周建偉，顧立群

（寶山鋼鐵股份有限公司電廠 上海 201900）

近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的日益重視，節(jié)能減排工作已被提高到一個(gè)新的高度。作為主要的用煤用戶，火電行業(yè)承擔(dān)著節(jié)能減排巨大的壓力［1-2］。隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，人們必須考慮進(jìn)一步提高電除塵效率［3-4］。靜電除塵器（ESP）簡(jiǎn)稱電除塵，是利用高壓直流電源產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)使氣體發(fā)生電離，即產(chǎn)生電暈放電，進(jìn)而使含塵氣體中的粉塵粒子荷電，并在電場(chǎng)力的作用下，將粉塵粒子從氣體中分離出來(lái)并加以收集處理的除塵裝置［5］。除了本體設(shè)備、極配、電場(chǎng)結(jié)構(gòu)等不斷優(yōu)化改進(jìn)外，由于電除塵電場(chǎng)的工作能量由供電電源提供，因此電除塵電源的性能優(yōu)劣將直接影響除塵效率以及供電能效［3-6］。目前，電除塵主要使用的是晶閘管控制高壓硅整流電源，一般由檢測(cè)控制系統(tǒng)、變壓器和整流器（T/R）裝置組成，采用單相工頻（50 Hz/60 Hz）交流電源，簡(jiǎn)稱工頻電源。近年來(lái)人們又研究開(kāi)發(fā)了許多新型電源并逐步應(yīng)用，主要有：恒流源、三相電源、脈沖電源、高頻開(kāi)關(guān)電源等［5,7-9］。目前市場(chǎng)上主推的是高頻電源和脈沖電源，尤其是高頻電源，其開(kāi)發(fā)運(yùn)用廣泛。

本文通過(guò)寶鋼電廠1、2號(hào)機(jī)組現(xiàn)役電除塵器高頻電源和脈沖電源的工程設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)的實(shí)踐闡述兩種新型電源的供電特性以及對(duì)提高除塵效率的應(yīng)用機(jī)理。

1 高頻電源與脈沖電源供電特性分析

1.1 高頻電源

高頻開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)稱高頻電源，通過(guò)工頻交流—直流—高頻交流—高頻脈動(dòng)直流的能量轉(zhuǎn)變形式，供給電場(chǎng)一系列窄電流脈沖，一般脈沖寬度在 20～50 μs，脈沖頻率在 20～50 kHz［9］。如寶鋼電廠選用的某進(jìn)口高頻電源脈沖頻率50 kHz，脈沖寬度20 μs，額定二次電壓70 kV，額定二次電流1 700 mA，其工作原理示意圖如圖1所示，其中IGBT為絕緣柵大功率晶體管。其主要供電特性如下：

圖1 高頻電源原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of high frequency power supply

（1）在高頻脈動(dòng)直流供電方式下，輸出電壓的峰值與谷值幾無(wú)差異，即二次電壓平均值高，可提高除塵效率。平均電壓基本上就是擊穿電壓，比工頻電源平均電壓約高30%，因而可增加粉塵荷電，從而提高除塵效率。對(duì)于中低比電阻粉塵，向電場(chǎng)內(nèi)注入的能量明顯高，增強(qiáng)對(duì)粉塵荷電能力，二次電流約為工頻電源的1.5～3倍。

（2）快速的火花處理能力，即當(dāng)電場(chǎng)內(nèi)發(fā)生火花閃絡(luò)時(shí)能快速恢復(fù)電場(chǎng)電壓，保持除塵性能穩(wěn)定。因高頻電源的每個(gè)脈沖時(shí)間很短，一旦檢測(cè)到火花可以立刻關(guān)閉供電脈沖，因而火花能量很小，等待電場(chǎng)恢復(fù)的時(shí)間就少得多，相較工頻電源恢復(fù)速度約快10倍。

（3）高頻電源可對(duì)其電流脈沖進(jìn)行控制，其脈沖幅度及頻率均可進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而可形成任意的電壓和電流波形，以適應(yīng)電除塵不同工況的需求。例如在電除塵后級(jí)電場(chǎng)如三、四電場(chǎng)等，隨著粉塵濃度的減少，需要的荷電功率就較小，電源供電能量大部分被浪費(fèi)。在此情況下，高頻電源可采用特殊的供電方式——間歇供電方式，從而保持電除塵效率的同時(shí)節(jié)約大部分的電能。

