电除尘器用数字高频开关电源在节能减排中的应用

1 电除尘器电源的发展方向是高频化和数字化 
    上世纪七十年代高反压晶体管问世后，在电源界掀起了20kHz革命的浪潮。我国电源工程师做出了贡献，七十年代、八十年代和九十年代相继完成了计算机电源、通信电源和电力操作电源的高频化，以全控功率器件晶体管、MOS管和IGBT为逆变开关的无工频变压器开关电源替代了以往的半控功率器件可控硅为调节器的相控工频电源。 
    在电除尘器领域，因为功率大，高压电源基本上都在10kW～150kW功率量级，属大功率电源，八十年代都是可控硅相控工频整流电源。国际上，八十年代末、九十年代初就开始了高频化的研究工作,九十年代中期就有了相应的产品。本世纪初，2001年我国武汉国测数字电源有限公司就率先开展了ESP高频开关电源的研制，2003年12月通过了由湖北省科技厅组织的400mA/72kV ESP高频开关电源的专家技术鉴定，获得了“GCHP系列静电除尘器（ESP）用大功率智能高频高压电源”科技成果证书，2004年获得了国家科技部中小型企业创新基金立项证书和火炬计划项目证书。从2004年开始，陆续研制了600mA/72kV、800mA/72kV和1000mA/60kV ESP数字化大功率高频开关电源，并应用于大型钢厂、有色金属冶炼厂、火力发电厂、水泥厂等工业场合，节能减排取得了良好的效果。 
    高频化和数字化是电源发展的方向，更是电除尘器电源的发展方向。因为除了高频开关电源实现小型轻量化，节省金属材料，降低能耗的优点之外，电除尘器高压电源属大功率电源，采用计算机技术实现高压电源的高频化能带来显著的节能减排、综合控制、提高自动化水平、降低成本、提高电除尘器的性价比等优点。也就是说，在电除尘器领域，使用数字化高频开关电源SIR替代常规的工频可控硅整流电源T/R之后，不仅解决了T/R电源功率因数低、转换效率低、三相电网不平衡、材料消耗多等电源本身存在的缺点，更重要的是给整个电除尘系统带来了革命性的变化，重点体现在节能减排和系统综合控制上。

2  ESP数字高频开关电源的显著特征 
⑴　纯直流供电 
    SIR开关集成整流电源同常规工频可控整流电源T/R接上电除尘器ESP输出电压波形的比较如图1所示。很明显：T/R电源输出波形是直流加脉冲，峰—峰脉冲值达30%～45%之间，在高比电阻、反电晕的情况下，该波动甚至还会更大，这样大的纹波大大降低了输出电压平均值，降低了除尘效果。SIR电源输出电压接近纯直流，即一条水平线，平均电压和峰值电压几乎相同，所含纹波一般都小于1%,即平均电压比峰值电压低0.5%以内。 
    采用自适应控制技术可以将输出电平控制在接近火花电平又达不到火花电平，这样就能使火花极少。输出电压电流比常规T/R电源高得多，在中、低比电阻应用场合，输出功率基本上都有效地用于除尘减排上，大大提高除尘效率。此外，对反电晕的检测也带来了方便，可以设法扼制反电晕的发生和减少反电晕的影响。

⑵ 全新意义的间隙供电（IE） 
    在高比电阻粉尘或反电晕场合，采用间隙供电比采样纯直流供电对提高除尘效果更有效。用T/R电源实现间隙供电也是直流加脉冲，但脉冲的上升时间较长，而用高频开关电源SIR实现间隙供电脉冲上升时间较短。 
    高比电阻粉尘的收尘效果与脉冲的上升时间直接相关，且在一定范围内正比于dv/dt，其值为20～30kV/ms效果较好。这就是说，在间隙供电（IE）条件下电晕产生比纯直流供电更有效，可节能或使用比较小的电源。 
⑶ 输出电流可控  
    由于ESP电容比较大和SIR的电压传输比很大，输出端可能产生大电流，特别在间隙供电方式，因为“电流提升”功能，这种情况必定会发生。电流负载状态来自ESP内的可变状态，在火花时趋于极端。还有ESP阴阳极间也可能发生短路，如果ESP高压电源是电压源型而不是电流源型，即使有过载保护也容易损坏设备，因此“电流可控”输出应优先于“电压可控”输出。 
    许多的谐振变换器是电流可控的，性质象理想的“恒流”源一样。选用谐振变换器作逆变电路，采用计算机程序参数设置方法，无须经过反馈环节的延迟，就能内设“恒流”方式，实现电流可控输出。而且电流可控与电压可控输出之间的转换也十分灵活，硬件电路仍然不变，这就是计算机的神奇！

