高頻脈沖電源在熱電廠超低排放中的應用

徐赫澤（中油電能電力生產保障公司）

大慶中油電能熱電二公司3#爐電除塵器電源采用一電場高頻電源，二、三、四電場工頻電源的運行方式。根據EMS在線數據顯示，目前除塵器出口粉塵排放濃度40~50mg/Nm3，脫硫塔出口粉塵排放濃度10~20mg/Nm3，符合原國家設計標準的低于30mg/Nm3，但不符合現行規定的超低排放低于10mg/Nm3的要求，同時原有電除塵二、三、四電場工頻電源存在運行效率低，除塵耗電量居高不下等問題。基于上述原因，2018年7月黑龍江省電業主管部門明確要求進行超低排放改造，并于2020年10月30日完成該項目[1-2]。

1 主要問題

1）工頻電源由于輸出平均電壓低，閃絡現象峰值電壓無法突破63kV，導致除塵效率低的同時也造成能耗巨大。工頻及高頻直流電源受火花放電電壓限制無法持續提升電暈電壓，否則易發生閃絡現象，造成極板擊穿，靜電除塵器每年都會發生因閃絡導致的電場短路情況，降低了電場利用率。

2）原有的電除塵器供電電源模式受到技術限制已無法進一步提高除塵效率。原電除塵器一電場為高頻電源，二、三、四電場為工頻電源，其電除塵器出口濃度可以滿足原有排放標準，但當兩個或兩個以上電場發生短路故障時，排放極易超標，必需停爐檢修，除塵效率無法進一步提升[3-5]。

3）除塵器工頻電源變壓器耗能高，表現為銅損和鐵損大，導致變壓器本體溫升高，并且電能轉換效率低，功率因數低等原因造成廠用電量增高。

2 原因分析

2.1 鍋爐電除塵電源存在問題分析

熱電二公司共5臺鍋爐，實施了廢氣脫硫和除塵改造。并且對靜電除塵器進行了技術升級改造，在原有雙室四電場電除塵器基礎上整體增高，除塵器極板極線全部換新，第一電場配置1.6A/72kV的高頻電源，二、三、四電場配置1.6A/72kV的工頻電源。設計指標電除塵出口煙塵濃度小于或等于50mg/Nm3，目前電除塵出口煙塵濃度達40～50mg/Nm3。根據超低排放要求，除塵器出口濃度需不能高于40mg/Nm3，再經過脫硫系統協同作用，可實現粉塵的超低排放。

2.2 電源除塵效率低問題分析

原來使用的除塵器電源主要采用單相工頻電源和高頻電源。其中單相工頻電源輸出電壓紋波系數大，一般在35%左右，其峰值電壓一般比平均電壓高30%，導致電暈電壓低，一般不能升得很高，通常在50～70kV，因為在輸出持續為高電壓情況下，電場易發生閃絡，其恢復時間不但提高了能耗而且降低除塵效率，工頻電源為避免閃絡無法突破，同時單一的工頻波形在高比電阻粉塵的工況下，除塵效率低，因晶閘管屬于半控型開關元件，當電源發生火花放電時，相應速度慢，檢測和關斷火花時間約為10ms，恢復時間為50~60ms。高頻電源為三相電壓輸入，輸出為直流連續電壓，其頻率在0~30kHz，控制頻率短并且可調，其紋波系數小于1%，波形近似于一條直線，因此峰值電壓和平均電壓為同一電壓，這使得靜電除塵器能夠以次火花發生點電壓運行，從而提高了電除塵器的供電電壓和電流，增大了電暈功率的輸入，同時其檢測和關斷火花時間約為25us，恢復時間約為10ms，遠遠低于工頻電源，提高了電除塵器的效率，但對于高比電阻粉塵的收塵效率較低，易發生反電暈現象。因此，尋求新的電源技術，在提高粉塵驅進速度的同時，減少反電暈和閃絡現象的發生，提高收塵效率和避免因閃絡的發生造成設備損壞[6-8]。

2.3 工頻電源電能轉換效率低的原因分析

單相工頻電源的采用的是油浸式工頻變壓器，為鐵氧體材質，其自身功耗較高，同時由于工頻電源易發生閃絡現象，為避免電暈極和收塵極之間的頻繁火花放電帶來的沖擊，其整流變壓器內阻通常設計為總阻抗的30%~35%，因此電源轉換效率一般為65%~70%。此外因工頻電源采用單相交流輸入，容易導致電網不平衡，其晶閘管調壓在電壓輸入端產生大量的諧波電流，對電網造成一定干擾。工頻高壓直流的頻率為50Hz，所以變壓器體積和重量較大，發熱量較大。高頻電源采用超微晶材質，耗電量較低，同時為三相交流輸入，其轉換效率為93%以上，功率因數在0.9以上，因此高頻開關電源損耗小，相對電源節能15%，因二次輸出頻率在0~30kHz可調，可以根據工況自動對輸出電壓進行微調，控制場強輸出，避免電量浪費。

