我国电除尘器电源的现状与未来

摘要：  作者在回顾我国电除尘器电源的状况和探讨其未来的发展时，用表格全面比较了传统的单相可控硅工频整流电源和新崛起的高频电源的原理、特征和效果。明确提出了一种新的高频脉冲电源的供电模式和电源控制技术的模块化、规范化、商品化要求，描绘了2020年我国将成为一个创新型电除尘器电源强国的美好前景。

关键字：  电除尘器，  高频脉冲电源，  电源控制技术

1引言

多年实践证明，电除尘器是一个很优越的除尘减排设备，相比袋式除尘器资源消耗多，存在二次污染的缺点，更显其独特的魅力。

要提高收尘效率必须考虑三大要素：烟气条件(粉尘物性)，供电条件，机械(本体)条件。供电条件主要是指直流高压电源。

随着社会的文明进步和人民生活水平的提高，可持续发展战略，节能减排成为全球的经济发展课题。2006年国家颁布新的环保标准，对新改扩项目，工业废气中固体颗粒物排放浓度开始执行50mg/m3的标准。2012年火力电厂正式执行30mg/ m3的排放标准。

环保减排标准的提高和国家节能减排战略的实施，成为了电除尘器发展的动力。一方面刺激了电除尘器本体技术的发展，另一方面，也是更重要的一方面，刺激了高压电源技术的发展，特别是高频电源的诞生、发展和应用。

我国是一个电除尘器大国，但目前还不是一个电除尘器强国。电除尘器电源，包括控制技术，是电除尘器的重要组成部分。近10年来，我国电除尘器电源工作者有了许多的创新成果，对节能减排做出了重要贡献。如果我们能制定一个目标，精心组织，再经过7年、8年时间，我们一定会有更多的电除尘器及其电源的创新型成果，成为一个电除尘器强国。

2 我国电除尘器电源的现状

2.1电路拓扑百舸争流

20世纪80年代和90年代，我国电除尘器高压电源几乎全都是工频可控硅移相整流电源。2001年我国电除尘电源科技工作者开始打破常规，研制高频高压电源，2003年通过400mA/80kV高频电源鉴定，2004年开始应用在电除尘器现场。随后不久，三相工频可控整流电源，中频调幅电源等相继问世，上世纪末诞生的工频恒流源也在参与竞争。高频电源各种电路拓扑竞相涌现，比如LC串联负载串联谐振变换器，LCC和LLC多谐振变换器，调幅式高频电源，间歇式供电脉冲电源等。在LC串联谐振变换器中又有开关工作频率小于1/2谐振频率的电感电流断续型和开关工作频率大于谐振频率的电感电流连续型等。在高频电源中，功率开关器件大多使用IGBT，频率为20kHZ左右，开关器件也有使用MOSFET，工作频率达200kHz。

随着高频电源技术的进步，常规脉冲电源的电路拓扑也在改变，因为二十世纪末发展的常规脉冲电源体积大、成本高、可靠性较差。采用高频电源技术后，间隙式供电的脉冲电源焕然一新，既可采用直流基础电源与脉冲电压叠加的方法得到，也可直接使用高频电源，在控制程序编制上想一些办法实现。

2.2节能减排硕果累累

电除尘器电源技术首先是为提效减排而得到了长足的进步。电除尘电源科技工作者为了贯彻中央节能减排的可持续发展方针，采用上述各种电源，特别是高頻电源和新的控制技术，在钢铁工业的烧结厂和轧钢厂，在电力工业中的火力发电厂，在水泥工业，在有色冶金工业，在化工工业和其他工业，电除尘器减少烟尘排放30%-70%，提高了除尘效率，逐步满足了国家日益提高的排放提效标准。近几年来，许多电除尘电源厂家根据电除尘器使用企业的要求，进一步改进电源控制技术，在满足排放标准的同时，为企业节约电能做出了贡献，减少电除尘器供电电能40%-80%，特别是使用间歇式供电之后，节能效果十分显著，节能率有的高频电源竟达90%之多。

2.3电源控制技术日新月异

高频电源出现后，输出电压紋波仅有1%，工频电源标准中所谓最佳电火花率理论已经不适用了，因为输出电压值可以控制的很精准，火花率可以做到(1-2)次/ min，大大减少了火花能量损失。如果由粉尘浊度仪测量出的烟囱粉尘浓度来控制高压电源的运行，控制目标量也可由输出电压值更换为电源的输出电流值，以此实现最佳的粉尘排放值，达到国家规定的排放标准。