⑷ 以DSP为核心的多功能综合控制器 
    ESP高频开关电源谐振变换器的控制以及电压转换器与电流转换器之间的转换等，都是通过数字信号处理器DSP来实现的。此外还有一些控制功能无疑最好也通过计算机实现，比如：火花检测和控制；反电晕的检测和控制；③间隙脉冲供电的控；最佳减排的控制；最佳节能效果的控制等。 
    还有，低压控制设备的一些控制功能也可以在计算机上实现：阴阳极振打控制；仓壁振动控制；料位检测；卸输灰控制；保温箱电加热控制；灰斗电加热控制；进、出口烟气温度检测；故障检测与报警等。 
    可以DSP为控制核心，在ESP的高频高压开关电源端，设置多处理器统一协调完成上述功能，形成系统综合控制器，实现电除尘系统的综合控制和最佳设计。

3 零火花率目标 
    电除尘器除尘效率计算公式是： ……………………………………  (1)  
     式中：  η----- 电除尘效率,%； 
    Q-----  处理烟气量，m3/s； 
    A----- 电除尘器极板面积，m2   
    ω----- 有效趋进速度，m/s。 
    有效趋进速度ω 由下式计算：…………………………………… （2） 
        式中：  
            ε0 α μ----是一些常数； 
            Eq  ---- 荷电场强； 
            Ep  ---- 收尘场强。 
    从上面公式可知: 荷电场强Eq和收尘场强Ep愈大，,趋进速度ω就愈大，ESP除尘效率η就愈高，也就是说阴阳极间电压愈高，除尘效率η愈高。 
    为了获得电晕功率，应当让ESP电压尽可能高，离火花电平愈近愈好。对于纯直流供电来说，火花的发生对除尘效果和电源设备的安全以及ESP极板的寿命都是毫无益处的。对于高频开关电源SIR来说纹波很小，基本上是纯直流供电，采用自适应控制技术，很容易实现零火花率的目标。比如，在漳山电厂使用的ALSTOM高频电源就实现了火花率为0，除尘效果很好。火花率接近0，不仅能极大提高除尘效率，而且还可节能，减少无谓的电耗，真是两全其美。相反，对工频可控硅整流电源，因为纹波很大，为了减少排放，火花率不能为0，ESPT/R电源的火花率标准是（60～150）次/分。正因为如此，工频电源除尘效果更差。作者在这里提出零火花率的新标准，并且大声疾呼：大力发展数字化高频开关电源SIR，大量使用高频开关电源SIR.。

4 反电晕的克服 
    反电晕源于收集板上粉尘层间的压降。当电场收集的粉尘比电阻高，在粉尘层间将产生较高的压降。如果电压足够高，将在收集板和粉尘层表面产生介质击穿，形成很大的正离子流。由反电晕产生的正离子流和来自电晕极的电子流相互叠加形成强大的电流。反电晕一旦发生，如果供电电源继续增加输入功率，收尘极的电流密度进一步增大，将引起更加严重的反电晕现象。表现在电场伏安曲线上的特征是：低电压大电流，同时会出现电流上升，电压下降的负斜率情况，通常称为拐点现象。 
    反电晕大大降低了除尘效果。克服反电晕的办法首先是使用计算机检测到拐点，而后施加合适频率和合适幅度、宽度的间隙脉冲电源，以减低和扼制反电晕现象。 
    常规的T/R电源电压波形中含有很大的纹波，检测反电晕较为复杂，施加的脉冲波形单一，电流上升边缓慢，克服反电晕较困难，效果差。新型的集成开关整流电源SIR基本上是纯直流供电，检测反电晕较容易，反电晕现象不严重时就已发现，立即采取措施，实行间隙脉冲供电，SIR脉冲波形可以任意而且陡峭，克服反电晕效果明显。相对T/R电源，SIR电源克服反电晕较容易，效果较好。

5 功率控制振打的实现 
    在现场试验时，我们经常发现，电源运行一段时间后除尘效果有明显的下降现象。查其原因，大多是因为比电阻偏高的粉尘采取常规振打方法很难从极板上清打下去，灰尘越积越多，日积月累致使极板上粘附着一层较厚的粉尘，大大影响了电除尘效果。 
    如果采取功率控制振打技术，除了对振打装置的振打功率、振打频率、振打方式等进行控制外，在振打时对加在极板上的高压电源也作相应的控制。比如：降压振打；停电振打；提前停电振打；连续停电几小时进行振打等，发现振打清灰的效果较好。 
    SIR电源是用数字计算机作为控制器的，甚至采用多处理器作系统综合控制器，显然能够很方便地实现功率控制振打技术，取得良好的振打清灰效果。

