引言

  隨著國(guó)家新的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，很多國(guó)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(wú)法完全滿足日益嚴(yán)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(duì)粉塵的減排改造技術(shù)中，脈沖電源除塵技術(shù)改造因?yàn)槭┕ぶ芷诙獭⒏脑熵?fù)面影響小等原因一直以來(lái)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(duì)除塵用脈沖電源原理、脈沖供電技術(shù)特點(diǎn)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(jí)的短脈沖電源和us級(jí)的長(zhǎng)脈沖電源，其中長(zhǎng)脈沖電源的脈沖寬度一般小于100us。當(dāng)前對(duì)靜電除塵用脈沖電源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的公司主要包括丹麥FL Smidth、韓國(guó)POSCO ICT(浦項(xiàng)制鐵)、日本住友重工以及國(guó)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(guò)高壓開(kāi)關(guān)Kp的閉合，在高壓電感Lr、高壓電容Ci及電場(chǎng)負(fù)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(kāi)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(chǎng)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(jiǎn)單，可以通過(guò)調(diào)整高壓電感Lr進(jìn)行脈沖電壓寬度調(diào)節(jié)、通過(guò)調(diào)整Up+電壓脈沖電壓幅度調(diào)節(jié)。其難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)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(guò)低壓側(cè)開(kāi)關(guān)Kp的閉合，在儲(chǔ)能電容Cs、脈沖變壓器Tp、隔離電容Ci以及電場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用中，這種脈沖電源的各部件參數(shù)需要經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算以確定最佳值。這種設(shè)計(jì)的好處在于開(kāi)關(guān)控制元件可以在低壓側(cè)實(shí)現(xiàn)，特別是可以使用IGBT做開(kāi)關(guān)元件，在電場(chǎng)閃絡(luò)時(shí)快速關(guān)斷回路，從而避免整個(gè)設(shè)備上的大電流、高電壓沖擊。其難點(diǎn)在于脈沖變壓器的實(shí)現(xiàn)及其可靠運(yùn)行。

  上述兩種脈沖電源的共同特點(diǎn)是：1、采用隔離電容接入直流基礎(chǔ)電壓。2、通過(guò)產(chǎn)生LC震蕩的方式產(chǎn)生脈沖電壓。而通過(guò)LC震蕩的方式產(chǎn)生脈沖電壓的特點(diǎn)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(shí)的電場(chǎng)充電能量在電壓回落時(shí)進(jìn)行回收。3、當(dāng)開(kāi)關(guān)元件Kp閉合的時(shí)間超過(guò)LC震蕩周期時(shí)，可以實(shí)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(shí)質(zhì)上更多的影響除塵效率。

  2 靜電除塵器脈沖供電特點(diǎn)

  相對(duì)于傳統(tǒng)直流供電，除塵器脈沖供電的特點(diǎn)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(shí)間極短。

  常規(guī)工頻電源電壓上升時(shí)間達(dá)5-20ms,高頻電源依據(jù)不同電源和電場(chǎng)規(guī)格的電壓上升時(shí)間也達(dá)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(shí)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(fù)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(shí)測(cè)疊加脈沖電壓寬度達(dá)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(shí)間短，造成電場(chǎng)內(nèi)電壓dv/dt高，從而使電場(chǎng)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(shí)間短，使電場(chǎng)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(jī)理

  粉塵粒子荷電的過(guò)程，按其機(jī)理分為電場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電兩類。通常來(lái)講對(duì)于直徑大于0.5um的顆粒，電場(chǎng)荷電占主導(dǎo)地位；粒徑介于0.2-0.5um的顆粒，兩種荷電過(guò)程都是主要的；對(duì)于直徑小于0.2μm的顆粒，擴(kuò)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(tuán)幫助粉塵實(shí)現(xiàn)更高的擴(kuò)散荷電；另一方面產(chǎn)生更高的峰值電壓幫助粉塵實(shí)現(xiàn)更高的電場(chǎng)荷電。

