动态脉冲频率控制：破解静电除尘器反电晕的新路径

基于 Castlet Ltd 在澳大利亚燃煤电站的现场算法开发与长期运行实践解读

关键词
Electrostatic Precipitator, Back Corona, Intermittent Energization, Pulse Repetition Frequency, 高比电阻粉尘, 烟气超低排放

在高比电阻粉尘工况下，反电晕（Back Corona）始终是静电除尘器（ESP）行业的“老大难”问题。对于燃用低品质煤的燃煤电厂、烧结机和水泥窑尾等工况，电除尘器往往在高电流低电压区间苦苦挣扎，常规的连续供电模式难以兼顾除尘效率与电晕稳定性。本文解读 Castlet Ltd 首席工程师 John M. Leach 与开发工程师 Stephen J. Duddy 在 ICESP IX（2004）上发表的研究成果，重点介绍一种通过动态调整脉冲重复频率（T2）来最低化反电晕的控制算法，以及其在澳大利亚一座燃煤电站上的长期运行效果[1]。

研究工作由英国 Castlet Ltd 完成，试验对象是澳大利亚昆士兰某大型燃煤电厂。电站在建设前就已确认当地煤质比电阻偏高，存在严重反电晕风险，因此在最后一台锅炉投运时（1986年），原始控制系统已经配套了一套基于“间歇供电（Intermittent Energization，亦称脉冲供电）”的优化算法，实现了当时的排放指标。然而随着时间推移，原控制系统硬件老化、备件短缺、可靠性下降，用户需要寻找新的供电与控制装置进行改造。Castlet 在承接改造后发现，在该电站这种煤质与工况高度波动的场景下，传统“设好即忘（set and forget）”的固定 T1、T2 设置策略难以维持稳定、低排放运行，必须开发更为“自适应”的动态算法。

要理解这套算法的价值，首先需要回到反电晕机理本身。对于比电阻较高的飞灰，当收尘极表面积聚的粉尘层被电晕电流持续“灌电”时，粉尘层自身两端会形成较高电压。一旦该电压过高，就会在金属收尘极与粉尘层表面之间产生介质击穿，打出粉尘层上的“孔洞”或“陨坑”，局部电场被显著增强，进而在粉尘层表面形成强正电场，产生大量正离子。这些正离子会中和向收尘极迁移过程中本应保持负电荷的粒子，甚至有一部分颗粒被反向吸附到放电极上——这正是“Back Corona”名称的来源[1]。在电气特性上，反电晕表现为：电压–电流（V‑I）曲线在升压与降压过程中不重合、变形明显，T/R（变压整流）运行在电流较高而电压被“压低”的异常区域，外加典型的粉尘沉积形貌（粉尘层孔洞、放电极周围的“香肠状”粉尘包覆）。

传统的应对手段主要有三类：其一，优化燃料或工艺条件，例如改烧低比电阻煤或进行煤质配比，这在依赖单一劣质煤源的电站往往行不通；其二，烟气调质，如喷硫或氨来降低粉尘比电阻，但会增加药剂成本和安全风险，而且在该工程案例中，调质后的“粘灰”导致收、放电极严重结垢，运行效果反而不可接受；其三，则是通过静电除尘电源与控制策略的调整来“电气消灾”，其中以同步脉冲供电（Intermittent Energization / Pulsing）最为成熟[1]。

同步脉冲供电的基本思想，是在市电同步的前提下，用一个短脉冲 T1 把电压快速“打上去”，然后在接近电晕起始电压（VI 曲线“拐点”或“膝点”）附近维持一段时间 T2，让粉尘层上的电荷有足够时间衰减。T1 通常用半周数表示，高比电阻粉尘下大多选用 1 个半周；而 T2 用整周数表示，并需在正负半周交替触发以避免变压器铁心偏磁。理论上，只要在正确的 T2 下运行，就能在保证较高基准电压的前提下抑制反电晕。然而，在煤质与工况较为稳定的工厂，工程师可以通过示波器与经验手动寻找合适的 T1/T2，并长期维持；在煤质、负荷、炉膛燃烧状态与烟温波动剧烈的场合，这种“手工整定+固定参数”的做法就明显跟不上工况变化。

关键瓶颈之一在于：如何在线、可靠地“感知”反电晕的发生，而不依赖于理想化的高质量电压反馈信号。部分早期方案尝试利用连续供电波形下的峰值/谷值关系来判别反电晕程度，但现场实践暴露出多个问题：其一，峰谷值不仅受反电晕影响，还高度依赖于 T/R 阻抗、供电频率、负载特性等电气参数；其二，在高比电阻工况下，只要连续供电本身就可能处于“持续反电晕”状态，很难区分“有”和“无”；其三，在老电站改造项目中，原有分压器位置不合理、杂散电容耦合严重、长距离电缆干扰明显，使得简单的波形峰谷判别方法可靠性大打折扣[1]。