（4）高頻電源實(shí)質(zhì)上提供的是一系列頻率極高寬度極窄的電流脈沖，根據(jù)文獻(xiàn)［10］得知窄脈沖電流有利于提高粉塵荷電能力，因此對(duì)高比電阻粉塵荷電是有利的。但在高頻電源直流供電下，電暈電流大的特點(diǎn)卻易引發(fā)反電暈，因此一旦發(fā)生反電暈高頻電源就顯得力不從心，必須切換到間歇方式。因高頻電源間歇供電頻率遠(yuǎn)高于工頻電源，且頻率和幅值可調(diào)，因此抑制反電暈較工頻電源有效，但采用間歇脈沖方式是以降低平均電壓和平均電流為代價(jià)，其實(shí)質(zhì)是提高了粉塵的荷電能力而降低了荷電粉塵向收塵極板遷移的能力［11］。

總之，高頻電源在高濃度及不易荷電的煙塵條件下，其供電能力明顯比工頻電源強(qiáng)，因此除塵效率得以提高。

1.2 脈沖電源

脈沖電源供電技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的電除塵供電技術(shù)，它不僅能使含塵氣體得到更充分的荷電，從而提高除塵效率，而且能有效地抑制高比電阻粉塵引發(fā)的反電暈現(xiàn)象，提高了電除塵對(duì)高比電阻粉塵的處理能力［3］。

脈沖電源一般是向電除塵電場(chǎng)提供兩組疊加的高壓電源，即在一定幅值的直流電壓（基礎(chǔ)電壓）的基礎(chǔ)上疊加一定的重復(fù)頻率、寬度較窄而電壓峰值又很高的脈沖電壓。寶鋼電廠選用的某脈沖電源額定基礎(chǔ)電壓60 kV，額定二次電流600 mA，脈沖寬度75 μs，脈沖幅值10～80 kV可調(diào)，重復(fù)頻率2～100 Hz可調(diào)。

大量的研究［12-14］表明，電除塵采用脈沖供電可提高效率，降低能耗。這是因?yàn)槊}沖供電提高了峰值電壓，通過(guò)改變脈沖頻率可使電暈電流在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此有利于捕集易產(chǎn)生反電暈的高比電阻粉塵。電壓脈沖寬度對(duì)平均電暈電流的影響很??；電壓脈沖上升時(shí)的初始電暈電流比脈沖峰值時(shí)的電暈電流大得多，這說(shuō)明大部分電荷是在電壓脈沖上升時(shí)產(chǎn)生；脈沖電壓峰值與總電荷呈線性關(guān)系，脈沖峰值越高，產(chǎn)生的總電荷越多，平均電暈電流越大。脈沖電源能有效抑制高比電阻粉塵引發(fā)的反電暈現(xiàn)象，使電除塵在高比電阻粉塵工況下能較好地運(yùn)行，同時(shí)其穩(wěn)定的基礎(chǔ)電壓可確保荷電粉塵向極板順利地遷移而被收集［13-14］。

2 案例介紹

電除塵技術(shù)中高頻、脈沖電源的應(yīng)用取得了良好的業(yè)績(jī)［15］。本文以寶鋼電廠1、2號(hào)350 MW機(jī)組上的除塵改造為例，介紹高頻除塵和脈沖除塵的節(jié)能減排效果。

2.1 改造方案

寶鋼電廠1、2號(hào)350 MW機(jī)組系20世紀(jì)80年代初投產(chǎn)運(yùn)行，鍋爐按煤與高爐煤氣混燒設(shè)計(jì)，配置了兩電場(chǎng)電除塵，電源采用工頻電源，在鍋爐燃用設(shè)計(jì)、校核煤種范圍內(nèi)下粉塵排放質(zhì)量濃度小于等于200 mg·Nm-3。隨著設(shè)備運(yùn)行年限的延長(zhǎng)以及燃燒煤種的變化，當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行排放質(zhì)量濃度一般在200～300 mg·Nm-3，最大可達(dá)500 mg·Nm-3，這顯然不能滿足現(xiàn)行環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。為此，電廠結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)位置空間布置情況、機(jī)組年修時(shí)機(jī)和環(huán)保排放政策或標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期提升等考慮分兩步進(jìn)行改造：第一步利用現(xiàn)有位置空間將兩電場(chǎng)更新改造為三電場(chǎng)，電場(chǎng)有效高度從12 m提高至14 m；第二步將引風(fēng)機(jī)搬遷后移，再擴(kuò)建兩個(gè)電場(chǎng)，最后形成五電場(chǎng)電除塵器，其中每個(gè)電場(chǎng)分兩個(gè)室進(jìn)行分區(qū)供電。2011年實(shí)施了第一步改造，采用高頻電源，改造后排放質(zhì)量濃度小于等于100 mg·Nm-3；2013年實(shí)施了第二步改造，采用脈沖電源，改造后排放質(zhì)量濃度在20 mg·Nm-3左右。完成全部改造后電除塵主要規(guī)格參數(shù)如表1所示，表中g(shù)為重力加速度。

