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浅析电除尘高压电源发展历程、现状和趋势

  北极星大气网讯是将380V电网交流低压电压转换为直流高压的电能转换装置,也是电除尘本体状态、烟气特性的检测仪器,发展历程可分为单相LC恒流电源、可控硅工频电源、高频电源、脉冲电源。在当今工业厂矿环境中,环保和节能显得越来越重要,而电除尘系统以及其核心的供电装置,工业生产中发挥着越来越大和不可忽视作用。

  电除尘高压电源是工业除尘系统中的核心功率变换装置,目前电除尘系统已包含多种学科的技术领域,总的发展趋势是运维的智能化、控制的自动化、功率变换器的高频化、系统运行费效比的合理化。

  随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展,电除尘高压电源的性格比越来越高,体积越来越小,价格越来越低,而且厂家仍在不断地提高电源可靠性、转换效率、本体适应性等方面做着新的努力,本文以作者多年来的从业者经历,结合前辈和同行信息,着重对电除尘高压电源的电除尘高压电源发展历程进行回顾,对发展现状进行分析,对发展趋势进行展望。

  电除尘高压电源虽然伴随着电除尘系统的出现而出现,但是随着电力电子可控器件的发展才开始发展,针对电除尘的特殊应用工况,电除尘高压电源的基本要求:

  19世纪80年代及以前,电除尘系统中应用的均为LC恒流电源,应用场景主要是干式电除尘器和电捕焦油器。

  LC恒流源的原理就是在主回路中串并联电感电容的组合,使得负载的输出电流不随负载电阻变化,实现恒流输出,改变电容电感串并联组的不同,实现对输出电流大小的档位调节。

  19世纪90年代、随着晶闸管成本的下降和控制方式的成熟,市场上出现了可控硅工频电源,通过改变晶闸管的导通角来调节变压器低压侧的输入电压有效值,进而调节输出的直流高压电的电压值,这样就可以对输出电流进行精细调节,但这样就丧失了电源的恒流特性,负载放电和短路时的电流冲击很大,对电网和除尘本体都是一种损伤,采取的改进策略就是在低压回路中串联大电抗器,在本体放电时,依靠电感电流不能突变的原理,给关闭晶闸管的导通脉冲提供时间,使用中经常可以看到本体放电时,低压电缆线会跳起来的原因。单相可控硅工频电源与三相可控硅工频电源原理一致,主要解决大功率单相运行三相不平衡问题。

  随着电力电子器件IGBT的发展和控制技术的成熟,2003年法国阿尔斯通公司提出了电除尘高频电源方案,在国外干式电除尘系统中成功运用,取得良好的效果,并在改造项目中替换工频电源,对除尘效率的提高有不少帮助。

  高频电源在国内电厂系统中的成功运用,让国内厂商看到电除尘电源的发展趋势,纷纷引进人才和技术,开发相应产品。

  在干式电除尘应用中,针对烟气的高比电阻情况,颗粒物的直径又非常小,实践中发现,极小颗粒很难荷电,也就不能实现除尘净化的效果,为了解决这种特殊情况,就提出了脉冲荷电的理论,丹麦史密斯率先开发出脉冲电源,国内往往称为复合脉冲电源,应用于干式电除尘的末级电场,进行最终的精细化微小颗粒除尘。改电源实际上由两套电源复合而成,基础电源提供基础电压,脉冲电源提供脉冲电源,经过耦合装置,形成最终需要的效果。

  电除尘高压电源,属于非传统电气产品,为电除尘工程的附属产品,行业有一定封闭性,加上市场规模不大,新入行的企业不多,电源公司往往是和除尘本体工程公司配套,有一定的依附关系,形成地域分片格局,目前主要分布于浙江金华、福建龙岩、湖北襄阳。下面对高压电源的现状和特点进行介绍:

  LC恒流电源,已有几十年应用历史,为成熟产品,除非生产厂家偷工减料,再单纯从故障率上来讲,没有什么问题,这也是一些出口非发达国家项目或生产安全要求严格单位等,而对最终排放指标要求不是很严格的项目,倾向于选用LC恒流电源的原因,尽量避免维护。

  高压工频电源,包括单相或者三相电源,仅仅是解决了LC恒流电源不能精细调节输出电流的问题,实现无档位调节,但为此失去了恒流特性,本质上是不适合电除尘应用工况的,所接触到的几个生产厂家均不再对此种电源进行升级改进,没有发展的潜力。

