脈沖高壓電源的應用

劉振興，鄒 標，李文芹

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

脈沖高壓電源的應用

劉振興，鄒 標，李文芹

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

脈沖高壓電源具有輸出電壓高、能耗低等突出優點。文章依托現場應用實例，對脈沖高壓電源改造前后的粉塵排放及運行能耗進行了對比，總結了脈沖高壓電源的技術特點和性能優勢。脈沖高壓電源對現有電除塵器的電源進行升級改造，可在煙氣排放達標的同時降低電除塵器的運行能耗。

脈沖高壓電源；現場應用；提效；節能

1 脈沖高壓電源特點

2012年，國家發布了新的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），要求所有的現有電廠及新建電廠煙塵排放限值均為30mg/m3，對于重點區域要求小于20mg/m3。由于排放標準的提高，很多電除塵器都無法達到新的排放標準。對于這些電除塵器的現有電源升級改造是較合適的方案，在原電源的基礎上增加脈沖高壓電源可使一些原煙塵排放濃度在40～50mg/m3的電除塵器達到20～30mg/m3，同時可以節能30%～70%。

脈沖高壓電源需要在直流高壓電源的基礎上疊加于除塵器電場。直流高壓電源可以是：單相工頻高壓電源、三相工頻高壓電源、高頻高壓電源等。基礎直流高壓電源最高輸出電壓為60kV，脈沖高壓電源最高輸出電壓80kV，兩者疊加在一起時，最高輸出電壓可達140kV，遠超原直流高壓電源的輸出電壓。

與直流高壓電源相比，脈沖高壓電源的功耗非常低。脈沖電源用IGBT作為開關器件，主回路可以簡單等效為L-C串聯諧振電流，除塵器電場也可以簡單等效為電容負載，通過脈沖電源內部的高壓電容及脈沖變壓器，與脈沖電源初級側的電容進行耦合。脈沖電源次級側的高壓電容主要用于隔離直流高壓電源的輸出電壓。當IGBT開通時，諧振周期開始，除塵器電場在0～T/2被脈沖電源充電，在T/2～T，除塵器電場對脈沖電源放電，絕大多數能量都可以通過諧振的方式回收到脈沖電源，因此脈沖電源具有非常低的能耗。

最新的拓撲結構采用IGBT并聯在低壓側的方式，由于IGBT性能的提高，IGBT自身具有并聯自動均流的特性，以及IGBT并聯驅動的成熟應用，使得這種拓撲結構具有很高的可靠性，能夠得到迅速推廣應用。

脈沖高壓電源已被現場實踐證明可以有效提高除塵器的收塵效率。其原理在于：首先，脈沖高壓電源可以大幅提高除塵器的峰值電壓。電除塵器內部的電場場強分布極不均勻，與直流高壓電源相比，100μs的高壓脈寬不足以大幅提高擊穿電壓，也許只有直流高壓電源擊穿電壓的1.1倍，但是由于脈寬極短，所以脈沖高壓電源需要更長時間才會產生擊穿。假設將常規直流電源在1分鐘內50%擊穿的電壓記為Ubreak，脈沖高壓電源每秒脈沖次數為100次，則脈沖高壓電源需要100分鐘，在1.1×Ubreak的電壓下才會有50%的幾率擊穿。由于脈沖高壓電源的低火花率，顯然脈沖高壓電源可以運行在更高的電壓下。另外，脈沖高壓電源可以顯著增加電暈區域。除塵器內部的陰極線上分布著很多尖刺，常規的直流高壓電源只能在尖刺處產生電暈，而脈沖高壓電源可在整根陰極線上產生電暈，從而更好地使粉塵荷電。

國內大多數除塵器的電場采用400mm或450mm的同極距。脈沖高壓電源在400mm同極距時，耐受電壓約在110kV。450mm同極距的耐受電壓約在120kV。

對于電除塵器本體情況良好的燃煤電廠（直流高壓電源可達到60k～70kV無閃絡，粉塵排放在40～50mg/m3）來說，增加脈沖電源可以使電除塵器滿足新的排放標準要求，且在煤種變化時，電除塵器的排放更加穩定。

除了可以大幅提高峰值電壓外，與直流高壓電源相比，脈沖高壓電源的另一大優勢是能耗極低。在實際應用中，脈沖高壓電源的實際能耗通常只有幾千瓦，遠低于直流高壓電源。脈沖高壓電源的特點使得其非常適應現在的節能提效要求。

煤種變化時，電除塵器電場內部的工況也會隨之改變。如比電阻、煙溫、灰分等。除塵器內部的擊穿電壓也不是固定值，會隨著工況而改變。脈沖高壓電源需要在各種工況下均能正常工作，尤其是在高火花率時。國內某環保企業生產的脈沖高壓電源就能夠滿足高火化率要求，長期運行可以承受每分鐘120次，短期可以承受每分鐘200次火花。當電場內部發生短路，或接近短路時，需要減小脈沖高壓電源的輸出功率以保證設備安全。

