电除尘高效（高频+三相）电源改造技术研究与应用

电除尘高效（高频+三相）电源改造技术研究与应用

周嘉福

（中国神华能源股份有限公司国华惠州热电分公司广东省惠州市516082）

摘要：国家十二五规划燃煤电厂新的排放标准（GB13223-2011）已下达，某电厂地属广东珠三角边缘，2008年建造燃煤供热机组。根据国家的排放标准，要在2014年7月1日前烟囱粉尘排放应控制在20mg/Nm³。某电厂电除尘原设计粉尘出口排放≤50mg/Nm³，经石灰石石膏湿法脱硫后至少有40%~50%的收尘效率，但仍然达到32~33mg/Nm³的粉尘排放，无法满足≤20mg/Nm³的标准，因此存在电除尘器提效改造的必要性。我单位对电除尘器进行高频电源改造，使其能够满足标准要求是限制，也在一定程度上实现节能。

关键词：电除尘高效；高频+三相；电源改造

一、概述

1、目前设备主要参数：

某电厂一期1#、2#机组配套双列双室四电场电除尘器，设计比集尘面积91.81m2/m3/s（保证值85.18m2/m3/s），于2009年底投入使用，1台机组配套16台高压控制柜、2台振打控制柜、2台加热控制柜。高压柜额定容量为：一电场1.0A/66KV（4台），二、三电场1.0A/72KV（8台），四电场0.8A/72KV（4台）。高低压控制柜及整流变压器均为福建龙净环保股份有限公司的电控产品。

2、前期技术改造情况：

目前电除尘高压控制系统运行在间歇脉冲供电方式及部分火花跟踪控制运行方式下，运行参数见下表，运行方式及参数可根据工况变化自动调整，使之运行在最佳的运行方式下。具备根据锅炉负荷参数的变化自动调整运行方式和参数，能耗较低，设备运行稳定。

三相电源的电压值脉动比单相电源小的二次电流多，峰值和平均值比较接近，能有效提高电晕功率；

三相电源的电流由一系列比较窄的脉冲构成二次电压，可调范围广、适应性强；

1、三相电源主要特点

1.1三相电源的基本原理

三相电源输入为三相50Hz工频380V电压，通过三相移相调压技术后经三相整流变压器升压、整流输出高压直流，为电除尘器提供比单相电源更为平直的直流高压。

1.2三相电源的控制过程（如下图）

2、三相电源能有效提高除尘效率

三相电源提高除尘效率的主要因素如下三个方面：

2.1增大电晕功率，提高除尘效率

由电除尘理论可知，电除尘器的效率与带电粒子在电场中的驱进速度ω成正比，驱进速度与电场强度的平方成正比，电场强度与电场间施加的电压成正比，因此电除尘器的效率与电场的运行电压的平方成正比。

由于单相电源电场电压是波动的，其平均电压比峰值电压要低30%左右，当峰值电压达到击穿点时，平均电压还是比较低的，这就影响了电场粉尘的荷电。而三相电源纹波系数小于5%，在连续工作时，其二次电压输出波形比单相输出更平滑，平均值接近峰电压，这使得静电除尘器运行电压基本上就是击穿电压，因此三相电源输出平均电压比单相电源平均电压要高出25％，增强了粉尘的荷电。供电电压提高的同时也增大了电晕功率的输入，提高了电除尘器的效率。

2.2三相电源有助于后电场T/R运行

在电除尘器的一电场，往往需要较大的荷电能量，需要尽可能地提高电场电压。因此在一电场安装三相电源能提高一电场的收尘效率，减轻后电场的负担，有助于后电场T/R运行。

2.3三相电源工况适应性强，有效对付高浓度和高比电阻粉尘。

（二）高频电源技术特点

高频电源通常能有效降低排放30%以上，甚至高达70%。提高除尘效率的主要因素如下四个方面：

1、增大电晕功率，提高除尘效率

前已述及，电除尘器的效率与带电粒子在电场中的驱进速度ω成正比，驱进速度与电场强度的平方成正比，电场强度与电场间施加的电压成正比，因此电除尘器的效率与电场的运行电压的平方成正比。

