静电除尘器节能升级：新型AVC如何同时“控尘+省电”

基于华能北京热电200 MW机组的ZH2005自动电压控制器工业应用研究解读

关键词
Automatic voltage controller; Back corona; ESP upgrading; PM2.5; 烟气治理

近年来，超低排放与能耗双控成为燃煤电厂烟气治理的两条主线。在静电除尘器（ESP）领域，如何在现有设备基础上，通过电源与控制策略升级，实现出口粉尘浓度稳定低于20 mg/Nm³并大幅降低电耗，成为行业共同关注的技术热点。本文解读的研究工作，正是围绕“新型自动电压控制器（AVC）+优化供电方式”这一核心展开，为高比电阻工况下带背晕问题的ESP升级提供了一个可复制的工程范例。

这项研究由华能北京热电有限责任公司、荣华电气有限公司和浙江大学联合完成，第一作者为马金辉，主要研究对象是华能北京热电一台200 MW燃煤锅炉配套的两通道四电场静电除尘器。该ESP已运行约10年，入口含尘浓度约7 g/m³，改造前出口粉尘约50 mg/m³，明显高于发达地区普遍达到的10–20 mg/Nm³排放水平[1]，也无法满足北京市DB11/139-2007中“不高于20 mg/Nm³”的严控要求。作者在此基础上，通过更换新型ZH2005 AVC并系统比较多种供电方式，对ESP节能升级与效率提升进行了为期近一年的工业验证。

从工况与设备条件来看，该静电除尘器极板间距为400 mm，总集尘面积18584 m²，比集尘面积（SCA）约52.19 m²/(m³/s)，烟气在ESP内停留时间约10.43 s，烟气流速约1.15 m/s，温度在112–118 ℃之间，烟气流量约131750 m³/h。配套8台国产T/R变压整流装置，额定输出72 kV/1.2 A。可以看出，从结构和尺度上，这是一台典型的燃煤电厂中大型ESP，其升级经验对大量在役机组具有代表性和借鉴价值。

值得关注的是粉尘粒径与比电阻特性。测试结果显示，沿烟气流向，灰粒平均粒径从入口的18.87 μm逐场减小到末电场的4.87 μm，小粒径PM2.5及细颗粒比例显著上升，这也是目前PM2.5治理与人体健康风险研究高度关注的粒径范围[2–3]。同时，灰分在100–150 ℃范围内呈典型高比电阻特性：在120 ℃时，各电场灰分比电阻从6.2×10¹⁰ Ω·cm逐渐升至4.3×10¹¹ Ω·cm，而在150 ℃时部分电场甚至达到10¹² Ω·cm量级。对于静电除尘器而言，这种高比电阻烟尘极易诱发背晕放电（back corona），导致有效电场降低、粉尘荷电不足、再飞扬加剧，成为制约除尘效率和能效的关键瓶颈[6]。

在电源控制层面，原有8套老式AVC采用以火花率为主控指标的传统控制策略，即通过限制单位时间内的火花放电次数来调节电压和电流。这种策略在普通工况下尚能保证“安全运行”，但在高比电阻、容易发生背晕的工况下，往往被动降低电压以压制火花，其结果是静电场强度不足、电晕电流分布不均、离子密度偏低，直接导致细颗粒荷电不足。同时，末电场在背晕与振打不当的叠加作用下，粉尘再夹带问题突出，出口排放难以进一步压低。

为突破传统火花率控制的局限，研究团队将8台老式AVC整体更换为新型ZH2005自动电压控制器，并配置两台低压控制器和一台上位机监控系统，形成一套完整的ESP电源升级方案。ZH2005的控制思想源自Masuda和Mizuno等学者对不同放电模式下V–I特性的系统研究[9]，核心理念是：在不触发严重背晕和过度火花的前提下，尽量保持“高电压、低电流”的运行状态。通过实时监测各电场电压–电流曲线与放电特征，新型AVC自动避开背晕区，锁定在更有利于粒子荷电和捕集的工作点，实现对电晕放电模式的精细化调控。

为定量评估这一新型AVC在节能与减排方面的综合效果，研究团队设计了多种供电方式对比试验，在相同工况下分别采用火花率限制（传统模式）、简单脉冲（simple pulsing）、间歇供电（I.E.，intermittent energization）以及ZH2005控制模式运行，每种工况稳定运行约两小时，并测量出口粉尘浓度与总电源功率。结果表明，火花率限制模式下，总电源功率在86.3–99.2 kW浮动，出口粉尘浓度为38–46 mg/m³；简单脉冲模式在高电压脉冲加持下，总功率升至269.5 kW，粉尘浓度降至49 mg/m³，相比基准工况减排约22%，但能耗显著上升；间歇供电模式则以较低的60.3 kW功率实现约44 mg/m³的排放，电耗大幅降低却难以满足更严排放要求。

