高頻開關電源PowerPlus在濕式靜電除塵器IWS中的應用

呂 馨 郭金光

(1.中國天辰工程公司上海分公司，上海 200233；2.上海順朝信息技術有限公司，上海 200335)

高壓靜電除塵器(ESP)被長期廣泛地應用于工業生產中，技術成熟、除塵效率高、處理煙氣量大且運行維護費用低，是有效的大氣污染治理方法之一。具有專利技術的濕式高壓靜電除塵器(Ionizing Wet Scrubber，IWS)采用循環水連續噴淋法沖洗電暈極、集電極和填料，有效杜絕了干式除塵器產生的二次揚塵，提高了靜電除塵器的除塵效率，并且可以去除PM2.5級的細粉塵，對于酸/堿性氣體及惡臭等都有很好的去除效果[1]。ESP的電源作為IWS的重要組成部分，對于其除塵效率和能耗都有很大影響，以往的ESP多采用單項晶閘管自動控制硅整流變壓控制系統(Thyristor Transformer and Rectifier set，TR-set)，將工頻50Hz的480V(AC)經升壓和整流后轉換至-30kV(DC)后送入ESP。隨著技術方面的改進，開始采用三相可控硅整流變壓裝置，但是仍然無法克服輸出電壓紋波率高及功率因數低等缺陷[2，3]。在此，筆者介紹一款具有專利技術的開關電源(Switching Power Supply System，SMPS)PowerPlus，其頻率高達25kHz，從根本上解決了輸出電壓的紋波問題，同時顯著提高了靜電除塵器的除塵效率，降低了靜電除塵器的功率消耗。

1 TR-set①

早期的ESP電源TR-set的結構如圖1所示，TR-set由晶閘管電壓自動控制系統、電流限制因子和高壓硅變壓整流器3部分組成[4]，這3個部分可以就近安裝在一起，也可以根據用戶的要求分別安裝在不同位置。晶閘管電壓自動控制系統采用480V(AC)中的某一個線電壓，經整流變壓后產生的高頻直流電送到ESP的電場中。CLR是一個電感器，位于變壓器的一次回路中，其主要功能是減少整流變壓器一次回路的電壓和電流的脈動，較小型的靜電除塵裝置的CLR安裝在控制柜或變壓整流設備內部，不作為單獨的部件安裝，所以從外部看只有控制柜和變壓整流設備兩部分；晶閘管自動控制系統的主要設備是控制器，在控制器的面板上可以對各參數進行設置，如變壓器二次電流、二次電壓及晶閘管的導通角范圍等。同時，變壓器的一次側和二次側各有一個電壓變送器和電流變送器，將共計4個值，即一次側電壓AC(V)、一次側電流值AC(A)和二次側電壓DC(kV)、二次側電流值DC(mA)，送入晶閘管電壓自動控制系統TR-set的控制器中進行處理。

圖1 TR-set的組成部件

圖2 SCR的組成和輸入/輸出電壓波形

2 開關電源PowerPlus

如圖3所示，開關電源PowerPlus主要分為4個模塊，第一個AC/DC模塊將輸入電壓480V三相交流電進行整流濾波后再輸出一個相對比較平滑的約650V的直流電壓進行輸出；DC/AC模塊包括了一個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)全波整流橋電路，可以把直流電轉換為高頻交流電；共振容器(The Resonant Tank)模塊包括了后面的AC/DC部分，內含整流單元，將高頻交流電的頻率進一步提高至25kHz，然后通過AC/DC單元整流為高壓直流電，最后把高壓直流電輸送到ESP中。需要說明的是，這個AC/DC高頻模塊整體是浸泡在裝有絕緣的礦物油容器中的，并且有良好的接地。

圖3 PowerPlus拓撲

從圖3可以看出，PowerPlus與TR-set相比，體積要小得多，而且其內部結構是一體化的，各部分必須緊湊地安放在一個小的封閉結構中，外部的接線和安裝也很簡單；而后者可以把電源的幾部分就近安裝，也可以分隔一定距離安裝，所需的安裝空間較大，如果現場的場地狹窄會使安裝不便；而且在現場時，與TR-set相比，PowerPlus的外部接線和調試工作要少并且簡單得多，這樣就提高了電源的可靠性，減少了現場調試和后期的維修工作量。