Castlet 的做法，是在脉冲 T1 之后的一段时间内，完全禁止 SCR 触发，利用此时电除尘器作为“天然 RC 负载”的电压衰减特性来识别反电晕状况。由于不再有新的能量注入，电压衰减曲线在外部电源特性和 T/R 阻抗影响基本被隔离的条件下，更多由极间电场与粉尘层电导特性决定。算法选择在电压衰减斜率趋近于零的时刻测量电压，这一点近似于 VI 曲线中电晕起始点的电压值。通过在“无反电晕”状态下、以一个很大的 T2（如 255 周期）测得基准电压 V_ref，然后逐步减小 T2 并测量对应的衰减电压 V_decay，若 V_ref − V_offset > V_decay 成立，则认为此 T2 已经触发了反电晕[1]。其中 V_offset 为控制器设定的灵敏度与偏置参数，用于“刻意”让工况落在轻微反电晕区的边缘，以便在实际排放上取得更好折中。

值得注意的是，算法设计充分考虑了老旧分压器与现场布线带来的信号质量问题。一方面，在硬件上采用“平衡线+差分放大”的电压采集方案：高压分压器下端与一条参考线各串接等值电阻 R，两线在同一电缆中敷设。控制器输入端以差分形式读取“信号+噪声”与“纯噪声”之差，从电缆拾取噪声中抵消绝大部分干扰。另一方面，在软件上采用多点采样与“投票”机制：每次测量 V_decay 时采集 6 个有效读数，剔除两个最大值和一个最小值，对剩余三个点取平均，以减弱由于火花放电、瞬时扰动造成的测量偏差。这种软硬件结合的抗干扰设计，使得在不更换原有 T/R 与分压器的前提下，仍然可以获得可用的反电晕判据。

在找到某一工况下诱发反电晕的最小 T2 之后，算法并非简单将 T2 稍微增大到“无反电晕”的一侧便一劳永逸。作者通过大量试验发现：从“仅刚刚避免反电晕”的 T2_opt 继续略微减小 T2（即允许一定程度的反电晕产生），虽然会在 V_decay 指标上出现一定退化，但从烟囱粉尘排放的实际结果看，反而可能获得更低的排放浓度。这一现象可以理解为：适度缩短 T2 虽然带来部分反电晕，但同时增加了有效电晕电流和荷电强度，整体收尘效率提高。因此算法最终采用了这样一条策略：

首先，在较大 T2 下建立无反电晕基准 V_ref；然后，逐步减小 T2，寻找满足 V_ref − V_offset > V_decay 的最大 T2 值，作为“工作点”——此时系统处在轻微反电晕区边缘，有利于实现最低排放。之后进入“动态跟踪模式”：控制器以约 1 分钟为间隔重新扫描电晕起始点，若判定当前工况存在反电晕，则将 T2 增加 5 周期；若判定无反电晕，则将 T2 减少 1 周期，同时对 T2 的动态修正范围设置在初始 T2_opt 的 −5 至 +15 周期之间，以防止算法在严重工况变化时“走失控”。一旦修正量超出这一范围，系统会重新回到基准重建步骤，重新测定 V_ref 与最佳 T2_opt，从而适应更加显著的工况变化[1]。

整体来看，这是一套“环状”闭环控制逻辑：周期性重建无反电晕基准；在局部范围内以 V_ref − V_offset 与 V_decay 的关系为依据，动态修正 T2；并通过非对称的修正步长（+5/−1）体现出“宁可轻微偏向保守，也不要过度压低 T2”的工程取舍。该算法既利用了同步脉冲供电在高比电阻粉尘控制上的固有优势，又通过动态适配解决了煤质与燃烧条件快速波动带来的参数漂移问题。

在实测效果方面，研究团队以该电站每台锅炉 4 个烟道（共 16 个通道）的排放浓度数据为基础，采用“对照通道+改造通道相对差值比较”的统计方法进行评估。改造前，先统计某通道与其对照通道之间的平均排放差值；改造后，再在严格相似的运行条件下统计新的差值。通过前后差值的比较，可以消除对照通道随时间波动的影响。最终结果表明：在原始排放基线为 10%–15% 的条件下，该动态脉冲频率控制算法平均带来了 1.2 个百分点的排放改善，即从约 12% 降低到 8% 左右，属于在高比电阻、强反电晕场景下非常可观的提升[1]。

从行业风向来看，这一案例有几方面值得电除尘及超低排放改造领域的工程师关注：其一，面对高比电阻飞灰与复杂煤质，依赖单一的烟气调质并非万能，电气控制策略仍有较大挖潜空间；其二，在既有变压整流设备和测量回路基础上，通过改进信号采集和算法逻辑，可以避免大规模硬件更换，实现“软升级”；其三，静电除尘器控制系统正在从“经验整定+固定参数”走向“自学习+动态跟踪”，尤其在负荷频繁变动、燃料多元化、电价与能效压力叠加的背景下，动态脉冲控制算法与智慧电源正成为新的技术热点。对于致力于燃煤电厂超低排放改造、烧结机脱硫脱硝与除尘一体化、水泥线余热锅炉粉尘控制的企业而言，这类算法思路与工程实践提供了一个重要的参考样本。

参考文献
[1] Leach, J. M., & Duddy, S. J. (2004). The Development of an Algorithm for the Dynamic Adjustment of the Pulse Repetition Frequency for Minimising Back Corona in Electrostatic Precipitators. Paper presented at ICESP IX, Mpumalanga, South Africa, 17–21 May 2004.

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