吴福雨

(鹤壁同力发电有限责任公司，河南 鹤壁 458000)

静电除尘器软稳电源的工作原理和改造研究

吴福雨

(鹤壁同力发电有限责任公司，河南 鹤壁 458000)

概述了某电厂静电除尘器高压电源存在的问题，介绍了除尘器软稳电源的工作原理和减排原理，分析其与传统工频整流电源的差异，提出了将除尘器高压电源由传统工频整流电源改为三相软稳电源、更换除尘自动监控系统的改造方案，以提高除尘效率和降低电源能耗。

除尘器；软稳电源；工频整流电源；改造

0 前言

为了对火电厂的大气污染物排放进行严格控制，我国于2012-01-01发布实施了新版GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，要求自2014-07-01起，现有火电厂烟囱入口粉尘排放浓度由50 mg/Nm3降至30 mg/Nm3以下；根据最新文件，要求再降至5 mg/Nm3以下，以实现燃煤机组烟气超低排放，并做到在线实时监视可追溯。

1 除尘器传统工频电源存在的问题

某公司2×300 MW机组静电除尘器高压电源采用传统的工频整流电源，存在除尘效率低、能耗高且不能满足最新排放标准要求等问题。为落实国家煤电节能减排和环保要求，现决定对该除尘器实施高效电源改造。

2 除尘器软稳电源的工作原理

目前，除尘器高效电源主要有4种类型：三相工频电源、高频电源、脉冲电源和软稳电源。通过对多家燃煤电厂除尘器电源改造情况的考察和调研，并对市场上现有除尘器高效电源的减排能力、节电性能、销售价格和后期运维成本的比对，该公司决定选用三相软稳电源作为除尘器高效电源。

2.1 软稳电源的特性及功能

软稳电源是软特性、准稳定直流电源的简称。“软”是指电源性质属于软特性，即电源输出电压、电流随负载大小的变化而变化，它是针对常规电源的硬特性来说的。“稳”是指电源波形是一条稳定的直线，即电源输出稳定的直流，它是针对常规电源的脉动性来说的。

软稳电源采用工频三相电源供电，经过滤波整流、电压调整、高频逆变、闪络控制等环节，为电场提供可靠的、始终处于火花临界处的输出电压，以减少火花电压造成的能量损失，解决无法连续供电的弊端，可大幅提高输入电压的有效利用率，从而改善除尘效果。软稳电源功能如图1所示。

2.2 软稳电源的工作原理

工频三相输入电压经过可控整流，根据上位机记忆的控制配方调整输出电压，再经过高频逆变并升压。在升压过程中，根据输入的电场粉尘浓度、温度、负荷等信号调整线圈耦合程度，进一步调整适合电场的输出二次电压，使二次电压稳定输出在火花电压的临界值以下，并根据实际使用情况调整电晕电流。软稳电源的工作原理如图2所示。

3 软稳电源的减排节能原理

软稳电源工作电压最佳点是在火花始发点以下的临界处，整个过程都没有火花放电的产生。和常规工频电源相比，软稳电源不仅消除了肉眼看得见的火花放电，也消除了肉眼看不见的超出火花放电。

图1 软稳电源功能示意

图2 软稳电源的工作原理

软稳电源电压U稳和常规电源电压U常的输出特性如图3所示。U稳是平行于时间轴的一条直线，可平移至火花始发点Uf的临界处，整个周期内都是高效的。常规电源是脉动的，U常的高效只是a，b，c，d 4个点，远离Uf的部分低效，超过a，b，c，d 4个点的部分无效。

图3 软稳电源和常规电源电源输出示意

如果火花始发点以下临界处是最佳点的极限值，那么常规电源最佳点的极限值只是峰值a，b， c，d 4个点，其有效值Uy则是此极限值的1/；软稳电源工作电压的最佳点是火花始发点以下临界处、平行时间轴的一条直线，每时每刻都等于常规电源电压最佳点的极限值，即为常规电源有效值的倍，即U稳=Uy。

