临界脉冲电源在静电除尘器上的应用
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陕西万方节能科技股份有限公司、陕西燃气集团新能源发展有限公司的研究人员贾林妮、肖衍党，在2016年第11期《电气技术》杂志上撰文，在简要介绍了电除尘技术发展的基础上，针对静电除尘电源新技术——临界脉冲电源技术特点进行了详细阐述，同时根据临界脉冲电源应用于300MW火力发电机组上的相关运行数据进行了分析，从而为临界脉冲电源在静电除尘器上的应用提供了科学依据。
近年来我国遭遇多次大范围持续雾霾天气，其影响范围、持续时间、雾霾强度历史少见。通过不同研究机构的研究成果表明，造成雾霾的主要原因是工业烟尘和汽车尾气的排放。工业烟尘治理被排到了各大工业企业的重要日程上来。
长期以来我国一直处于静电除尘技术一统天下的局面，当前由于环保提出新一轮的超低排放标准，传统的静电除尘技术难以满足这一标准，于是又出现了除尘技术向袋式除尘发展的趋势，然而袋式除尘技术一直以来存在的技术问题并没有得到解决，所以也难以占据除尘领域的主导地位。
由于静电除尘技术公认的高效性，如何突破传统静电除尘技术的瓶颈，进一步提高其除尘效率以满足现有排放新规，本文就此着重对静电除尘新的电源技术临界脉冲电源技术的原理、特点及其工程上实际应用进行了论述。
1 电除尘技术的发展
在工业尘源治理的除尘设备中，上世纪初发展起来的静电除尘器，由于其除尘效率高、运行费用低、维护管理简单方便等优点在除尘领域得到广泛的应用。电除尘器的放电极和收尘极接于高压直流电源，当含尘气体经过两极间的非均匀电厂时，在放电极周围强电场作用下，气体首先被电离，并使粉尘粒子荷电，荷电后的粉尘粒子在电场力的作用下移向集尘极，从而达到除尘的目的。
随着新一轮“超低排放”的提出，工业烟尘排放标准大幅度提高，原静电除尘器性能难以满足环保要求，一时期出现了由静电除尘转为布袋除尘方式的倾向。
袋式除尘器是过滤式除尘器的一种，应用于工业生产过程中气体的粉状原料及产品的捕集，它是利用多孔纤维材料的过滤作用将含尘气体中的粉尘过滤出去[1]。布袋除尘器虽然能基本满足目前环保达标的基本需要，但由于其阻力大、电耗高、运转费用高、故障率高、维护管理不方便、二次污染等弱点，只能作为一定范围内的不得已的选择。
另外，近年兴起的“湿式电除尘”、“旋转阳极板”、“径流式电除尘器”、“烟气调质或微颗粒凝聚”、“本体扩容”等技术，由于空间、成本、运行维护费用、安全稳定性、二次污染、适用条件、实际效果等局限，难以普及。
如何仍能运用静电除尘器除尘又能提高除尘效率达到节能减排的目的。除尘电源及其控制系统的技术性能突破成为除尘领域的聚焦点。近年，在改进电源供电方式的过程中，设计思路不断创新，电源性能不断提升。市场上除了正在淘汰的“工频电源”及其过渡性的“三相电源”外，还有“脉冲”和“高频”等新型电源。
高频电源为输入三相380V/50Hz交流电源，经三相整流滤波和IGBT模块高频20～40kHz逆变、高频变压整流后，经限流电阻R，供给电除尘极板。输出电流、电压、反馈至控制系统改变脉冲工作频率或脉冲宽度经隔离驱动器送给IGBT全桥高频逆变器以对输出电流输出电压进行调节。然而高频电源减排和节能幅度有限，在减排模式下不节能反而比工频电源耗能，电腐蚀也会造成除尘器的性能衰减和使用寿命缩短。
2 新型静电除尘临界脉冲电源技术介绍
临界脉冲电源是将380V三相交流电经整流滤波成直流，再逆变为高频交流，经高频变压器升压后，再经“临界柔性模块”变为带有微小脉动的平稳直流。相关技术工作者在国际上首次提出“空间、自由离子密度对除尘效率的影响远大于场强”的理论，提出“临界区”的概念并量化应用。
从各种研究数据看，电场在“二次电子崩”和“流注初期”的“临界”状态时，“空间自由离子密度”才能最大化且利于粉尘荷电。下图1为临界脉冲电源的工作电压曲线。
图1 临界脉冲电源的工作电压曲线
2.1 临界脉冲电源的主要特点
2.1.1对高比电阻粉尘的驱进速度的影响
在电除尘器的粉尘中小于104Ω.cm的低比电阻粉尘有较好的导电能力。当荷电粉尘到达阳极板后释放出负电荷，由于失去静电吸附力重返气流。粉尘在电场间受到负离子碰撞后重新得到负电荷，再向阳极板移动。这样很多粉尘会出现沿极板表面跳跃地前进的现象，最后被气流带出除尘器致使除尘效率较低。
