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淺析電除塵高壓電源發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和趨勢

作者:吳博士  
評論: 更新日期:2020年03月25日

電除塵高壓電源是將380V電網(wǎng)交流低壓電壓轉(zhuǎn)換為直流高壓的電能轉(zhuǎn)換裝置,也是電除塵本體狀態(tài)、煙氣特性的檢測儀器,發(fā)展歷程可分為單相LC恒流電源、可控硅工頻電源、高頻電源、脈沖電源。在當(dāng)今工業(yè)廠礦環(huán)境中,環(huán)保和節(jié)能顯得越來越重要,而電除塵系統(tǒng)以及其核心的供電裝置,工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越大和不可忽視作用。

電除塵高壓電源是工業(yè)除塵系統(tǒng)中的核心功率變換裝置,目前電除塵系統(tǒng)已包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域,總的發(fā)展趨勢是運(yùn)維的智能化、控制的自動(dòng)化、功率變換器的高頻化、系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)效比的合理化。

隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展,電除塵高壓電源的性格比越來越高,體積越來越小,價(jià)格越來越低,而且廠家仍在不斷地提高電源可靠性、轉(zhuǎn)換效率、本體適應(yīng)性等方面做著新的努力,本文以作者多年來的從業(yè)者經(jīng)歷,結(jié)合前輩和同行信息,著重對電除塵高壓電源的電除塵高壓電源發(fā)展歷程進(jìn)行回顧,對發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析,對發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

一發(fā)展歷程

電除塵高壓電源雖然伴隨著電除塵系統(tǒng)的出現(xiàn)而出現(xiàn),但是隨著電力電子可控器件的發(fā)展才開始發(fā)展,針對電除塵的特殊應(yīng)用工況,電除塵高壓電源的基本要求:

1、 高壓直流電;

2、 運(yùn)行負(fù)載放電和短路運(yùn)行不損壞;

(1)LC恒流源

19世紀(jì)80年代及以前,電除塵系統(tǒng)中應(yīng)用的均為LC恒流電源,應(yīng)用場景主要是干式電除塵器和電捕焦油器。

LC恒流源的原理就是在主回路中串并聯(lián)電感電容的組合,使得負(fù)載的輸出電流不隨負(fù)載電阻變化,實(shí)現(xiàn)恒流輸出,改變電容電感串并聯(lián)組的不同,實(shí)現(xiàn)對輸出電流大小的檔位調(diào)節(jié)。

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(2)可控硅高壓工頻電源

19世紀(jì)90年代、隨著晶閘管成本的下降和控制方式的成熟,市場上出現(xiàn)了可控硅工頻電源,通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)變壓器低壓側(cè)的輸入電壓有效值,進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出的直流高壓電的電壓值,這樣就可以對輸出電流進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié),但這樣就喪失了電源的恒流特性,負(fù)載放電和短路時(shí)的電流沖擊很大,對電網(wǎng)和除塵本體都是一種損傷,采取的改進(jìn)策略就是在低壓回路中串聯(lián)大電抗器,在本體放電時(shí),依靠電感電流不能突變的原理,給關(guān)閉晶閘管的導(dǎo)通脈沖提供時(shí)間,使用中經(jīng)??梢钥吹奖倔w放電時(shí),低壓電纜線會(huì)跳起來的原因。單相可控硅工頻電源與三相可控硅工頻電源原理一致,主要解決大功率單相運(yùn)行三相不平衡問題。

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(3)電除塵高頻電源

隨著電力電子器件IGBT的發(fā)展和控制技術(shù)的成熟,2003年法國阿爾斯通公司提出了電除塵高頻電源方案,在國外干式電除塵系統(tǒng)中成功運(yùn)用,取得良好的效果,并在改造項(xiàng)目中替換工頻電源,對除塵效率的提高有不少幫助。

高頻電源在國內(nèi)電廠系統(tǒng)中的成功運(yùn)用,讓國內(nèi)廠商看到電除塵電源的發(fā)展趨勢,紛紛引進(jìn)人才和技術(shù),開發(fā)相應(yīng)產(chǎn)品。

