微脉冲高压电源改造ESP：爱沙尼亚燃油页岩电厂的减排样本

基于FLSmidth Coromax MPPS在Eesti Energia Balti电站的应用实践与机理解析

关键词
Electrostatic Precipitator, Power supplies, Micro-pulse energization, T/R sets, SMPS, 超低排放, 烟气治理

燃煤与燃油页岩机组在全球范围内持续面临更严苛的粉尘排放标准，如何在不大规模土建改造的前提下提升静电除尘器（ESP）效率，已成为电力行业与环保工程领域的共同焦点。近期，FLSmidth Airtech 的 B. Bidoggia、M.K. Larsen、K. Poulsen、K. Skriver 等学者在一项案例研究中，系统分析了微脉冲电源（Micro-pulse Power Supplies，MPPS）在爱沙尼亚 Balti 电厂 ESP 改造中的应用，给出了对比传统工频/高频电源的量化数据与机理解释[1–5]。这一研究不仅验证了Coromax微脉冲电源在高比电阻烟尘工况下的优势，也为我国燃煤电厂超低排放与提效改造提供了具有可复制性的技术路径。

该项目的研究对象是位于爱沙尼亚 Narva 附近、由 Eesti Energia 运营的 Balti Power Plant。电站以油页岩为燃料——这种富有机质的沉积岩其发热量低于硬煤而高于褐煤，但灰分显著偏高[1]。燃烧后烟气经静电除尘器净化，粉尘比电阻测得约为 1×10^11 Ω·cm，典型高比电阻烟尘工况。原设计条件下，ESP 出口排放满足 50 mg/Nm³ 标准，但随着法规升级，电站需将排放进一步压缩至 20 mg/Nm³ 级别，这对传统工频变压器整流装置（T/R set）以及常规高频开关电源（SMPS）提出了巨大挑战。

Balti 电厂包含两台 215 MW 机组（8号与11号机组），每台机组配两台锅炉，每台锅炉布置一台独立 ESP，结构为单室四电场、每场单一电场截面，总极板面积约 16,000 m²，单场电容约 84 nF。本文关注的是 8号机组中一台锅炉的 ESP 8K-2，其工况参数为：烟气量约 432,000 Nm³/h（湿），温度 190 ℃，体积分数含水约 13%，入口粉尘浓度约 120 g/Nm³（湿基）。

在原始配置中，ESP 采用单相 T/R 供电，最初通过小规模机械修理和将 T/R 替换为高频开关电源（SMPS）来尝试降低排放。项目先后试用了三个不同厂家的 SMPS 方案，但虽然平均二次电压可接近设计值，出口粉尘仍高于目标排放水平。2016年7月的运行数据表明，各电场 SMPS 的平均二次电压普遍在 55–70 kV，二次电流在 1.55–1.57 A 量级，火花率极低甚至接近 0 次/min。表面上看，“高电流、低火花”似乎是稳定运行的体现，但在高比电阻烟尘条件下，这往往意味着电场已被背击电晕所限制，电压难以进一步提升，导致 ESP 总体捕集效率受限[2,8]。

在此背景下，FLSmidth Airtech 提出采用 Coromax 微脉冲高压电源对部分电场进行改造。2017年3月，业主决定在 ESP 8K-2 的第2、3、4电场，将原有 SMPS 更换为三套 Coromax 4 型 MPPS，第1电场暂仍保留 SMPS 供电，从而便于电场间横向对比。Coromax 4 的关键参数为：基波额定电压 60 kV，叠加脉冲电压额定 80 kV，输出电流 1000 mA，单脉冲宽度约 75 μs，最高脉冲频率 100 Hz，电源侧输入为 400 V 三相低压。与此同时，ESP 在改造中进行了挡板优化、清灰振打（rapping）周期重新整定等常规机改，保证气流分布与积灰控制适应新的供电策略。

从供电机理来看，高比电阻粉尘决定了 ESP 更容易受到背击电晕约束[5,8]。传统 50 Hz 单相 T/R、三相 T/R 和高频 SMPS 本质上都提供“近似恒压+工频或高频小纹波”的波形，电晕电流持续时间长，一旦接近气体击穿电压，便会产生稳定火花，迫使控制策略降低平均电压以抑制放电，最终牺牲除尘效率。其平均电压基本由气体击穿电压 U* 和波形系数决定，单相 T/R 的峰值与均值比例约 1.2，其余高频电源则接近 1[3,4]。

微脉冲电源采用“基波直流电压+窄脉冲电压”叠加方式，由两套电源通过谐振回路耦合输出[4,5]。基波部分提供稳定的电场背景，对应 ESP 的平均电压与平均电流；微秒级高压脉冲则在基波电压上短时叠加，使瞬时峰值电场大幅提升，从而在粒子通过电场的时间尺度内，提供更强的荷电驱动力。由于脉冲宽度极窄，单次放电持续时间远低于气隙内宏观放电发展时间，等离子体鞘层尚未完全发展就已结束，因此有效提高了气体的“表观击穿电压”U*ₚ[5]。用论文中的简化关系表示，即 MPPS 工况下的击穿电压 U*ₚ = γ·U*，其中 γ>1。

这直接改变了“峰值电压—平均电压”的边界条件。对传统电源，峰值 Uₚ 受 U* 限制，平均电压 Ū 只能在 Uₚ/η 波形系数附近；而对 MPPS，峰值 Uₚ = U_base + U_pulse 可在更高 U*ₚ 限制下上升，而平均电压近似等于基波 U_base，脉冲部分对平均值贡献可忽略。结合 Deutsch 方程 η = 1 – exp(–wA/Q) 和 Stoke 迁移速度模型 w ∝ E_peak·E_mean，可推导出电场总效率与峰值电压、平均电压的指数关联——在平均电压相近的情况下，提高峰值电压对效率的提升会被指数放大[5,6]。这也解释了为什么微脉冲电源能够在降低平均功率的同时显著降低粉尘排放。

