 2×2.4＝172.8kW，發(fā)生火花時(shí)尤其是形成放電通道時(shí)，非常難以滅弧，高頻恒流高壓直流電源有效地解決了此問(wèn)題。

并且當(dāng)火花放電的次數(shù)過(guò)于頻繁時(shí)，高頻恒流高壓直流電源自動(dòng)降電流運(yùn)行，并能自動(dòng)恢復(fù)。當(dāng)降電流次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)時(shí)，電源發(fā)出報(bào)警，提示操作員出現(xiàn)負(fù)載故障，見(jiàn)圖5。

圖5 高頻恒流高壓直流電源火花控制操作界面

2.5 高頻恒流高壓直流電源特點(diǎn)

2.5.1 變壓器絕緣

作為重要組成部分的油箱采用特殊工藝處理，油和水隔壓分離，保證變壓器絕緣油絕不污染，可長(zhǎng)期使用。

2.5.2 冷卻

油箱和IGBT閉環(huán)強(qiáng)迫水冷（水流過(guò)IGBT底部），解決了大功率高頻恒流直流電源長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)熱，絕緣油失效的難題。同時(shí)避免IGBT的早期失效。延長(zhǎng)電源的使用壽命。

2.5.3 通訊

高頻恒流高壓直流電源采用以太網(wǎng)光纖直接接入主控板，高頻恒流高壓直流電源的通訊輸出端口，直接為光纖，無(wú)論是高頻恒流高壓直流電源內(nèi)部還是外部的抗干擾性都非常強(qiáng)，采用標(biāo)準(zhǔn)modbusTCP/IP協(xié)議，入網(wǎng)方便，組態(tài)方便。

2.5.4 iEC

高頻恒流高壓直流恒流電源設(shè)計(jì)嚴(yán)格參照IEC61000，并整機(jī)通過(guò)中國(guó)船舶工業(yè)電磁兼容檢測(cè)中心認(rèn)證，確保高頻恒流高壓直流恒流電源的運(yùn)行不會(huì)干擾電網(wǎng)中其他電氣設(shè)備，見(jiàn)圖6。

按：“齔鬈”，童年?！褒Z”指兒童換齒。即脫去乳齒，長(zhǎng)出恒齒?！秶?guó)語(yǔ)·鄭語(yǔ)》“府之童妾未既軋齒而遭之” 韋昭注：“毀齒曰軋齒?！薄镑堋敝赴杨^發(fā)分開(kāi)，垂在兩側(cè)。故用“齔鬈”指稱童年時(shí)?！褒Z鬈”一詞，《漢語(yǔ)大詞典》未收。

圖6 高頻恒流高壓直流恒流電源傳導(dǎo)騷擾測(cè)試波形圖

2.5.5 安規(guī)

高頻恒流高壓直流恒流電源整機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程嚴(yán)格按照安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)IEC61010，該產(chǎn)品已通過(guò)國(guó)際知名安規(guī)認(rèn)證公司NEMKO認(rèn)證。

2.6 濕式電除塵器控制

濕式電除塵器不僅控制高頻恒流高壓直流電源，還需要監(jiān)控一些壓力、溫度等控制點(diǎn)，需要在程序中使這些控制點(diǎn)與高頻恒流高壓直流電源形成聯(lián)鎖，以保護(hù)濕

式電除塵器?？刂瓶倛D見(jiàn)圖7。

圖7 濕式除塵器控制總圖

2.7 節(jié)能效果

高頻恒流高壓直流電源采用IGBT逆變技術(shù)，變壓器鐵芯采用非晶材料，相對(duì)于可控硅電源，功率因素更高，損耗更低，有著明顯的節(jié)電效果。以72kV/2600mA電源為例，高頻恒流高壓直流電源與可控硅電源的輸入視在功率對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 兩種電源輸入視在功率對(duì)比

