1相还是3相？回收锅炉ESP高压电源的真性能对决

基于SPB Pallipalayam Paper Mills实机测试的1相与3相线性高压电源性能对比 —— 来自Bharat Heavy Electricals Ltd.的研究解读

关键词
ESP, 静电除尘器, power supply, recovery application, 回收锅炉, 工业烟气治理, 3-phase, 1-phase

随着各国环保法规和超低排放标准不断趋严，电除尘器（ESP）在火电、造纸、冶金等行业的角色愈发关键。尤其在制浆造纸行业的回收锅炉工段，如何在高含湿、高温、低比电阻、细微颗粒占比高的复杂工况下，通过优化ESP电源形式（1相或3相）提升除尘效率，已经成为工业烟气治理领域的热点话题。本文围绕“1-Phase vs 3-Phase HV Linear Power supplies for ESP in Recovery Boiler applications”这一研究，结合回收锅炉应用特点，对试验方法与现场结果进行技术化解读，重点探讨静电除尘器在回收锅炉应用中选择何种高压电源才能获得更优的迁移速度和排放控制表现。

该研究由印度Bharat Heavy Electricals Ltd.（BHEL）完成，作者包括Vivek Philip John（嵌入式系统部）、Suresh Kumar V S（空气质量控制系统部）、Remya Kukkilliya（嵌入式系统部）。团队在一座实际运行的纸厂回收锅炉电除尘器上，系统对比了相同容量的单相线性高压电源与三相线性高压电源在连续充电模式和脉冲充电模式下的性能差异，为行业内关于“回收锅炉ESP优选3相还是1相”的长期争论提供了真实工况下的数据支撑。

在造纸回收锅炉中，黑液燃烧产生的烟气含尘浓度高、颗粒极细，比电阻反而偏低，这与燃煤电厂中常见的中高比电阻飞灰有明显不同[1]。低比电阻按常规理论适合采用三相或高频开关电源，配合连续充电模式，以获得稳定的空间电场和高电流密度[4][5]。但回收锅炉烟气又具有高含湿、高粘性粉尘、板极结垢严重、振打困难等特征，导致电晕电流抑制、有效收尘面积打折扣，传统经验并不总是适用。因此，在这一特殊工况下，静电除尘器高压电源选择必须基于实测性能，而非简单套用“低比电阻=3相或SMPS更好”的通行认知[2][3][6]。

试验对象是SPB Pallipalayam Paper Mills的回收锅炉专用ESP系统。该锅炉配置两台电除尘器，每台均为4电场布置。第一台ESP的4个电场由传统单相线性高压电源供电，额定80 kV（峰值）/ 1000 mA；第二台ESP的4个电场则由三相线性高压电源供电，额定参数同样为80 kV（峰值）/ 1000 mA，两者变压器容量相同。回收锅炉烟气在两台ESP之间平均分流，确保流量和工况具备可比性。测试期间，黑液燃料负荷约35 t/h，ESP入口烟气温度约148 ℃，氧含量约9%，工况稳定，利于抽取具有代表性的ESP电气性能数据。

研究团队以典型的ESP电气评价指标为核心：峰值电压（Vpk）、平均电压（Vavg）、一次侧峰值电流以及漂移速度因子Wx。这里的Wx定义为（Vpk × Vavg）/100，实质上与经典的ESP迁移速度ω成正比，而迁移速度又是决定电除尘器尺寸设计与除尘效率的关键参数。通过在0–1000 mA电流范围内，分别记录1相和3相电源在不同运行模式下的上述数据，研究得以对比不同电源方案的有效电场强度和潜在收尘能力。

在第一阶段对比中，两台ESP均采用连续充电模式（continuous charging mode）运行，这是传统线性高压电源在工业现场的主流工作方式。按行业普遍观点，三相高压整流由于输出脉动更平滑、电流能力更强，在低比电阻粉尘工况往往能实现更高的平均电压，从而提升迁移速度[2][3]。然而，在本次回收锅炉ESP的实测结果中，1相系统在峰值电压、平均电压、一侧峰值电流以及由此计算得到的漂移速度因子Wx上，反而全面优于3相系统。在1相供电的前两电场中，当电流升至约400 mA时即达到火花放电极限，而3相系统在同等电流水平下的电压尚偏低，表明1相比3相更早逼近可用的电晕放电极限。这一结果直接挑战了“3相线性电源在所有低比电阻烟气工况下都优于1相”的普遍认知。

为进一步挖掘三相电源在这种特殊工况下的潜力，第二阶段试验中，研究团队保持1相电源仍运行在连续充电模式，将3相线性电源切换至脉冲充电模式（pulse charging mode）。具体采用1:3脉冲方式，即在三相整流的基础上间歇性施加较高电压脉冲，从而实现传统意义上的脉冲充电优势：减少反电晕（back corona）发生机会，同时允许峰值电压显著抬升。测试数据显示，一旦3相系统切换到脉冲模式，其峰值电压、平均电压和Wx明显提升，相比之前连续模式下有实质性改善，整体性能曲线开始逼近1相连续模式的水平。

