脈沖電源在電除塵器中的應(yīng)用

  引言

  隨著國家新的大氣污染物排放標準的頒布實施，很多國內(nèi)燃煤電廠、鋼鐵、水泥石化等企業(yè)的現(xiàn)有環(huán)保設(shè)施已無法完全滿足日益嚴苛的排放要求。脈沖電源除塵技術(shù)，就是用脈沖電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電源，以提高除塵效率的一種技術(shù)。在各種針對粉塵的減排改造技術(shù)中，脈沖電源除塵技術(shù)改造因為施工周期短、改造負面影響小等原因一直以來備受關(guān)注。本文涉及的脈沖電源作為第三代除塵電源，其供電原理完全不同于普通的直流供電，下面對除塵用脈沖電源原理、脈沖供電技術(shù)特點和應(yīng)用做相應(yīng)介紹和分析。

  1除塵用脈沖電源系統(tǒng)介紹

  除塵用脈沖供電電源，按脈沖寬度分為ns級的短脈沖電源和us級的長脈沖電源，其中長脈沖電源的脈沖寬度一般小于100us。當前對靜電除塵用脈沖電源實現(xiàn)產(chǎn)品化的公司主要包括丹麥FL Smidth、韓國POSCO ICT(浦項制鐵)、日本住友重工以及國內(nèi)的杭州天明電子等公司。這些公司的脈沖電源，可分為不帶脈沖變壓器和帶脈沖變壓器兩種。

  1.1 不帶脈沖變壓器的脈沖電源原理

  其工作原理如圖1，其中Up+是脈沖部分的直流高壓供電電源，通過高壓開關(guān)Kp的閉合，在高壓電感Lr、高壓電容Ci及電場負載ESP的等效電容回路上形成LC震蕩，從而在原基礎(chǔ)電壓Udc的基礎(chǔ)上形成高壓脈沖波形。與高壓開關(guān)Kp反并的高壓二極管Dr的主要作用是在LC震蕩的后半段形成能量從電場ESP返回電源的通道。

  圖1.1不帶脈沖變壓器脈沖電源原理圖

  這種脈沖電源形成原理簡單，可以通過調(diào)整高壓電感Lr進行脈沖電壓寬度調(diào)節(jié)、通過調(diào)整Up+電壓脈沖電壓幅度調(diào)節(jié)。其難點是實現(xiàn)高壓開關(guān)Kp及反并二極管Dr的穩(wěn)定可靠。

  1.2帶脈沖變壓器的脈沖電源原理

  其工作原理如圖2，通過低壓側(cè)開關(guān)Kp的閉合，在儲能電容Cs、脈沖變壓器Tp、隔離電容Ci以及電場ESP上共同形成LC震蕩回路，從而在基礎(chǔ)電壓Udc的上形成高壓脈沖波形。

  圖1.2帶脈沖變壓器脈沖電源原理圖

  在實際應(yīng)用中，這種脈沖電源的各部件參數(shù)需要經(jīng)過反復(fù)計算以確定最佳值。這種設(shè)計的好處在于開關(guān)控制元件可以在低壓側(cè)實現(xiàn)，特別是可以使用IGBT做開關(guān)元件，在電場閃絡(luò)時快速關(guān)斷回路，從而避免整個設(shè)備上的大電流、高電壓沖擊。其難點在于脈沖變壓器的實現(xiàn)及其可靠運行。

  上述兩種脈沖電源的共同特點是：1、采用隔離電容接入直流基礎(chǔ)電壓。2、通過產(chǎn)生LC震蕩的方式產(chǎn)生脈沖電壓。而通過LC震蕩的方式產(chǎn)生脈沖電壓的特點在于：1、脈沖幅度穩(wěn)定，脈沖上升下降沿陡峻。2、脈沖升壓時的電場充電能量在電壓回落時進行回收。3、當開關(guān)元件Kp閉合的時間超過LC震蕩周期時，可以實現(xiàn)密集多脈沖震蕩，如圖1.3。

  圖1.3密集多脈沖電壓波形

  然而密集多脈沖震蕩供電方式并不能在實質(zhì)上更多的影響除塵效率。

  2 靜電除塵器脈沖供電特點

  相對于傳統(tǒng)直流供電，除塵器脈沖供電的特點在于：使除塵器工作效率更高，更節(jié)能且可以適應(yīng)不同工況。

  2.1脈沖供電與普通直流供電的區(qū)別

  脈沖供電與傳統(tǒng)直流供電（工頻、三相、高頻等）的主要區(qū)別在于：脈沖供電是在傳統(tǒng)供電產(chǎn)生的基礎(chǔ)電壓上再疊加可調(diào)頻率的脈沖電壓，且脈沖電壓時間極短。

