电除尘器振打优化：从经验调试走向工业模型

基于EDF与IRS在ORCHIDEE平台上的振打层模型研究解读

关键词
rapping, electrostatic precipitator, collecting efficiency, dust layer, ORCHIDEE, ESP优化, 振打控制

随着欧洲对燃煤电厂烟尘排放限值持续收紧（如LCPD将固体燃料机组的粉尘限值压至50 mg/Nm³@6%O₂），静电除尘器（ESP）的“精细化控制”被推到前所未有的高度。在众多影响因素中，振打（rapping）长期被视为一个靠经验调试的“黑箱变量”：调快会加大再飞扬，调慢又导致极板积灰过厚、电场电压受限、反电晕加剧。如何在不增加硬件投资的前提下，通过振打优化稳定压低排放，是当前电除尘运行优化的核心技术问题之一。

本文解读的是法国EDF R&D与意大利IRS联合在ICESP X（2006）上发表的工作：Caraman等人提出并验证了一个工业尺度的振打与粉尘层演化模型，并将其集成进EDF–IRS开发的ORCHIDEE软件，用于指导电除尘器振打序列优化。这项研究的关键价值在于：第一次将“振打–积灰层–收尘效率”串成了可计算、可优化的一体化工业模型，而不再只是“看电流电压、看电场出口排放”的事后调节。

研究团队包括N. Caraman、G. Bacchiega、I. Gallimberti、V. Arrondel和M. Hamlil，单位分别为EDF R&D（法国Chatou）与IRS srl（意大利Padova）。他们依托半工业规模ESP试验平台（著名的Marghera试验装置），结合ABRICOS欧盟项目的颗粒轨迹拉格朗日计算结果，对振打下粉尘层的生成、滑移、脱落与再飞扬过程进行了系统建模，并与英国一台500 MW燃煤机组（Cottam电站）工业数据对比验证，为实际工程中的电除尘器振打控制提供了物理基础。

传统的电除尘优化，多半停留在根据V–I曲线调节电源、根据出口粉尘浓度粗调振打周期这一经验层面。Caraman团队的工作明确提出：要想真正优化ESP，必须先理解并量化“极板粉尘层”的动态演变——包括厚度变化、滑移速度、振打脱落比例以及再飞扬水平。论文将粉尘层演化归纳为两类过程：一类是“连续过程”，即带电微粒在电场力作用下不断沉积在集尘板上，与此同时，气流剪切和再飞扬使部分颗粒重新进入主流；另一类是“间歇过程”，即振打锤周期性撞击导致部分粉饼块状脱落，部分粉尘破碎并被再夹带进入烟气。前者可用改进的Deutsch公式描述，后者则是本研究建立简化振打模型的关键。

在层动力学方面，作者通过质量守恒关系式，将极板上的粉尘层视为沿竖直方向变化的“移动薄层”，用层厚l(z,t)、竖直坐标z与时间t描述层演化，并引入一个平均竖向速度v(z,t)来统摄滑移与振打后的整体下落。若不考虑振打，只存在一个由重力、摩擦力与电场黏附力共同决定的“滑移速度”，可视为常数并沿极板高度积分得到层厚的时间演化表达式。一旦考虑振打，则在这一连续滑移速度之上叠加一个“平均下落速度分量”，用来代表单次振打后粉尘层的有效下落距离和振打周期。这样，复杂的瞬时加速度过程被等效为“在两个振打之间，粉尘层以平均速度下落Hd/ΔT”，其中Hd是等效下落距离，ΔT是同一板面被再次振打的时间间隔。

更具工程意义的是，作者没有追求极其复杂的瞬态动力学，而是在对比多种假设形式（匀加速、非线性加速等）与实测数据后，选择了一个足够简化、参数可获取的平均速度模型。Marghera试验装置提供的质量平衡数据（包括极板和灰斗的质量流率变化）显示：在一定电流条件下，粉尘层沿板面存在近似恒定的滑移速度，而电场电压、电流变化会改变粉层的“粘性”与电场压力，进而影响滑移与脱落。

在粉尘层与电场作用机理方面，研究引入了“电场压力”概念，将灰层内外的电场强度与介电常数差折算为等效压力；结合灰层重力与接触摩擦力（固–固摩擦系数约为0.4），再通过试验辨识给出一个“黏性力（粘滞项）”，以解释在恒定电流条件下测得的稳定滑移速度。已有研究表明，Na₂O、SO₃等成分可以显著改变飞灰电阻率，进而影响层内电场分布，提高层内电场压力与粒子间黏附力，这也是为什么不同煤种在同一电场结构和振打模式下表现出截然不同的再飞扬和电除尘效率。

