静电除尘高压电源的20年转型：从可控硅到SMPS

基于 Siemens 与 Georg-Simon-Ohm Hochschule 的长期现场实践与改造数据解读现代ESP电源技术路径

关键词
SMPS, IGBT, power semiconductors, pre-test, test installation, history, space charge, corona suppression, 静电除尘器, 超低排放

过去二十多年间，静电除尘器（ESP）高压电源技术的演进，几乎可以用“是否采用开关电源（SMPS）”来划分时代。一端是以可控硅相控整流 T/R 组合为代表的传统方案，另一端是以IGBT为核心器件的高频开关电源。随着排放标准不断收紧、工况日益复杂，如何在不大改土建、不推倒重建 ESP 的前提下，用电源和控制升级撬动除尘效率，这一命题的行业关注度快速提升。

Michael Kloeckner（Siemens AG, Germany）与 Norbert Grass（Georg-Simon-Ohm Hochschule, Germany）基于超过20年的现场应用和改造项目，总结了开关电源在静电除尘现代化改造中的技术路径、测试方法与效益边界[1–4]。这些工作提供了一套可操作、可验证的“先评估、再试装、后推广”的工程方法论，对于火电、水泥、钢铁、玻璃、危废与湿式ESP等行业具有普适参考价值。

从技术演变看，ESP 高压电源从最早的双极晶体管硬开关拓扑，到基于 IGBT 的高频 SMPS，再到集成模块与先进微机控制的平台化产品，每一代升级的关键目标都围绕三个核心：更平滑的直流高压、更高的有效电晕功率，以及更快更可控的闪络响应。第一代 SMPS 采用约 1 kHz 逆变频率，通过中频变压器和整流实现约 2 kHz 的输出频率，相比工频 T/R 组合明显压低了输出高压的纹波。第二代开始引入工业化 IGBT 与微机控制，将逆变频率提升到 10 kHz、电流换向频率约 500 Hz，在同等甚至更高功率等级下显著缩小了电源体积与磁性元件尺寸，同时为更短的高压脉冲、更灵活的控制策略奠定基础[2]。

更值得行业关注的是 SMPS 在控制层面的演进。研究团队在第二代装置中引入模糊控制（Fuzzy Logic），针对 ESP 的典型非线性与大时变特性，通过在线自适应调节高压、电流、闪络处理逻辑，在连续直流与间歇脉冲模式之间优化切换，使电晕功率和排放之间的关系更接近实时最优[1]。这直接指向一个核心行业痛点：在粉尘特性、燃料配比、工况频繁波动的场合，传统控制算法往往要么“保守保稳”，牺牲效率，要么“激进求高压”，导致闪络频发和排放波动。模糊逻辑与高频SMPS结合的优势，就在于能在闪络恢复时间、空间电荷积累、电场利用率之间找到更高效的折衷点。

在工程实践方面，作者提出了一整套 SMPS 改造前的预评估与试运行方法。首先，通过对现有 ESP 的理论效率与实测效率进行对比，并结合电场布置、极板结构、比集面积 SCA 以及各电场二次电压/电流/功率的合理性审核，筛查出明显不符合设计预期的电场，再进入定量化预测试阶段。在不增加额外设备的前提下，利用现有可控硅 T/R 组合，在工况相对稳定时逐步下调各电场的高压输出功率，监测粉尘排放（如不透光度或 mg/Nm³ ）的响应曲线。通过记录不同输出电压功率点对应的排放水平，推算在不发生闪络的条件下，ESP 若能获得更高、更平滑的高压和电流（即 SMPS 条件下的“理想运行点”），其排放下降潜力有多大[3]。

这一方法的工程意义在于：SMPS 对 ESP 性能的提升难以通过简单理论计算给出，因为其中涉及粉尘比电阻、粒径分布、流场不均、极距偏差等大量难以精确建模的因素。基于现有 T/R 先做“降功率—看排放曲线”的预测试，可以在低成本条件下给出 SMPS 改造潜力的上限估计。如果预测试中，在推算到“等价 SMPS 运行点”时，排放改善趋势不明显，就要回到机械和工艺层面排查，而不是贸然上马电源改造。

在预测试结果积极的前提下，再进入 SMPS 现场试装阶段。试装可以采用重新利用原有 50/60 Hz 变压器，仅更换高压电源控制柜的方式，也可以采用整体中频变压器/整流一体化方案或集装箱式高压电源系统。尽管工频变压器的漏感较高，会略微限制闪络后的电流切断速度，但对于多数工况，仍然可以实现明显更平滑的高压输出和更高的电晕功率。通过 1–2 个月的连续运行，结合在线排放、锅炉/窑炉负荷、入口烟温、燃料配比变化等过程信号，利用上位机软件（如 SIPREC ODS）实现远程监控、趋势分析、IV曲线扫描及波形诊断，逐步优化 SMPS 参数和振打策略，使系统在不同负荷和切换工况下趋于稳定[5,6]。