2.2 改造調(diào)試過(guò)程及運(yùn)行性能分析

寶鋼電廠1、2號(hào)機(jī)組電除塵兩步改造分階段完成后，高頻電源和脈沖電源先后投入運(yùn)行。高頻電源投運(yùn)后，運(yùn)行二次電壓和電流大為提高，如一電場(chǎng)電壓基本穩(wěn)定在60 kV，電流達(dá)到600 mA以上，二、三電場(chǎng)電壓穩(wěn)定在65 kV以上，電流可達(dá)到1 500 mA，這說(shuō)明電暈功率足夠高。在試運(yùn)行期間，通過(guò)后部煙道在線煙氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（CEMS）對(duì)粉塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，粉塵監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)顯示有周期性的尖峰現(xiàn)象。出現(xiàn)粉塵尖峰的時(shí)間與振打周期基本同步，且第一電場(chǎng)不定期地出現(xiàn)電壓高電流小的極線電暈封閉現(xiàn)象。這說(shuō)明振打方式和振打時(shí)序設(shè)置不盡合理，導(dǎo)致粉塵二次飛揚(yáng)現(xiàn)象和極線極板清灰不及時(shí)。為此，對(duì)每個(gè)室的陰、陽(yáng)極振打時(shí)序設(shè)置按照正交實(shí)驗(yàn)原則進(jìn)行調(diào)整，且在不同場(chǎng)設(shè)置不同程度的降功率振打，降低了粉塵二次飛揚(yáng)的影響。

表1 電除塵技術(shù)規(guī)格參數(shù)表Tab.1 Technical specifications of electrostatic precipitator

脈沖電源改造投運(yùn)后，試運(yùn)行過(guò)程中不同電場(chǎng)有不同分區(qū)的電源發(fā)生故障停運(yùn)以及在第一、二電場(chǎng)觀察到明顯的反電暈現(xiàn)象。如在第一電場(chǎng)某分區(qū)高頻電源故障停運(yùn)且鄰近分區(qū)發(fā)生反電暈現(xiàn)象，下游第二電場(chǎng)高頻電源電壓電流明顯下降，但第三電場(chǎng)電壓電流基本上維持在設(shè)定值，對(duì)應(yīng)的下游脈沖電場(chǎng)分區(qū)的電壓電流明顯下降，脈沖功能自動(dòng)切除。粉塵排放質(zhì)量濃度在30～50 mg·Nm-3之間，停運(yùn)第四、五脈沖電場(chǎng)，粉塵質(zhì)量濃度在300 mg·Nm-3左右。若前三個(gè)電場(chǎng)運(yùn)行正常，第四、五電場(chǎng)個(gè)別脈沖電源脈沖模塊故障停運(yùn)（基礎(chǔ)電壓部分正常運(yùn)行），粉塵排放質(zhì)量濃度在30～50 mg·Nm-3。

結(jié)合以上故障現(xiàn)象分析電源供電特性：

（1）在高頻電源直流供電下，高電壓大電流易引發(fā)反電暈現(xiàn)象，特別是處于第一電場(chǎng)高濃度粉塵條件下，電場(chǎng)內(nèi)閃絡(luò)頻發(fā)加上清灰不及時(shí)導(dǎo)致的反電暈以及電暈封閉等多種因素，導(dǎo)致電壓電流急劇下降和晃動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)電壓電流接近于零，使整個(gè)電場(chǎng)幾乎失去了工作機(jī)制。

（2）高頻電源對(duì)極細(xì)粉塵的處理能力相當(dāng)差。盡管電壓電流運(yùn)行數(shù)據(jù)較為理想，但實(shí)際上極細(xì)粉塵幾乎可以毫無(wú)阻攔地通過(guò)，下游脈沖電源電場(chǎng)內(nèi)發(fā)生的許多閃絡(luò)足以證明這一點(diǎn)。

（3）脈沖電源電場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)到明顯增多的火花閃絡(luò)說(shuō)明其對(duì)極細(xì)粉塵的荷電能力強(qiáng)，但一旦發(fā)生大量閃絡(luò)，脈沖電源首先關(guān)閉脈沖功能，從而變成了三相整流電源，其應(yīng)對(duì)火花響應(yīng)速度比單相整流電源還慢，導(dǎo)致其電場(chǎng)內(nèi)基礎(chǔ)電壓和二次電流明顯下降，除塵效率下降。

（4）脈沖電源中脈沖模塊故障即脈沖電壓作用失去后，除塵性能明顯下降，說(shuō)明脈沖電源實(shí)質(zhì)就是以疊加的超高瞬間電壓強(qiáng)化對(duì)高比電阻粉塵的荷電，其穩(wěn)定的基礎(chǔ)電壓使荷電的粉塵遷移到極板并被收集。