在同样的对比框架下，ZH2005控制模式展现出最佳的“节能–减排平衡”。在总功率约100.2 kW的前提下，出口粉尘浓度降至22 mg/m³，相比传统火花率控制减排幅度可达55%。从工业长期运行数据看，该200 MW机组在采用ZH2005后，一年内可额外捕集粉尘约120吨，节电约440 MWh；论文全文中还给出了使用周期更长时的评估数据，显示能耗可节约约70%，达到1260 MWh/年的量级，验证了新型AVC长期运行的可靠节能潜力。

需要指出的是，ZH2005的优势不仅体现在电源侧的V–I优化上。作者强调，在高比电阻灰分条件下，背晕放电与电除尘振打（rapping）策略存在显著耦合：如果末电场在背晕状态下进行强振打，非常容易造成二次飞扬，直接抬高出口粉尘浓度。因此，本次升级中配套调整了振打逻辑，在新型AVC将运行点稳定控制在非背晕区之后，合理优化末场振打周期和强度，进一步降低细颗粒再夹带。在“高电压、低电流+避开背晕+合理振打”的综合控制下，ESP的整体捕集效率和能效水平得到同步提高。

从行业视角看，这一研究给中国大批在役ESP提供了几条清晰的技术路线启示：其一，在灰分比电阻高、背晕问题普遍的燃煤锅炉烟气工况下，单纯通过增大集尘面积或增加电场数量往往投资巨大且边际收益有限，而通过升级电源及AVC策略，精细管理V–I特性和放电模式，可以在原有设备框架下显著提高性能。其二，节能减排不再是“此消彼长”的单目标优化，通过高性能AVC配合间歇供电、简单脉冲等多种方式的组合与切换，有可能同时实现低于20 mg/Nm³的粉尘排放和超过60%–70%的电耗节约，这对于电价波动与环保约束双重压力下的电厂具有重要的经济意义。其三，PM2.5和超细颗粒控制越来越成为排放达标的隐性底线，传统以总粉尘质量浓度为考核指标的思路需要向“粒径谱+健康风险”相结合的方向演进，相应地，ESP控制策略也必然需要更多关注细颗粒荷电效率与末电场的再飞扬控制。

综合来看，华能北京热电–荣华电气–浙江大学联合开展的这项ZH2005 AV​​C工业应用研究表明：在四电场或五电场结构的静电除尘器上，通过抑制背晕、优化V–I运行点并合理控制振打，可以在不大幅改造本体的前提下，将出口粉尘排放稳定压低至20 mg/Nm³甚至更低，同时取得显著的能源节约效果。随着中国燃煤电厂大规模超低排放改造接近尾声，类似这种以“智能电源+运行优化”为核心的静电除尘器节能升级路径，极有可能成为新一轮精细化改造和存量设备效能提升的主流方向。

Keywords: Automatic voltage controller, Back corona, ESP upgrading, PM2.5, 烟气治理

参考文献
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[3] Adgate J L, Mongin S J, Pratt G C, Zhang J, Field M P, Ramachandran G, Sexton K. Relationships between personal, indoor, and outdoor exposures to trace elements in PM2.5[J]. Science of the Total Environment, 2007, 386(1–3): 21–32.
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[5] Podlinski J, Kocik M, Barbucha R, Niewulis A, Mizeraczyk J, Mizuno A. 3D PIV measurements of the EHD flow patterns in a narrow electrostatic precipitator with wire-plate or wire-flocking electrodes[J]. Czechoslovak Journal of Physics, 2006, 56(Suppl B): B1009–B1016.
[6] Podliński J, Dekowski J, Mizeraczyk J, Brocilo D, Chang J S. Electrohydrodynamic gas flow in a positive polarity wire-plate electrostatic precipitator and the related dust particle collection efficiency[J]. Journal of Electrostatics, 2006, 64(4): 259–262.
[7] Ma J H, Yao Y W. Effect analysis of energy saving and emission reduction after retrofit of high and low voltage control systems of electrostatic precipitator in thermal power plant[J]. Electrical Equipment, 2008, 9(5): 36–39. (in Chinese)
[8] Zhang B, Wang R, Yan K. Industrial applications of three-phase T/R for upgrading ESP performance[C]//Proceedings of the 11th International Conference on Electrostatic Precipitation. Hangzhou, China, 2008.
[9] Masuda S, Mizuno A. Initiation condition and mode of back discharge[J]. Journal of Electrostatics, 1977, 4(1): 35–52.

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