进入21世纪之后，我国有不少火力发电厂要求在減排达标的同时，考虑如何減少电除尘器的能量消耗和克服反电晕現象，间歇供电模式被优先采用，控制方式开始由除尘模式转入节电模式。

在粒径小和高比电阻粉尘的电除尘器中很容易发生反电晕现象，影响粉尘收集，于是出现了反电晕测量和处理控制程序。

电除尘器粉尘的荷电，趋集和振打对提高除尘效率起着至关重要的作用。人们发现停电振打或降压振打可以提高振打效果，于是振打控制转由高压电源控制程序一起同步完成。有一些厂家甚至将卸灰和加热等功能也一并与振打一起都由高压电源的综合控制器来控制。

2.4发展不平衡

虽然高频电源显示了无可比拟的优越性，但因技术难度较大，又缺少实实在在的技术交流，搞得好的单位不多，老的工频可控整流电源仍占统治地位。高频电源和电除尘器节能减排控制技术在火力发电厂效果显著，但在钢铁厂、水泥厂和一些规模不大的电除尘器，特别是一些特殊行业的除尘设备中效果欠佳，难度较大。

高频电源在国内虽有10年以上的历史，但电除尘器的设计单位仍未能认可，课堂里讲的和教科书上写的还是老的工频可控整流电源，工程设计时自然还是老一套。因此，在需要做节能减排技术改造的场合，高频电源应用较多，而新建电除尘器項目应用就很少。

高频电源技术发展不平衡，离普及和规范还有很大距离，特别是电除尘器设计单位还缺乏对高频电源的了解，电源生产厂家也各持己见，未能真正认识电源的发展趋势。因此，高频电源的行业标准从开始提及已有7年、8 年，仍无法起草和制定。

发展才是硬道理。计算机电源，通信电源和电力操作电源都已经高频化了，各家制造商都得到了好处。节能减排势不可挡，高频电源更为需要。高频电源普及之日就是大家得到实惠之时，因此，要加强对高频电源的宣传和了解。

3 高频电源和工频电源的比较

这里所说的工频电源，主要是指单相工频50Hz可控硅整流电源，高频电源主要是指高频20kHz谐振调频电源。

表1 高频电源和工频电源原理、特征和效果的比较

表1做了高频电源和工频电源的原理、特征和效果的全面比较。表中的25项，高频电源全都胜过了工频电源。相对工频电源来说，高频电源最重要的特征有两个：一是输出紋波小，输出电压平均值即是峰值，输出电压值能精准控制;二是充电电流上升率高，容易得到电除尘器各种工况下所需的电压电流波形。这样就能够相对单相工频电源获得显著的节能减排效果。

4 我国电除尘器电源的未来

宇宙间各种事物都有它自身的发展规律。高频化是电源的发展趋势，这在大部分工业领域都已经实现了。根据近10多年来的实践和表1的分析比较，说明高频电源代表了电除尘器电源发展的方向，只是因为它的功率大，环境恶劣，研发难度大，目前尚未普及。

[#page#]

4.1 高频脉冲电源是最具魅力的电除尘器电源

电除尘器要求电晕功率大，充电电流幅度大，充电速率高，在许多工况条件下，尤其是颗粒小，比电阻高的粉尘，反电晕情况严重时，需要获得高速率大幅度的间隙式供电。将高频电源的输出紋波小和充电速率高的两个特点结合起来，用计算机程序控制，使其根据电除尘器现场工况的要求，实现各种脉冲宽度、幅度和脉冲周期的间隙式供电，便可以得到直流高频脉冲电源(简称高频脉冲电源)。

图1 高频脉冲电源输出电压电流波形

图1是电除尘器高频脉冲电源的电压电流波形示意图，Vo是输出电压，Io是充电电流。从图中可以看出：Vo是由一个基础直流电压和一个脉冲电压叠加而成，基础电压幅值可以改变，脉冲电压的脉宽和幅度也可以改变;Io是由一系列高频脉冲组成，脉冲宽度是高频电源的半个周期，电流脉冲幅度由高频电源的线路结构和工作频率等决定;电压电流脉冲的通断比和充电周期由程序设定，现场调试时可以根据工况修改;时间轴是µs级。

如果是宽脉冲供电，电压脉宽在100µs以上，用一台20kHz高频电源便可实现。如果是窄脉冲供电，脉冲宽度在20µs以下，一般的20kHz高频电源就无能为力了。如果把开关工作频率做到200kHz以上，则问题就可迎刃而解。

