技术︱高频电源静电除尘器节能提效控制策略在三河电厂的应用
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神华国华三河发电有限责任公司的研究人员宋晓波，在2016年第3期《电气技术》杂志上撰文，为贯彻国家节能环保政策，响应国华“绿色发电计划”号召，积极行动，加大力度推进无污染排放的建设工作，三河电厂高频电源改造及节能提效控制策略的应用，并对改造后的节能提效情况进行分析，为其他公司的应用提供宝贵数据及经验，具有很好的应用前景。
三河发电有限公司每台机组电除尘器设计为双室五电场，共20个供电分区，#1、#2机组电除尘器本体为上海冶金矿山机械厂制造；#3、#4机组电除尘器本题为浙江天洁公司制造。电源系统为传统的两相380V工频电源，电控系统配套为北京信实德电气设备有限公司的EPMAX-Ⅲ型控制器。振打由高压控制器控制，电除尘主控室配备上位机，对电除尘进行远程控制。
为贯彻国家节能环保政策，响应国华“绿色发电计划”号召，积极行动，加大力度推进无污染排放的建设工作，公司于2013年12月25日完成对4台机组电除尘电场高频电源改造工作，改造后运行效果良好。
1 高频电源工作原理
电除尘器高频电源是利用高频开关技术而形成的逆变式电源，其供电电流是一系列窄脉冲构成，可以给电除尘器提供具有从接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形。
高频电源是将三相交流电经整流和滤波后得到约560V 左右的直流电压，由IGBT全桥逆变，经谐振电容震荡产生最高20kHz 交变电流，再经高频变压器升压整流后形成高频高压脉动直流送入电除尘器。
HFR 高频电源控制器采用两块32 位DSP 处理器作为核心，完成所有信号采样、数学运算、产生调整触发脉冲，实现电场内火花的检测判断及控制，把火花频率维持在一个合适的状态。
图1 工频与高频电源原理图
2控制策略
2.1振打优化
传统的断电振打功能已不适应环保标准提高的需要，改进势在必行。HFR 除对电除尘器高频整流变压器进行控制外，还集成了5路DO输出，可以对振打回路和加热回路进行控制，多达8套控制定时器，用于控制振打电机或电加热器在不同时段和控制模式下的振打频率及减电压的方式等。
对于电磁振打锤方式的电除尘器，可将各供电区的电磁振打锤编组，然后再通过振打输出进行各组的逐一振打。
功能中增加了在普通振打完成后再执行一段时间（数秒或数十秒）的断电振打。做到集尘板表面集灰先清除，再断电清理后部集尘，从而提高断电振打效率和稳定除尘效率的作用。间歇性断电振打，可控制末电场断电振打时的二次飞扬，对抑制末电场断电振打时浊度数值快速大幅升高有显著效果。
图2 振打设置时序图
图3 末电场断电振打时的脱硫入口粉尘曲线
2.2火花控制
火花闪络现象对于运行中的电除尘器是正常的，不可避免的，但电除尘器本体内部是否真实的发生了火花完全取决于控制设备的采样精度及火花判断的优化算法。误检、漏检火花都会直接影响到除尘器效率及优化控制功能的使用。
工频整流电源工作时二次电压平均值不高，但是二次电压峰值很高（平均值50KV时，峰值可以达到75KV以上），电场内部会由于很高的峰值电压而很容易产生火花，而且火花至少要维持20ms，再加上火花恢复过程至少30~50ms，影响运行参数降低除尘效率；如果火花控制策略不好，每分钟50~60个火花的话，那么累计起来影响除尘器运行的时间就比较长，除尘效率更加严重，同时火花产生时还浪费很多电能。
图4 高频电源与工频电源火花闪络电压比较图
而高频整流电源后，二次电压纹波很小，基本是平稳直流，不会出现工频供电时很高的峰值电压，工作时电场内极不易放电，可以把运行电压、电流大幅提升，从而提高除尘效率。
同时在电场产生火花放电时，高频电源系统可以在20us内快速关断IGBT，从而缩短火花影响的时间，提高除尘效率，同时还可以大大降低火花浪费的能耗。
图5 实现低火花率的三斜率恢复方式
通过上述控制，可最大限度的把电压，电流控制在临近上一次放电点的位置。
2.3节能控制
电除尘器的电能消耗主要是高压电源，低压部分除灰斗电加热外其他电除尘设备电耗所占份额较小；另一方面，这些能耗也是保证设备达标运行所必须的，降耗空间很小。
在飞灰比电阻较低的情况下，高压电源运行的电能消耗与电除尘器的除尘效率成正比例关系, 而在飞灰比电阻较高的情况下,高压电源运行的电能消耗与电除尘器的除尘效率并不遵循正比例这样的线性关系，因此确定电除尘器的飞灰特性，选择合适的高压硅整流控制器的控制方式和参数设定对电除尘器的降耗意义重大。