高頻電源能適應(yīng)高濃度粉塵的處理，且處理的粉塵濃度范圍比電阻范圍更為寬泛，但由于其大電流的特性對(duì)高比電阻粉塵易引發(fā)反電暈，特別是對(duì)高比電阻細(xì)粉塵的處理能力較差；而脈沖電源處理高比電阻細(xì)粉塵有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其原因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變脈沖頻率和脈沖電壓幅值，可使電暈電流在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，平均電暈電流的大小決定了反電暈的產(chǎn)生與否，因此可使得平均電暈電流的大小低于反電暈產(chǎn)生的閾值，同時(shí)又能產(chǎn)生足夠多的空間電荷使粉塵荷電。因此使用脈沖電源既可減小反電暈的產(chǎn)生，又可節(jié)能降耗。但對(duì)濃度較高的煙塵進(jìn)行處理時(shí)電場(chǎng)一旦發(fā)生較高頻率與能量的火花閃絡(luò)，脈沖電源先切除脈沖功能，再降低基礎(chǔ)電壓和電流，因此其電場(chǎng)電壓和電流會(huì)明顯下降且恢復(fù)能力略顯緩慢，特別在處理中低比電阻粉塵時(shí)更甚，影響了除塵性能的穩(wěn)定。寶鋼電廠采用的脈沖電源其實(shí)質(zhì)就是三相電源疊加中頻寬脈沖，因三相電源應(yīng)對(duì)火花閃絡(luò)恢復(fù)電場(chǎng)的響應(yīng)能力比單相工頻電源還差，所以一般將脈沖電源基礎(chǔ)電壓設(shè)置成遠(yuǎn)在發(fā)生閃絡(luò)的臨界電壓之下，這實(shí)際上降低了平均電壓。

2.3 電源選用分析

寶鋼電廠采用高頻電源和脈沖電源的組合技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的電除塵進(jìn)行改造，經(jīng)過(guò)調(diào)試使電除塵出口粉塵排放質(zhì)量濃度穩(wěn)定在10～20 mg·Nm-3。煙氣經(jīng)過(guò)濕法脫硫裝置進(jìn)一步除塵后到煙囪排放，排放質(zhì)量濃度基本上穩(wěn)定在5～10 mg·Nm-3。改造取得了成功，并獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，這對(duì)行業(yè)內(nèi)電除塵高效升級(jí)改造起到啟示和參考作用。

從電源技術(shù)上看，高頻電源在處理高濃度中低比電阻粉塵時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)，而脈沖電源更擅長(zhǎng)處理較低濃度高比電阻細(xì)粉塵的。對(duì)于選擇何種電源為佳，首先看除塵器進(jìn)口粉塵濃度，其次依據(jù)工況條件下粉塵比電阻值來(lái)決定，如現(xiàn)有電除塵進(jìn)行改造時(shí)最好對(duì)每個(gè)電場(chǎng)灰斗內(nèi)的粉塵取樣進(jìn)行比電阻測(cè)量：

（1）進(jìn)口粉塵質(zhì)量濃度超過(guò)5 mg·Nm-3時(shí)采用脈沖電源不是很適合，主要原因是易引發(fā)火花閃絡(luò)導(dǎo)致脈沖電源脈沖功能切除。另外，對(duì)于我國(guó)燃煤發(fā)電鍋爐來(lái)說(shuō)，幾乎不存在電除塵進(jìn)口粉塵質(zhì)量濃度低于5 mg·Nm-3的情況，因此第一電場(chǎng)采用脈沖電源得不償失。在其他行業(yè)如建材水泥或鋼鐵燒結(jié)煙氣的處理中可直接將脈沖電源用在第一電場(chǎng)，而脈沖電源技術(shù)恰恰起源于這些行業(yè)。

（2）粉塵比電阻≤ 5 × 1011Ω·cm 時(shí)宜選高頻電源，其在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有反電暈現(xiàn)象，并可切換到間歇供電方式運(yùn)行，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換則更佳。

（3）粉塵比電阻在 5 × 1011～1013Ω·cm 之間宜選脈沖電源。

（4）粉塵比電阻≥ 5 × 1013Ω·cm時(shí)，不管任何電源，均不能選用電除塵。

3 結(jié) 語(yǔ)

寶鋼電廠1、2號(hào)機(jī)組除塵改造中將高頻電源運(yùn)用在一、二、三電場(chǎng)，改造后排放質(zhì)量濃度≤100 mg·Nm-3，將脈沖電源運(yùn)用在四、五電場(chǎng)，改造后排放質(zhì)量濃度穩(wěn)定在20 mg·Nm-3左右。

（1）高頻電源和脈沖電源技術(shù)特性不同，高頻電源適合處理高濃度中低比電阻粉塵，脈沖電源適合處理低濃度高比電阻粉塵。

（2）對(duì)于選擇何種電源為佳，需根據(jù)除塵器進(jìn)口粉塵濃度以及不同工況下粉塵比電阻來(lái)選擇。