高频电源在火电厂静电除尘器中的应用

高频电源在火电厂静电除尘器中的应用
摘要：本文介绍了电除尘器高频电源工作原理,分析了高频电源相对于传统工频
电源的优越性.以三河发电公司的4台机组电除尘器改造为例,介绍了高频电源在
火电厂电除尘器上的改造效果、运行控制策略及存在的问题，为其他公司的电除
尘高频电源改造提供宝贵数据及经验，具有很好的应用前景。

关键词：静电除尘器；高频电源；控制；策略
概述
随着新环保法的实施，以及当下雾霾天气的加剧，人们对环保要求越来越高
提高。

《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）对燃煤发电厂的烟尘排
放浓度作出了更为严格的限制，重点地区烟尘排放标准变为5mg/Nm3。

目前，国内部分火力发电厂电除尘器很难达到新标准要求，作者所在的三河发电公司对对
4台发电机组电除尘器进行了高频电源改造，改造后运行效果良好，烟尘排放值
满足国家标准。

1工作原理
1.1火电厂静电除尘器工作原理
电除尘器除尘是利用高压电建立起足以使气体发生电离的电场，使流经电场
的灰尘粒子荷电(带上电子或离子)，并在电场力的做用下使荷电灰尘粒子向异性
电极运动，并积附在异性电极上，从而实现灰尘粒子与烟气流的分离，通过振打
使阴极线、阳极板上积灰被振落，掉入下部灰斗中。

电除尘器分为本体和电气两大部分。

本体部分主要包括阴极系统、阳极系统、进出口封头和气流均布板、壳体、灰斗及保温等。

在绝缘子室、阴极振打瓷轴和
灰斗处都设置有电加热器。

电气部分为高频电源，高频电源一次部分：主断路器、主接触器、经三相整流模块（整流为580V直流）、滤波电容、IGBT模块（高频
开关到5~20KHz）、谐振电容、高频整流变压器等组成，高压侧柜门装有电源指示、运行和故障指示、就地操作开关、二次电压表、二次电流表。

高频电源低压
控制部分：控制电源开关、主冷却风机电源、柜顶风机电源、电源板、控制器、
二次控制器件，同时高频电源集成该电场阴阳极振打控制等。

1.2高频电源工作原理
高频电源是将三相交流电经整流和滤波后得到约530V左右的直流电压，经全桥逆变，形成20KHz左右的交变电流，再经高频变压器升压整流后形成高频高压
脉动直流送电除尘器。

2高频电源介绍
高频高压整流电源（简称高频电源）是新一代的电除尘器供电装置，可广泛
应用于电力、冶金、化工、水泥等行业的烟气粉尘治理，可实现高效除尘、保护
环境的作用。

该产品是我公司独立研发、拥有完全自主知识产权的高新技术产品。

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。

高频电源控制方式灵活多样，可根据电除尘器运行工况选择最合适的电
压波形，减少电除尘能耗，提高除尘效率；另外，高频电源还有体积小、重量轻、节省电缆用量，三相平衡供电等诸多优点。

2.1高频电源优点
从图1可以清楚的看出，使用工频电源时，二次电压峰值会高出平均值约1.3
倍，电场会因较高的峰值电压而放电，从而降低了电场输入电流。

而高频电源可以很好避免这一问题，提升电场输入电流，即增加集尘板电流密度。

2.2大幅提升集尘板电流密度的重要意义
单一供电分区的设计电流量=分区集尘板面积*0.35~0.38mA/m²（电流密度）。

那么设计用2000mA的电源电流量其实暗指本体分区的集尘板面积比较大，但运行中工频电源基本只能运行到1000mA左右电场就有可能因为峰值电压很高而放电，这样的话实际集尘板运行电流密度仅为0.17~0.19mA/m²，较设计电流密度，或者说饱和电流密度还差距很大，这还没有考虑电场内部电流不均匀的问题。

从而严重影响了工频电源运行中的除尘效率。

而改用高频电源后，如果运行电压依然达到火花放电水平时，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。

2.3高频电源控制器
HIRCON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。

低压控制---HIRCON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。

控制器还提供了4路4~20mA信号和2路PT100信号输入，可根据需要关联到对应的DO输出，进行恒温加热控制及信号采集。

运行模式---HIRCON有四套运行模式可供选择，而且每套模式都有与该模式相配套可供设定的8套振打定时器。

ROQ---该软件为ESP优化计算软件，用于优化不同煤质及负载条件下的电场除尘效率。

以太网通讯---通讯系统基于Modbus TCP/IP通讯协议的100MB以太网通讯方式，很高的数据通讯速度，可更加实时快捷的传送各种实时数据和控制命令。

还原设置---系统通过TRUSTEK CTK软件实现一键备份及一键还原功能，给检修人员的维护提供极大便捷。

2.4 高频电源的主要功能
2.4.1调频控制功能：高频电源通过调整逆变频率实现对窄脉冲电压的输出频率的调整，使电除尘得到合适的电晕电压和电流，逆变频率调整范围1kHz-501kHz，可在GM-Ⅱ机旁控制箱、配电室集中控制柜、控制室上位机上实现手动或自动调整。

2.4.2火花频率控制功能：当电除尘电场内部产生闪络击穿时，高频电源精确检测并记录电厂的击穿电压，通过自动调频控制方式跟踪闪络电压运行，根据设定的火花频率，自动调整输出电压的恢复速率，从而实现火花频率控制功能。