第三阶段则聚焦在相同ESP电流下的横向比较。在典型工作点380 mA时，研究分别记录了：1相连续模式、1相脉冲模式、3相连续模式、3相脉冲模式的电压与电流波形和Wx值。波形对比显示，1相连续模式下电压波形已接近电场火花极限，电流波形表现出稳定的电晕放电；若强行将1相切入脉冲模式，在该工况下并未显著提升有效电压，反而有可能增加放电不稳定风险。相反，3相系统从连续转入脉冲模式后，电压波形的峰值与平均水平都有明显抬升，电流利用率得到改善，漂移速度因子接近1相连续模式的水平，证明在回收锅炉细微低阻粉尘工况下，三相线性电源要通过脉冲充电才能释放其潜能。

研究给出的总体结论具有较强的工程指导意义。首先，在相同变压器容量和连续充电模式下，1相线性高压电源在回收锅炉ESP上的综合电气性能（Vpk、Vavg和Wx）优于3相线性电源，ESP迁移速度和潜在除尘效率更高。这意味着，在追求装置简单、可靠性高、维护方便的场景下，传统1相高压电源依然具有不可忽视的竞争力。其次，3相电源若继续维持连续模式，在相同容量下难以追平1相的性能，要获得相当的漂移速度，3相系统的额定容量需提高约30%，不仅增加设备体积，也提升了投资成本。第三，当3相系统采用脉冲充电时，其电气参数有明显改善，Wx值显著接近甚至在局部工况点逼近1相连续模式水平。如果在设计阶段就考虑采用三相脉冲电源，那么在回收锅炉ESP中可以在稳定性、可调节性与效率之间获得更合理的平衡，但代价是更复杂的电力电子系统和潜在的可靠性挑战。

综合来看，该研究从实机数据出发，对电除尘器电源选择给出了颇具“逆向”的观点：在回收锅炉等低比电阻、细颗粒、高含湿工况下，与其简单追逐复杂的三相线性或高频开关电源，不如先在系统层面权衡1相线性电源的“高迁移速度–低容量–高可靠性”优势，再结合是否必须引入3相脉冲以应对更高的负荷或更严的排放许可。对于正在规划或改造回收锅炉ESP的业主和系统集成商而言，合理的路径是：

在基准设计阶段，以1相线性高压电源的连续模式性能作为基准；
在需要采用3相电源时，不宜简单等容量替换，应考虑至少30%的容量裕量，或优先采用3相脉冲充电策略；
将漂移速度因子Wx引入设备选型与改造评估中，而不仅仅关注额定电压、电流等名义指标。

随着三相高压整流和各类SMPS技术在烧结机、电炉烟气、燃煤电厂等ESP场景中的应用日益成熟[4][5]，本研究提醒行业不要忽视应用场景本身的独特性。回收锅炉这种极端偏细、偏粘、偏湿、偏低阻的工况，对ESP电源的波形特性、电场控制策略提出了不同于常规燃煤锅炉的要求。通过类似本文这样的现场对比试验，结合国际会议文献[1–6]，将有助于形成更贴近实际的电除尘器电源选型与控制策略体系，为造纸行业和更广泛的工业烟气治理提供可靠的技术依据。

References
[1] Poulsen, K., Skriver, K., Christensen, E. L., & Elholm, P. (2018). ESPs for Soda Recovery in the Pulp & Paper Industry. In: Proceedings of ICESP XV, USA.
[2] Von Stackelberg, J. (2016). Emission reduction with 3-Phase technology. In: Proceedings of ICESP XIV, Poland.
[3] Reyes, V., & Bidoggia, B. (2016). Application of multi-phase HV rectifiers in electrostatic precipitators. In: Proceedings of ICESP XIV, Poland.
[4] Schmoch, M., & von Stackelberg, J. High Voltage Power Supplies in Sinter Plant ESPs. SCHMOCH Engineering GmbH & Rico-Werk Eiserlo & Emmrich GmbH, Germany.
[5] Guenther Jr., R. N., Deshpande, V. P., & Skovran, F. G. Shedding Light on the Operational Differences of 3 Phase Transformer Rectifiers and Switch Mode Power Supplies. NWL, USA.
[6] Reyes, V., & Poulsen, K. Use of HV Three-phase Rectifiers in Electrostatic Precipitators. FLSmidth A/S, Airtech, Denmark.

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参考文献
[1] Poulsen, K., Skriver, K., Christensen, E. L., & Elholm, P. (2018). ESPs for Soda Recovery in the Pulp & Paper Industry. In: Proceedings of ICESP XV, USA.
[2] Von Stackelberg, J. (2016). Emission reduction with 3-Phase technology. In: Proceedings of ICESP XIV, Poland.
[3] Reyes, V., & Bidoggia, B. (2016). Application of multi-phase HV rectifiers in electrostatic precipitators. In: Proceedings of ICESP XIV, Poland.
[4] Schmoch, M., & von Stackelberg, J. High Voltage Power Supplies in Sinter Plant ESPs. SCHMOCH Engineering GmbH & Rico-Werk Eiserlo & Emmrich GmbH, Germany.
[5] Guenther Jr., R. N., Deshpande, V. P., & Skovran, F. G. Shedding Light on the Operational Differences of 3 Phase Transformer Rectifiers and Switch Mode Power Supplies. NWL, USA.
[6] Reyes, V., & Poulsen, K. Use of HV Three-phase Rectifiers in Electrostatic Precipitators. FLSmidth A/S, Airtech, Denmark.