1 引言

       影響靜電除塵器（ESP）性能的主要因素為本體結(jié)構(gòu)，高壓直流供電電源和運(yùn)行工況。本體結(jié)構(gòu)主要由電暈極、集塵極及振打單元等組成，包括集塵面積、同極距等參數(shù)。運(yùn)行工況主要包括煙氣、粉塵性質(zhì)等。在ESP本體結(jié)構(gòu)確定，供電電源在適應(yīng)運(yùn)行工況要求的前提下，能否改進(jìn)？以提高靜電除塵器的整體性能指標(biāo)，是值得深入探討的課題。

2 靜電除塵的物理過程

臥式ESP的電暈極（陰極）外形為尖端狀，集塵極（陽極）外形為板狀，通常兩極間距為150-200（mm）。運(yùn)行時(shí)，電暈極接至高壓直流供電電源的負(fù)極，集塵極接至高壓直流供電電源的正極且接入大地作為零參考電位，兩極間形成的電場(chǎng)屬于極不均勻電場(chǎng)。

多依奇除塵效率公式：

式中:η為除塵效率；運(yùn)行工況一定時(shí)A（集塵面積）/Q（氣體流量）為常數(shù)；v為荷電塵埃粒子移向電極（主要指集塵極）的驅(qū)進(jìn)速度。

由公式（1）得出，除塵效率η隨荷電塵埃粒子的驅(qū)進(jìn)速度v的增長(zhǎng)呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。v主要與荷電塵埃粒子的荷電量成正比，荷電量愈大則受電場(chǎng)力的作用愈大。荷電量大則應(yīng)在電暈外區(qū)空間存在的自由電子和負(fù)離子的密度要大，電暈內(nèi)區(qū)在單位時(shí)間內(nèi)生成的自由電子、正離子和負(fù)離子的密度要大，自持電暈放電要更強(qiáng)烈。

如何實(shí)現(xiàn)自持電暈放電更強(qiáng)烈？湯遜（Townsend）理論給出了解釋，認(rèn)為自持放電主要是由電子的碰撞電離和正離子在陰極上釋放二次電子形成的，連續(xù)碰撞電離形成電子崩式電暈放電，即α（電子電離系數(shù)）過程。α表示一個(gè)電子由陰極到陽極每1cm路程中與氣體質(zhì)點(diǎn)相碰撞所產(chǎn)生的自由電子數(shù)（平均值）。

數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：A、B為與氣體性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)；P為大氣壓力；E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

由公式（2）看出α值對(duì)E值變化非常敏感，呈指數(shù)規(guī)律響應(yīng)。E值正比于外加高壓直流供電電源的輸出電壓V_d值，即α值隨直流電壓V_d幅值的增長(zhǎng)呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。α值愈大，空氣中電子、離子的密度愈大。但是，V_d幅值不能無限提高，在電暈極與集塵極間隙一定時(shí)，V_d有一個(gè)極限值V_dmax，超過此值則產(chǎn)生火花放電（氣體被擊穿），造成除塵過程中斷，除塵效率降低，空氣導(dǎo)電的伏安特性說明了此過程，如圖1所示。

圖1   空氣導(dǎo)電伏安特性 

V_d≥5（V_dmax）時(shí)，此階段產(chǎn)生火花放電，造成電離電流I_d急劇增長(zhǎng)，直流電壓V_d急劇下降，通常高壓供電電源立即中止供電。 

4＜V_d＜5時(shí)，此階段為自持電暈放電階段，公式（2）在此得到充分的體現(xiàn)，而且V_d愈趨近V_dmax，α值愈大。此階段為靜電除塵的理想工作階段。

湯遜用放電的碰撞理論闡述了氣體放電的基本過程，但對(duì)于間隙（δS）＞0.26cm時(shí)的一些放電現(xiàn)象的解釋還不是很完善。例如，ESP運(yùn)行時(shí)，煙塵濃度的變化對(duì)火花放電的影響？

對(duì)此，流柱理論給出了解釋，認(rèn)為電子的碰撞電離和空間光電離（二次電子崩）是形成自持放電的主要因素，并強(qiáng)調(diào)空間電荷畸變電場(chǎng)的作用。所謂流柱，是受電場(chǎng)力作用的帶電粒子在兩極之間空間上的堆壘，是充滿正負(fù)帶電粒子的混合通道、電離通道。當(dāng)流柱通道把兩極接通時(shí)，將導(dǎo)致火花放電。所以，煙塵濃度增加時(shí)，由于荷電塵埃粒子的增加提高了流柱延伸的速度，所以在較低的Vd幅值時(shí)，就可以出現(xiàn)火花放電。

火花放電時(shí)，由于電子、離子直接由一極躍馳至另一極，所以煙塵荷電的幾率趨于零，此時(shí)供電電源的交流側(cè)輸入電流通常是額定值的5倍左右，火花最小延遲時(shí)間約為10ms。因此，火花放電工況，既降低除塵效率又耗費(fèi)電能，對(duì)靜電除塵運(yùn)行是不利的。

