脉冲电源技术及其在电除尘器中的应用与发展前景
【摘要】本文简述脉冲电源除尘技术的工作原理和特点，重点介绍了脉冲电源除尘技术的组成和应用。

【关键词】脉冲电源;反电晕;多伊奇公式
1.引言
目前我国传统的电除尘器，大部分除尘效率达不到国家的排放标准，无法除去高比电阻粉尘、无法有效抑制反电晕现象，同时能耗较高，未能充分利用电能。

针对这些问题，国内外采用了一些改进措施。

比如增大除尘面积，这种方法对一般比电阻粉尘有较好效果，但对高比电阻粉尘没有作用，改造后仍达不到排放标准;将电除尘器改为电袋除尘器，虽然能够达标，但由于维护量大，电化学腐蚀严重，运行费用高昂，且二次处理和污染比较麻烦，不适宜大面积推广;控制电源更换为高频电源，虽有效解决了高能耗问题，但对高比电阻粉尘作用不大，仍达不到排放标准。

面对国内电除尘器存在的问题，脉冲电源应运而生，它独特的电路原理、高效的输出波形，充分解决了大部分难题。

图1 比电阻与增强系数关系
图2 原理图
图3 脉冲电源ESP上的电压波形
2.脉冲电源除尘的原理
静电除尘器的工作原理是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电后，在电场作用下与气流分离。

大量的带有负电荷的粉尘粒子在电场作用下向收尘极移动，在收尘极板上捕集后通过振打清灰脱落。

在实际应用中，由于粉尘比电阻的差异，会导致不同的收尘效果。

粉尘比电阻在104～1011Ω·cm（正常比电阻）范围时，采用传统工频、高频电源的电除尘器收尘过程无反电晕现象，脉冲电源除尘的效果与工频、高频电源相当。

粉尘比电阻大于1011Ω·cm（高比电阻）时，采用传统工频、高频电源的电除尘器收尘，由于高电阻粉尘在电场中的高粘附力，使振打无法有效地将粉尘从收尘极板上除下，最终引成反电晕现象，降低了除尘器的除尘效率。

脉冲电源独特的基础电压叠加脉冲电压的双电模式，相比于传统的工频、高频电源，能使粉尘的驱进速度明显提高，如图1所示，这使得同收尘面积的静电除尘器在使用不同电源控制系统时产生完全不同的除尘效果。

增强系数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驱进速度。

从上图中看出，粉尘比电阻越高，应用脉冲电源后的效果越好，当粉尘比电阻为1013Ω·cm时，增强系数达到2.2倍，即脉冲电源对粉尘驱进速度的提高效果是常规电源的2.2倍，这就使得脉冲电源在高比电阻粉尘的除尘效率上完全优于常规电源。

同时，脉冲电源的脉冲电流大，电压脉宽窄（≤120us），电除尘器电压上升率高，达2KV/ us，荷电和电晕效果好，火花电压高，比常规电源提高几十KV，而基础电源电压总低于火花电压，能有效抑制反电晕和二次扬尘，有利于收尘。

依据多年电除尘研究经验和相关工业应用，电除尘器电场越往后，粉尘比电阻越高。

在除尘器后两级电场粉尘的平均比电阻一般都能达到 1.0×1011～1.0×1013（Ω·cm）数量级。

利用多伊奇公式η=1-e-w·A/Q及其他相关知识，可以计算出脉冲电源对不同比电阻粉尘的理论除尘效率，如表1所示。

从表中可见，比电阻越高，脉冲电源的除尘效率越好，比电阻为1.0×1012～1.0×1013（Ω·cm）时，理论效率可达99.9934%。

3.脉冲电源的组成及结构
脉冲电源是适用于电除尘器的电源，目前在世界各地的电厂、钢铁厂及水泥厂的环保除尘机械设备中得到了广泛应用，除尘效果显著。

它主要由控制柜和高压输出变压器两部分组成，分别放置于控制室和电除尘器顶部。

脉冲电源系统一般由基础电压产生部分、脉冲电压产生部分、控制部分及通讯部分组成。

其原理图如图2所示。

1）基础电压Vdc产生部分
三相交流电源输入至三相升压变压器，经三相整流桥和滤波电路后，产生一个高压直流电压，再经扼流电感L2和耦合电感L4送至电除尘器中，供应电除尘器ESP所需的基础电压。

