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.中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201821；2.上海激光電源設備有限責任公司，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.中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201821；2.上海激光電源設備有限責任公司，上海 201821）

針對燃煤電廠排放粉塵濃度≤5mg/m3的標準，燃煤電廠和鋼鐵廠脫硫煙氣深度處理裝置應運而生，即濕式電除塵器技術。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，電場工作很不穩定，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中的核心單元技術之一，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題，能夠有效地保護濕式電除塵器收塵極。高頻恒流高壓直流電源功率因素高，轉換效率高，在節能方面有顯著效果。

濕式電除塵器；高頻恒流高壓；直流電源除塵；節能

濕式電除塵器的原理是通過向陰極施加負高壓直流電，電極周圍空氣分子被電離，電離產生的正離子返回陰極，負離子則向沉淀極（陽極）遷移。在負離子遷移途中，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。荷電塵霧在電場力的驅動下向沉淀極趨近并吸附于沉淀極。霧滴在陽極表面積聚形成水膜并依靠自重攜帶粉塵向下流淌。為防止陰、陽極表面可能出現的局部結垢現象，需定時進行噴淋沖洗，以保持表面清潔。噴淋時，電場極易出現閃絡擊穿的現象，盡管時間很短，但這種擊穿對非金屬陽極的影響是破壞性的，供電電源應能做到即時滅弧；電場正常工作過程中，由于煙氣處于過飽和狀態，工況穩定時，電壓也比較穩定，然而，工作電流則可能出現過大或過低。過大易引發閃絡，過低又會降低除塵效率。可見，濕式電除塵器對供電電源的要求非常嚴格。某公司開發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，經三相整流橋變為兩相電壓源，再經過逆變器逆變成為高頻交流電壓源，通過恒流組件進行V/I轉換把高頻交流電壓源轉化為近似正弦的高頻交流電流源，再經升壓變壓器將高頻交流電流源轉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，而并不是說系統的輸出電流無法改變，其真正含義是根據系統的實際情況選擇設定的電暈電流，在系統運行中與電場電壓、負載大小無關，即不受工況和負荷的影響，高頻恒流高壓直流電源系統的電路原理見圖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PM2.5、PM10、SO2有很高的去除效率，但濕式電除塵器所使用的陽極大部分為導電玻璃鋼，噴淋清灰時，電除塵器內發生閃絡或者瞬態短路在所難免。電廠脫硫后濕式電除塵器的煙氣量都比較大，對660MW以上的機組，濕式電除塵器所配的電源的規格一般都大于72kV/2.0A。在電場容量大、電源功率高的情況下，電場出現閃絡時，滅弧的難度增加，火花對本體的傷害也大。而高頻恒流高壓直流電源可以有效解決此問題。

2.1 高頻恒流高壓直流電源系統框（見圖2）

圖2 高頻恒流高壓直流電源系統框圖

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過傳感器，直接通過V/F采樣板，將電壓轉換頻率，通過光纖轉入150M的DSP主控板，整個判斷過程為1～2個μs。

2.2 濕式電除塵器發生短路時保持恒流

高頻恒流高壓直流電源是電流源的一種，能直接控制、調整電流，負載發生變化甚至出現短路，輸出電流恒定不變，這就是“恒流”的含義。輸出電壓U=I×R（負載的等效電阻值），隨著負載的變化而變化，當濕式電除塵器發生短路時，R=0，輸出電壓U=0，則輸出功率P＝U×I=0，即注入電場的功率為0，這就對本體起到了很好的保護作用。設若使用電壓源供電，當濕式電除塵器發生短路時，輸出電壓U不變，R=0，輸出電流I=U/R→∞，輸出功率P＝U×I→∞，這種瞬態高能位輸出必定會對電極產生損傷，逐次累積的結果對濕式電除塵器是災難性的。

2.3 對工況變化的適應性好

進入濕式電除塵器的煙氣參數并不是一成不變的。當煙氣的溫度、濕度及濃度等發生變化時，其放電特性也會發生變化，電場等效電阻值同樣發生變化。當煙氣濃度增加時，電場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隨著等效電阻的增加而增加，運行電壓和電暈功率呈現正反饋跟蹤特性。恒流電源與可控硅電源供電的負載跟蹤特性的對比見表1和表2。

恒流源：根據歐姆定律知U = I×R，得到恒流源的負載跟蹤特性，見表1。

表1 電流源（恒流源）供電的負載跟蹤特性

電壓源：根據歐姆定律知I=U/R，得到恒流源的負載跟蹤特性，見表2。

表2 可控硅（恒壓源）供電的負載跟蹤特性

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其供電特性

當濕式電除塵器產生火花時，電壓源只能通過減少導通角的方式，大幅降低輸出電壓，然后再逐漸地增加導通角，其恢復時間較長，除塵效率難以保證，而高頻恒流高壓直流電源當產生火花時，電壓迅速降低，當火花結束時，電壓可在微秒級內上升，對除塵效率幾乎不產生影響。見表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程

