前言

由于環保的要求越來越高，許多在投運中的靜電除塵器（ESP）的性能不能滿足實際排放水平的要求。因此，許多安裝ESP的工廠需要進行升級。

改造項目被認為是一個非常復雜和昂貴的過程。由于停止過程而導致的收入損失以及雇用承包商和用于處理重物的重型車輛是通常與高成本相關的后果。

ESP的智能來自控制系統，該系統管理和監控ESP中煙氣的清潔過程。控制系統控制高壓電力系統（HVPS），該系統在ESP的鋼結構中產生電場，并且是設計的重要部分。

以下研究表明，不是重新設計并開始重新構建ESP的鋼結構，而是可以通過查看高壓電力系統和控制器來提高ESP的效率。 

1. 簡介ESP電源類型的選擇對于ESP性能是至關重要的，高壓電源應為ESP電場提供足夠的電暈功率，以獲得最佳排放水平。

研究表明，具有一個或兩個電場的小型ESP的電源解決方案是選擇一種最佳的電源類型，即：傳統單相電源，三相電源，高頻電源或脈沖電源。 對于更大的ESP，要獲得最佳的技術/商業解決方案，計算會更復雜。 本文中案例研究表明，對于具有多個場的ESP，不同電源類型的組合才是對用戶來說最佳的配置。

2. 影響電除塵器性能的主要因素目前中國排放標準已經是世界上最嚴格的國家之一，為了達到國家標準和行業標準要求，生產廠家不可避免的要使環保島中的每一個系統工作在最佳狀態。在討論電源對靜電除塵器性能的影響之前，需要說明的是靜電除塵器是一個系統工程，要使它工作在最佳狀態或者說符合排放要求的狀態，需要各個環節的配合和匹配。一臺機械狀況良好的靜電除塵器，如果采用不合適的高壓電源，則無法將ESP的性能發揮到最大。反之，一臺ESP配備了優化的高壓電源和控制系統，如果機械方面有重大故障，也會造成排放超標的結果。

在下面本文會通過兩個方面，介紹影響ESP性能的主要因素，一是電源方面的因素，二是非電因素：

2.1 ESP電源與ESP性能的關系

目前在全世界上應用最廣泛的ESP電源有四種：傳統單相電源，三相電源，高頻電源和脈沖電源，作為一家在ESP電源行業有超過80年歷史的專業廠家，我們認為這四種電源各有各的特點，四種電源都有其適用的工況，不能說某一種電源是最先進或最好的。

以下是電源方面對電除塵器性能的關鍵因素：

2.1.1 ESP運行電壓的峰值與均值的乘積，與電除塵器的效率成正比；

2.1.2 ESP運行電流的均值，在沒有發生反電暈的條件下，與電除塵器的效率成正比；

2.1.3 ESP的火花響應，在火花發生時關斷越快越好，火花熄滅時恢復電壓輸出越快越好；

2.1.4 在經濟性上，對于ESP電源的要求是設備效率越高越好；

2.1.5 其他方面，電源的控制系統要穩定可靠并能方便地與現場DCS對接，所有的警告和故障都必須有相關的故障信息顯示以方便用戶和廠家快速的作出判斷并解決故障。

以上是針對理想化工況的ESP，而實際ESP在運行時存在與上述要求相悖的因素：

2.1.6 ESP運行電壓紋波低且電壓值高，這對灰量大，比電阻不高的前電場是有效的，但是對灰量小，比電阻高的后電場，這種運行電壓造成反電暈的問題是明顯的。

2.1.7 ESP運行電流并不是越大越好，運行電流的大小不能超過陽極板粉塵釋放電荷的速度，否則也會造成反電暈的問題；

2.1.8 電源頻率并不是越高越好，頻率越高，對半導體本身和其控制系統的要求越高，而隨著頻率的升高，給電源性能帶來的提升是有限的。

所以在ESP電源選擇時，要根據實際工況選擇最佳的類型，從ESP性能和經濟性上多方面來考慮，用不同類型的電源進行搭配，使得ESP具備合理的性能和能耗。

2.2 影響ESP性能的非電因素：

2.2.1 ESP的機械狀況是否良好，ESP作為一個長期工作在惡劣環境的系統，內部的極板極線等結構會由于各種不同的原因發生問題，比如閃絡，高溫，銹蝕等等。

2.2.2 煙氣溫度：保持在ESP設計的允許范圍內，因為ESP的處理煙氣普遍溫度較高，比如水泥行業的窯頭除塵器來說，如果沒有加裝篦冷機或余熱回收利用，經常會有超過350度的煙氣進入到除塵器，這將帶來很大的風險使除塵器中的極板極線變形。

2.2.3 煙氣分布：煙氣分布不均勻帶來的結果就是煙氣量大的電場負荷高，煙氣量小的電場負荷低，如果ESP某部分電場(通道)的負荷超過設計負荷，最終排放到出口的粉塵量必定會超標。