由于粉尘有效驱进速度ω与两极间电压U有下列关系：

在式(1)中，K是常数，有效驱进速度ω与两极间的电压U的平方成正比。

软稳电源的粉尘有效驱进速度ω稳=KU2稳

因此，2种电源都处于最佳点的极限值时，软稳电源有效驱进速度是常规电源有效驱进速度的2倍。根据除尘效率多依奇公式η=1-e-Aω/Q可以看出：一级软稳电源供电能等于二级常规电源供电的除尘效果，这就是软稳电源替代常规工频电源向除尘器供电能够减排的原理。

4 传统工频整流电源与高效软稳电源比对

4.1 除尘器供电的高压电源的技术路线

4.1.1 采用传统工频整流电源

采用传统工频整流电源时，除尘器供电的高压电源的技术路线是：将工频两相380 V通过铁芯变压器直接一次升压至几万V，再经过整流成为硬特性的脉动直流，输出到静电除尘器本体阴极线。其主要特点有2个：(1) 电源的性能属于硬特性；(2)电源的波形属于脉动性。

硬特性是指由于传统工频电源内阻较小，其输出电压不随着电场内部负载变化而自动变化。

4.1.2 采用高效软稳电源

采用高效软稳电源时，除尘器供电的高压电源的技术路线是：将工频三相380 V经过整流滤波成为540 V直流电源(电抗器滤波、可控硅整流)，经IGBT高频开关全桥逆变成两相高频交变电流，再通过整流变整流后形成稳定直流，输出到静电除尘器本体。其主要特点是：直流电源性质属于软特性，电源的波形是一条稳定的直线。

软特性是指软稳电源输出的电压能随电场内部负载变化而自动变化。

4.2 2种电源的供电特点及除尘效率

4.2.1 供电特点

传统工频整流电源采用火花整定运行方式，以火花电压为基础，当检测到有火花时就会自动停止供电，待火花消除后快速恢复供电，电源间断工作，即传统工频电源在停电时没有向电场提供荷电所需场强，除尘能力此时近乎为0。传统电源有火花放电且电源特性属于硬特性，其输出电压不随着电场内部负载变化而自行调整，不具备适应环境变化的能力，除尘效率低。

4.2.2 除尘效率

火花放电的实质是正电荷和负电荷在电场中间发生碰撞，通过光和热释放能量的物理现象，并没有把电荷附给粉尘，对除尘没起到正面作用。

高效软稳电源始终工作在火花始发点电压以下的临界处，不进入火花放电区域，不产生火花放电，因而消除了火花放电带来的巨大能量损失。软稳电源输出的电压、电流能随电场负载变化自动跟踪调整，电压、电流稳定，供电过程一直持续在电晕区工作，保持电除尘始终处于高效、节能状态。软稳电源的除尘效率比传统工频整流电源和其他高效电源都高。

4.3 2种电源的技术参数及电能消耗

4.3.1 技术参数

在传统工频整流电源模式下，电场电源为常规整流变提供，其技术参数是：额定容量119 kVA，输入额定电压380 V AC(两相)，输出额定电流1 100 mA，输出额定电压72 kV。

软稳电源模式下，电场电源为软稳电源装置提供，技术参数是：额定容量56 kVA，输入额定电压380 V AC(三相)，输出额定平均电流700 mA，输出额定平均电压72 kV。

4.3.2 电能消耗

电源改造前后，每台除尘器电源数量不变，都是8台，但容量不同。由设备容量参数可见，原有的常规电源耗电量远高于新装的软稳电源耗电量。

4.4 对除尘效率衰减的影响

传统工频整流电源电场内部检修完毕投入运行后，除尘效率比较高，但随着运行时间的增长，除尘效率明显下降。这是因为常规电源除尘器运行在“最佳火花率”状态下，不仅费电，而且火花放电对放电极的尖端(电晕线/阴极线芒刺)产生电腐蚀，影响放电效果，最终降低除尘效率。

