電除塵高頻電源的工作原理及應用探討

(唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063305)

我公司現有11臺老式濕式靜電除塵器，其主要作用是對石灰窯煅燒出氣提供除塵凈化，減少反應過程中的粉塵雜質，對我公司CO2壓縮設備的運行狀況以及產品質量、產量均有著極大的影響。由于其投產使用過早，當時所用電源均為火花跟蹤式單相工頻電源，這種電源控制簡單，使用方便，但也存在電源效率低、變壓器體積大、發生閃絡后電壓回復慢、極端情況下除塵效率低、輸出紋波大等缺點。隨著功率電子器件大功率化、高頻化的發展，為了解決傳統靜電除塵用電源的體積大、效率低的問題，人們開始提高靜電除塵電源的工作頻率，使其工作在較高的頻率下。使電除塵器除塵效率更高，能耗更低，克服后級電場中微細粉塵收集效率低的問題。在本文中將簡要介紹電除塵高頻電源的工作原理，與工頻電源進行優缺點比較，并結合我公司現有設備探討其應用前景。

1 電除塵器的工作過程

電除塵器工作過程中主要有氣體的電離、粉塵荷電、荷電粉塵收集以及清理四個主要反應步驟。它的主要構成為陰極線、陽極板、清理裝置和電除塵器電源四部分。在它的工作過程中，由電除塵器電源對陰極線施加一個穩定的高直流電壓，陽極板通過接地處理與陰極線構成了一個高壓靜電場。氣體在通過電場的過程中被電離而氣體中的粉塵雜質顆粒荷電之后受電場力作用，向陽極移動，從而被吸附在陽極板上，最后由清理裝置清理出電除塵器。由此可見，電除塵器電源所產生的電場直接影響了電除塵器的除塵效果。

一般電除塵電源可分為工頻電源和高頻電源。在此基礎上，根據不同的標準又可細分為可控硅工頻電源、恒流源、直流高頻電源和脈沖高頻電源等多種形式。

2 工頻電源介紹

我公司目前11臺電除塵器所用電源均為單相可控硅工頻電源，屬于第一代的電除塵器電源。

2.1 工頻電源工作原理

單相可控硅工頻電源采用單相380 V交流輸入，通過一組晶閘管反并聯交流調壓后，控制高壓變壓器網側交流電壓。工頻電源的高壓線圈串聯成一組，經高壓硅堆全波整流，輸出直流高壓。通過改變晶閘管的導通角，使變壓器輸出電流和電壓在額定范圍內平滑上升或下降。經單相變壓器升壓整流實現對電除塵器的供電，其原理如圖1所示。

為彌補工況的不足，提高設備運行的穩定性。我公司在后續的改造過程中陸續使用了XYEP-II型智能控制系統和火花跟蹤控制。目的是為了通過智能控制系統提高系統抗干擾及通過火花跟蹤抑制火花發生時電流沖擊倍數。

圖1 工頻電源工作原理框圖

2.2 工頻電源工作特點及不足

不可否認，我公司對工頻電源的應用在當時的條件下，對CO2氣體純度的提升有著顯著的效果，在使用過程中，工頻電源具有技術成熟、運行可靠、維護保養簡便等諸多優點。但是在今天，面臨工藝參數要求越來越高，氣體排放的環保標準越來越嚴格，電除塵電源不斷推陳出新的大環境下，工頻電源即便增加了XYEP-II型智能控制系統，和火花跟蹤控制，其在克服高濃度粉塵電暈封閉和高比電阻反電暈等方面略顯不足，功率因素和設備效率也比較低，一旦發生閃絡故障時，電壓降低明顯，同時容易造成連續閃絡和拉弧，對電場的穩定造成了極不利的影響，又由于基于50 Hz的工頻電壓，電場恢復時速度較慢。而且這兩種后續改進方案均是著眼于電除塵發生閃絡現象，除塵器內部無法維持穩定電場，設備整體效率降低后，如何在較短的時間內對電場進行恢復，并不能做到從根本上避免電場的不穩定，且效果并不十分理想。火花跟蹤特性曲線如圖2所示。

圖2 火花跟蹤特性曲線

3 高頻電源介紹

因高頻電源工作原理基本一致，性能接近，本文僅以浙江金華托菲電器有限公司所生產的ESE-D系列新型高效節能高頻高壓電源為例進行介紹。

3.1 高頻電源工作原理

ESE-D高頻電源主要由三相整流濾波電路，IGBT全橋諧振逆變電路，高頻高壓整流變壓器及控制電路組成。高頻高壓電源原理如圖3所示。

高頻電源供電方式為純直流和間歇供電(也叫脈沖控制供電)，控制方式主要采用調頻控制，還有部分采用調幅控制。其基本原理是將三相工頻低壓輸入電源，經三相橋式整流電路整流成直流，通過LC濾波后輸出520 V直流電源。經經IGBT全橋逆變電路逆變成20 kHz以上的高頻電壓，然后通過高頻變壓器升壓，經高頻整流器進行整流濾波，形成高頻直流脈沖電源供給電除塵器電場。圖4是在電除塵器負載上得到基本上純直流(DC)的電壓波形圖。控制器根據ESP負載的二次電壓、電流反饋信號進行自動跟蹤控制。