最易于电除尘除去的粉尘比电阻在104Ω.cm~1011Ω.cm之间，此时除尘器的除尘率能达到99%。而对于高比电阻的粉尘的除尘率一直是影响电除尘除尘效率的主要因素。其他电源对于高比电阻的粉尘在电厂中的高粘附性，无法通过常规振打清除，即使能进行振打，也容易引起二次扬尘的现象。
如果高比电阻的粉尘长期积聚极易引起反电晕现象，粉尘层的电场强度就会在粉尘层的空隙间产生局部击穿，产生与电晕极极性相反的正离子，并向电晕极运动，中和电晕极带负电的粒子，使电除尘器极板电流增大，电压降低，严重降低除尘效率。
临界脉冲电源相比于工频、高频电源对高比电阻的粉尘除尘效果明显，主要由于脉冲电源能有效的提高比电阻粉尘的趋进速度，提高除尘效率达到99.9934%。如图2所示，同收尘面积的静电除尘器在使用不同电源的控制系统会产生完全不同的收尘效果。
增强系数的计算公式为H=Wp/Wdc，其中Wp为应用脉冲电源后的粉尘驱进速度，Wdc为应用常规电源后的粉尘趋近速度。
图2 比电阻与增强系数关系图
从图2可以看出，粉尘的比电阻越高，应用临界脉冲电源后设备的粉尘驱进速度增强系数越高，除尘效果越明显。
2.1.2可根据工况灵活调整供电电压
临界脉冲电源具有“硬件储能与限能”和“微脉冲”式供电特性，输出的电压随着工况(电场内温度、湿度、压力、粉尘浓度、粒度、比电阻以及市电波动)的变化，从能量梯度控制入手，使工作点保持在空气放电特性曲线的最高点及其右侧很小的区域内。
“储能”保持高电压，“限能”抑制流注生长，避免产生火花放电。自动调节动态适应，使输出电压值稳定位于火花始发点以下临界区，实现了空间自由粒子密度最大化。
2.1.3消除电腐蚀、抑制反电晕、二次扬尘
临界脉冲电源技术在供电过程极大程度上消除了深度火花放电，无须大幅降压或关断以熄灭火花，连续输出临界电压，可实现最理想的也是运行中最高的场强（荷电场强、驱进场强）。避免了对除尘器本体极线、极板的电腐蚀，减少本体的维护，延长本体的使用寿命。
在使电压保持在临界区的同时，避免了大量的无效电耗，实现小电流供电，有效抑制了反电晕机理；不必断电或减压振打，保持高场强集尘状态，有效抑制二次扬尘；避免深度火花放电，减少因火花击穿而造成的扰动二次扬尘。
2.2 临界脉冲电源的工程应用
近一两年来，临界脉冲电源在工业电除尘器节能减排技术改造中得到了广泛地应用。大唐集团某热电厂2×300MW等级国产亚临界抽汽供热燃煤机组就在针对电除尘电源进行改造的项目中应用了此技术。
该项目机组采用东方锅炉有限公司生产的亚临界自然循环锅炉，最大连续蒸发量为1025t/h，额定蒸发量为960t/h，电除尘器采用兰州电力制造厂生产的卧式双室四电场静电除尘器。
电除尘器基本设计参数：型式为卧式双室四电场（单机配两台）；处理烟气量为1598976m3/h；设计效率为99.86%；本体漏风<3.0%；本体阻力<245Pa；入口烟尘浓度为24.5g/Nm3。
改造前1号机组电除尘电源为工频电源，2014年初将1号机组电除尘器电源改造为临界脉冲电源。改造后#1机组锅炉风、粉投入稳定，电除尘器各电场正常投运，运行参数基本正常，卸灰系统投运正常，灰斗无堵灰等现象，除尘效果明显改善。
表1是对电除尘器除尘性能改造前后运行效果检测后的对比。表2是电除尘器安装临界脉冲电源后电流电压的运行数据。
表1 电除尘电源改造前后烟气浓度试验数据统计表
表2 电除尘安装临界脉冲电源后电能消耗运行数据表
由表2可知，1号机组电除尘器电源总的消耗功率平均为353kW。按照工频电源运行时采集到的数据，单台机组电除尘电源总的消耗功率平均为1211kW。由此可推测，临界脉冲电源在保证70%以上的减排前提下，同时比工频电源节能70%。
从上述例子我们可以看出，在电力系统的静电除尘方面“临界脉冲电源”的有效性和可行性已经得到了验证。
3 结论
由此我们可以看出临界脉冲电源已成为电除尘电源技术性能的重大突破点。临界脉冲电源确保比工频供电减排70%以上，实现节能30～80%；并且三相平衡，无缺相损耗，适应不同灰质，除尘效率高，抗高低温、高湿、低压能力强，易维护、费用低，可消除电腐蚀使除尘器本体长期稳定高效运行。
临界脉冲电源技术已进入了在电力、水泥等多个行业全面实施期，并已收到了良好的效果，可以完全满足超低排放新政策的要求。