2.4 電除塵四電場電源匹配存在問題分析

現有電除塵電場的電源種類有多種，高頻、單相工頻還有三相工頻電源、脈沖電源等等，在收塵效率和能耗上各有不同，同時脈沖電源其基波電源可以是單相工頻、三相工頻，也可以是高頻電源。因此根據實際的電源種類配置方式較多，現有電場電源是一電場高頻，二、三、四電場為工頻電源，該種組合方式在高比電阻收塵上也存在除塵效率較低的弊端。

3 改造方案

3.1 工頻電源升級為高頻電源

原有工頻電源受自身特性影響，其紋波系數在30%左右，平均電壓較峰值電壓低30%，影響除塵效率。

而高頻電源電能效率轉換高，同時其頻率可在0~30kHz自動調節，減少電能損耗，同時其輸出近似于平直的直流輸出，紋波系數小于1%，峰值電壓和均值電壓等同，除塵效率大大提升。

3.2 選擇使用分體式基波高頻疊加脈沖電源

脈沖電源其頻率一般為100Hz，其二次電流最高可達200A，脈沖寬度為100us，其瞬間可達到兆瓦級能量輸出，而一般高頻和工頻二次輸出額定值均為1.6A，脈沖電源提升高比電阻粉塵的荷電能力，提高除塵效率，通過對比分析選用高頻電源作為基波，疊加脈沖電源，滿足電源平穩輸出的同時，達到節省耗電量的目的。基波疊加脈沖電源根據工藝不同分為一體式和分體式，最終選用分體式脈沖電源，可以確保在疊加脈沖電源部分發生故障檢修時，高頻基波電源可不退出運行，確保除塵的持續運行，在基波高頻疊加電源運行時，其基波電壓通常在50kV以下，避免電場在輸出持續高電壓情況下，發生閃絡及反電暈。

3.3 實施高壓電源的組合優化運行

結合除塵的實際情況，合理分配高頻電源和脈沖電源的數量和組合方式，提高除塵運行效率。一、二電場采用高頻電源，三、四電場采用脈沖電源，前級電場采用高頻電源可以提供持續的高電壓，提高電暈電流，減少電暈封閉情況，提高高濃度粉塵排放，后級電場多為高比電阻的細小微粒，采用脈沖電源效果更為明顯，其基波電壓控制在60kV以下，確保持續穩定的收塵，而避免火花放電情況，同時脈沖電源可疊加至最高140kV，脈沖頻率為100Hz，脈沖寬度75~100us，最大限度的提高峰值電壓，同時避免反電暈現象的發生[9-10]。

4 效果分析

1）改造后除塵器出口濃度低于30mg/Nm3，遠低于預期的40mg/Nm3以下。電場高壓電源電能轉換效率和輸出功率因數得到了有效的提高，提升除塵效率的同時，降低了廠用電消耗量。

2）選用集成化設計的電源設備，減少了運行人員的操作流程，選用分體式基波疊加脈沖電源設備，確保脈沖電源部分故障檢修同時，不影響基波電源除塵運行。

3）經濟效益計算。3#爐為410T鍋爐，每年大負荷期間均為滿負荷運行，煤質不變的情況下，其粉塵排放濃度比例相近，通過除塵系統的粉塵總量變化不大，除塵系統運行在相同工況下，統計其運行耗電量，2019—2020年負荷期耗電量見表1。在負荷相近情況下，同期對比節約電量243630kWh，節約電費15.59萬元。

表1 2019—2020年負荷期耗電量 單位：kWh

5 結論

本項目依托超低排放改造項目，結合電除塵電源應用現狀進行，對鍋爐電除塵電源進行研究優化并得到實際應用，提高了高比阻粉塵的除塵效果，提升了電除塵電場整體的排放效率，同時有效抑制了閃絡和反電暈的發生。優化了電源各電場的配置方案，合理分配高頻電源和脈沖電源，在節省投資的前提下，確保除塵達標排放。在降低粉塵出口排放同時，對進一步降低能耗起到了積極作用，也為高頻脈沖電源在熱電廠超低排放中的應用提供了一定的實踐經驗。