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

      （式2.1）

  式中： ω—粉塵驅(qū)進(jìn)速度；

  P—電場(chǎng)的介電常數(shù)；

  Ep—收塵極的電場(chǎng)強(qiáng)度；

  Ec—粉塵荷電電場(chǎng)強(qiáng)度；

  a—塵粒半徑；

  μ—?dú)怏w粘度

  因ω正比于粉塵荷電電場(chǎng)強(qiáng)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。

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  另外，對(duì)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(gè)電場(chǎng)收集下來(lái)，剩下的都是難以收集的細(xì)小粉塵，而簡(jiǎn)單的增加電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)于小粒徑粉塵收集有著先天性的優(yōu)勢(shì)，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(duì)應(yīng)不同比電阻的關(guān)系圖。

  圖2.2 脈沖電源粒子驅(qū)動(dòng)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(shí)間內(nèi)工作，且一般都是具有電場(chǎng)能量回收功能，其脈沖部分的平均功率非常小。通過(guò)圖2.3可知當(dāng)ESP兩端電壓達(dá)到最大時(shí)電流為零，然后在逆流的負(fù)半周周期內(nèi)將能量回收到Cs儲(chǔ)能電容上。在脈沖電源正常工作時(shí)，其基礎(chǔ)電壓Vdc部分的功率可以大幅下降，從而實(shí)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(dá)：

  P = I_PV_dc + c × I_PV_p       （式2.2）

  其中常數(shù)c由實(shí)驗(yàn)證得一般為0.5。

  舉例說(shuō)明，假如一個(gè)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(fù)載電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)功耗，在高比電阻工況下的功耗，通過(guò)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(guò)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(guò)減小脈沖頻率減小供電電流，從而避免電場(chǎng)內(nèi)部的反電暈現(xiàn)象。在中、低比電阻的工況下，可以通過(guò)增加脈沖頻率增加供電電流，進(jìn)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(jí)采用高頻電源，收集大顆粒和易收粉塵；后級(jí)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(tái)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(jī)組1側(cè)采用天明TM-HPP脈沖電源改造方案，前2級(jí)電場(chǎng)采用高頻電源，后2級(jí)利舊原工頻電源，加脈沖電源；另外一側(cè)沒(méi)有做改動(dòng)。并對(duì)兩側(cè)的結(jié)果邀請(qǐng)電科院進(jìn)行檢測(cè)。

  3.1.1除塵器原設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)

  除塵器原設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)如下表：

  表1 除塵器原設(shè)計(jì)參數(shù)和性能指標(biāo)

  3.1.2脈沖電源改造前后測(cè)試對(duì)比

  2014年1月15日委托湖南電科院對(duì)#1爐靜電除塵器進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)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(jìn)口濃度為24438.8 mg/ Nm³，電除塵器的進(jìn)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(jìn)口濃度為25513.6 mg/ Nm³，電除塵器的進(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)的，也使排放達(dá)到新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試結(jié)果對(duì)比

  3.2國(guó)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(yáng)極板運(yùn)動(dòng)的電壓。在節(jié)電的基礎(chǔ)上，同時(shí)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(yáng)極板運(yùn)動(dòng)的電壓。在節(jié)電的基礎(chǔ)上，同時(shí)具有很好的減排。下圖為使用脈沖電源的前后對(duì)比圖。圖中白色區(qū)域?yàn)槭褂妹}沖電源基礎(chǔ)電壓維持在電場(chǎng)起暈電壓附近時(shí)的能耗；圖中灰色加白色區(qū)域?yàn)槲醇用}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(tái)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(duì)比

  3.2.2改造后測(cè)試結(jié)果

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

  圖4.1    改造前后的排放、能耗對(duì)比

  3.3試驗(yàn)結(jié)果

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

  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(fèi)用低、性價(jià)比高；

  3、改造周期短、方便，可以實(shí)現(xiàn)不停爐改造，降低改造停爐帶來(lái)?yè)p失；

  4、改造后維護(hù)成本低，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

  4.結(jié)束語(yǔ)

  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(qiáng)靜電除塵技術(shù)，一直以來(lái)都是國(guó)際除塵技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但長(zhǎng)期以來(lái)脈沖電源產(chǎn)品化技術(shù)一致被國(guó)外公司所壟斷，造成國(guó)內(nèi)應(yīng)用價(jià)格高、改造困難等問(wèn)題，所以在國(guó)內(nèi)很少有應(yīng)用。近期國(guó)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。