3 PowerPlus和TR-set對比

3.1 性能指標

ESP可等效為電暈電流的等值電阻R和電極間的等值電容C的并聯電路，如圖4所示。R會隨粉塵濃度、粉塵性質、顆粒大小、化學成分、溫度及濕度等變化，同時與電除塵器的類型、結構、大小及風速等都有關系，其值變化范圍很大(20kΩ～10MΩ)。C值一般較為恒定，大小隨極間距離、極板面積和極間粉塵而有所不同，一般在5～100nF[3]。

圖4 電除塵器ESP的等值電路

ESP等效電容為100nF的TR-set和PowerPlus的性能指標對比見表1，PowerPlus的各項指標都要優于TR-set。首先，前者的輸入功率(即消耗功率)比后者要小52.42kW；而在輸入功率小的情況下，前者的二次輸出電壓反而要比后者高出6.5kV，對于ESP而言，二次輸出電壓越高除塵效果越好[1]，這說明PowerPlus的除塵效率明顯比TR-set要高；同時，前者的輸出功率比后者要大6.5kW，即PowerPlus所消耗的電能比普通TR-set要少，同時輸出的二次電壓更高，功率也更大。

表1 二者各項性能指標和能耗

造成以上差別的原因有三：

a. 輸入功率是輸出功率和變壓器自損兩部分電壓和電流值的矢量和，TR-set本身需要消耗大量的功率，而開關電源則幾乎沒有這部分的功率損耗，因為在普通TR-set電源中，由于有電感元件的存在，造成了電流的滯后，同時有部分電能被損耗；普通TR-set電源中晶閘管元件包SCR會造成電壓波形失真，減小了有效輸出電壓，這使得輸入/輸出功率的比例也較高。

b. TR-set中的SCR的工作原理是基于調整輸入電壓的導通角，即按照一定時間間隔開/關輸入電源，這使得電源系統受電感影響更大，進一步降低了變壓器系統的功率因數。

c. PowerPlus的頻率高達25kHz，其中的IGBTs比工頻50Hz單項輸入電壓TR-set中的SCR的開關速度要快250倍，這就使得開關電源的二次電壓的波動遠小于普通TR-set裝置。

因此，在滿負荷時TR-set的功率因數只能達到0.63，但是一般情況下ESP不在滿負荷下運行，這時的功率因數只會更低；而開關電源的功率因數在半負荷到滿負荷時都可以高達0.92～0.94，效率遠較前者要高，所以能耗要小得多。

本研究中參與干預監測的研究對象共255人，其中男學齡兒童139人(占54.5%)；女學齡兒童116人(占45.5%)。年齡7～11歲之間，平均年齡10.2±0.1歲。

3.2 高壓電場發生電弧時的各項性能指標

發生電弧時，PowerPlus消耗的功率等于短路電流的二次方與有效電阻值和電弧的持續時間之積。電弧消耗的功率J=Isc2·R_arc·T，其中Isc為發生電弧時的短路電流，R_arc為電弧阻抗，T為電弧持續時間。

高壓電場中發生電弧時，PowerPlus和TR-set的技術參數對比見表2，由于TR-set發生電弧的時間是PowerPlus的上千倍，短路電流也是后者的兩倍，所以當高壓電場中發生電弧時，PowerPlus在電弧上消耗的功率只有傳統TR-set的千分之一。通過二者參數的比較可以明顯地看出：在ESP控制系統中，使用PowerPlus比起普通的變壓器和控制器TR-set，在濕式靜電除塵器ESP高壓電場發生電弧時，前者的功率因數要高很多，而能耗卻低得多。

表2 發生電弧時PowerPlus和TR-set的技術參數對比

3.3 ESP滿負荷工作時的性能對比

在靜電除塵器滿負荷工作的情況下，TR-set和開關電源PowerPlus的性能比較曲線如圖5所示，其中Opacity是廢氣中未被收集的顆粒占總顆粒的百分比。對于同一個濕式ESP，將TR-set改為PowerPlus后，輸入功率Pri.KVA(即消耗功率)明顯減小，電源輸出功率Sec.KW增加，同時廢氣中未被收集的顆粒占總顆粒的百分比Opacity由改造前的7.5%降低到3.4%，除塵效率提高了。

圖5 全負荷下TR-set和PowerPlus操作性能指標

當設備運行時，大部分情況下不是滿負荷運行，這時兩者性能指標差異更大。如，根據用戶實際的運行參數，在達到67%kV(DC)和100%mA(DC)的情況下，TR-set的輸入功率是98.4kVA，輸出功率是37.2kW；而PowerPlus的輸入功率是50.7kVA，輸出功率是44.0kW。后者比前者的消耗功率減少了50%之多，節能效果非常明顯。

