三相整流高压电源在低比电阻ESP中的崛起

基于FLSmidth Airtech三相T/R装置应用实践的技术解读与趋势研判

关键词
three-phase T/R set, low resistivity ESP, SMPS, corona power, power factor, 静电除尘, 工业烟气治理, 三相整流高压电源

在低比电阻粉尘治理领域，”如何获得更高的电晕功率和更低的排放”一直是静电除尘器（ESP）技术路线竞争的核心。近年来，开关电源（SMPS）凭借输出纹波小、动态响应快，成为高端电源改造的重要方向，但其价格高、容量上限受限、结构复杂、可靠性和高电压等级适配性等问题，在大型燃煤锅炉、碱回收锅炉和有色冶炼等场景中始终存在争议。来自丹麦FLSmidth A/S Airtech部门的Victor Reyes和Karsten Poulsen，在题为《Use of three-phase rectifiers in ESP’s for low resistivity applications》的研究中，从理论建模、实机测试和工程改造三个层面，系统论证了三相工频高压整流器（three-phase T/R set）作为SMPS替代方案，在低比电阻工况下的可行性与优势[1]。

该研究的核心观点是：通过将传统单相T/R升级为三相整流结构，在不引入高频变换环节的前提下，仅依靠工频三相六脉冲整流加电场本身的电容滤波，即可获得近似“纯直流”的ESP电压波形，大幅提高电晕功率，同时兼具高功率因数、结构粗壮可靠、容量不设上限等工业优势，为低比电阻工况下的静电除尘技术路线提供了一个性价比极高的选择。

在结构上，三相T/R装置的总体架构与传统单相高压电源类似，同样由控制柜和油浸高压罐体组成，但将输入侧、变压器和高压整流桥全部改为三相。通过三相六脉冲整流，每个电网周期产生6个电流脉冲，而不是单相整流的2个脉冲。考虑到ESP本身表现为较大的电容性负载，三相T/R输出端在电场电容的平滑作用下，可获得纹波极小的直流高压波形。从仿真结果和实测波形可以看出，在典型的90 kV等级三相T/R装置上，输出端电压波形几乎可以当作纯直流看待，即使在负载电流较低（较大触发角）时，电压依然非常平滑，这对于低比电阻烟气工况中抑制反电晕、提高有效电晕功率尤为关键。

作者首先基于电路仿真，对一台90 kV/1500 mA、接入660 V三相电源、短路阻抗30%（以电抗为主）的T/R进行了系统分析，ESP被等效为100 nF的大电容，并叠加分段式电阻网络模拟电晕起始电压和电晕特性。在额定输出工况下，触发角约为30°，平均输出电压约72 kV，平均输出电流1500 mA，原边线电流为113 A。由于加入适当的短路电抗，三相电流波形接近正弦，功率因数约0.87–0.91，与SMPS典型水平接近。在低负载工况（触发角120°）下，电场电压仍保持平滑，但一次侧电流畸变增大，谐波含量上升，这是三相相控整流的规律性特点，但在工程应用中通常通过合理滤波与系统谐波协调进行处理。

在实机验证部分，作者给出了两档典型容量的三相T/R装置测试结果。一套90 kV/600 mA的T/R运行在一台Pierce Smith铜转炉尾气ESP中，配套的收尘面积为1500 m²，电网电压为3×400 V。在ESP实机运行和制造厂试验台（模拟RC负载）两种条件下，额定输出电流时ESP电压稳定在72 kV，实测线电流约70–71 A，实测功率因数约0.9，与理论计算数据相符。另一套90 kV/1500 mA、接入3×660 V电网的三相T/R，在46 kΩ//60 nF RC负载下，输出电压约70 kV，线电流约106 A，功率因数0.87，进一步验证了三相T/R在大电流、高电压等级下仍能保持平滑输出和较高功率因数的特点。

为了便于工程选型与技术交流，作者在文中对三相高压整流器的关键参数进行了重新定义与整理，尤其强调了铭牌数据的统一标准化。他们建议将“额定输出电压”定义为高压变压器次级线电压在空载时的峰值（Upeak no-load），并指出在实际30%短路电抗条件下，可在额定电流下获得约为Uo_nom的72%左右的直流输出电压，即额定输出电流下的Ud ≈ 0.72·Uo_nom。这意味着，如果工程现场要求在额定电流下获得80 kV直流电压，则铭牌额定峰值电压至少应选至100 kV。此外，作者还给出了三相T/R一次侧相电流与输出直流电流、变比之间的关系，以及由此推导的装机视在功率计算公式，并建议将电网电压、额定线电流、Upeak no-load、输出平均电流、变比、短路电压百分比、额定视在功率等关键信息以统一格式标注在铭牌上，避免供应商与业主在参数理解上的偏差[1]。这种面向工程的“去神秘化”工作，对于当前国内大量ESP电源改造项目的合理比选具有直接参考价值。