2 應用實例

目前國內已有超過300臺脈沖高壓電源在運行，主要應用于電力、冶金、建材等行業。目前國內企業傾向于將脈沖高壓電源安裝在電除塵器的末電場，與前電場相比，末電場的粉塵顆粒更細，粉塵含量更低，使用直流高壓電源收集這種粉塵效率較低且效果相對較差，脈沖高壓電源對這種情況則效果較好。下文列出一些使用脈沖高壓電源對電除塵器進行改造的實例，與改造前對比，增加脈沖高壓電源顯示出非常突出的節能提效的優勢。

山西太鋼不銹鋼股份有限公司能源動力總廠2×300MW機組配套采用2臺浙江某環保公司的2F288-5型電除塵器，該電除塵器為雙室五電場結構，額定煙氣流量約為205萬m3/h，煙氣流速0.99m/s。改造前采用單相工頻高壓電源，煙氣排放大于50mg/Nm3。改造后采用高頻高壓電源替代原單相工頻高壓電源，并在第四、第五電場增加脈沖高壓電源。前三電場使用針刺線，后兩個電場采用螺旋線。改造后由華北電力科學研究院有限公司進行性能試驗，1號爐于2015年12月進行了性能試驗，2號爐的測試結果與1號爐類似。

測試時，1號爐的輸出負載為271MW，電除塵器的入口煙氣流量約為188萬m3/h，左室和右室入口煙溫分別為127℃和124℃，出口煙溫分別為122℃和120℃。煤質分析結果如表1所示。

表1 煤質分析結果

測試結果顯示，除塵器出口平均排放為15.14mg/Nm3。另外，除塵器電源用電量也減少32.5%，用電量數據見表2。除塵器電源的主要運行參數見表3。

表2 電源用電量統計

表3 除塵器電源的主要運行參數

高頻高壓電源與高頻高壓電源疊加脈沖高壓電源的對比實例：貴州粵黔電力有限責任公司2號機組600MW，配套鍋爐為DG2028/17.35-Ⅱ2型鍋爐，鍋爐為亞臨界參數、自然循環、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、尾部雙煙道，再熱汽溫采用煙氣擋板調節。靜電除塵器為F441-4型電除塵器，該除塵器為雙列雙室四個電場，同極間距450mm，陰極線為芒刺線，振打形式為頂部陰極電機振打和側部陽極振打。額定煙氣流量約為184萬m3/h，煙氣流速1.16m/s。

2014年4～5月，原16臺工頻變壓器改造成高頻高壓電源，容量為2.0A/72kV。改造后A列除塵器出口濃度為51mg/Nm3，B列除塵器出口濃度為54mg/Nm3。2015年8月，在A列二、三、四電場增加6臺脈沖高壓電源，這樣就可以很方便地對比高頻高壓電源和高頻高壓電源疊加脈沖高壓電源的除塵效率及能耗之間的差異。

測試期間，鍋爐負荷為600MW，A列除塵器的入口煙氣流量約為165萬m3/h，煙溫為138℃，出口煙溫為136℃。B列除塵器的入口煙氣流量約為159m3/h，煙溫為140℃，出口煙溫為138℃。測試期間所用煤的煤質分析結果如表4所示。

表4 煤質分析報告

測試結果表明，A列排放煙氣濃度分別為26.98mg/Nm3和25.11mg/Nm3，平均26.05mg/Nm3；B列的排放煙氣濃度分別為36.33mg/Nm3和35.82mg/Nm3，平均36.08mg/Nm3。A列總能耗為477.824kWh/h，B列總能耗為709.496kWh/h。

對比測試結果，排放減少27.8%，同時能耗降低32.7%。除塵器電源的主要運行參數如表5所示。

表5 除塵器電源的主要運行參數

3 結論

脈沖電源未來應具有更窄的脈寬，更高的輸出電壓，以及更密集的每秒脈沖輸出次數。隨著半導體開關器件的進步，以及電容、磁性材料等的逐步發展，未來會有更新的拓撲結構出現。而窄脈沖電源可以被應用在NOx和SO2等大氣污染物的協同脫除上，未來也許會形成收塵、脫硫、脫硝于一體的新型復合煙氣治理單元。

Application of Pulse & High Voltage Power Source

(Fujian Lon
(Fujian Longking Co., Ltd, Fujian Longyan 364000, China)

The pulse and high voltage power source has the outstanding strongpoints in the output of high voltage and low energy consumption. Relied on the locale application examples, the paper makes the contrast on the dust powder emission and the operation energy consumption before and after the reform of pulse and high voltage power source, sums up the technical characteristics and performance advantages of pulse and high voltage power source. The pulse and high voltage power source carries through the upgrading reform on power source of electrostatic precipitator, and can reduce the operation energy consumption of electrostatic precipitator while complying with the standard of the fue gas emission.

pulse and high voltage power source; locale application; effciency-raising; energy saving

X701

A

1006-5377（2017）02-0029-03