3.4 外形尺寸

二次電流都為1A的IWS的PowerPlus(25kHz)和TR-set(60Hz)的外形尺寸對比見表3，PowerPlus的外形尺寸、重量和占地面積都比TR-set要小得多，這樣不但節省了運輸費用，而且可以直接安裝在設備入口處的法蘭上，節省了安裝場地。通過以上各項性能指標的比較可以看出，PowerPlus幾乎在各項性能指標上都遠優于TR-set，而且結構比后者更為緊湊，體積也小得多。

表3 外形尺寸對比

3.5 全負荷下不同額定功率的PowerPlus的性能

全負荷下不同額定功率的PowerPlus的性能對照見表4，PowerPlus的輸入電壓在400～480V(AC)之間變化時，輸出電壓在70～83kV之間變化，相應的輸出電流也在一定范圍內變化，輸出電流越大則輸出功率也越大。不同功率的PowerPlus的功率因數、紋波電壓、輸出電源的頻率及發生電弧的時間等性能指標都在同一范圍內，沒有差別。

表4 全負荷下不同額定功率的PowerPlus的技術參數

4 PowerPlus各項性能的理論分析

按照多依奇集塵效率公式[5]，有η=1-e-(A/V)·ω，其中η為靜電除塵器的收集效率；A為靜電除塵器的有效收集面積；V為廢氣通過靜電除塵器的速率；e為自然對數；ω為粒子的遷移速度。從這個公式可以看出，提高粒子收集效率的關鍵是提高荷電粒子在除塵器高壓電場中向集塵極的遷移速度ω，ω=(a/2πθ)EoEp，a為粒子半徑；θ為氣體的粘度或摩擦阻力系數；Eo為粒子被荷電電場的強度，即峰值電壓kVpeak；Ep為粒子被收集的電場的強度，即平均電壓kVdc。因為a/2πθ是由靜電除塵器的工藝條件決定的，對于特定的靜電除塵器來說其值為常數，這樣ω≈K2(kVdc)(kVpeak)，其中K2=a/2πθ，對于某個特定的濕式靜電除塵器來說，K2是一個常數?？梢钥闯?，提高除塵效率的關鍵是進一步提高(kVdc)·(kVpeak)的乘積，由于PowerPlus的平均電壓(kVdc)非常接近峰值電壓(kVpeak)，所以(kVdc)·(kVpeak)的乘積也非常接近于最大值(kv_arclevel)2，kv_arclevel是變壓器發生電火花時的電壓，這也是變壓器所能達到的最高電壓。

因為IWS發生電火花時的電壓是由峰值電壓kv_arclevel決定的，平均電壓的值始終低于峰值電壓。為了提高IWS的除塵效率，要盡可能升高二次電壓，因為二次電壓越高，IWS的除塵效率越高，但同時二次電壓要略低于發生電弧時的電壓，因為一旦發生電弧，IWS的高壓電場就會在瞬間被擊穿，產生短路電流，電壓將大幅下降[4]。

由于PowerPlus特定的拓撲結構和高頻性能，其輸出電源電壓的波動幅度在3%～5%，而傳統的SCR電源的二次電壓的波動幅度在35%～45%，PowerPlus的輸出電壓的波動幅度只有傳統TR-set的十分之一，輸出電壓波形很平穩；同時，在輸入電壓相同的情況下，如果傳統的TR-set電源達到55kV(DC)，PowerPlus的輸出電壓比傳統的SCR電源高出10～15kV(DC)，甚至可以達到70kV(DC)。由上述參數可以看出，PowerPlus的(kVdc)·(kVpeak)的值要遠高于TR-set的。這也就使得PowerPlus控制的IWS高壓電場中粒子的遷移速率ω比TR-set要高得多，從而顯著提高除塵效率。

5 結束語

通過對TR-set和PowerPlus兩種電源在不同工況下各項性能指標的對比和理論分析，證實PowerPlus作為新一代的濕式靜電除塵器高頻開關電源，具有除塵效率高、耗能低、輸出電壓平穩、功率因數高、占地面積小、體積小及安裝調試簡單方便等諸多優點，而且經過國內外長期的工程實踐，證明高頻開關電源適合于在環境工程領域中進一步推廣應用，是濕式靜電除塵器電源的未來發展方向。