从大量工业案例来看，SMPS 带来的收尘效率提升最显著的区域往往集中在 ESP 进口段电场。原因主要有三点：其一，高浓度粉尘区的空间电荷效应和电晕抑制更强，传统可控硅电源受闪络限制，高压利用率较低，而 SMPS 通过高频控制和快速闪络恢复可以在不显著增加闪络率的前提下提升平均电晕功率；其二，在除尘过程的初始阶段对颗粒进行更充分荷电和捕集，可以显著降低后续电场的负荷，使整体收尘效率呈非线性改善；其三，进口电场的粉尘层结构在高电晕功率下逐渐变得更致密稳定，有利于降低再飞扬和二次扬尘。

这也解释了为何在部分大型 ESP 中，只在首列电场或首个母线段配置 SMPS，而后续电场维持升级后的可控硅电源，就能达到接近全场 SMPS 的排放水平，同时在整体能耗上还可获得收益。研究显示，在一座燃煤电站的四母线 ESP 中，仅对其中一条母线的第一电场更换 SMPS，其余保持先进可控硅电源，通过优化控制后，该母线段的有功功率消耗约为 210 kW，而其它三条使用可控硅的母线段约为 240 kW，整体粉尘排放仍满足更严排放限值[4]。在电价和碳减排约束日益增强的背景下，这类通过“前端加力、后段节能”的组合模式，对大型燃煤机组、炼油锅炉、水泥窑尾 ESP 具有现实吸引力。

在湿式 ESP、塑料极板 ESP 以及高比电阻粉尘工况中，SMPS 的优势表现得更加突出。湿式 ESP 配合可控硅 T/R 时，高压纹波通常较大，以致可用的电晕功率受限；改用高频 SMPS 后，研究中多次记录到电晕功率可提升 2–3 倍，且由于电源具备更快速、更精确的短路和电流限制能力，即便是在塑料集尘极板系统中出现电弧，也能有效抑制热损伤风险[3]。对于水泥、冶金等行业典型的高比电阻粉尘和回击电晕（Back Corona）问题，间歇脉冲供电是普遍采用的手段。SMPS 在这一模式下的优势体现在可独立调节脉冲宽度与脉冲峰值电流，甚至可针对具体工况设计不同的电流波形，以在尽量压缩脉冲时间的同时，提高峰值电压、抑制回击电晕。这对于需要数安培峰值脉冲电流的 ESP 工程尤为关键。

当然，SMPS 并非解决一切问题的“万能钥匙”，研究也清晰划定了其应用边界。当预测试显示，即便在理论可达的高压/电流提升空间内，收尘效率提升趋势仍不明显时，常见根源包括：电极严重偏斜导致局部极距过小、进口或场间导流板缺失导致旁路流严重、气体流速与停留时间远超设计、极排或极板振打失效导致粉尘堆积及电场严重非均匀、壳体或灰斗漏风导致冷风短路及粉尘二次带出等[4]。在这些场景下，若不先解决机械与工艺结构性问题，仅通过更换高压电源往往难以获得预期的减排效果。

对新增 ESP 项目而言，作者建议在以下场景优先考虑 SMPS 作为首选方案：超低排放指标（例如要求低于 10 mg/Nm³）的新建机组；原烟尘浓度极高、粉尘细微且分布宽广的燃煤机组、烧结机和玻璃窑炉尾气；对闪络控制和短路能量极为敏感的湿式 ESP 或塑料极板系统。在改造项目中，则建议采用“混合配置”的思路：对关键电场（通常是进口场和尾场）配置 SMPS，对其余电场采用新一代可控硅电源，同时利用统一的上位机与优化软件进行跨电场协同控制，以在排放达标、安全裕度和能耗之间取得更优平衡。

综合来看，这项来自 Siemens 与 Georg-Simon-Ohm Hochschule 的长期研究并非简单的产品展示，而是一整套围绕静电除尘器电源升级的工程方法论：通过定量预测试锁定潜力、通过试装验证场景适配性、通过控制算法与振打策略协同放大收益，并清晰划定技术适用边界。对于正面临排放标准持续收紧、生产负荷频繁波动的各类工业企业而言，这份基于超过二十年现场数据的经验总结，值得在具体的 ESP 技改方案中被系统地参考和本地化应用。

参考文献
[1] Grass N. Fuzzy Logic-Optimizing IGBT Inverter for Electrostatic Precipitators[C]//Conference Record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference. Phoenix, USA, 1999.
[2] Grass N. Fuzzy-Logik-gesteuerter Spannungs-Zwischenkreis-Umrichter für Elektrofilter[D]. University of Erlangen, Germany, 1997.
[3] Grass N. Application of different types of high voltage supplies on industrial electrostatics precipitators[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2000, 28(5): 1481–1485.
[4] Grass N, Hartmann W, Kloeckner M. Application of different types of high-voltage supplies for electrostatic precipitators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(6).
[5] Steingraeber M, Kloeckner M, Grass N. Mobile HV Test System with IGBT Inverter Technology for Electrostatic Precipitators[C]//Proceedings of ICESP XII.
[6] Hausmann M, Grass N, Piepenbreier B. Power Electronic Modeling & Emulation of an Electrostatic Precipitator[C]//Proceedings of ICESP XII.

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