高频电源输出直流电压比工频电源平均电压要高约30％，因为工频电源峰值电压在电除尘器电场中触发火花，显著的限制了加在电极上的平均电压。而高频电源谐振频率为30～40KHz，同常规的工频电源相比，高频电源纹波系数小于5%，在直流供电时它的二次电压波形几乎为一条直线，高频电源提供了几乎无波动的直流输出，这使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高了电除尘器的供电电压和电流，增大了电晕功率的输入，提高了电除尘器的效率。

图1高频电源与常规电源供电输出对比图

2、高频电源工况适应性强，有效对付高浓度和高比电阻粉尘

2.1高频电源是解决电晕封闭最有效的手段之一

当电除尘器入口粉尘浓度高于35g/Nm3，或者电除尘器高电场风速（大于1.1米/秒）时，将会发生电晕闭塞现象。高浓度区域离子迁移率很低，电场需要有较高的电场强度，供电电源二次电压必须相应提高并且得到保持。工频电源常常采用强行供电和高火花工作方式，但是效果仍然不佳。

在这种情况下，选择高频电源，可以很轻松将电晕电流提高一倍，有效地解决电晕闭塞的问题。高频电源设计运行良好的串并联混和谐振逆变器有很好的恒流特性，可以有效抑制电流的大幅波动和电场火花的电流冲击，可以迅速熄灭火花并且快速恢复电场能量，这样，电场能够获得必须且必要的电晕功率，有效地解决电晕封闭的问题。

2.2针对高中低比电阻粉尘选择供电方式

高频电源给除尘器提供接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形，针对各种特定的工况，可以提供最合适的电压波形，从而提高除尘效率。

通过高频电源控制终端或上位机系统均可对供电方式进行选择。供电方式分为纯直流供电和间歇供电，可随时手动切换。

纯直流供电输出近似一条直线的输出电压，提高电除尘运行的平均电压和平均电流，适用于中等比电阻的烟气工况。纯直流供电波形如图2所示。

图2纯直流供电二次电压波形图3间歇供电二次电压波形

间歇供电Pon、Poff时间任意可调，具有更窄的脉冲宽度、更宽的脉冲频率选择范围、更陡峭的电压上升率，其目的是减轻反电晕的发生，从而提高收尘效率。在高比电阻工况条件下，当激发反电晕控制功能后，设备将根据反电晕严重程度自动进入间歇脉冲供电状态并寻找、跟踪最佳的脉冲宽度和脉冲频度，以获得最佳的除尘效果。毫无疑问，应用间歇脉冲供电可大量节能。间歇供电波形如图3所示。

4、高频电源有助于节能降耗

4.1高频电源一体化结构不占用控制室空间，节省控制电缆成本

高频电源为控制柜和变压器一体化的结构，安装于电除尘器的顶部，因此不占用控制室空间，节约土建成本。

常规工频电源的控制柜与变压器之间需要连接变压器电压电流取样和油温检测的控制电缆，高频电源一体化的结构则不需要再连接，因此能有效降低费用。

4.2高频电源输入功率小，节电效果明显

电除尘供电电源通常都未满负荷输出，这种情况下，高频电源效率基本保持在0.92，而工频电源则下降很快，低至0.7左右，在这种情况下，高频电源节电将更加明显。

5、高频电源为绿色电源

图4工频电源和高频电源电路框图比较

工频电源采用单相输入，对电网有直接污染；高频电源采用三相输入，且对电网无污染，无缺相损耗，为绿色环保电源。高频电源为多级变换，电磁兼容好。

6、控制功能完善、具备现场操作和上位机操作功能

设备具有高低压一体化控制功能，包括振打控制和断电振打控制，设备还具有反电晕检测控制。本设备采用大屏幕LCD汉显控制终端作为人机接口，240×128点阵带背光，图形菜单操作，人机交流友好。本设备能与上位机通讯，能接受计算机的各种命令，并将设备的各种参数、故障状态传送到计算机，实现远程软启动、软停机功能。