2017年6月改造完成并调试优化后，对 ESP 8K-2 的各电场运行数据进行了系统测试。改造后，第1场仍为 SMPS，平均电压约 72 kV，电流 1.5 A，火花率大于 0 次/min，与改造前水平接近。第2–4场则采用 MPPS，基波电压分别约 50、46、43 kV，叠加脉冲电压 50–65 kV，对应瞬时峰值电压最高达到 106–108 kV，比 ESP 第1场 SMPS 的 72 kV 峰值高出 39%–50%。将改造前后同一电场的峰值电压进行对比，MPPS 应用后的第3、4场峰值电压比原 SMPS 工况提高了 80%–90%，第2场也提升到原来的 1.4 倍左右，说明气体击穿特性确实发生了可观改变。

更值得关注的是功率与效率的综合表现。根据测试数据和已验证的近似公式，SMPS 工况下各场二次功率约为 85–110 kW，而微脉冲投入后，第2–4场电场的有效二次功率降至原来的 36%–43%，即在维持或改善除尘性能的同时，电耗几乎减半。第1场沿用 SMPS，功率则基本不变。这充分印证了“以峰代均”的设计思路：通过脉冲瞬时高电场拉升粒子荷电与迁移速度，而不是依赖持续升高平均电压和电流[7]。

在出口排放层面，2017年8月的连续采样数据显示，ESP 8K-2 出口粉尘按 6% O₂ 标况折算后，平均浓度约 12.7 mg/Nm³，仅为新排放限值 20 mg/Nm³ 的 64%，为机组预留了充足的运行裕度。更具说服力的是横向对比：2018年1月，在两台 ESP（8K-1 保持 SMPS 方案，8K-2 采用 MPPS+SMPS 组合）同时在线的条件下，对两种锅炉工况进行了对比测试。结果表明，ESP 8K-2 出口粉尘约为 16–17 mg/Nm³，而 8K-1 约为 26–35 mg/Nm³，平均看采用微脉冲电源的 8K-2 排放仅为传统 SMPS 供电 ESP 的约 54%。换言之，在基本不改变 ESP 壳体结构与极板面积的前提下，单靠供电方式与局部气动优化，就实现了“排放减半+能耗下降”的效果。

从工程决策角度看，该案例突出了微脉冲电源改造相对于“上大布袋”或“扩容 ESP”的综合优势。一方面，Coromax MPPS 改造属于电气与局部机改，停机时间较短，投资明显低于新增布袋除尘或扩建 ESP 极板面积的方案；另一方面，在高比电阻烟尘场景，如油页岩、电石渣燃煤、部分低硫煤电厂，背击电晕和二次扬尘一直是传统 ESP 的痛点，通过提升有效击穿电压、缩短放电持续时间来抑制背击电晕，是比单纯增加电场级数更具性价比的路径[4,8]。

对国内燃煤电厂与钢铁、水泥等行业的静电除尘改造来说，这项研究提供了几点有价值的启示：其一，ESP 性能瓶颈往往不在“面积不够”，而在“供电波形与粉尘特性不匹配”，高比电阻、低硫、细颗粒工况尤其如此；其二，高频电源（SMPS）并非所有工况下的“终极形态”，在中高比电阻烟尘领域，微脉冲供电有望成为新一代主流方案；其三，采用成熟的微脉冲电源产品，如 FLSmidth Coromax 系列，在工程实践中已形成一整套从电源选型、谐振回路设计到振打优化、挡板改造的成套解决方案，适合集成到超低排放与节能降耗一体化改造项目中。

综上，FLSmidth Airtech 团队在 Balti Power Plant 的实证研究，从理论机理和现场数据两方面清晰展示了微脉冲高压电源在 ESP 上的应用价值：在不改变 ESP 主体结构的前提下，实现了粉尘排放近乎“腰斩”，并明显降低电耗。这一案例为未来高比电阻烟尘工况下的静电除尘提效改造提供了有力佐证，也值得国内电力和工业烟气治理领域在后续项目中重点关注与验证。

参考文献
[1] Dyni JR. Geology and resources of some world oil-shale deposits. U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2005–5294. 2006.
[2] White HJ. Industrial Electrostatic Precipitation. International Society for Electrostatic Precipitation. 1963.
[3] Reyes V, Poulsen K. Use of three-phase rectifiers in ESP’s for low resistivity applications. In: Proc 13th Int Conf on ESP (ICESP). Bangalore, India; 2013 Sep 16–21.
[4] Grass N, Hartmann W, Klockner M. Application of different types of high-voltage supplies on industrial electrostatic precipitators. IEEE Transactions on Industry Applications. 2004:1513–1520.
[5] Parker KR. Applied Electrostatic Precipitation. Blackie Academic & Professional. 1997.
[6] FLSmidth. Electrostatic Precipitators Handbook. 1984.
[7] Yamamura N, Tanaka O, Takahashi K. Operating experience of a pulse ESP at a modern 500 MW coal fired power plant in Japan. In: Proc 6th Int Conf on ESP (ICESP). Budapest, Hungary; 1996 Jun 18–21.
[8] Masuda S. Resistivity and back corona. In: Proc Int Conf on Electrostatic Precipitation. Monterey, CA, USA; 1981 Oct 14–16.

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