脉冲电源在电除尘器中的应用
水泥 杭州天明电子有限公司 蔡周兵 齐振钊 2015-09-29
引言
随着国家新的大气污染物排放标准的颁布实施，很多国内燃煤电厂、钢铁、水泥石化等企业的现有环保设施已无法完全满足日益严苛的排放要求。脉冲电源除尘技术，就是用脉冲电源代替传统的直流电源，以提高除尘效率的一种技术。在各种针对粉尘的减排改造技术中，脉冲电源除尘技术改造因为施工周期短、改造负面影响小等原因一直以来备受关注。本文涉及的脉冲电源作为第三代除尘电源，其供电原理完全不同于普通的直流供电，下面对除尘用脉冲电源原理、脉冲供电技术特点和应用做相应介绍和分析。
1除尘用脉冲电源系统介绍
除尘用脉冲供电电源，按脉冲宽度分为ns级的短脉冲电源和us级的长脉冲电源，其中长脉冲电源的脉冲宽度一般小于100us。当前对静电除尘用脉冲电源实现产品化的公司主要包括丹麦FL Smidth、韩国POSCO ICT(浦项制铁)、日本住友重工以及国内的杭州天明电子等公司。这些公司的脉冲电源，可分为不带脉冲变压器和带脉冲变压器两种。
1.1 不带脉冲变压器的脉冲电源原理
其工作原理如图1，其中Up+是脉冲部分的直流高压供电电源，通过高压开关Kp的闭合，在高压电感Lr、高压电容Ci及电场负载ESP的等效电容回路上形成LC震荡，从而在原基础电压Udc的基础上形成高压脉冲波形。与高压开关Kp反并的高压二极管Dr的主要作用是在LC震荡的后半段形成能量从电场ESP返回电源的通道。
图1.1不带脉冲变压器脉冲电源原理图
这种脉冲电源形成原理简单，可以通过调整高压电感Lr进行脉冲电压宽度调节、通过调整Up+电压脉冲电压幅度调节。其难点是实现高压开关Kp及反并二极管Dr的稳定可靠。
1.2带脉冲变压器的脉冲电源原理
其工作原理如图2，通过低压侧开关Kp的闭合，在储能电容Cs、脉冲变压器Tp、隔离电容Ci以及电场ESP上共同形成LC震荡回路，从而在基础电压Udc的上形成高压脉冲波形。
图1.2带脉冲变压器脉冲电源原理图
在实际应用中，这种脉冲电源的各部件参数需要经过反复计算以确定最佳值。这种设计的好处在于开关控制元件可以在低压侧实现，特别是可以使用IGBT做开关元件，在电场闪络时快速关断回路，从而避免整个设备上的大电流、高电压冲击。其难点在于脉冲变压器的实现及其可靠运行。
上述两种脉冲电源的共同特点是：1、采用隔离电容接入直流基础电压。2、通过产生LC震荡的方式产生脉冲电压。而通过LC震荡的方式产生脉冲电压的特点在于：1、脉冲幅度稳定，脉冲上升下降沿陡峻。2、脉冲升压时的电场充电能量在电压回落时进行回收。3、当开关元件Kp闭合的时间超过LC震荡周期时，可以实现密集多脉冲震荡，如图1.3。
图1.3密集多脉冲电压波形
然而密集多脉冲震荡供电方式并不能在实质上更多的影响除尘效率。
2 静电除尘器脉冲供电特点
相对于传统直流供电，除尘器脉冲供电的特点在于：使除尘器工作效率更高，更节能且可以适应不同工况。
2.1脉冲供电与普通直流供电的区别
脉冲供电与传统直流供电（工频、三相、高频等）的主要区别在于：脉冲供电是在传统供电产生的基础电压上再叠加可调频率的脉冲电压，且脉冲电压时间极短。
常规工频电源电压上升时间达5-20ms,高频电源依据不同电源和电场规格的电压上升时间也达2-10ms，如图2.1、图2.2。
图2.1工频电源升压波形
Ch1二次电压 Ch2 二次电流
图2.2高频电源升压波形
Ch1二次电压 Ch2 二次电流
而脉冲电源提供的脉冲电压宽度一般小于100uS，其电压上升时间也小于50us。
图2.3 TM-HPP型脉冲电源波形
A通道 二次电压(负压反向显示 1:1000) B通道 二次电流
如图2.3TM-HPP型脉冲电源的实测叠加脉冲电压宽度达60us，幅度60kV。脉冲供电的特性形成两种效果：1、由于脉冲电压上升时间短，造成电场内电压dv/dt高，从而使电场内极易产生高能低温等离子体。2、由于脉冲电压持续时间短，使电场在同样的工况下可以获得更高的峰值电压。
2.2电除尘脉冲供电的提效机理
粉尘粒子荷电的过程，按其机理分为电场荷电和扩散荷电两类。通常来讲对于直径大于0.5um的颗粒，电场荷电占主导地位；粒径介于0.2-0.5um的颗粒，两种荷电过程都是主要的；对于直径小于0.2μm的颗粒，扩散荷电仍是颗粒荷电的主要途径。
电除尘的脉冲供电方式一方面能产生大量的高能等电子团帮助粉尘实现更高的扩散荷电；另一方面产生更高的峰值电压帮助粉尘实现更高的电场荷电。
由于电除尘器的除尘效率和粉尘粒子驱进速度有直接的关系，粉尘粒子向阳极板驱进速度ω的概念性表达式：
（式2.1）
式中： ω—粉尘驱进速度；
P—电场的介电常数；
Ep—收尘极的电场强度；
Ec—粉尘荷电电场强度；
a—尘粒半径；
μ—气体粘度
因ω正比于粉尘荷电电场强度，所以可得更高的粉尘荷电使除尘器具有更高的除尘效率。
[Page]