  常規(guī)工頻電源電壓上升時間達5-20ms,高頻電源依據(jù)不同電源和電場規(guī)格的電壓上升時間也達2-10ms，如圖2.1、圖2.2。

  圖2.1工頻電源升壓波形

  Ch1二次電壓  Ch2 二次電流

  圖2.2高頻電源升壓波形

  Ch1二次電壓  Ch2 二次電流

  而脈沖電源提供的脈沖電壓寬度一般小于100uS，其電壓上升時間也小于50us。

  圖2.3 TM-HPP型脈沖電源波形

  A通道 二次電壓(負壓反向顯示 1:1000)  B通道 二次電流

  如圖2.3TM-HPP型脈沖電源的實測疊加脈沖電壓寬度達60us，幅度60kV。脈沖供電的特性形成兩種效果：1、由于脈沖電壓上升時間短，造成電場內(nèi)電壓dv/dt高，從而使電場內(nèi)極易產(chǎn)生高能低溫等離子體。2、由于脈沖電壓持續(xù)時間短，使電場在同樣的工況下可以獲得更高的峰值電壓。

  2.2電除塵脈沖供電的提效機理

  粉塵粒子荷電的過程，按其機理分為電場荷電和擴散荷電兩類。通常來講對于直徑大于0.5um的顆粒，電場荷電占主導(dǎo)地位；粒徑介于0.2-0.5um的顆粒，兩種荷電過程都是主要的；對于直徑小于0.2μm的顆粒，擴散荷電仍是顆粒荷電的主要途徑。

  電除塵的脈沖供電方式一方面能產(chǎn)生大量的高能等電子團幫助粉塵實現(xiàn)更高的擴散荷電；另一方面產(chǎn)生更高的峰值電壓幫助粉塵實現(xiàn)更高的電場荷電。

  由于電除塵器的除塵效率和粉塵粒子驅(qū)進速度有直接的關(guān)系，粉塵粒子向陽極板驅(qū)進速度ω的概念性表達式：

      （式2.1）

  式中： ω—粉塵驅(qū)進速度；

  P—電場的介電常數(shù)；

  Ep—收塵極的電場強度；

  Ec—粉塵荷電電場強度；

  a—塵粒半徑；

  μ—氣體粘度

  因ω正比于粉塵荷電電場強度，所以可得更高的粉塵荷電使除塵器具有更高的除塵效率。

[Page]

  另外，對于傳統(tǒng)直流電源供電的大型靜電除塵器而言，大部分的粉塵在前面的兩個電場收集下來，剩下的都是難以收集的細小粉塵，而簡單的增加電場強度還是很難使小粒徑粉塵荷電。相比而言使用脈沖供電的靜電除塵器對于小粒徑粉塵收集有著先天性的優(yōu)勢，因此脈沖供電技術(shù)在傳統(tǒng)除塵器上使用具有非常明顯的提效效果。下圖為脈沖與傳統(tǒng)電源對應(yīng)不同比電阻的關(guān)系圖。

  圖2.2 脈沖電源粒子驅(qū)動速率增加率與比電阻關(guān)系

  2.3脈沖供電的能耗

  脈沖電源的脈沖電壓由于只是在很短時間內(nèi)工作，且一般都是具有電場能量回收功能，其脈沖部分的平均功率非常小。通過圖2.3可知當ESP兩端電壓達到最大時電流為零，然后在逆流的負半周周期內(nèi)將能量回收到Cs儲能電容上。在脈沖電源正常工作時，其基礎(chǔ)電壓Vdc部分的功率可以大幅下降，從而實現(xiàn)節(jié)能。

  帶能量回收功能的脈沖電源系統(tǒng)的功耗可以使用以下公式表達：

  P = I_PV_dc + c × I_PV_p       （式2.2）

  其中常數(shù)c由實驗證得一般為0.5。

  舉例說明，假如一個脈沖電源系統(tǒng)工作在電流密度0.1mA/m²，脈沖電壓V_p = 60kV，直流基壓V_dc = 40kV。負載電場的面積為3000m²。那么它的平均電流為0.1×3000=300mA，應(yīng)用式2.2，該電場的總功耗：

  P=0.3×40+0.5×0.3×60=12+9=21kW

  這是典型中比電阻工況下的除塵器單電場功耗，在高比電阻工況下的功耗，通過調(diào)整基壓和脈沖頻率功耗將變的更小。

  2.4脈沖供電在不同工況條件下的適應(yīng)能力

  脈沖電源一般都有調(diào)整脈沖電壓工作頻率的功能。通過調(diào)整不同的脈沖頻率可以調(diào)整不同供電電流。如圖2.4在不同的脈沖工作頻率下除塵器伏安特性曲線。