綜上所述，提出控制策略：為追求靜電除塵增效節(jié)能的目標(biāo)，高壓直流電壓Vd幅值的工作點(diǎn)應(yīng)控制在自持電暈放電階段，并且盡量趨近Vdmax值，即臨界火花點(diǎn)，使得α（電子電離系數(shù)）穩(wěn)定地維持在極大值的狀態(tài)，但是要盡量避免出現(xiàn)火花放電工況。

按此控制策略，可以對(duì)不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案的高壓直流輸出電壓的波形參數(shù)及不同的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行分析。此處，輸出電壓的平均值電壓Vd與峰值電壓Vp的比值（紋波系數(shù)）盡量小是使工作點(diǎn)能夠穩(wěn)定地控制在臨界火花點(diǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

3 不同主電路方案直流輸出電壓的波形參數(shù)及供電功率

直流電源按其工作原理不同分為線性電源與開關(guān)電源。目前，靜電除塵用高壓直流供電電源主要為線性可控硅交流相控調(diào)壓電源，主電路結(jié)構(gòu)上分為單相可控硅交流相控調(diào)壓方案與三相可控硅交流相控調(diào)壓方案。

3.1  單相可控硅交流相控調(diào)壓

主電路原理框圖如圖2所示。~Va、~Vb為單相交流輸入電壓（380V/50Hz）；SCR1~SCR2為可控硅；TM為單相升壓變壓器；V1為單相高壓硅堆整流橋。

圖2    單項(xiàng)可控硅交流相控調(diào)壓原理框圖

當(dāng)觸發(fā)角α= 0°時(shí)，整流橋輸出端直流平均值電壓V_d與整流橋輸入端交流有效值電壓V₂（TM付邊）的關(guān)系為：

若，加至電暈極與集塵極的電壓V_d = 72（KV）時(shí)，根據(jù)公式（3），V₂ = 80（KV），其峰值電壓V_p（見圖3）與V₂的關(guān)系為：

圖3   單相橋式整流電壓波形

V_p= 113（KV），由此得知，V_p值遠(yuǎn)大于V_d值，是影響公式（2）電子電離系數(shù)α的主要因素。又由圖3得知V_p波形的包絡(luò)線是半正弦波的組合，不容易使得電子電離系數(shù)α始終穩(wěn)定地維持在極大值的狀態(tài)。若要改進(jìn)，只能提高直流輸出電壓V_d而峰值電壓V_p值則更高，當(dāng)在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)V_p≥V_dmax時(shí)，則非常容易出現(xiàn)火花放電工況。很難滿足控制策略的要求。

3.2  三相可控硅交流相控調(diào)壓

主電路原理框圖如圖4所示。~V_a、~V_b、~V_c為三相交流輸入線電壓（380V/50Hz）；SCR1 ~ SCR6為可控硅；TM為三相升壓變壓器；V1為三相高壓硅堆整流橋。

當(dāng)觸發(fā)角α=0°時(shí)，整流橋輸出端直流平均值電壓Vd與整流橋輸入端交流有效值電壓V2（TM付邊）的關(guān)系為：

若，加至電暈極與集塵極的電壓V_d = 72（KV）時(shí)，根據(jù)公式（5），V₂= 53.3（KV），其峰值電壓V_p（見圖5）與V₂的關(guān)系為：同公式（4），V_p= 75.4（KV），由此得知，V_d值近似等于V_p值，是影響公式（2）電子電離系數(shù)α的主要因素。由圖5得知V_d波形近似于純直流電壓波形，容易使得電子電離系數(shù)α始終穩(wěn)定地維持在極大值的狀態(tài)。改變V_d時(shí)，峰值電壓V_p不容易引起火花放電工況的出現(xiàn)。容易滿足控制策略的要求。

圖5   三相橋式整流電壓波形

3.3  供電功率

實(shí)際工程中，額定高壓直流輸出電壓V_d為72（KV）、額定高壓直流輸出電流I_d為1.2（A）時(shí)，通常：?jiǎn)蜗嗌龎鹤儔浩鱐M輸入側(cè)額定電流I_ab為338（A）、額定電壓V_ab為380（V）；三相升壓變壓器TM輸入側(cè)額定電流I_ab為138（A）、額定線電壓V_ab為380（V）。

所以，單相方案額定輸入視在功率S_單相為128.44（KVA）；三相額定輸入視在功率S_三相為90.83（KVA）。

另外，三相方案與單相方案相比，三相供電平衡，其各相電壓、電流、磁通的大小相等，相位依次相差120°，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成相位污染。

4 不同調(diào)節(jié)規(guī)律的控制方案

工程上通常采用的調(diào)節(jié)規(guī)律有：火花跟蹤（火花率整定）；最高平均電壓跟蹤；恒定功率控制等。其中，火花跟蹤（火花率整定）是最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律，目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)幾乎95% 的供電電源設(shè)備均主要采用此種控制方式運(yùn)行。