2.4.2 高頻恒流高壓直流電源的火花參數設置

高頻恒流高壓直流電源的火花設置參數見圖4。

圖4 高頻恒流高壓直流電源的火花參數設置

通過上述參數的設置，當電場在運行時有效地避免了持續的拉弧，可以更加有效保護濕式電除塵器。

當高壓直流電源的規格比較大（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，發生火花時尤其是形成放電通道時，非常難以滅弧，高頻恒流高壓直流電源有效地解決了此問題。

并且當火花放電的次數過于頻繁時，高頻恒流高壓直流電源自動降電流運行，并能自動恢復。當降電流次數達到設定次數時，電源發出報警，提示操作員出現負載故障，見圖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

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，可長期使用。

2.5.2 冷卻

油箱和IGBT閉環強迫水冷（水流過IGBT底部），解決了大功率高頻恒流直流電源長期運行發熱，絕緣油失效的難題。同時避免IGBT的早期失效。延長電源的使用壽命。

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，無論是高頻恒流高壓直流電源內部還是外部的抗干擾性都非常強，采用標準modbusTCP/IP協議，入網方便，組態方便。

2.5.4 iEC

高頻恒流高壓直流恒流電源設計嚴格參照IEC61000，并整機通過中國船舶工業電磁兼容檢測中心認證，確保高頻恒流高壓直流恒流電源的運行不會干擾電網中其他電氣設備，見圖6。

按：“齔鬈”，童年。“齔”指兒童換齒。即脫去乳齒，長出恒齒。《國語·鄭語》“府之童妾未既軋齒而遭之” 韋昭注：“毀齒曰軋齒。”“鬈”指把頭發分開，垂在兩側。故用“齔鬈”指稱童年時。“齔鬈”一詞，《漢語大詞典》未收。

圖6 高頻恒流高壓直流恒流電源傳導騷擾測試波形圖

2.5.5 安規

高頻恒流高壓直流恒流電源整機設計過程嚴格按照安規標準IEC61010，該產品已通過國際知名安規認證公司NEMKO認證。

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，還需要監控一些壓力、溫度等控制點，需要在程序中使這些控制點與高頻恒流高壓直流電源形成聯鎖，以保護濕

式電除塵器。控制總圖見圖7。

圖7 濕式除塵器控制總圖

2.7 節能效果

高頻恒流高壓直流電源采用IGBT逆變技術，變壓器鐵芯采用非晶材料，相對于可控硅電源，功率因素更高，損耗更低，有著明顯的節電效果。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比見表4。

表4 兩種電源輸入視在功率對比

高頻恒流高壓直流電源。

可控硅電源

因此四臺電源一年可以減少耗能為：

若按工業用電計算，每度電電費為1元，則一年節省2,827,728元。

考慮到電源不能滿負荷運行，按照額定80%運行計算：

則可以節省2,827,728×0.8＝2,262,182.4元。

3 案例

3.1 廣東某電廠

電源規格：HLG-2-72kV/1200mA－W，1臺機組4臺套。

本體廠家：廈門某環保公司，在熱態情況下，機組為300MW輸出小于5mg/m3，每個電場運行數據見表5。

表5 恒流源在廣東某電廠的運行數據

3.2 華能德州某電廠

電源規格：HLG-1-80kV/1700mA－W×4臺，HLG-1-80KV/1400mA-W×8臺。

本體廠家：山東某環保公司，在熱態情況下，機組為2×660MW輸出小于5mg/m3，每個電場運行數據見表6。

表6 恒流源在華能德州某電廠的運行數據

3.3 天津某電廠

電源規格：HLG-1-72kV/2400mA-W，1臺機組6臺套。

本體廠家：西安某環保工程有限公司，在熱態情況下，機組為1000MW輸出小于5mg/m3，每個電場運行數據見表7。

表7 恒流源在天津某電廠的運行數據

3.4 山東某鋼鐵股份有限公司2×265m2燒結機

電源規格：HLG-2-80kV/1300mA-W，2臺燒結機機頭，共6臺套。

本體廠家：山東某環保公司，燒結機排放輸出小于5mg/m3，每個電場運行數據見表8。

4 結束語

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，濕式電除塵器在環境保護方面的作用越來越突出、應用越來越廣，而切實保證濕式電除塵器的正常、高效運行狀態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勢進一步提升，又兼三相供電平衡、占地少、節能顯著、控制精度更高等突出優點，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行數據

[1] 邱關源．電路[M]．北京：人民教育出版社，1982．

[2] 黎在時．靜電除塵器[M]．北京：冶金工業出版社，1993，6．

[3] JB/T 11074-2011，電除塵用恒流高壓直流電源標準[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