高頻恒流高壓直流電源。

可控硅電源

因此四臺(tái)電源一年可以減少耗能為：

若按工業(yè)用電計(jì)算，每度電電費(fèi)為1元，則一年節(jié)省2,827,728元。

考慮到電源不能滿負(fù)荷運(yùn)行，按照額定80%運(yùn)行計(jì)算：

則可以節(jié)省2,827,728×0.8＝2,262,182.4元。

3 案例

3.1 廣東某電廠

電源規(guī)格：HLG-2-72kV/1200mA－W，1臺(tái)機(jī)組4臺(tái)套。

本體廠家：廈門某環(huán)保公司，在熱態(tài)情況下，機(jī)組為300MW輸出小于5mg/m3，每個(gè)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 恒流源在廣東某電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.2 華能德州某電廠

電源規(guī)格：HLG-1-80kV/1700mA－W×4臺(tái)，HLG-1-80KV/1400mA-W×8臺(tái)。

本體廠家：山東某環(huán)保公司，在熱態(tài)情況下，機(jī)組為2×660MW輸出小于5mg/m3，每個(gè)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 恒流源在華能德州某電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.3 天津某電廠

電源規(guī)格：HLG-1-72kV/2400mA-W，1臺(tái)機(jī)組6臺(tái)套。

本體廠家：西安某環(huán)保工程有限公司，在熱態(tài)情況下，機(jī)組為1000MW輸出小于5mg/m3，每個(gè)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 恒流源在天津某電廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)

3.4 山東某鋼鐵股份有限公司2×265m2燒結(jié)機(jī)

電源規(guī)格：HLG-2-80kV/1300mA-W，2臺(tái)燒結(jié)機(jī)機(jī)頭，共6臺(tái)套。

本體廠家：山東某環(huán)保公司，燒結(jié)機(jī)排放輸出小于5mg/m3，每個(gè)電場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

4 結(jié)束語(yǔ)

電廠和鋼鐵廠脫硫煙氣的深度處理已成為不可或缺的大氣污染治理的有效手段，濕式電除塵器在環(huán)境保護(hù)方面的作用越來(lái)越突出、應(yīng)用越來(lái)越廣，而切實(shí)保證濕式電除塵器的正常、高效運(yùn)行狀態(tài)則是高壓供電裝置的基本要求，高頻恒流高壓直流電源可輕松滿足濕式電除塵器的工作要求。高頻恒流高壓直流電源把恒流供電的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提升，又兼三相供電平衡、占地少、節(jié)能顯著、控制精度更高等突出優(yōu)點(diǎn)，將成為濕式電除塵器及其他電除塵器高壓供電裝置的首選。

表8 恒流源在山東某鋼鐵廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)

[1] 邱關(guān)源．電路[M]．北京：人民教育出版社，1982．

[2] 黎在時(shí)．靜電除塵器[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1993，6．

[3] JB/T 11074-2011，電除塵用恒流高壓直流電源標(biāo)準(zhǔn)[S]．

聲 明

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High-Frequency and High-Voltage Constant-DC Power Supply for Wet Electrostatic Precipitator

SUN Huai-pu1, CHEN Yu-yuan2
(1. Shanghai Institute of Optics And Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Shanghai 201821; 2. Shanghai Power Equipment for Laser Co., Ltd, Shanghai 201821, China)

Current high-frequency and high-voltage constant-DC power supply is one of the core cell technologies in energy system of Inertial Confnement fusion. After use of wet electrostatic precipitator, it can solve the problems of low effciency of dust removal caused by the change of fue gas characteristic and safeguard much dust collections of wet electrostatic precipitator. The power factor of DC power source with high frequency, constant fow and high voltage is high and the transferring effciency is high too, it shows a notable effect in energy saving.

wet electrostatic precipitator; high frequency, constant current and high voltage; dust removal of DC power source; effciency; energy saving

X701

A

1006-5377（2017）01-0022-05