在不考虑能耗的前提下，电极到极板电压要近可能工作在临界火花放电电压附近，提高集尘效果。

由于火花放电电压不是一个固定值，故需要自动控制系统实现自动检测和控制，将输出电压控制在临界火花放电电压（见下图）。

高频电源能在全时域内精确检测火花闪络，关断电路的时间小于25μs（工频电源至少需2ms）。

实践证明，从检测到火花闪络、关断IGBT到恢复二次电压、电流，全过程仅需20ms，是常规工频电源的20%，控制特性较常规工频电源更好。

2.4.3高级间歇供电控制功能：常规的间歇供电只能实现间歇比是1:2，1:4,1:6等偶数间歇，无法根据工况需要提供合适的间歇比和脉冲宽度。

高频电源的间歇供电功能是采用高频脉冲输出，不受工频电正弦波限制，以25μs为脉冲时基，输出脉冲电压峰值达200kV，并可以任意调整高频脉冲群的宽度、间歇周期、脉冲群期电流和间歇期电流，为电场提供各种适当的波形（如下图1），更有效地降低了时间电流密度，均匀了空间场强分布，抑制了反电晕的产生，显著地提升了除尘效率。

2.4.4断电\降压振打功能：断电\降压振打功能是指电场对应的阳极振打动作时，对应的高压供电设备根据预先设定好的降压策略进行联动断电或按比例降压的功能，有效保证电场阳极振打的清灰效果，克服高比电阻粉尘造成的“反电晕”，提高除尘效率，同时此功能还可
辅助节能。

3三河电厂静电除尘器高频电源改造后效果
高频电源改造后，增大了电晕功率，增加了电场粉尘的荷电效果，使极的吸附能力增强，除尘效率提高；高频电源供电电压平稳，波动小，反映在电流上就是电流值较小，波动小；
运行人员根据电除尘器出口烟尘浓度进行电压和电流的调整，一般当二次电流500mA，二次
电压45-55kV情况下电除尘器出口烟尘浓度就能满足小于20mg/Nm3的指标要求。

三河电厂#1机组电除尘改造后，粉尘排放值由60 mg/Nm3降至18 mg/Nm3；#2机组电
除尘改造后，粉尘排放值由64 mg/Nm3降至18 mg/Nm3；#3机组电除尘改造后，粉尘排放
值由49 mg/Nm3降至19.5 mg/Nm3；#4机组电除尘改造后，粉尘排放值由57 mg/Nm3降至
17 mg/Nm3
4运行控制策略
4.1输入功率提升方面：
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。

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。

因此，一、二电场采用高频电源对提高前部电场的除尘效率有明显效果；对于五电场采
用移动极板后，阳极板的集灰清理的非常干净，利于提高除尘效率，同时也不易产生反电晕，应用高频电源可以产生很高的电流密度，增加了对细小粉尘的扑捉能力；同时由于移动极板
极距增大的原因，更换为80KV高频电源更加适宜提升二次电压。

4.2反电晕的抑制方面：
工频电源受电源50Hz限制及供电时不可以偏励磁的限制，在间歇供电时，每次间歇时间
必须是20ms的倍数（即2个半波的倍数），跨度较大，在优化充电比时间歇时间不够精细，如图2。

采用高频电源后，充电间歇时间非常灵活，最小单位可到20us，在应用反电晕自动优化时，优化的精细程度和准确度大大提高，从而较工频系统可以提高除尘效率。

4.3节能方面：
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。

4.4负荷控制方面：
将机组负荷信号（或磨煤机总输出信号）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。

在不同的锅炉负荷段或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，可以依据锅炉负荷或磨煤机总输出量设置四种不同
的间隔充电运行模式。

4.5 ROQ优化软件下的间隔供电运行模式
在灰尘的比电阻较高时，通常采用间隔供电的运行模式来抑制反电晕的产生。

HFR-II型
综合控制高频开关电源系统内置反电晕监控及运行参数优化软件，能够合理地在线自动调整
间隔充电时间间隔和充电强度，从而在提高电除尘器的收尘效率的同时节约了大量的电能。

在第一及第二电场采用HFR-II型综合控制高频开关电源系统，运行的二次电压水平远远
高于工频电源，因此这些采用高频电源的前级电场（在反电晕的情况下，确保实现ROQ优化功能所要求的施加在电除尘器上的较高的脉冲电流）除尘效率很高，而电除尘器的后级电场，随着粉尘浓度的大大降低，需要的荷电功率同比下降，即使在没有反电晕得情况下，也可以
通过采用前级电场增大供电功率，后级电场采用间隔充电供电方式减少供电功率的运行模式，从而在保证电除尘器效率的同时节约电能的耗费。

5应用高频电源技术的两个误区：
5.1高频电源能够“节电”。

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。

5.2“设计2000mA的工频电源改为高频时1600mA就够用了”
从前面关于提升集尘板电流密度的分析中我们可以看出，2000mA是根据除尘器的大小匹配的，在除尘器没有改变的情况下，电控设备随意减小匹配的容量是错误的，会带来以下问题：
a、在电场升压试验中，电源的电流量达不到本体设计电流值，就意味着
b、电压无法继
续升高，升压试验的效果和意义将大打折扣。

采用高频电源的除尘器，在运行中有很好的提升运行电流的空间，但电源设计电流值小，应用高频电源提升除尘效率的意义也将大打折扣。

满足设计容量的高频电源在煤种状况好的
情况下可以降低运行功率达到节能减排的目的，当煤种状况很差时有足够的功率提升空间，
但降容设计的高频电源在这个时候就无能为力了。

结束语
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。

利用该技术，三河发电公司对四台机组静电除尘装置进行了改造，在
运行控制方面的经验，提升了电除尘器的除尘效率,带来了良好的经济效益和社会效益,为电
除尘器高频电源节能减排技术的推广应用提供了实践经验.
参考文献：
[1]原永涛.火力发电厂电除尘器技术2004.
[2]宋晓波电气技术2016,(3)。