  高频电源是目前项目应用最多的类型,产品质量和性能均在不断完善,价格从最初的几十万到现在的六七万,小功率三万多,散热方式从最初的水冷改进为现在的风冷散热,应该说是目前市场上性价比最高的高压电源产品。由于主回路中串联了电容,电源为恒流源,即使本体直接对地短路,输出电流也只有额定电流的2倍以下,放电能量小,没有短路冲击;除尘本体由于具有阻容并联特性,输出电流的频率越高,本体上的电压越平滑,本体接受电流的能力越强,除尘效果越好。

  方案来源为法国阿尔斯通公司,通过改变逆变频率来改变输出电流的大小,为变频电源,在实际应用中发现,小电流输出时高频变压器为低频运行,有较大概率出现电流振荡变压器磁芯饱和问题,负载的等效特性影响到了LC谐振参数,低频时某些频率段表现明显。表现就是高频变压器“吱吱”异响,损耗增加,IGBT电流增大触发“一次电流过大保护”,严重时IGBT损坏。可能会有人疑问,阿尔斯通的高频电源为什么没有这个问题,原因是上面也提到,LC谐振中高频变压器低频运行时振荡问题出现,阿尔斯通走的是超高频化、选型合理化、间歇供电算法等路线kHz,加上电源额定规格选型合理,极少会使电源运行在低频状态,坏处就是需要增加物料成本和功率损耗。

  针对该问题,国内电源厂家对电路方案进行了优化改进,即“恒高频方案”,调节输出电流的方式是通过调节低压侧的直流电压实现的,分为降压恒高频和升压恒高频,并在项目中批量使用,实际效果不错。

  降压恒高频方案,把低压侧二极管整流桥,换为可控硅整流方案,通过控制可通过的导通角来对电网电压进行斩波降压,一次电压调节范围为:0~530Vdc,逆变频率不变,没有低频阶段,也就不存在高频变压器低频振荡饱和问题,但是电网功率因数低,电流谐波畸变率大,造成电网的损耗增加。

  另外一种改版设计,把低压侧二极管整流桥换为IGBT整流方案,通过调节IGBT进行PWM整流升压,一次电压调节范围为600~1200V,一次电压和逆变频率均可调节,8kHz以上起步,避免低频运行。相较于降压恒频模式,有两个优势:采用IGBT整流技术,功率因数可达0.99,电网电流谐波畸变率小于5%,对电网无污染;大功率高频电源研制难点主要是高频整流变压器体积小,高频效应显现,散热不好处理,2000mA以上规格往往水冷这种笨办法,采样提高一次电压的方案,降低一次高频电流,进而降低了变压器的损耗和故障率,常规风冷即可满足要求。

  复合脉冲电源,上面也说了主要针对高比电阻,微小颗粒物的荷电,主要应用于干式电除尘的末级电场供电(烟温非常高的湿电应该也有一定效果,但没做过类似项目,不确定)等特殊工况,由于其为两套系统,价格和故障率均较高,并且实际对比效果不明显,针对目前倡导的节能降耗,即环保治理能耗比,脉冲电源的节能效果同样并不比其他电源的间歇供电模式效果明显,因此市场接受度不高。由于本体负载具有电容特性,想要形成电压脉冲,电源需要产生上百安培甚至几百安培的脉冲电流加到本体上,市面上的复合脉冲电源能达到的这个电流输出能力的很少,有一定弄虚作假。

  电除尘电源,由于电气部分长期处于户外无遮挡环境,几乎不会进行检修维护,本身高压电源设备的可靠性,加上这种恶劣使用环境,故障率相对其他产品来说相对较高,因此还需要完善。

  有的小型厂矿企业甚至没有电气值班人员,因此对需要电源对工况变化的适应性,运行的自动化,报警保护的完备化。

  电除尘高压电源的价格随着竞争的激烈,已经下来了,同时由于该电源的特殊应用,而市场规模不会很大,属于电源系统里面的一个细分领域,加上电源售后服务,长期协助业主运维,价格下降的空间不大了。

  电源作为系统的供电设备,更应该是一个诊断设备,因此需要用户会用善用电源,因此电源企业对值班人员进行培训操作,复杂问题的及时上门解决,针对故障率高的湿式电除尘项目,例如极线断了,往往电源企业的客服需要先和业主沟通,判断本体绝缘问题,在让业主联系湿电工程方解决问题。

  环保系统为强制系统,并不产生经济效益,因此业主对系统的运维费用比价在意,行业能也在推能效比的概念,电源作为系统的主要用电设备,承担相当一部分节能降耗的任务。提高电源的转换效率、功率因数等,根据排放值自动闭环改变输出电流大小,间歇供电运行等。

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