（三）高频+三相电源技术特点

电除尘器一、二电场采用1.4A/80KV高频电源；三、四电场采用1.2A/85KV的三相电源，此种改造方式通常能有效降低排放35%以上，甚至高达70%，并且节能效果较好，综合了高频电源与高效三相电源的优势，主要体现在如下三个方面：

1、一、二电场采用高频电源，增大高浓度前电场电晕功率，增强粉尘荷电，提高除尘效率：

前级电场粉尘特点：浓度极大，颗粒粗，且尘粒分布比较均匀。前电场的主要作用就是尽量充分收集荷电后的尘粒。要提高前电场的除尘效率，必须提高前电场尘粒所附着的荷电量和提高前电场的运行电压。高频电源输出直流电压比工频电源平均电压要高约30％，因为工频电源峰值电压在电除尘器电场中触发火花，显著的限制了加在电极上的平均电压。而高频电源谐振频率为30～40KHz，同常规的工频电源相比，高频电源纹波系数小于5%，在直流供电时它的二次电压波形几乎为一条直线，高频电源提供了几乎无波动的直流输出，这使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高了电除尘器的前电场供电电压。供电电压越高，气体电离越充分，意味着尘粒所附着的荷电量就越大，荷电效果也就越好。另一方面，供电电压越高，使电场强度越强，荷电尘粒所受的电场力就越大，尘粒到达阳极的运动速度也就越快，所需的时间就越短。因此前电场电压的提高，同时也就提高了除尘效率，减轻了后级电场的负担，从而使整台电除尘器粉尘排放浓度显著降低，提高了整体除尘效率。

2、高频电源有助于节能降耗：

高频电源输入功率小，节电效果明显：电除尘供电电源通常都未满负荷输出。在这种情况下，高频电源效率基本保持在0.92，而工频电源则下降很快，低至0.7左右，在这种情况下，高频电源节电将更加明显。但是高频电源提升电压的能力有限，一般额定电压不超过80KV，因此对于中后级电场，采用三相电源更有优势。对一台电除尘器，三相电源的工作电压可提高20-100%，工作电流可提高30-100%，可实现的注入电功率可在单相电源注入功率的50-300%之间根据需要进行调节。

3、三、四电场采用高电压三相电源增强低浓度、细微粉尘荷电效果，优化振打系统，减少二次扬尘，提高除尘效率。

综上分析，采用高频电源+三相电源的改造方式，能有效提高前电场的收尘效率，减少末级电场的二次扬尘，并结合振打优化控制方式，充分提高收尘效率，降低排放，同时将能耗降至最低。

实施方案

1、将1号炉电除尘器的一、二电场单相工频电源（1.0/66KV和1.0/72KV）全部更换成高频高压电源（1.4A/80kV），三、四电场单相工频电源（1.0/72kV和0.8A/72KV）全部更换成三相高压电源（1.4A/85kV）。

2、将电除尘振打系统及加热系统的低压控制系统升级，具备断电或降压振打功能接口，与高频电源和三相电源形成高低压联动断电振打，改善清灰效果。

3、为了提高电除尘改造效果，更换64只增强型阴极振打器（带伞型防雨措施），更换电除尘第三电场内部阴极线，阴极线采用波形线型式。

4、上位机操作员站设计两套，一套设置在除灰控制室，一套设置在主控室，两套系统互为备用；另外与DCS、辅网系统分别通讯，通讯方式采用OPC方式，都能实现监视和操作功能，并与PLC上位机、UPS、光纤等，交换机采用赫斯曼，组态软件采用正版IFIX。上位机具备历史趋势查询功能等。

三、结论

本项目两台机组于2015年1月1日和2016年1月20日已正式转入商业运行，改造后在原设计各种工况下，在线仪表（CEMS）显示1号机组粉尘出口排放浓度≤20mg/Nm³，前置式低温省煤器+电除尘器高效电源改造+除尘本体适应性改造后，电除尘出口烟尘排放浓度低于15mg/Nm³；除尘效率≥99.85%；为保证烟囱排放浓度达到并优于国家要求标准提供了坚实的后盾，实现了改造目标。