新型高效节能电除尘器供电电源研究.doc

新一代电除尘供电电源技术
——高效节能电除尘器高频电源应用及其发展方向
曹为民 王强 陈祥 张鹏宙 汤光华
(南京国电环保设备有限公司，江苏省 南京市 210044)
New Generation Power Supply Technology of Electrostatic Precipitation
——Application and Development Direction of Efficient Energy Saving High Frequency Power Supply Used for Electrostatic Precipitator
Cao Weimin, Wang Qiang, Chen Xiang, Zhang Pengzhou, Tang Guanghua
(Nanjing GUODIAN Environmental Protection Equipment CO., LTD., Nanjing 210044, Jiangsu Province, China )

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ABSTRACT：The applications of high frequency power supply in 300MW,600MW and 1000MW thermal generating units are provided separately. The related datum of energy saving and emission reduction is compared and analyzed detailed in this article. Development trend of power supply for electrostatic precipitator is discussed according to the characteristics of high frequency power supply.
KEYWORDS：electrostatic precipitation; power supply; energy saving and emission reduction; high frequency power supply; trend of development
摘要：本文分别给出了高频电源在300MW、600MW和1000MW火力发电机组上的工程应用，对节能减排相关数据进行了详细的对比分析。文中根据高频电源的特点讨论了静电除尘器供电电源的发展趋势。
关键词：电除尘；供电电源；节能减排；高频电源；发展方向

1 引言
火电厂、水泥和冶金等行业的烟尘排放造成了严重的大气污染，其中火电厂的烟尘排放是大气污染的重要来源之一。电除尘技术以其除尘效率高、维护费用低等优点成为广泛应用在火力发电行业烟气净化中的一项环保技术。据不完全统计，电除尘器在火力发电除尘装置中的市场占有率在95%以上。电除尘器供电电源是火电厂除尘的关键设备，也是电厂的重要能耗设备，它的供电方式直接决定了电除尘器的除尘效果。
在国家烟尘排放标准日趋严格和节能减排等一系列政策的影响下，继续采用传统的工频供电方式将无法满足新形式下对电除尘器除尘效率和能耗指标的要求。另外，统计资料表明，中国动力煤70%属于含硫量小于1%的低硫煤，在低硫煤中，又有40%属于含硫量小于0.5%的特低硫煤。这意味着，中国电除尘器面临高比电阻粉尘的收集问题。这些无疑对电除尘供电电源技术提出了新的挑战。
2 电除尘器电源国内外发展现状
目前除尘器行业，静电除尘器占绝大多数，少量为布袋除尘器。布袋除尘器在处理湿度大、温度高、具有腐蚀性的气体时，其核心部件滤袋寿命短，价格贵，日常维护费用高，未得到广泛使用。电除尘电源是电除尘装置的核心部分,其性能直接影响除尘的效率。目前普遍采用的是可控硅移相控制电源（工频），转换效率低于70%，在实际使用中存在输出纹波大、电场电压低、对高比电阻等烟气的除尘效果差。
国外从上世纪90年代开始进行电除尘器高频电源的研发，瑞典ALSTOM和丹麦SMITH公司的产品是国外SIR(高频开关)电源的典型代表。该技术过去一直为国外垄断，产品的价格及后期的维护费高，推广应用有一定的限制，国内只有少量应用。
为了打破国外公司的技术垄断，国内从2000年以来，有几家单位进行了电除尘器高频电源的研发，至目前仅有福建龙净、武汉国测等公司研制出小电流、小功率的电除尘高频电源产品，其输出功率和大型电除尘器使用要求尚有差距。
南京国电环保设备有限公司历经三年，成功研制了大功率电除尘高频电源，多项指标均达到国际先进国内领先水平。由于该技术的先进性，2009年6月，通过了中国电机工程学会对该产品的技术鉴定。2008年，该项技术被国家发改委列为国家重大产业技术开发专项。2009年，该产品获得了江苏省科技厅科技成果转化专项资金1000万元的资助。目前，该产品在国内已首次成功应用于300MW、600MW和1000MW的电除尘器上。为了满足不同装机容量机组电除尘器的需要，已有5种不同规格的高频电源。
3 高频电源基本原理及特点
3.1 高频电源基本原理
静电除尘器高频电源采用现代电力电子技术，通过工频交流—直流—高频交流—高频脉动直流的能量转变形式，供给电场一系列的窄电流脉冲，脉冲宽度在5-20微秒，脉冲频率在20kHz-50kHz。高频电源在纯直流供电方式时，电压波动小，电晕电压高，电晕电流大，从而增加了电晕功率，从根本上解决了烟尘荷电效率低的难题(尤其是高比电阻烟尘)，提高了除尘效率。同时，在烟尘带有足够电荷的前提下，尽量减少无效的电场电离，从而大幅度减少静电除尘器电场供电能量损耗，达到了既提效又节能的目的。