2.2.4 振打控制：不同的ESP運行狀態，要有不同的振打控制來進行匹配進行收塵，最終的目的是不造成過大的二次揚塵，不能使極線極板積灰嚴重而造成相關問題。

其他ESP本身的固定參數和煙氣參數及煙氣物理化學性質在ESP電源改造項目中屬于不可變量，不在本文的討論范圍內。

3. 各種電源類型的比較電除塵器經過上百年的發展，到現代已經是一個非常龐大的系統，而我們在分析一臺電除塵器運行性能時首先要看的卻是一些微觀的參數。要知道一臺電除塵器運行的狀況是否良好，除了要檢查它各個電場的電壓電流值以外，還要檢查這些電壓電流的運行時的波形和閃絡時的波形，這些波形都是在毫秒甚至是微秒級的，但是這些微觀的量卻是最終決定ESP整體性能，每小時排放量，每天排放量，每年排放量的最關鍵的因素。

所以我們要對各種電源類型進行比較的時候，實際上我們要比較的是他們的電壓電流波形，這些是ESP收塵性能是否良好的關鍵點所在：

3.1 傳統單相電源

輸出電壓紋波= 40~50%, 輸出電流為毫秒級脈沖。

適合灰量大，中低比電阻粉塵工況。  

3.2 三相電源

輸出電壓紋波= 1~5%, 輸出電流為持續直流電流，紋波低。

適合灰量大，低比電阻粉塵工況。  

3.3 高頻電源

輸出電壓紋波<1%, 輸出電流為持續直流電流，紋波低。

適合灰量大，中低比電阻粉塵工況，特殊的脈沖供電模式對中比電阻粉塵效果良好。

對于高頻電源，這里值得一提的是高頻電源主要存在三種不同的控制技術，包括調頻，調幅和脈寬控制，這三種高頻電源最終輸出到ESP的電壓電流波形是不一樣的，本文不作詳細說明，上圖是脈寬控制高頻電源的輸出波形，其特點是紋波最低且不隨負載變化而變化，頻率不變。

3.4 脈沖電源 

脈沖電源作為一種特殊的電源系統，是專門針對高比電阻粉塵設計的電源解決方案，簡單的說，在同等電暈電流的運行狀況下，其他電源會有反電暈的問題，但脈沖電源不會發生反電暈。

輸出電壓為直流基壓疊加微秒級脈沖電壓，直流基壓的作用為形成靜電場，使荷電粉塵在ESP中向收塵極移動，脈沖電壓的作用是產生瞬態大電流，給粉塵荷電。由于每個脈沖電流峰值高，時間短，對高比電阻粉塵的荷電效果好而又留有足夠的時間讓吸附在收塵極上的粉塵釋放電荷。

上圖為脈沖電源的輸出電流，正如圖所示，這里的輸出電流也有兩部分組成，一是電暈電流為純直流，二是脈沖電流，脈沖電流不再是直流而是交流，在前半段脈沖電源向ESP輸入瞬態大電流給粉塵荷電，在后半段電場電容由于充電造成的高壓，開始反向向脈沖電源內的電容進行充電，將電能傳送回到電源內部。

正是因為這個特性，使得脈沖電源有從電場回收能量的功能，脈沖電源本身也是四種電源中運行效率最高的電源。

4. 水泥廠ESP電源改造案例KP在對水泥ESP進行電源改造時，通常是按照以下流程來進行，以便于給用戶提供最佳的電源解決方案并進行最終驗證：

1) 現有ESP初步數據分析

2) 現場勘察

3) 電源改造方案提交

4) 現場施工指導和運行調試

5) 改造后性能驗證在近十幾年國內外市場實施多個水泥ESP電源改造項目后，KP積累了豐富的經驗，除了給客戶推薦最佳的電源搭配以外，由于長期與國際頂尖ESP廠家合作，包括FLSmidth，GE(ALSTOM)，Hamon等，我們的現場指導和運行調試也是世界先進水平的。由于KP擁有所有的ESP電源類型，我們永遠是給客戶推薦最合理的電源搭配，而不會強調某一種電源類型是最好的。

以下是部分案例的介紹：

4.1 鄰水紅獅水泥-窯尾除塵器

從上面數據可見，通過將單相工頻電源更換為三相電源后，除塵器的運行電壓電流均有大幅的增加，從伏安曲線上可以確認沒有反電暈的問題發生，改造后9#和10#電場的收塵能力得到了大幅的提高。

由于此項目只更換了一個通道的末尾兩個電場的電源，用于考核更換電源以后的運行電壓電流數據，所以沒有考核改造前后的粉塵排放數據。

4.2 浙江紅獅水泥-窯頭除塵器

改造后的窯頭粉塵保持在10mg/Nm3以下，上圖中顯示值為7.8mg/Nm3。

從上面的數據可見，用三相電源更換調頻高頻電源，有機會可以得到更高的除塵器運行電壓。但從1#和2#電場改造前后的輸出電流來看有一些問題，實際輸出電壓有所升高但輸出電流卻降低不少，需要進一步調查。從3#和4#改造前后的運行電壓電流來看，KP的高頻電源在替換三相電源后使得運行電壓電流大幅增加，而從改造前后的排放數據來看，粉塵排放量得到了很大的降低。

4.3 國外案例，印度Narmada水泥廠-窯頭篦冷機除塵器

5. 結論

對于國家和社會對環境保護的要求，現有水泥生產工藝中煙氣的粉塵治理可以通過電除塵器電源的改造來達到標準，而不需要對除塵器本體進行大的改造甚至增加電場數。而對于不同的ESP，要達到超低排放的要求可以通過不同的電源類型搭配來達到效果，而不是越大的電源越好或者某一種電源一定最好。

作者：丁程 王海慶

作者單位：夸普電氣(上海)有限公司

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