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(4)電除塵脈沖電源

在干式電除塵應(yīng)用中,針對煙氣的高比電阻情況,顆粒物的直徑又非常小,實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),極小顆粒很難荷電,也就不能實(shí)現(xiàn)除塵凈化的效果,為了解決這種特殊情況,就提出了脈沖荷電的理論,丹麥?zhǔn)访芩孤氏乳_發(fā)出脈沖電源,國內(nèi)往往稱為復(fù)合脈沖電源,應(yīng)用于干式電除塵的末級電場,進(jìn)行最終的精細(xì)化微小顆粒除塵。改電源實(shí)際上由兩套電源復(fù)合而成,基礎(chǔ)電源提供基礎(chǔ)電壓,脈沖電源提供脈沖電源,經(jīng)過耦合裝置,形成最終需要的效果。

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二現(xiàn)狀及發(fā)展方向

電除塵高壓電源,屬于非傳統(tǒng)電氣產(chǎn)品,為電除塵工程的附屬產(chǎn)品,行業(yè)有一定封閉性,加上市場規(guī)模不大,新入行的企業(yè)不多,電源公司往往是和除塵本體工程公司配套,有一定的依附關(guān)系,形成地域分片格局,目前主要分布于浙江金華、福建龍巖、湖北襄陽。下面對高壓電源的現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行介紹:

LC恒流電源,已有幾十年應(yīng)用歷史,為成熟產(chǎn)品,除非生產(chǎn)廠家偷工減料,再單純從故障率上來講,沒有什么問題,這也是一些出口非發(fā)達(dá)國家項(xiàng)目或生產(chǎn)安全要求嚴(yán)格單位等,而對最終排放指標(biāo)要求不是很嚴(yán)格的項(xiàng)目,傾向于選用LC恒流電源的原因,盡量避免維護(hù)。

高壓工頻電源,包括單相或者三相電源,僅僅是解決了LC恒流電源不能精細(xì)調(diào)節(jié)輸出電流的問題,實(shí)現(xiàn)無檔位調(diào)節(jié),但為此失去了恒流特性,本質(zhì)上是不適合電除塵應(yīng)用工況的,所接觸到的幾個(gè)生產(chǎn)廠家均不再對此種電源進(jìn)行升級改進(jìn),沒有發(fā)展的潛力。

高頻電源是目前項(xiàng)目應(yīng)用最多的類型,產(chǎn)品質(zhì)量和性能均在不斷完善,價(jià)格從最初的幾十萬到現(xiàn)在的六七萬,小功率三萬多,散熱方式從最初的水冷改進(jìn)為現(xiàn)在的風(fēng)冷散熱,應(yīng)該說是目前市場上性價(jià)比最高的高壓電源產(chǎn)品。由于主回路中串聯(lián)了電容,電源為恒流源,即使本體直接對地短路,輸出電流也只有額定電流的2倍以下,放電能量小,沒有短路沖擊;除塵本體由于具有阻容并聯(lián)特性,輸出電流的頻率越高,本體上的電壓越平滑,本體接受電流的能力越強(qiáng),除塵效果越好。

由于高頻電源為應(yīng)用的主流方向,對該型電源進(jìn)行著重介紹。

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方案來源為法國阿爾斯通公司,通過改變逆變頻率來改變輸出電流的大小,為變頻電源,在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),小電流輸出時(shí)高頻變壓器為低頻運(yùn)行,有較大概率出現(xiàn)電流振蕩變壓器磁芯飽和問題,負(fù)載的等效特性影響到了LC諧振參數(shù),低頻時(shí)某些頻率段表現(xiàn)明顯。表現(xiàn)就是高頻變壓器“吱吱”異響,損耗增加,IGBT電流增大觸發(fā)“一次電流過大保護(hù)”,嚴(yán)重時(shí)IGBT損壞??赡軙?huì)有人疑問,阿爾斯通的高頻電源為什么沒有這個(gè)問題,原因是上面也提到,LC諧振中高頻變壓器低頻運(yùn)行時(shí)振蕩問題出現(xiàn),阿爾斯通走的是超高頻化、選型合理化、間歇供電算法等路線,即變壓器最高頻率為40kHz,加上電源額定規(guī)格選型合理,極少會(huì)使電源運(yùn)行在低頻狀態(tài),壞處就是需要增加物料成本和功率損耗。

針對該問題,國內(nèi)電源廠家對電路方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),即“恒高頻方案”,調(diào)節(jié)輸出電流的方式是通過調(diào)節(jié)低壓側(cè)的直流電壓實(shí)現(xiàn)的,分為降壓恒高頻和升壓恒高頻,并在項(xiàng)目中批量使用,實(shí)際效果不錯(cuò)。

