静电除尘器低成本提效：从传统TR到高频电源的升级路径

解读Alstom Power Service在ESP最优运行与低成本减排方面的长期实践

关键词
cost,dust collection,ESP,emission reduction,高频电源,烟气治理

静电除尘器（Electrostatic Precipitator，ESP）在燃煤电站、冶金、水泥等行业仍然是主力颗粒物控制技术。随着超低排放和健康风险管控要求的不断提升，如何在不大规模改造设备的前提下，以“最低成本实现最大除尘效率”，正逐渐成为行业技术热点。本文基于Alstom Power Service（前Fläkt/ABB，现属Alstom）Martin Kirsten、Anders Karlsson、Christer Mauritzson等人发表于第11届国际静电除尘会议的论文“Least Cost to Maximise Dust Collection in Electrostatic Precipitators”[1]，系统梳理其近30余年围绕ESP电气控制与运行优化的研发路线和工程案例，并结合当前燃煤机组超低排放与煤质波动背景，讨论这一思路对国内ESP改造与运维的启示。

从行业实践看，提高现役ESP收尘效率的常规路径主要有三类：一是恢复或提升机械状态，包括极板极线校正、气流均布优化等；二是增加收尘面积，扩容或增设电场；三是实施烟气调质，如SO3、氨喷射或水雾/专用添加剂调质。这些措施确实有效，但往往意味着长时间停炉和较高投资，且运行成本（尤其是烟气调质剂用量和静电除尘器电耗）显著上升。论文的核心观点非常明确：在ESP机械条件尚可的前提下，优先通过“电气控制＋运行策略”升级来获取尽可能大的减排收益，是整体寿命周期成本最低的选择。

Alstom的技术路线可以看作是围绕“如何把每个电场每一组变压器整流器（TR）或高频电源（SIR）压榨到最佳除尘效率”的长期迭代。早在20世纪80年代初期，Fläkt与三菱率先提出了针对高比电阻粉尘的半脉冲/间歇供电（Semipulse™、Intermittent Energisation）概念，通过只利用电网频率中的部分半周来充电，让粉尘层中的电荷有足够时间弛豫，从而抑制反电晕，提高静电除尘器的电场强度和粒子荷电水平。初代EPIC I控制器已经实现了微处理器化，但运算资源非常有限，只能依赖现场专家反复试验不同的半脉冲比，结合IU特性曲线，寻求某一工况下的经验最优点。

随着EPMS上位机和ProMo远程监测工具的引入，Alstom通过定期扫描IU曲线，由上位机在多种预设半脉冲“配方”中选取最合适方案，用以应对燃煤品质波动，这实际上是早期基于模型的“准自适应控制”。但受限于通讯速率和计算能力，这种优化的频率和精细度仍然有限。直到90年代EPIC II及其EPOQ软件推出，ESP电气控制进入真正的“数字化调优”阶段。EPIC II可以对kV、mA波形进行高速采样，EPOQ在此基础上自动识别电晕放电状态、火花特征和粉尘层响应，从而不断调整每个电场的半脉冲比和脉冲期间的电流水平，而无需依赖烟气浊度计反馈。这使得静电除尘器在高比电阻烟尘工况下的优化不再停留在“经验半自动”，而是转向连续自适应。

值得注意的是，作者在大量现场实践中发现两个与传统“多火花有害”观念相悖的关键点：其一，在干式ESP中，适度提高头一、二电场的允许火花频率（远高于沿用数十年的10次/分钟经验上限），只要通过波形判读避免形成长弧，并不会损伤机械结构，反而能显著提高平均电晕电流和带电荷量，尤其对回收锅炉烟气等空间电荷较强的工况尤为有效；其二，在板振清灰方面，相比传统“一刀切”的固定频率高强度清灰，通过与TR/SIR输出功率的联动控制，适当降低或在必要时完全切断电场电压，再实施清灰，不但可以把极板表面粉尘清得更彻底，还能明显减少二次飞扬。实践表明，很多原本被认为“电场已接近极限、再调无益”的ESP，通过这种“功率—清灰耦合优化”（PCR）后，排放仍能获得两位数百分比的降低。

步入2000年以后，EPIC III、SIR高频电源和新一代PCR协同清灰软件叠加以太网通信和ProMo III上位机平台，形成了相对完整的“智能ESP操作系统”：一端是SIR提供高电压、低纹波、三相高频HVDC能力，显著提升每个电场的可用电场强度和控制精度；另一端是EPOQ和PCR根据电压电流波形和清灰响应，自主设定半脉冲比、限流和清灰时序。在这一体系下，Alstom在多种粉尘工况（包括低比电阻煤灰、高比电阻南非煤、高速烟气的老式美国ESP布置）中均观察到了典型30%以上的排放下降，其中配合SIR使用时，减排幅度往往可以提升到50%甚至更高。

论文中的Pego电站案例很好地刻画了“仅靠电气与运行升级的长期效应”。该站两台320 MW燃煤机组配套四电场ESP，自80年代末起就采用EPIC I与Semipulse技术，在当时对于高比电阻南非煤灰来说，排放在120 mg/Nm³（湿、以煤中硫分较高的煤种为主）已经算可接受水平，而更难处理的南非煤（高比电阻、更低硫）在EPIC I条件下排放高达约400 mg/Nm³，根本无法长期使用。90年代中后期更换为EPIC II并引入EPOQ和早期PCR后，在不做任何机械改造的前提下，同样难度的南非煤配比条件下，排放被压低至90–120 mg/Nm³左右。随后通过进一步深化PCR策略，将板振周期显著拉长——例如首场20–30分钟清灰一次，末场甚至可以一周乃至一个月清灰一次（视工况而定）——并在清灰时配合电场降压或断电，Pego在保持高难度煤配用比例的同时，排放最终稳定在25–35 mg/Nm³区间[1]。更有意义的是，在引入首电场SIR后，即使进一步提高南非高比电阻煤的比例，排放仍可控制在25 mg/Nm³以下，为未来更严格的排放限值预留了空间。

