靜電除塵器高壓電源的發展趨勢探討

摘 要：靜電除塵技術自七十年代開始發展，在大氣污染治理行業得到最普遍、最廣泛地推廣和應用。隨著環保要求的日益提高，目前實施的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），要求煙塵排放濃度標準≤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。文章介紹了單相高壓電源、三相高壓電源、三相高頻開關電源技術的特點，指出三相高壓電源、高頻開關電源是改造和新建靜電除塵器的首選供電設備。

關鍵詞：靜電除塵器；改造；三相高壓電源；高頻開關電源

1 概述

靜電除塵器作為一種技術成熟的工業煙氣凈化設備，是國際上公認的高效除塵設備，具有運行可靠、維護方便及電耗低等優點，長期以來在大氣污染治理中得到最廣泛地推廣和應用。隨著環保力度加大，火電廠煙塵排放濃度越來越低，由200mg/m3降到50mg/m3；再到目前實施的《火電廠大氣污染物排放標準》（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，為達此目的，靜電除塵器的電場數越來越多，選配的電源也越來越大。高壓供電裝置是靜電除塵器的核心，其供電能力和調節特性在很大程度上決定了除塵效率、能耗指標和電網污染。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，面臨著輸出排放達標困難和電網污染的雙重挑戰。

2 靜電除塵器電源的發展

靜電除塵器是利用強電場電暈放電使氣體電離、粉塵荷電，在電場力作用下使粉塵從氣體中分離出來，其設備包括靜電除塵器本體、高壓供電設備、加熱器、振打清灰設備等。特點是：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； 靜電除塵器工作過程中電暈放放電、氣體電離、粉塵移動都必須由強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、能耗指標和電網污染。為保證環保排放、節能降耗，可持續發展的客觀要求，從上世紀八十年代至現在，靜電除塵器在電源方面做了很多改進，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關電源。

3 單相可控硅整流電源

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

單相380VAC/50HZ交流信號，經過兩個反并聯可控硅移相調壓，由變壓器升壓整流輸出高壓加到靜電除塵器，經升壓和整流后的波形為100HZ脈動信號，輸出二次電壓波形如圖1。這個技術90年代得到普遍推廣，運行中主要有三大缺點：一是輸出電壓平均值比峰值低25%-35%，波形脈動大，當系統阻抗不匹配和在高濃度粉塵的工況下極易產生火花擊穿，容易出現高電壓低電流或低電壓大電流的不正常狀態，影響整體的除塵效率。二是工作頻率低，功率因數低，耗費電能；理論計算效率只有70%，實際為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。在非三電場的靜電除塵器應用中，相序無法匹配，存在著嚴重的缺相損耗。靜電除塵器選用的電源規格越大，不平衡問題就越嚴重，越不利于供電電網的安全運行。

隨著排放標準的提高和節能降耗產業政策的實施，靜電除塵器的電場數越來越多，選配的電源也越來越大，單相電源自身原固有的技術缺陷也更加明顯的顯現出來，大部分已不能滿足環保排放的要求，對其實施全面改造以提高除塵效率已是迫在眉捷的問題。

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，通過三路六只可控硅反并聯調壓，經三相變壓器升壓，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小，電壓平均值接近于單相電源的峰值電壓。根據多依奇公式η=1-exp[-（A/Q）ω]（式子中的ω為驅進速度，ω=βVPVAV，β為常數，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明顯特點：一是三相電源采用三相調壓、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，有利于電網的安全運行；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，對高比電阻的煙塵較難達到最新環保排放標準。

5 三相高頻開關電源

電除塵用三相高壓供電技術是當今國際靜電除塵器供電的前沿技術，三相交流輸入整流為直流電源，經全橋逆變為三相交流，隨后升壓整流輸出直流高壓。三相電源工作頻率可達40kHZ，主要包括三個部分：變換器、變壓器、控制器。其中全橋變換器實現直流到三相交流的轉換，三相變壓器/三相整流器實現升壓整流輸出。

三相380v50HZ或60HZ交流電源，經三相整流濾波成約520v直流電壓，再經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隔離驅動器送給IGBT全橋高頻逆變器以對輸出電流輸出電壓進行調節，同時實現開路保護、短路保護、變壓器油和IGBT的過熱保護。三相高頻開關電源的頻率可達40kHZ，相當于常規工頻電源的800倍，其輸出電壓、電流接近于直線，圖3是高頻開關電源輸出直流電壓波形。

從圖中可以看出：常規的單相可控硅工頻整流電源產生的輸出谷值電壓，比高頻開關電源產生的輸出直流電壓低25%。高頻開關電源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生點電壓運行，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。神華集團山西王曲電廠2013年11月至2014年7月率先在國內600MW等級機組投運的靜電除塵器上采用三相高效電源技術，實現了提效、節能，中國環境監測總站測試煙塵排放濃度結果為1號機組煙塵排放濃度1.6mg/m3，2號機組煙塵排放濃度小于3.8mg/m3，達到了國家超低排放的標準。三相高頻開關電源具三相硅整流電源的一切優點，能克服單相電源的固有缺點，同時又比普通三相電源具有更好工況適應性好，更高的運行電壓，接近全直流的輸出及火花控制特性。

6 結束語

新環保排放標準已經實施，新建工程須一次性滿足標準要求，已建工程大多達不到環保標準，須進行技術改造。如果單純擴大靜電除塵器容量或者增加靜電除塵器數量，不僅花費大量資金，占用更大空間，有些地方甚至不可能實行，三相高壓電源經過近年來的發展，以其輸出電壓高，提高除塵效率明顯；功率因數高電能轉換效率高，節能效果明顯；三相平衡供電；利于電網安全等優點在不同行業都有很成功的表現，實現了靜電除塵器供電電源技術水平質的飛躍，是傳統可控硅工頻電源的革命性的更新換代產品，三相高壓電源取代單相電源是必然的趨勢。

三相高頻開關電源具三相硅整流電源的優點，能克服單相電源的固有缺點，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性，是靜電除塵器電源發展的趨勢，是新建和改造靜電除塵器的首選供電設備。

參考文獻

[1]山西魯晉王曲發電有限責任公司重大技改項目可行性研究報告[R].

[2]超監界火電機組檢修技術叢書輔助設備檢修[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]高香林.電除塵技術[M].保定：華北電力大學出版社，2001.

[4]朱琪.電除塵電源節能改造[J].華電技術，2008.