降壓恒高頻方案,把低壓側(cè)二極管整流橋,換為可控硅整流方案,通過控制可通過的導(dǎo)通角來對電網(wǎng)電壓進(jìn)行斬波降壓,一次電壓調(diào)節(jié)范圍為:0~530Vdc,逆變頻率不變,沒有低頻階段,也就不存在高頻變壓器低頻振蕩飽和問題,但是電網(wǎng)功率因數(shù)低,電流諧波畸變率大,造成電網(wǎng)的損耗增加。

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另外一種改版設(shè)計(jì),把低壓側(cè)二極管整流橋換為IGBT整流方案,通過調(diào)節(jié)IGBT進(jìn)行PWM整流升壓,一次電壓調(diào)節(jié)范圍為600~1200V,一次電壓和逆變頻率均可調(diào)節(jié),8kHz以上起步,避免低頻運(yùn)行。相較于降壓恒頻模式,有兩個(gè)優(yōu)勢:采用IGBT整流技術(shù),功率因數(shù)可達(dá)0.99,電網(wǎng)電流諧波畸變率小于5%,對電網(wǎng)無污染;大功率高頻電源研制難點(diǎn)主要是高頻整流變壓器體積小,高頻效應(yīng)顯現(xiàn),散熱不好處理,2000mA以上規(guī)格往往水冷這種笨辦法,采樣提高一次電壓的方案,降低一次高頻電流,進(jìn)而降低了變壓器的損耗和故障率,常規(guī)風(fēng)冷即可滿足要求。

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復(fù)合脈沖電源,上面也說了主要針對高比電阻,微小顆粒物的荷電,主要應(yīng)用于干式電除塵的末級電場供電(煙溫非常高的濕電應(yīng)該也有一定效果,但沒做過類似項(xiàng)目,不確定)等特殊工況,由于其為兩套系統(tǒng),價(jià)格和故障率均較高,并且實(shí)際對比效果不明顯,針對目前倡導(dǎo)的節(jié)能降耗,即環(huán)保治理能耗比,脈沖電源的節(jié)能效果同樣并不比其他電源的間歇供電模式效果明顯,因此市場接受度不高。由于本體負(fù)載具有電容特性,想要形成電壓脈沖,電源需要產(chǎn)生上百安培甚至幾百安培的脈沖電流加到本體上,市面上的復(fù)合脈沖電源能達(dá)到的這個(gè)電流輸出能力的很少,有一定弄虛作假。

三電除塵高壓電源的展望

產(chǎn)品質(zhì)量完善化

電除塵電源,由于電氣部分長期處于戶外無遮擋環(huán)境,幾乎不會(huì)進(jìn)行檢修維護(hù),本身高壓電源設(shè)備的可靠性,加上這種惡劣使用環(huán)境,故障率相對其他產(chǎn)品來說相對較高,因此還需要完善。

運(yùn)行智能化

有的小型廠礦企業(yè)甚至沒有電氣值班人員,因此對需要電源對工況變化的適應(yīng)性,運(yùn)行的自動(dòng)化,報(bào)警保護(hù)的完備化。

價(jià)格合理化

電除塵高壓電源的價(jià)格隨著競爭的激烈,已經(jīng)下來了,同時(shí)由于該電源的特殊應(yīng)用,而市場規(guī)模不會(huì)很大,屬于電源系統(tǒng)里面的一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域,加上電源售后服務(wù),長期協(xié)助業(yè)主運(yùn)維,價(jià)格下降的空間不大了。

服務(wù)完善化

電源作為系統(tǒng)的供電設(shè)備,更應(yīng)該是一個(gè)診斷設(shè)備,因此需要用戶會(huì)用善用電源,因此電源企業(yè)對值班人員進(jìn)行培訓(xùn)操作,復(fù)雜問題的及時(shí)上門解決,針對故障率高的濕式電除塵項(xiàng)目,例如極線斷了,往往電源企業(yè)的客服需要先和業(yè)主溝通,判斷本體絕緣問題,在讓業(yè)主聯(lián)系濕電工程方解決問題。

運(yùn)行節(jié)電化

環(huán)保系統(tǒng)為強(qiáng)制系統(tǒng),并不產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,因此業(yè)主對系統(tǒng)的運(yùn)維費(fèi)用比價(jià)在意,行業(yè)能也在推能效比的概念,電源作為系統(tǒng)的主要用電設(shè)備,承擔(dān)相當(dāng)一部分節(jié)能降耗的任務(wù)。提高電源的轉(zhuǎn)換效率、功率因數(shù)等,根據(jù)排放值自動(dòng)閉環(huán)改變輸出電流大小,間歇供電運(yùn)行等。

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