6 减排 
    电除尘器ESP的完美运行取决于一些参数。在试运行中调整不同的参数，以适用特殊的应用，其目的是在ESP出口达到最小的粉尘浓度排放。如果ESP气流分布得到精心的引导，又确定了最佳的振打定时，并且ESP各部件良好地工作，则给阳阴极之间的烟气-粉尘-大气提供最大电压最大电流，达到预定的除尘效果，就是电除尘设备和控制器的任务。 
    基于ESP数字化高频开关电源输出纹波小，可实现纯直流供电和全新的间隙供电，输出电流可控，可实现恒流和具有以DSP为核心的系统综合控制器等显著特征，使得ESP运行过程中较易实现零火花率，克服反电晕，实现功率控制振打，达到最佳的减排效果。 
    高频开关电源SIR相对常规T/R工频电源可以提高除尘效率，减少粉尘排放30%～80%，具体依使用条件和运行环境而有区别。如果再设置以计算机为核心的系统多功能综合控制器，实行系统最佳减排设计，则新系统较原来减少粉尘排放可望达到40%～90%。 
    2008年武汉国测电源有限公司参与了日照钢铁有限公司环保改造项目。日照钢铁有限公司烧结厂的球团3#主轴电除尘器本体为200m2单室三电场，同极距为450mm。项目改造前，采用三台1200mA/72kV的可控硅电源供电，已运行两年，长期检查的烟尘出口浓度为（80～100）mg/Nm3。目前新修定的国家污染物排放标准要求最高允许烟尘浓度为30mg/Nm3。由于环保要求的日趋严格，原有电除尘器的总体设计已不符合现有国家标准的要求。 
    在本次环保项目改造中，电除尘器本体未作任何改动，只是对电除尘器的供电电源进行了更换，即采用了武汉国测数字电源有限公司生产的三台GCHP-2型600mA/72kV高频开关电源。在电除尘器稳定运行的一个月期间进行了两次环保检测，实测出口浓度分别为25mg/Nm3和23mg/Nm3，比原工频电源减少了粉尘排放75%，大大低于国家污染排放标准，达到了此次环保项目改造的要求。

7 节能 
    最大的除尘效率和最小的粉尘排放并不总是ESP最佳运行的唯一标准。 
    通常ESP的选型涉及最坏的情形，如最大的烟气量、最高的温度、最大烟气粉尘含量、最差粉尘性质等与除尘效率有关的相应的工艺条件。 
    ESP的这些前提条件，对工厂的日常运行非常有利。这导致过大的除尘能力，从而产生净化气体远低于允许的排放水平，这种情况在ESP满功率运行时尤为突出。 
    节能就是最小能量消耗必须达到一个固定的、可接受的或必须清除的烟气粉尘浓度。 
    节能和减排一样必须恰当地处理火花率，反电晕和二次扬尘以及振打等方面的问题。因为过高的火花率、反电晕和二次扬尘都不利于减排，降低除尘效率都浪费能量，不利于节能。由于常规T/R工频电源的固有特性，致使高的火花率、反电晕和二次扬尘发生，既不利于减排，又不利于节能，且解决的难度也比较大。数字化开关电源SIR便于设置一个以DSP为核心的系统综合控制器，实现系统最佳设计，基本上可以防止和抑制这些有害现象的发生和发展。火花和反电晕已如前述。而二次扬尘的避免主要是依靠稳定的电流来实现。开关电源SIR呈恒流源性质，因此也有利于避免二次扬尘的发生。 
     施行间隙脉冲供电和功率控制振打技术也是节能的有效措施，开关电源SIR在实行这两项技术时难度较小，效果比T/R电源更明显。开关电源SIR电源转换效率通常可做到90%～95%以上，比常规T/R电源直接节电达15%～20%。SIR由常规T/R电源的两相供电改为三相供电，功率因数由0.7提高至0.9甚至0.95以上。 
     综合上述各个因素，作为一个电除尘系统，选用数字型开关电源，经过系统节能减排的最佳设计，比原采用工频T/R电源又未进行节能的最佳的系统设计的电除尘系统，其节能指标有望达到40%～90%。 

8 结论 
⑴　数字化开关集成整流电源SIR是实现节能减排的最佳供电电源，应当大力发展。 
⑵　设置以计算机为核心的ESP系统多功能综合控制器，实行ESP系统最佳设计，可以实现最完美的节能减排。 ⑶　 基于上述两点，ESP系统技术改造或新建项目，采用SIR而不用T/R, 有望实现节约电能40%～90%，或者减少粉尘排放40%～90%。 

参考文献 

    ［1］  黎在时，电除尘器的选型安装与运行管理，中国电力出版社，2004年。 
    ［2］  第八届国际电除尘学术会议论文集，2001年。 
    ［3］  第十二届中国电除尘学术会议论文集，2007年。 
    ［4］  张谷勋等，电除尘器电源的发展方向—高频化和数字化，电源世界，2007年1月。 
    ［5］  张谷勋等，高压静电除尘设备电源的新模式，第16届全国电源技术年会论文集，2005年。