圖3 高頻高壓電源原理框圖

圖4 高頻電源二次電壓波形圖

3.2 高頻電源工作特性

ESE-D電源采用SCR斬波調幅和IGBT調頻相結合的調節方式。正常工作時，電源能為電除塵提供一個穩定的20 kHz以上的高頻電壓，當發生閃絡時，由于高頻電源的迅速關斷和脈沖調節，有效的抑制了電場的連續閃絡和拉弧，保持了電場的穩定；電壓恢復時，高頻電源能直接從高頻開始啟動，在脈沖調節的作用下，電場恢復時間更快，極短時間內恢復到20 kHz，然后通過調幅系統使二次電壓逼近臨界電壓，能使電場電壓迅速達到較高的有效值，提高除塵效率；高頻電源功率因數高，在電場所需相同的功率下，可比常規電源更小的輸入功率(約20%)，具有節能效果。

4 高頻電源的技術優勢

1)純直流供電時，相比于工頻電源，高頻電源所提供的穩定電場電壓值更高，與電除塵器本身的擊穿電壓值差值更小，有效的提高了電除塵器的平均電壓值。從而使電除塵二次電流和除塵效率得到提升。

2)通過間歇方式工作時，高頻電源產生一個脈沖式的電壓，其脈沖寬度在幾百微秒至幾毫秒之間。相比于工頻電源能夠有效提高脈沖峰值電壓，增加粉塵荷電能力，克服反電暈，增加了荷電粉塵在向陽極板吸附時的移動速度，從而有效提升電除塵的效率，同時起到了節能降耗的作用。

3)相較于工頻電源，高頻電源控制方式更具多樣性，通過純直流或是間歇供電方式的選擇，可以使電除塵器根據不同的工藝需求和設備情況選擇更有利的控制調節方式。

4)相較于工頻電源，高頻電源的效率和功率因數更高，據數據表明，高頻電源的效率和功率因數可達0.93以上。同時基于間歇式供電方式，可以使高頻電源做到需要時供電，不需要時停止供電，在同等工作效率的情況下，節能效果較工頻電源尤為顯著。

5)高頻電源可以在微秒級的時間量上停止供電，在電除塵電場產生火花，發生閃絡時，可以迅速關斷輸出，有效的抑制了電火花。同時能在10毫秒的時間內恢復最大功率供電，使高壓平均值幾乎無下降，相較于工頻電源的連續放電閃絡，高頻電源更能保障電除塵器閃絡時的工況穩定。

6)相較于工頻電源，高頻電源體積小、重量輕。同時高頻電源變壓器和控制柜一體化，無需敷設高壓電纜，無需建造電除塵控制室，節約費用，節省空間。

5 高頻電源在我公司的應用前景

我公司11臺電除塵均采用單相可控硅工頻電源，在未來的生產中，高頻電源相較于工頻電源更適用于我公司，主要體現在以下四點。

1)工頻電源在發生閃絡故障時，二次電壓明顯降低，使得電除塵系統在此階段不能有效的除塵工作,而高頻電源通過脈沖調節機制能有效的避免這種情況發生，且高頻電源平均電壓值更大，閃絡恢復時間更短，除塵效率更高。更換工頻電源之后，電除塵器除塵效率預計可提升1%～2.5%左右。

2)我公司11臺電除塵器的陰極線和陽極板幾乎均為不銹鋼圓線和碳鋼材質陽極板，這種結構所產生的電場強度較低，除塵效率較低，目前行業趨勢為鉛銻合金魚骨陰極線和導電玻璃鋼材質陽極板，后者的除塵效率更高但更易造成閃絡，工頻電源的恢復時間長，對環境要求高，不利于除塵效率的提升，更換高頻電源后可有力避免這一問題。

3)高頻電源功率因數高，電能利用率高，符合我公司一貫的節能環保的宗旨。以5#電除塵情況為例，額定輸入電流Ia=105 A，額定輸入電壓Ua=380 V，額定輸入功率Pa=Ua×Ia=41 kW。使用中的實際輸出電流Ib=88 mA，實際輸出電壓Ub=64 kV，實際輸出功率Pb=Ub×Ib=6 kW，額定輸出功率Pc為28.8 kW，功率因數為15%～70%。高頻電源功率因數高達95%，一臺電除塵功率因數可提高25%～80%之間。按25%保守估計計算，5#電除塵一年可節約電費3.95萬元，所有電除塵一年可為我公司節約電費43.41萬元。

4)對與我公司電除塵后續工序設備壓縮機而言，高頻電源除塵效率更高，氣體含塵量低更低。有效避免了因CO2氣體內的粉塵雜質堵塞壓縮機氣體管道的現象，減少了壓縮機的檢修周期，保障了設備運行的穩定性。

5)我公司0#～4#共5臺電除塵設備電源均在室內，需用高壓電纜與電場進行連接，不但不利于檢修，且存在高壓電纜擊穿等安全隱患，更換高頻電源可以有效的避免因高壓電纜所產生的安全事故，同時降低了檢修難度。

綜上所述，高頻電源更符合我公司現在的實際需要。將電除塵器工頻電源更換為高頻電源不但更有利于我公司的生產進行，而且更能起到節能降耗，消除安全隱患的目的。

6 結 語

電除塵高頻電源發展至今，技術已經越來越成熟。目前就除塵行業而言，電除塵高頻電源能提供更穩定的電場，更高的除塵效率，更低的能量損耗，更小的維護成本，這讓高頻電源的應用已經成為了一種趨勢。對于我跟公司而言，取高頻電源取代現有的工頻電源，能夠提高設備的除塵效率，提升電除塵系統穩定性，解決電除塵使用過程中因連續閃絡而影響工況的問題，保障了生產穩定，提升CO2氣體純度，同時做到節能降耗減排。符合我公司的電除塵系統實際需要，對我公司對電除塵系統的應用以及我公司的生產都有積極的意義。