图1 工频电源和高频电源供电原理图
Fig. 1 Schematic of frequency and high frequency power supply

3.2 高频电源特点
目前，工频电源也在进行节电方法的研究，它采用所谓的“脉冲供电”和高频电源的脉冲供电有着本质的区别。工频电源的节能是以牺牲除尘效率为代价的，这已经被大量的试验和工程实践所证明。
和工频电源相比，高频电源除了初期投资费用高具有如下优点：
1、在同等条件下减少烟尘排放最高可达70%；
2、在除尘效率不变的情况下，节能幅度最高可达90%；
3、最优化的控制策略和多种控制模式，能适应各种工况；
4、一体化设计，体积小，可高度集成；
5、安装更方便，辅助设备更少；
6、采用三相平衡电源，对电网影响小，无缺相损耗，无电网污染，堪称绿色电源。
4 高频电源的工程应用
4.1 高频电源在300MW机组上的工程应用
华能南京电厂为适应新的大气污染物排放标准，有效提高除尘效率，电厂在2007年对1#炉除尘器进行了整体改造，2台电除尘器共配套使用20套工频供电电源。
华能南京电厂为节能提效的需要，2008年10月，对2#炉除尘器进行了整体改造，2台电除尘器配套使用20套南京国电环保设备有限公司生产的HF-01型高频供电电源。
2009年2月，江苏省环境监测中心测试了华能南京电厂2台炉的电除尘器，现场监测比对了其除尘效率和运行能耗等。测试结果如表一：

表 一 高频电源和工频电源电除尘效率和能耗对比关系表
Tab.1 comparison of dust collection efficiency and energy consumption between frequency and high frequency power supply
炉号
#1 炉(工频电源)
#2 炉(高频电源)
运行方式
节电模式
节电模式
电除尘
甲侧电除尘
乙侧电除尘
甲侧电除尘
乙侧电除尘

功耗(kW)
165
120.7
27.1
28.1
单台炉电除尘器功率(kW)
285.7
55.2
出口浓度(mg/m3)
62.5
65.2
40.1
35.6
除尘效率(%)
99.76
99.73
99.86
99.88
汽机负荷(MW)
310 ～325
320～330
结论
1、#2机组电除尘出口烟尘浓度比#1机组减少40.6%；
2、#2机组电除尘电场总功耗比#1机组减少80.7%。

华能南京电厂2#炉配套的高频电源和1#炉配套的工频电源相比较，高频电源安装更方便、操作更简单，设备占地面积减少了80%，设备总重量减少了70%，动力电缆的投资减少了50%，同等条件下，高频电源节电达80%，减少烟尘排放超过45%。
4.2 高频电源在600MW机组上的工程应用
国电蚌埠发电厂规划容量2400MW。一期工程建设2台600MW国产超临界机组，第一台机组于2008年下半年投产，第二台机组于2009年上半年投产。一期2×600MW机组锅炉采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的超临界参数变压直流炉。
国电蚌埠发电厂为了节能减排的需要，于2009年11月至2010年1月间先后对#1、#2机组电除尘器分别进行了整体改造，此次改造总计配套使用32套南京国电环保设备有限公司生产的HF-01型高频供电电源，安装改造完成后即正式投入运行，测试结果见表二。