在建模实现上，这一振打–层模型被集成进入ORCHIDEE 2软件。ORCHIDEE的定位，是一套面向运行人员和技术人员的电除尘仿真与优化工具，能够在给定ESP结构、煤质、烟气参数、电源配置与运行设定（包括SO₃喷射、故障工况等）条件下，预测整体收尘效率和分场性能。针对振打，软件只需要一些现场可直接获得的工艺参数，如：振打轴在连续运行模式下完整转一圈的时间tₐ，锤头间的夹角A，电机实际通电时间tₘ、暂停时间tₚ，以及同一极板上同时敲击的锤头数量S与一跨壳体排数N等。通过这些参数，ORCHIDEE推算出ΔT，即同一板面两次受击之间的时间间隔，并在模拟中耦合极板高度、等效下落距离Hd（工程上取值约2 m），由此给出每个电场、每个场区的“平均粉尘层厚度”。

值得注意的是，作者进一步利用ABRICOS项目中的拉格朗日颗粒轨迹计算结果，将“因振打导致的再飞扬”作为层厚的函数加以描述。实测与模拟均表明：再飞扬率与层厚之间存在一个“最佳区间”——在某一厚度范围（如0.3–0.8 mm）内，附加再飞扬系数几乎为零，意味着此时振打既能有效清灰又不至于带来明显的粉尘再夹带；而当层过薄或过厚时，附加再飞扬会显著上升，极端情况下甚至可达到100%的额外再飞扬水平。这一厚度–再飞扬关系被编码进ORCHIDEE中，使得软件能够在计算电流、电压分布、反电晕、层压降与电源控制的同时，动态修正由振打行为造成的再飞扬量，对电除尘器整体效率给出更贴近工业实际的预估。

在软件耦合结构方面，ORCHIDEE将振打模块与预除尘、主电场模拟、SO₃喷射、飞灰电阻率、背电晕与辉光电晕电流等子模块进行非线性迭代耦合。计算流程大致为：初始假定粉尘层厚度为零，求解电场分布与电流；据此估算新一轮沉积厚度与滑移/振打引起的层演化，更新电场压降与可用电压，再次计算电流与收尘效率；经过2–3次迭代，即可获得收敛的层厚度和对应的收尘效率。这种耦合方式尤其适合分析高电阻率飞灰、强背电晕工况下的电除尘性能，并帮助运行人员评估SO₃调质和振打序列调整的综合效果。

在验证方面，作者选取英国Cottam电站1号机组的电除尘器为案例，对三种振打工况进行了现场试验与仿真对比：一是“标准振打”工况，即日常运行设定；二是将振打电机停机时间tₚ加倍的“慢振打”工况；三是将tₚ减半的“快振打”工况。试验结果显示，标准振打下的实测排放约为27 mg/Nm³（干基6%O₂），ORCHIDEE模拟结果为25 mg/Nm³，两者吻合良好。而在快振打与慢振打两种偏离工况下，测得排放均高于标准工况，且趋势与ORCHIDEE预测一致：过快振打导致再飞扬增强、整体排放上升；过慢振打则因粉尘层过厚、有效电压受限且再飞扬系数上升，同样导致排放增加。这一结果从工业侧验证了“存在一个振打频率与层厚的最佳组合区间”，也证明了该振打工业模型的工程适用性。

对国内的火电、水泥、钢铁等行业来说，这项研究释放出几个明确的行业信号：其一，振打不再只是“多敲/少敲”的经验艺术，而是可以依托可计算的粉尘层模型和试验数据做系统优化；其二，ESP优化不宜“只盯出口排放和电源V–I曲线”，而应将极板粉尘层视为一个核心中介变量来管理；其三，在高阻灰、严排放限值背景下，引入类似ORCHIDEE的综合仿真工具，结合在线监测和定期试验标定，是从“粗放合规”走向“精细超低排放”的必由之路。国内在推广高效电源、极板结构改造的同时，应把振打策略与飞灰特性、SO₃调质、电源控制统一到一个整体控制框架内，才能真正释放现有ESP装置的潜力。

Keywords: rapping, electrostatic precipitator, collecting efficiency, dust layer, ORCHIDEE, ESP优化, 振打控制

References:
[1] Caraman N, Bacchiega G, Gallimberti I, Arrondel V, Hamlil M. Development of an industrial model of rapping – effect on the collecting efficiency. Proceedings of the 10th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP X), Cairns, Australia, June 2006.
[2] Arrondel V, Bacchiega G, Caraman N, Gallimberti I, Hamlil M, Jacob D, Renard A. Back-corona model for prediction of ESP efficiency and voltage-current characteristics. Proceedings of the 10th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP X), Cairns, Australia, 2006.
[3] Bacchiega G, Gallimberti I, Sani E, Sala R, Arrondel V, Hamlil M, Christensen E. Experimental study of the mass balance in a pilot industrial ESP. Journal of Electrostatics. 2005.
[4] Canadas L, Navarrete L, Salvador L. Relations between coal fly ash properties and cohesive forces in electrostatically precipitated ash layers. Proceedings of the 6th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP VI), Budapest, Hungary, 1996.
[5] Moore MJ, Horrocks JK. The precipitator test facility at CERL and the use of continuous weighing in the diagnosis of the precipitation processes and re-entrainment phenomena. Proceedings of the 3rd International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP III), Abano Terme, Italy, 1987.
[6] Parker KR. Applied Electrostatic Precipitation. London: Chapman & Hall; 1997.

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参考文献