2）脉冲电压产生部分
三相交流AC380V输入至三相升压变压器，经整流桥、滤波电路后，得到一个高压直流电压，经扼流电感L1给储能电容Cs充电。

当高压IGBT（SW1）导通时，储能电容Cs、扼流电感L3、耦合电感L4、电除尘器ESP等效电容形成谐振回路，储能电容Cs内的电量在该回路内谐振，在电除尘器ESP两端形成一个脉冲电压。

该脉冲电压与基础电压叠加，产生最
终所需的加至电除尘器ESP上的电压波形，如图3所示。

谐振后半部分，电量回充给储能电容Cs，节约电能。

当高压IGBT关断时，谐振回路断开，电源继续给储能电容充电至原电压，等待下次脉冲的产生，如此循环。

3）控制部分
通过一个核心控制器（嵌入式系统），控制基础电压、脉冲电压的产生，并接收脉冲电源的反馈信号、监控关键位置的运行状况，调整脉冲电源的运行状态，使脉冲电源适应各种复杂工况的要求，产生最大的收尘效率及节能目标。

同时采用快速、智能的火花响应、处理机制，保证火花状态下设备的安全、稳定运行。

4）通讯部分
通过以太网控制器，在通讯协议，比如Modbus的基础上搭建整个通讯系统，在上位机界面上监控各个脉冲电源的运行情况，并统一控制、调配，便于运行和管理，提高工作效率。

4.脉冲电源除尘的特点和优势
对于常规除尘器控制电源，脉冲电源具有如下主要优势：
1）脉冲电源具有常规电源各种特性;
2）在基准电压的基础上叠加脉冲电压，有效抑制高比电阻粉尘的反电晕现象，同时使电场获得尽可能大的电晕场强，使高比电阻粉尘充分实现电离、吸附、放电等过程;
3）在获得较高场强的状态下，使得电耗最大可能的节省。

对于电除尘器本体一类的改造，脉冲电源具有如下主要优势：
（1）改造简便，可在不停炉、短期停电的状态下完成改造;
（2）改造周期短，见效快;
（3）故障时影响小，无需停炉整改;
（4）改造成本低;
（5）对于原本体小的除尘器有适当提效功能。

综合考虑，脉冲电源较其他除尘器技术具有全面的、可靠的优势，采用脉冲
电源对电除尘器进行改造是目前适应国家新环保标准的最佳改选方案。

5.脉冲电源工程应用及发展前景
脉冲电源自上世纪九十年代问世以来，已经在世界各地得到广泛应用，产品应用数量截至2013年已超200多台。

近两年，由于环保问题的日益严峻，世界各国对大气污染治理问题的越加重视，传统电源技术已无法满足除尘需求，性能优越的脉冲电源得到了极大的发展，迅速在世界各地得到应用。

脉冲电源应用后也取得了显著的除尘效果。

表3罗列了一部分脉冲电源的应用项目及取得的效果。

典型项目之一：波兰Dabrowa项目
项目情况：
（1）项目目标：出口粉尘浓度≤50 mg/Nm3
（2）入口最大粉尘浓度3500 mg/Nm3
（3）设计最大除尘效率η=1-（50/3500）=98.57%
改造前后对照表如表4所示。

改造后的电耗如表5所示。

参考文献
[1]环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.火电厂大气污染物排放标准（二次征求意见稿），2011.
[2]电除尘器.JB/T 5910.
[3]燃煤电厂除尘技术路线指导意见[Z].中国电力联合协会文件，2013（12）.。