电除尘器的节电主要指标必须是在保证除尘效率前提下，通过下述科学的方法实现节电：
1）采用高频电源，通过高频电源低压交流电流转换成高压直流电流的转化效率的提高取得节电效果
HFR-II型综合控制高频开关电源系统转换效率高，常规工频整流变压器电源能量转换效率一般为65%~75%，而HFR-II高频开关电源转换效率为94%以上，因此高频开关电源损耗小，相对工频整流变压器电源节能约20%以上。
2）功率因数提高节电
HFR-II型综合控制高频开关电源系统是三相供电，输入功率因数可达0.95。常规工频整流变压器电源是两相供电输入功率因数为0.7，HFR-II型综合控制高频开关电源系统因为功率因数的提高，在电网端可省电5%。
3）降低闪络
HFR-II型综合控制高频开关电源系统输出电压平均值比工频整流变压器电源高出10%~15%。常规工频整流变压器电源输出波纹很大，输出平均电压比峰值电压约低15%。
HFR-II型综合控制高频开关电源系统输出纹波极小，输出电压近乎是一条直线，二次平均电压比常规工频整流变压器电源高出约15%,但仍会低于工频峰值电压，因此,在电除尘运行在临近闪络电压的情况下，采用HFR-II型综合控制高频开关电源系统的电场,通常没有火花闪络或有很少的火花闪络, 这就大大减少了闪络时对地放电所耗费的电能。
另外，高频电源的火花关断时间<10μs 而工频电源需 10ms，产生闪络时，对地放电的持续的时间短，闪络能量很小，也减少了火花闪络时电能的损失。
4）利用机组磨煤机给煤总量信号的能耗管理闭环优化控制
图6 静电除尘器闭环控制系统简图
如上述系统简图所示，将机组信号磨煤机总输出信号引入到电除尘控制系统，作为电除尘的闭环控制信号。系统通过闭环信号量的变化，反映锅炉投粉量的多少，从而把电除尘器电耗控制在即满足当前工况需要，又不浪费电能，以达到节电的目的。
在不同的磨煤机总输出量，各级电场的充电间隔时间和充电电流强度应相应地进行调整。流经静电除尘器的灰尘浓度从初级电场到末级电场是逐步减少的，因此较末级电场在负荷降低时可以采用较长的充电间隔时间和较小的充电电流，而较前段电场须采用较短的充电间隔时间和较大的充电电流。
HFR-II型综合控制高频开关电源系统设有不同的高压运行参数构成的四种运行模式，可以依据磨煤机总输出量设置四种不同的间隔充电运行模式。
图7 三河电厂#2炉电除尘系统给煤量控制画面
3效果评估
3.1关于提效
高频电源改造后，基于高频电源的原理，电场输入电流较工频会有大幅提升，可以接近甚至达到设计板电流密度或饱和电流密度，从而挖掘出除尘器潜在的除尘效率。
在燃用相同煤种及相同配比的工况下，影响除尘效率的主要因素一个是输入功率，单位输入的功率愈大，电除尘器的除尘效率也愈高。施加的电压越高，输入的电流愈大，除尘效率也愈高。
表1 4台机组高频电源改造前后烟尘浓度数据对比
经华北电科院试验测定机组满负荷（#1、#2机组350MW，#3、#4机组300MW）运行时，#1~#4电除尘出口固体颗粒物浓度折算排放浓度（折算系数ａ=1.4）平均值机组分别为11.68mg/Nm3、14.02mg/Nm3、15 mg/Nm3、15 mg/Nm3。
3.2关于节能
事实上，在高频电源节能的问题上，大家似乎存在一定的误区，高频电源一定较工频电源节能吗？这是有前提条件的，节能与提效其实是一对矛盾体。
高频电源与工频电源相比在同等条件下确实可以省电，比如高频电源功率因数可以达到0.95，转换效率可以高达93%以上，比较工频电源的功率因数和转换效率至少节电25%，但这些是高频电源技术优势所带来的。
但通过采用高频电源来提高电除尘器效率的角度分析，我们不是要达到与工频同等运行参数（集尘板电流密度），我们希望通过高频电源特有的平稳二次电压来给电场输入更大的电流从而提高电流密度。
从上述分析可以看出，高频电源本身是节电的，但在电除尘器减排的应用中不会较工频时省电，有可能还会多耗电。
4结论
从上述分析可以看出，高频电源改造后较传统的工频电源相比，其输入功率、振打控制、火花检测等方面均进行了优化，特别是利用机组磨煤机给煤量信号的能耗管理闭环优化控制，实现可以依据磨煤机总输出量设置四种不同的间隔充电运行模式，从而达到节能提效的运行效果，具有良好的应用价值。
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