表 二 采用高频电源改造前后电除尘效率和能耗对比关系表
Tab.2 comparison of dust collection efficiency and energy consumption before and after reconstruction to high frequency power supply
炉号
#1 炉
#2 炉
供电电源
工频电源(改造前)
高频电源(改造后)
工频电源(改造前)
高频电源(改造后)
运行方式
连续
脉冲
连续
脉冲
电除尘
A侧电除尘
B侧电除尘
A侧电除尘
B侧电除尘
A侧电除尘
B侧电除尘
A侧电除尘
B侧电除尘
单台炉电除尘器功率(kW)
580
155
932.3
207
出口浓度(mg/m3)
71.1
74.56
48.1
46.6
102.7
112.9
59.5
66.2
除尘效率(%)
99.66
99.68
99.77
99.8
99.65
99.67
99.77
99.76
汽机负荷(MW)
573
571.3
572
574
结论
1、#1机组改造后和改造前相比，电除尘出口烟尘浓度下降了35.0%，功耗下降了69.8%；
2、#2机组改造后和改造前相比，电除尘出口烟尘浓度下降了41.7%，功耗下降了81.2%；

从表二中的测试数据可以看出，采用高频电源改造后，#1、#2炉的烟尘排放量比改造前分别降低了35%和41.7%，节约能耗分别高达69.8%和81.2%，节能减排效果显著。经测算，使用高频电源每年可节电约695万度以上，节电效益每年约271万元(按0.39元/KW.h计)。
4.3 高频电源在1000MW机组上的工程应用
上海外高桥第三发电有限责任公司装机容量2×1000MW，安装7号和8号2台国内最大容量的国产引进型超超临界汽轮发电机组。每台锅炉配置A、B两台国外设计、国内制造的三室四电场电除尘器。
为了积极响应“十一五”节能减排政策号召，并为上海世博会的召开提供更加令人满意的空气质量，该厂积极进行技改项目的实施和加大科技创新力度，于2009年10月6日利用8#炉C级检修期间，采用南京国电环保设备有限公司生产的HF-01型高频电源先对8#炉A侧除尘器的一、二电场进行了前期改造，并于2009年10月30日投入运行。
华东中试所和南京国电环保研究院分别对#8炉电除尘器A侧一、二电场改造前后及B侧C级检修前后的除尘效率和运行功耗等数据进行了比对测试。测试结果表明，双方的测试数据一致性较好，不存在明显的差异，测试结果见表三。

表 三 #8炉电除尘器A侧一、二电场改造前后除尘效率对比关系表
Tab.3 comparison of dust collection efficiency of 1 and 2 electric field of the 8th furnace at A side before and after reconstruction
项 目
A侧改造前
连续供电
节能方式一
节能方式二
B侧C修后
机组负荷（MW）
998.3-1005.3
1001.3-1004.7
996.7-1003.0
974.5-1001.2
999.3-1005.5
入口浓度(g/Nm3)
8.74
8.66
8.92
12.22

8.82
出口浓度(mg/Nm3)
32.70
14.10
17.60
28.67
23.90
除尘效率(%)
99.620
99.836
99.801
99.763
99.728
比A侧改造前减排(%)

56.84
47.63
37.63

比B侧C修后减排(%)

39.71
26.84
12.87

除尘器功耗(kw)
656
766
474
422
593
一、二电场功耗(kw)
294
386
141
95
217
比A侧改造前功耗减少(%)

52.04
67.69

比B侧C修后功耗减少()