另外，对于传统直流电源供电的大型静电除尘器而言，大部分的粉尘在前面的两个电场收集下来，剩下的都是难以收集的细小粉尘，而简单的增加电场强度还是很难使小粒径粉尘荷电。相比而言使用脉冲供电的静电除尘器对于小粒径粉尘收集有着先天性的优势，因此脉冲供电技术在传统除尘器上使用具有非常明显的提效效果。下图为脉冲与传统电源对应不同比电阻的关系图。
图2.2 脉冲电源粒子驱动速率增加率与比电阻关系
2.3脉冲供电的能耗
脉冲电源的脉冲电压由于只是在很短时间内工作，且一般都是具有电场能量回收功能，其脉冲部分的平均功率非常小。通过图2.3可知当ESP两端电压达到最大时电流为零，然后在逆流的负半周周期内将能量回收到Cs储能电容上。在脉冲电源正常工作时，其基础电压Vdc部分的功率可以大幅下降，从而实现节能。
带能量回收功能的脉冲电源系统的功耗可以使用以下公式表达：
P = IPVdc + c × IPVp （式2.2）
其中常数c由实验证得一般为0.5。
举例说明，假如一个脉冲电源系统工作在电流密度0.1mA/m2，脉冲电压Vp = 60kV，直流基压Vdc = 40kV。负载电场的面积为3000m2。那么它的平均电流为0.1×3000=300mA，应用式2.2，该电场的总功耗：
P=0.3×40+0.5×0.3×60=12+9=21kW
这是典型中比电阻工况下的除尘器单电场功耗，在高比电阻工况下的功耗，通过调整基压和脉冲频率功耗将变的更小。
2.4脉冲供电在不同工况条件下的适应能力
脉冲电源一般都有调整脉冲电压工作频率的功能。通过调整不同的脉冲频率可以调整不同供电电流。如图2.4在不同的脉冲工作频率下除尘器伏安特性曲线。
图2.4脉冲供电下的典型伏安特性曲线
因此，在高比电阻的工况下，可以通过减小脉冲频率减小供电电流，从而避免电场内部的反电晕现象。在中、低比电阻的工况下，可以通过增加脉冲频率增加供电电流，进而提高电除尘器除尘效率。
3 脉冲电源在电除尘器中的应用
电除尘器脉冲电源改造方案，一般采用前级采用高频电源，收集大颗粒和易收粉尘；后级采用脉冲电源，收集高比电阻和难收粉尘。使在不改变电除尘器的情况下，粉尘浓度排放下降50%及以上，单台设备能耗下降50%及以上。
3.1 湖南某电厂除尘器改造案例
湖南某电厂#1炉600MW机组1侧采用天明TM-HPP脉冲电源改造方案，前2级电场采用高频电源，后2级利旧原工频电源，加脉冲电源；另外一侧没有做改动。并对两侧的结果邀请电科院进行检测。
3.1.1除尘器原设计参数和性能指标
除尘器原设计参数和性能指标如下表：
表1 除尘器原设计参数和性能指标
3.1.2脉冲电源改造前后测试对比
2014年1月15日委托湖南电科院对#1炉静电除尘器进行了性能测试，测试结果如下图。下图左侧为未加脉冲电源侧，电除尘器的进口浓度为24438.8 mg/ Nm3，电除尘器的进口浓度为36.29mg/ Nm3和40.7mg/ Nm3。下图右侧为加脉冲电源侧，电除尘器的进口浓度为25513.6 mg/ Nm3，电除尘器的进口浓度为17.36mg/ Nm3和21.48mg/ Nm3。从上面的数据可以看出，电除尘器在不做任何内部改动的前提下，只需要使用除尘脉冲电源供电，粉尘浓度下降50%及以上是完全可以实现的，也使排放达到新的环保标准要求变为可能。
图3.1 未加脉冲电源和加脉冲电源排放测试结果对比
3.2国内某电厂除尘器改造案例
研究表明：脉冲电源提供很高的峰值电压，幅值较低的基础电压提供维持荷电粉尘向阳极板运动的电压。在节电的基础上，同时具有很好的减排。
3.2.1节电原理
脉冲电源提供很高的峰值电压，幅值较低的基础电压提供维持荷电粉尘向阳极板运动的电压。在节电的基础上，同时具有很好的减排。下图为使用脉冲电源的前后对比图。图中白色区域为使用脉冲电源基础电压维持在电场起晕电压附近时的能耗；图中灰色加白色区域为未加脉冲电源能耗，从图中可以明显看出，使用脉冲电源能耗下降非常明显，一般单台能耗下降50%及以上。
图3.1 未加脉冲电源和加脉冲电源能耗对比
3.2.2改造后测试结果
下图为脉冲电源改造后排放、能耗对比图，从图中可以看出，在排放下降50%的情况下，节能达到80%以上。
图4.1 改造前后的排放、能耗对比
3.3试验结果
通过试验证明，脉冲电源在电除尘器中的应用具有下列优点：
1、改造后节能、减排效果好，做到减排50%及以上，节能50%及以上；
2、改造费用低、性价比高；
3、改造周期短、方便，可以实现不停炉改造，降低改造停炉带来损失；
4、改造后维护成本低，经济效益明显。
4.结束语
用脉冲电源代替传统的直流电源，以提高除尘效率的脉冲增强静电除尘技术，一直以来都是国际除尘技术研究的一个热点。但长期以来脉冲电源产品化技术一致被国外公司所垄断，造成国内应用价格高、改造困难等问题，所以在国内很少有应用。近期国内某些企业脉冲电源技术的突破和成熟注定是静电除尘行业和相关排放企业福音。
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