对于许多国内燃煤电厂更具借鉴意义的是文章中提到的某美国1350 MW机组群案例。该电厂原设计煤种为高硫煤（含硫约2%），在典型的美国老式高烟速ESP结构中运行，多台锅炉共用一个烟囱和烟羽监测。业主出于环保和燃料经济性考虑，希望降低SO2/MBtu排放，目标是把煤质从约1.5 lb SO2/MBtu逐步降至1.0 lb SO2/MBtu，但又不能牺牲粉尘排放指标。问题在于：煤中硫分降低意味着飞灰比电阻显著升高，通常会造成静电除尘器收尘效率下降，烟囱浊度上升。Alstom提出的改造方案有两条主线：一是1–6号炉全部将原有工频TR更换为SIR高频高压电源；二是7–10号炉保留原有TR，仅升级为EPIC III控制器，并在全厂范围内设置统一的ESP监控与日志系统，配套EPOQ＋PCR软件进行分电场精细调优。

实施过程中，业主有计划地调整煤源配比，使煤中硫分从约1.3%缓慢降低至0.8%、0.7%，再到0.5%，相应SO2/MBtu也逐步下降。在各阶段，Alstom的ESP工艺专家分步启用EPOQ和PCR功能，从单场试用到多场联动，记录不同组合下的电耗、火花行为和烟囱浊度变化。最终结果显示，在1–6号炉采用SIR后，即使在燃用低硫高比电阻煤时，为维持同等或更低浊度所需的总TR/SIR功率仍然可控，而在开启半脉冲模式后，单场电耗甚至可较传统工频TR下降90%以上[2]。更具“反直觉”的结论是：当全厂煤质进一步降至约1.0 lb SO2/MBtu这一原本被视为多年后才有可能达到的目标时，在全量启用EPOQ与PCR优化后，公共烟囱的平均浊度仍维持在原设计高硫煤水平甚至略有下降。这意味着，通过ESP运行逻辑升级，可以在不增加硬件收尘面积、不使用昂贵烟气调质的前提下，为SOx减排释放出显著空间。

从成本与运维角度审视，这套“以控制换投资”的思路有几个关键收益：其一，对于机械结构尚可的ESP，纯电气和软件升级往往可以在线实施，无需长时间停炉或大规模钢结构改造，资本支出通常只是新建ESP的十分之一到一半；其二，通过半脉冲和高频电源的协同，很多高比电阻工况下的电耗可以降低90%以上，而在低比电阻煤灰条件下，即使电耗略有上升，也可接受于整体能耗平衡；其三，极板清灰频次显著降低，二次扬尘减少，配套机械磨损和检修工作量同步下降，停炉检修周期得以延长；其四，对于原本按高硫燃煤设计的ESP，通过这一套运行策略，可以在不增加收尘面积的前提下承受更高比电阻的飞灰，从而便于机组转向更清洁的低硫燃料，实现颗粒物与SOx的协同减排。

对中国市场而言，在存量燃煤机组逐步迈入深度调峰、高比例低硫化、掺烧复杂燃料（如高灰印尼煤、劣质褐煤、生物质混烧）的背景下，静电除尘器早期设计工况与目前真实工况的偏离正在不断放大。与其一味依靠增加电场和烟气调质“堆设备”，不如优先评估电气与控制系统的升级潜力：有无可能通过半脉冲供电、高频电源、板振—电场协同控制这类“软件+少量硬件”组合，把现有静电除尘器的极限再向外推30%–50%。在本质安全可控的前提下，这将是兼顾投资、能耗与排放的一条更具性价比的路径。

关键词自然分布在上述分析之中，包括静电除尘器（ESP）、成本、除尘效率、排放削减、高频电源（SIR）、半脉冲（Intermittent Energisation）、煤质变动与SO2/MBtu控制等。对于关注工业烟气治理、燃煤电厂超低排放改造、ESP智能运维的读者而言，Alstom在该论文中呈现的，是一套经过几十年工程实践验证的“低成本提效”路线图，也为国内静电除尘器改造项目提供了一个值得参考的技术坐标系。

参考文献：
[1] Kirsten M, Karlsson A, Mauritzson C. Least Cost to Maximise Dust Collection in Electrostatic Precipitators[C]// 11th International Conference on Electrostatic Precipitation. 2008.
[2] Kirsten M, et al. Novel ESP energising and rapper control drastically reduces emission[C]. New Delhi, India, October 2003.
[3] Lillieblad L. Upgrade technologies for Electrostatic Precipitators[C]. 10th International Conference on Electrostatic Precipitation, Cairns, Australia, June 2006.
[4] Jacobsson H, et al. Back-corona control with help of advanced microprocessor enhances performances[C]. 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest, Hungary, June 1996.

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/

参考文献
[1] Kirsten M, Karlsson A, Mauritzson C. Least Cost to Maximise Dust Collection in Electrostatic Precipitators[C]// 11th International Conference on Electrostatic Precipitation. 2008.
[2] Kirsten M, et al. Novel ESP energising and rapper control drastically reduces emission[C]. New Delhi, India, October 2003.
[3] Lillieblad L. Upgrade technologies for Electrostatic Precipitators[C]. 10th International Conference on Electrostatic Precipitation, Cairns, Australia, June 2006.
[4] Jacobsson H, et al. Back-corona control with help of advanced microprocessor enhances performances[C]. 8th International Conference on Electrostatic Precipitation, Budapest, Hungary, June 1996.