35.02
56.22

注：1) A侧改造后进行了三种运行方式下的现场测试，包括连续供电、节能方式一和节能方式二
2) 表中B侧C修表示电除尘器B侧在C级检修后的相关测试数据

表三给出了8#炉电除尘器A侧改造前和A侧一、二电场改造后在三种不同运行模式下的除尘效率和烟尘排放及功耗对比情况。从表三中的数据可以看出，A侧一、二电场改造后，在连续供电(非节能模式)时的除尘效率从改造前的99.620%上升到了99.836%，和A侧改造前相比，此时的烟尘减排率高达56.84%，出口烟尘浓度从改造前的32.70mg/Nm3 降到了改造后的14.10 mg/Nm3；在节能方式一工作下，其除尘效率达到了99.801%，烟尘减排率达到了47.63%，减排效果明显；随着节能的进一步增加，其除尘效率略微有所下降到99.763%，但仍比A侧改造前的烟尘排放减少了37.63%。从表三中的数据还可以获知，A侧改造后在连续供电模式下，其烟尘减排量比B侧C修后高出了39.71%，即使是在节能方式二下，其减排量亦比B侧C修后高出了12.87%。
根据除尘器输入端母排上的电度表计数显示（整台除尘器的功率），A侧改造前其功耗高达656kW，其中：一、二电场的功耗为294kW，功率因素低至0.65，其电源转换效率只有72%；而改造后高频电源采用节能一、节能二模式时，一二电场功耗从原来的294kW分别降为141kW和95kW，功率因素达到0.86以上，电源转换效率也提高到84%以上，节能率分别达到52.04%和67.69%，节能效果显著。从上述的功耗计算表中可以明显的看出，在节能方式一和节能方式二下，A侧改造后和B侧C修后相比，减排效果显著的同时功耗明显下降。
5 电除尘技术发展趋势
目前，市场上除尘器种类繁多，在不同的场合针对不同的需求除尘器有不同的应用。对于电力除尘而言，由于其现场环境恶劣、工况复杂，现有的绝大部分除尘器无法满足其除尘效率要求。电除尘技术作为广泛应用于电力除尘的一项环保技术，在过去很长一段时期为我国电力烟尘减排事业起到了巨大的推动作用，它在该领域贡献巨大。
中国的电除尘技术经历了60年代的起步阶段、70年代的初级发展阶段、80年代的提升阶段、90年代的高速发展阶段。发展总是相对的，在新的形势下，电除尘技术该如何去满足新的要求和接受新的挑战。尤其是目前我国在相当长的一段时期内仍然以煤为主要能源的格局下，过去曾占据绝对主导地位的应用于电力除尘行业的电除尘技术该走向何方，引起了国内外广大专家学者和研究人员的深入思考和研究。在这个背景下，电除尘器进入了再创新阶段，涌现出了诸如泛比电阻电除尘技术、电袋复合式除尘技术、移动电极电除尘技术、薄膜电除尘技术、层流电凝聚技术、磁控电除尘技术、高浓度电除尘技术、等离子体技术、高频开关电源技术等一批电除尘器新技术。上述电除尘器新技术体现在对除尘器本体改进和供电电源的技术创新上。
高频开关电源技术是对电除尘技术的一场革命，是在对电除尘机理深入研究和科学试验，并对电除尘供电电源进行重大技术创新的基础上发展起来的新一代电除尘技术。实践证明，现有的高频电源(由南京国电环保设备有限公司生产的HF-01型高频电源)已经能满足国内不同装机容量火力发电机组电除尘器除尘效率的要求。由于其节能减排效果异常显著、产品长期运行稳定可靠和维护费用低等特点，高频开关电源技术已成为最具代表性和最具发展潜力的电除尘器新技术。为了进一步加大高频电源对电除尘器的节能减排空间，高频电源正在向更大功率、智能控制和具有在线自诊断技术的方向发展
6 展望
随着“十一五”规划逐渐接近尾声，节能减排政策将继续被作为国家重大研究课题列入“十二五”规划。作为治理电力行业烟尘排放关键设备的电除尘器供电电源，它的性能直接决定了电除尘器的节能减排效果。
高频电源技术的应用必将掀起电除尘器供电电源的一场革命，新的挑战正激励着高频电源技术向更成熟、更完善、更现代化的方向发展，高频电源已成为静电除尘供电电源技术发展的新方向。

参 考 文 献
[1] 黄三明, 电除尘器技术的发展和展望, 中国硅酸盐学会环保学术年会论文集, 2008.
[2] 张国权, 电除尘技术研究中的几个新动向．中国环保产业协会电除尘委员会成立1 5周年纪念文集．2000，8.
[3] 刘卫平, 黎在时, 我国电除尘技术发展的简略回顾．电除伞及气体净化，2001，6.
[4]Y.Lin, W.Liu, Devolopment of Chinese Electrostatic Precipitator Technology, 11th International Conference on Electrostatic Precipitation, Hangzhou, 2008
收稿日期：
作者简介：
曹为民 (1962-)，男，江苏南京，本科，总工程师，除尘技术研究及设备研发