电源改造后，电除尘的除尘效率衰减缓慢，这是因为软稳电源不会产生瞬态高压，在整个供电过程中不产生火花放电，不会造成放电极电腐蚀，放电状态持续良好。这样不仅延长了放电极的使用寿命，也保证了除尘效率。

4.5 对电场内部同极间距的影响

传统工频整流电源要求电除尘同极间距一般不能大于400 mm，若电场内部发生故障，检修人员不方便进入通道进行检修。

电源改造后，由于软稳电源升压工艺好，容易实现超高压，为电除尘实施同极宽间距提供了条件。适用于软稳电源的同极间距通常可达到600—700 mm，方便检修人员进入通道检修。

总之，软稳电源与传统工频电源相比，性能更优越，具有三相平衡、平均电压电流高、输出波纹小、工况适应性强、转换效率高等多项优点。

5 软稳电源应用于除尘器高压电源改造情况

5.1 改造范围及改造方案

该公司每台机组配置2台双室四电场静电除尘器，除尘器型式为：干式、卧式和板式。改造范围：2台机组4台除尘器16个电场的32套高压电源及控制系统、配电系统和上位机监控系统。改造方案：在充分利用除尘器原有设施的基础上，将除尘器高压电源由传统工频整流电源改为三相软稳电源，更换除尘自动监控系统。

5.2 改造后的情况

改造后的软稳电源实现了如下功能：

(1) 具有设备就地、上位机远方可相互切换的操作方式及运行工况监控模式；

(2) 输出功率(二次电压、二次电流)可调；

(3) 电源的运行控制方式可进行启动、停止操作及各种运行方式之间的转换；(4) 可进行二次电流、二次电压等参数值设定；(5) 可根据机组负荷信号、电场粉尘浊度信号进行闭环控制，自动调整高压电源运行方式。

改造后的除尘器自动监控系统为IPC上位机智能控制系统，由工控机、系统软件、显示器、通信柜组成。软稳电源装置的DSP(高频电源核心控制芯片)、IGBT(高频电源开关模块)等关键部件选用进口元件。

6 软稳电源的应用效果

2015年4月，该公司2台机组除尘器软稳电源改造结束后，经环保部门监测，1，2号机组除尘器效率分别由99.496 %，99.481 %提高到99.775 %，99.798 %；1，2号机组除尘器出口排放浓度分别由144.37 mg/m3，160.55 mg/m3降至22.50 mg/m3，23.50 mg/m3(技改目标值：为30.00 mg/Nm3)，改造达到了预期效果。除尘器传统工频电源装置容量为119 kVA，改为软稳电源后每套装置容量为56 kVA，单台设备容量降低了63 kVA，合计降低容量2 016 kVA(2台机组32套电源装置)。

7 结束语

除尘器采用软稳电源后，提高了除尘效率，减少了机组烟尘排放，改善了本地区的环境质量，对促进当地经济的持续发展，具有重要的推动作用。电除尘采用软稳电源后，电场能耗为传统电源能耗的47 %，节能节电53 %，节能降耗显著，经济效益明显。

2015—2016年，该公司继续加大环保投入力度，在除尘器软稳电源改造的基础上，每台除尘器又增设了第5电场(旋转极板方式)。另外，在机组脱硫系统后、烟囱入口前加装湿式除尘器，并对脱硝系统、引风机系统进行扩容。经过一系列设备改造后，该公司于2016年8月实现了烟囱入口烟尘排放浓度低于5 mg/Nm3的环保目标，2台机组烟气超低排放限值全部达标。

1 杨凯元，朱启春，韩建衡．600 MW机组除尘器软稳电源改造[J]．内蒙古电力，2014，32(5)：97-100.

2 刘建华，600 MW机组除尘器升级改造及效益评价[J]．电力科技与环保，2015，31(2)：36-38.

2016-12-09。

吴福雨(1969—)，男，高级电工技师，主要从事300 MW和600 MW火力发电机组电气技术管理、检修与维护工作，email：wufuyu000123@sohu.com。