为了获得图1中的电压波形，可以用1台高频电源实现，也可由2台、3台高频电源叠加得到。高频电源的电路拓扑可以是LC，LCC和LLC等谐振电路。

直流高频脉冲电源平均电压低，可以避免高比电阻粉尘的反电晕，可以得到大到2000 mA的充电电流和幅度为80kV以上的脉冲电压，能控制脉冲宽度绕过火花形成点，可以实现节能减排双丰收。可以预言，再过10年，高频脉冲电源在电除尘器中将占据主导地位。

4.2 电源控制技术规范化

电除尘器电源控制技术主要包括两个大的范畴：一是高压电源本身各种运行参数的实时检测和控制;二是节能减排等综合参数的检测、设定和控制。前者实时性强，µs级和ms级，因今后着重发展高频电源，主要是µs级;后者时间相对较慢，可以s计算。前者通常用下位机实现，安装在电源控制柜内，离电除尘器近;后者通常用上位机实现，安放在值班室，可以离电除尘器较远。

电源控制技术，主要包括控制硬件和控制软件。不同的电源就有不同的控制硬件和控制软件。同是高频电源，也有不同的电路拓扑和不同的控制硬件和软件。即使是同一种电路拓扑，不同的设计师也会有不同的控制硬件和控制软件。同一种电路拓扑，可以有不同的运行模式，一般有连续供电模式和间隙供电模式两种，中低比电阻粉尘一般采用连续供电模式，高比电阻粉尘，特别是有反电晕的场合应转换为间歇脉冲供电模式。

电除尘器，首先是除尘，其次才是节能，如果除尘效果特好，则可降低输出电压电流，或者可由除尘模式转入节电模式，即由连续供电转入间歇供电模式。

振打、卸灰、加热等功能控制和同一台除尘器各个电场电压电流功率的分配，以及粉尘浓度，粉尘比电阻，电场的反电晕等的检测和系统控制可由上位机完成。

控制技术包括的内容很广泛很丰富，极大地影响着电除尘器电源运行的可靠性和节能减排的效果。因此，必须模块化、规范化， 直至商品化。

4.3 2020年我国电除尘器电源技术将走在世界前列

2020年我国要成为创新型国家，若干领域创新成果将进入世界前列。我们已经是世界电除尘器大国，同时也是电除尘器电源大国。我们要制定一个规划，争取在2020年成为世界电除尘器电源强国。其主要标志有两个：一是高频电源，特别是高频脉冲电源，在电除尘器电源中占主导地位;二是我们有很多世界级的创新成果，世界顶尖水平的电除尘器电源不仅是由我们中国人制造，而且是由我们中国人设计的。

为了实现这一目标，我们要统一思想，大力宣传和发展高频电源，特别是高频脉冲电源，大力研究崭新的电源控制技术，完成国家在电除尘领域的节能减排任务。一方面，我们要有崭新的设计思想和崭新的设计方案;另一方面，我们的设计师要亲自到电除尘器现场调试和实验，根据现场工况修改自己的设计参数，修改在办公室编制的软件，总结现场的运行经验和节能减排的诀窍。我们要搞大联合、大协作，要把我国电除尘器电源科技工作者的智慧集中起来，互相交流、取长补短，要把电除尘器电源的科技资源和市场资源开放共享，以让全国的各个电除尘器领域，不管是新建的、还是改造的，是规模大的、还是中小型的，是电力行业的、还是其他行业的，都能享用最新最好的电源成果，实现最佳的节能减排效果。

5 几点建议

⑴ 各电除尘器电源企业要成立一个研发部或研发中心。

⑵ 我国要制定一个电除尘器电源发展规划。

⑶ 我国要制定一个电除尘器高频电源行业标准。

⑷ 在我国电除尘委员会下设置一个电源秘书组，负责联络各电除尘器电源企业，完成上述任务和其他工作。

参考文献

[1] 黎在时，电除尘器的选型安装与运行管理 中国电力出版社 2005

[2] 张谷勋等 高压静电除尘设备电源的新模式 中国改革开放30年优秀成果总揽 中共中央党校出版社。

作者简介

张谷勋：武汉国测数字电源有限公司 总工程师，主要从事电除尘器高频电源的研发设计工作。

熊茂：武汉国测数字电源有限公司 副总经理 硕士，主要从事电除尘器高频电源的研发设计工作。