根據(jù)上述的控制策略，特此提出：跟蹤臨界火花（無火花）點(diǎn)的調(diào)節(jié)規(guī)律。

4.1  火花跟蹤（火花率整定）方案

跟蹤反饋信號(hào)高壓直流輸出電流I_d值的變化，自動(dòng)調(diào)整可控硅的觸發(fā)角，以控制電暈極與集塵極之間產(chǎn)生的火花頻率（火花次數(shù)/每分鐘）為目標(biāo)，恒定運(yùn)行在整定的火花頻率范圍。使得高壓直流輸出電壓V_d的工作點(diǎn)始終跟蹤在火花放電電壓點(diǎn)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)V_d為最大值的目的。

此方案為追求V_d維持極大值的原則，是通過增加火花放電的頻率來實(shí)現(xiàn)的，所以不應(yīng)是理想的控制方案。尤其是主電路采用單相可控硅交流相控調(diào)壓時(shí)更不應(yīng)該是推薦方案。

4.2  跟蹤臨界火花（無火花）點(diǎn)方案

跟蹤反饋信號(hào)高壓直流輸出電流I_d值及高壓直流輸出電壓V_d值的變化，根據(jù)煙塵濃度伏安特性的變化趨勢(shì)，隨動(dòng)調(diào)整可控硅的觸發(fā)角，以盡量不產(chǎn)生火花放電的前提下，使得高壓直流輸出電壓V_d的工作點(diǎn)始終跟蹤在臨界火花放電電壓點(diǎn)下運(yùn)行為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)V_d為最大值的目的。

此方案亦為追求V_d維持極大值的原則，但不是通過增加火花放電的頻率來實(shí)現(xiàn)的，所以應(yīng)是理想的控制方案。尤其是主電路采用三相可控硅交流相控調(diào)壓時(shí)，可使得高壓直流輸出電壓V_d的工作點(diǎn)始終跟蹤在深度臨界火花放電電壓點(diǎn)下運(yùn)行，應(yīng)該是推薦方案。

5  除塵效果工業(yè)試驗(yàn)

為證明控制策略的正確性，做了兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用三種不同特性的高壓直流供電電源。第一種：調(diào)節(jié)規(guī)律選用跟蹤臨界火花（無火花）點(diǎn)控制模式、主電路選用三相可控硅交流相控調(diào)壓方案，稱為A電源。第二種：調(diào)節(jié)規(guī)律選用火花跟蹤（火花率整定）控制模式、主電路選用單相可控硅交流相控調(diào)壓方案，稱為B電源。第三種：調(diào)節(jié)規(guī)律選用火花跟蹤（火花率整定）控制模式、主電路選用三相可控硅交流相控調(diào)壓方案，稱為C電源。

5.1  試驗(yàn)1

靜電除塵器負(fù)載性質(zhì)：火力發(fā)電廠鍋爐尾氣排放；靜電除塵器（ESP）本體布局及電力分區(qū)：同極距300，1室3電場(chǎng)。試驗(yàn)過程：在相同運(yùn)行工況下，3電場(chǎng)全部選用A電源，連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)；3電場(chǎng)全部選用B電源，連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。除塵效果見表1。

表1    監(jiān)測(cè)報(bào)告單

由表1得出，選用A電源，排放煙塵濃度為22.8（mg/Ndm³）；選用B電源，排放煙塵濃度為91.0（mg/Ndm³）。選用A電源的除塵效果優(yōu)于選用B電源的除塵效果。

5.2  試驗(yàn)2

靜電除塵器負(fù)載性質(zhì)：氧化鋁熟料轉(zhuǎn)窯尾氣排放，且回收尾氣中的原料；靜電除塵器（ESP）本體布局及電力分區(qū)：同極距400，2室3電場(chǎng)。試驗(yàn)過程：在基本相同運(yùn)行工況下，1#熟料窯的1室3電場(chǎng)全部選用C電源，連續(xù)運(yùn)行（已投產(chǎn)），測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)；2#熟料窯的1室3電場(chǎng)全部選用A電源，連續(xù)運(yùn)行（已投產(chǎn)），測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。除塵效果見表2。

表2   監(jiān)測(cè)報(bào)告單

由表2得出，選用A電源，排放含塵濃度為24（mg/Ndm³）；選用C電源，排放含塵濃度為32（mg/Ndm³）。選用A電源的除塵效果優(yōu)于選用C電源的除塵效果。

6  結(jié)論

本文對(duì)靜電除塵的物理過程及供電技術(shù)進(jìn)行了理論分析，針對(duì)提高靜電除塵器增效節(jié)能目標(biāo)，提出了供電技術(shù)的控制策略。通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)對(duì)控制策略及供電電源方案進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：供電技術(shù)的控制策略是正確的，調(diào)節(jié)規(guī)律采用跟蹤臨界火花（無火花）點(diǎn)模式、主電路采用三相可控硅交流相控調(diào)壓（A電源）方案是靜電除塵器高壓供電電源的較理想方案。