最具行业风向意义的是作者给出的一个实际改造案例：某碱回收锅炉烟气ESP，4室并联、每室3电场串联，总收尘面积1980 m²，电场极板间距300 mm，处理烟气量77.4万Nm³/h，出口温度约200 ℃。改造前使用传统单相T/R，粉尘排放约102 mg/Nm³；改造后，在对内部极线极板结构进行机械优化的同时，将所有电源更换为90 kV/1500 mA的三相高压整流器。监测结果显示：在入口粉尘浓度和处理烟气量基本相同的前提下，总电晕功率从335 kW提升到651 kW，其中入口场电晕功率基本不变，而中间场和出口场电晕功率大幅提升，多个出口场T/R可运行在额定电流附近。由此，ESP出口粉尘排放值从102 mg/Nm³显著下降到22 mg/Nm³，满足并显著优于常见的超低排放前一档标准。这一结果表明，在低比电阻烟气条件下，利用三相T/R提供更高、更平滑的电晕功率，能够有效拓展中后级电场的工作点区间，充分释放原有极板面积潜力，是一种投入产出比极高的提效路径。

与SMPS方案对比，作者从工业应用角度，对三相T/R的优势与不足进行了相对客观的总结：一方面，三相T/R输出电压纹波低、电晕功率高、负载三相对称、功率因数可稳定在0.87–0.9左右，且在额定电压和电流方面几乎无工程上限，实绩中已经有2800–3400 mA甚至4300 mA/100 kV等级的装置稳定运行，未来扩展到4000 mA/140 kV也被认为没有技术障碍；高电压等极甚至690 V工频三相电源供电也未见明显问题，而这对于目前商用SMPS来说仍是一个敏感区。另一方面，相对于同容量的单相T/R，三相T/R成本仅高约30%，而与同等功率SMPS相比则在购置成本和维护成本上更具价格优势，且结构传统、设计成熟，在FLSmidth累计177台装置的运行经验中，未出现重大可靠性问题。劣势主要体现在体积与重量较大、需要额外的控制柜和开关室空间、以及控制柜到高压罐体间需要铺设专用电缆等，这些在新建工程中通常可以通过土建与总图协调解决，在老厂改造中则需要提前做好空间评估和施工组织。

值得一提的是，作者还针对三相T/R配套相控触发单元的绝缘与可靠性问题，提出了一种具有“前瞻性”的光纤触发方案。在传统相控系统中，为了实现控制板与高压主回路之间的电气隔离，通常为每个晶闸管配置独立的驱动电源和脉冲变压器。FLSmidth提出用红外LED+光纤+光电接收模块替代小型脉冲变压器，并利用晶闸管的正向阻断电压为触发模块供电：当晶闸管处于阻断状态时，模块获得工作电压，可响应来自控制板的光脉冲进行触发；由此省去了独立的驱动电源。进一步，通过在每相中使用二极管桥将两个反并联晶闸管的门极驱动合并，在同一时刻向两只器件同时发送触发脉冲，而处于反向阻断状态的晶闸管不会被误导通，从而将光纤链路和触发模块的数量减半。这种架构不仅适用于三相T/R，也可直接下移到单相T/R上，对于提高电源控制系统的绝缘强度、降低长期运行故障率具有工程借鉴意义。

综合来看，这项研究向行业释放出的信号非常明确：在低比电阻烟气工况，例如碱回收锅炉、部分有色冶炼和化工工段，三相工频高压整流器正在成为静电除尘高端电源的一条“性价比路线”。在投资受限、又需显著降低排放的存量改造项目中，通过加强机械整流系统和场强配置，再叠加三相T/R的高电晕功率输出，有机会在不更换主设备的前提下，将排放水平从百毫克量级压缩到二十毫克甚至更低。在超低排放、碳达峰与能效提升的多重压力下，这种以成熟工频电源为平台的升级方案，很可能会在未来数年内，与SMPS、电晕极结构优化、宽频脉冲供电等技术路线并行发展，形成多元化的ESP电源技术版图。

对于正在规划静电除尘器改造的业主与设计单位而言，如何在SMPS与三相T/R之间做出合理取舍，关键在于：准确识别工况的比电阻特性和电晕功率瓶颈，充分评估现有极板面积与场强裕度，同时关注电网条件、谐波管理与机房空间等工程因素。在这些前提条件梳理清楚之后，三相T/R往往会是一个“被低估”的选项。

参考文献
[1] Reyes V, Poulsen K. Use of three-phase rectifiers in ESP’s for low resistivity applications[C]//Proceedings of ICESP. FLSmidth A/S, Airtech, Denmark.

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