  圖2.4脈沖供電下的典型伏安特性曲線

  因此，在高比電阻的工況下，可以通過減小脈沖頻率減小供電電流，從而避免電場內(nèi)部的反電暈現(xiàn)象。在中、低比電阻的工況下，可以通過增加脈沖頻率增加供電電流，進而提高電除塵器除塵效率。

  3 脈沖電源在電除塵器中的應(yīng)用

  電除塵器脈沖電源改造方案，一般采用前級采用高頻電源，收集大顆粒和易收粉塵；后級采用脈沖電源，收集高比電阻和難收粉塵。使在不改變電除塵器的情況下，粉塵濃度排放下降50%及以上，單臺設(shè)備能耗下降50%及以上。

  3.1 湖南某電廠除塵器改造案例

  湖南某電廠#1爐600MW機組1側(cè)采用天明TM-HPP脈沖電源改造方案，前2級電場采用高頻電源，后2級利舊原工頻電源，加脈沖電源；另外一側(cè)沒有做改動。并對兩側(cè)的結(jié)果邀請電科院進行檢測。

  3.1.1除塵器原設(shè)計參數(shù)和性能指標

  除塵器原設(shè)計參數(shù)和性能指標如下表：

  表1 除塵器原設(shè)計參數(shù)和性能指標

  3.1.2脈沖電源改造前后測試對比

  2014年1月15日委托湖南電科院對#1爐靜電除塵器進行了性能測試，測試結(jié)果如下圖。下圖左側(cè)為未加脈沖電源側(cè)，電除塵器的進口濃度為24438.8 mg/ Nm³，電除塵器的進口濃度為36.29mg/ Nm³和40.7mg/ Nm³。下圖右側(cè)為加脈沖電源側(cè)，電除塵器的進口濃度為25513.6 mg/ Nm³，電除塵器的進口濃度為17.36mg/ Nm³和21.48mg/ Nm³。從上面的數(shù)據(jù)可以看出，電除塵器在不做任何內(nèi)部改動的前提下，只需要使用除塵脈沖電源供電，粉塵濃度下降50%及以上是完全可以實現(xiàn)的，也使排放達到新的環(huán)保標準要求變?yōu)榭赡堋?

  圖3.1    未加脈沖電源和加脈沖電源排放測試結(jié)果對比

  3.2國內(nèi)某電廠除塵器改造案例

  研究表明：脈沖電源提供很高的峰值電壓，幅值較低的基礎(chǔ)電壓提供維持荷電粉塵向陽極板運動的電壓。在節(jié)電的基礎(chǔ)上，同時具有很好的減排。

  3.2.1節(jié)電原理

  脈沖電源提供很高的峰值電壓，幅值較低的基礎(chǔ)電壓提供維持荷電粉塵向陽極板運動的電壓。在節(jié)電的基礎(chǔ)上，同時具有很好的減排。下圖為使用脈沖電源的前后對比圖。圖中白色區(qū)域為使用脈沖電源基礎(chǔ)電壓維持在電場起暈電壓附近時的能耗；圖中灰色加白色區(qū)域為未加脈沖電源能耗，從圖中可以明顯看出，使用脈沖電源能耗下降非常明顯，一般單臺能耗下降50%及以上。

  圖3.1    未加脈沖電源和加脈沖電源能耗對比

  3.2.2改造后測試結(jié)果

  下圖為脈沖電源改造后排放、能耗對比圖，從圖中可以看出，在排放下降50%的情況下，節(jié)能達到80%以上。

  圖4.1    改造前后的排放、能耗對比

  3.3試驗結(jié)果

  通過試驗證明，脈沖電源在電除塵器中的應(yīng)用具有下列優(yōu)點：

  1、改造后節(jié)能、減排效果好，做到減排50%及以上，節(jié)能50%及以上；

  2、改造費用低、性價比高；

  3、改造周期短、方便，可以實現(xiàn)不停爐改造，降低改造停爐帶來損失；

  4、改造后維護成本低，經(jīng)濟效益明顯。

  4.結(jié)束語

  用脈沖電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電源，以提高除塵效率的脈沖增強靜電除塵技術(shù)，一直以來都是國際除塵技術(shù)研究的一個熱點。但長期以來脈沖電源產(chǎn)品化技術(shù)一致被國外公司所壟斷，造成國內(nèi)應(yīng)用價格高、改造困難等問題，所以在國內(nèi)很少有應(yīng)用。近期國內(nèi)某些企業(yè)脈沖電源技術(shù)的突破和成熟注定是靜電除塵行業(yè)和相關(guān)排放企業(yè)福音。