静电除尘器能耗优化的新思路：从Semipulse到Pulse Ratio智能脉冲

基于GE Power新一代ESP高压控制系统的能耗优化与回击电晕控制实践解读（ICESP 2016, M. Williamsson 等）

关键词
Electrostatic Precipitator, ESP control system, Energy optimization, Smart pulsing, Back corona, Semipulse, Pulse ratio, 工业烟气治理, 超低排放

在“双碳”目标和超低排放背景下，工业静电除尘器（ESP）的关注点，正从“能不能达标”转向“如何低能耗、稳达标”。传统的ESP控制策略以提高二次电压和电流为主，往往在满足排放要求的同时带来较高电耗。针对这一痛点，GE Power Sweden与GE India的研发团队在ICESP 2016上发表的论文“Energy optimization in ESP with advanced control system”，给出了一个围绕智能脉冲控制（Smart pulsing）的系统解决方案，核心在于用更精细的脉冲控制策略——Pulse Ratio，取代传统Semipulse的粗颗粒间歇供电方式，实现ESP的能耗优化（Energy optimization）与回击电晕控制的协同。

本项研究由GE Power Sweden AB和GE India Ltd联合完成，作者包括M. Williamsson、A. Karlsson、N. Dash、P. Ranstad 与 E. Önnerby Pettersson，工作基础是GE最新一代50/60 Hz高压发生与控制平台。团队重点分析了传统间歇供电策略在控制精度和变压器整流器（T/R）磁饱和方面的局限，提出以Pulse Ratio为核心的“智能脉冲”控制算法，并结合EOPT能耗优化和EPOQ回击电晕优化功能，实现对ESP能量输入的精细分配。

在ESP控制领域，间歇供电（Semipulse/Intermittent energization）本身并非新概念，早期做法多是简单通过增大晶闸管（SCR）触发角来降低平均电流。但这种方式同时降低了放电极上有效荷电区的面积，导致收尘效率受限。随着微处理器控制晶闸管在高压电源上的广泛应用，Semipulse模式逐渐发展为“按半周计数”的间歇脉冲：例如1:1充电比（Charging Ratio, CR）表示每个半波都投加，1:3表示只给一个半波供电，之后连续三个半周（即一个半波+一个工频整周期）不供电，1:5则是在一个半波供电后屏蔽两个完整工频周期。由于要避免长时间只导通一只晶闸管而引发T/R饱和，传统CR设定只能使用奇数比（1:1、1:3、1:5……），可选功率台阶变成100%、33.33%、20%、14.92%……如果现场工况需要介于这些台阶之间的能量，只能再辅以小幅调整SCR触发角，控制精度受到明显限制。

GE团队提出的新一代Semipulse方法，不再只对“第几个半波通或断”进行粗略控制，而是引入Pulse Ratio的脉冲序列理念。核心思路是在保证T/R不饱和的前提下，有选择地消除某些成对半周脉冲，通过设计更复杂的脉冲通断模式，显著增加可用能量档位，实现更细小步距的能量控制。与传统CR相比，Pulse Ratio不局限于1:3、1:5这类固定模式，可形成例如“通—断—通—断—断”之类经优化的脉冲组合，提高能量调节的颗粒度，同时保持每次有效脉冲的峰值电压和脉冲电流在理想区间，为除尘过程提供稳定、强力的电场驱动力。

在能耗优化方面，作者提出的EOPT算法充分利用了Pulse Ratio的自由度。论文以典型1 MW装机ESP为例，如果通过优化算法将能耗降低50%，可节省约500 kW电力，相当于每小时少烧0.5吨煤，对应约2吨CO₂减排。从经济角度看，如果这些CO₂要通过现代碳捕集系统处理，其年度成本可能达到70万欧元量级，这凸显出在除尘设备自身侧开展能耗优化，对电厂整体碳成本控制的意义。

在具体控制策略上，EOPT首先允许峰值电压维持在较高水平，通过降低Pulse Ratio（降低脉冲出现频率）来减少平均电功率，而不是靠压低脉冲电流幅值来节电。示波波形表明，在例如93% Pulse Ratio运行时，ESP仍维持较高峰值二次电压和典型的电晕脉冲电流波形，但整体能量输入相比100% Pulse Ratio降低约7%。进一步的方式是引入一定比例的“空载电流”（idle current），比如示例参数中使用约17.7%的空载电流，配合约91.5%的Pulse Ratio，保证在非主工作脉冲期间仍维持一定电压水平，使电晕不完全消失，从而在节能的同时平滑电场变化，维持较好的捕集性能。

为量化不同控制策略对除尘效率的影响，论文引入了Q值作为优化判据。Q是由二次电压u与电晕起始电压u_ref的关系计算得到的综合指标，用于反映在某一脉冲周期内电场利用的“有效程度”。通过对一个脉冲周期内N个采样点的电压数据进行处理，可以得到与除尘效率高度相关的Q值。控制系统在线计算Q值，用它来评估当前Pulse Ratio和脉冲电流设定的优劣，实时寻找能在给定排放约束下实现最低能耗的运行点。

实验室初步测试结果提示，相同总功率条件下，通过降低Pulse Ratio（减少脉冲频次而保持高峰值）进行节能，相比单纯降低脉冲电流幅值，可以获得更高的除尘效率。换言之，如果以满足同一排放浓度为目标，采用Pulse Ratio方式节能，相较于降低脉冲电流的传统策略，可额外实现约20%的能耗下降。这一结论是基于对比不同节能策略下Q值趋势的结果得出的，作者也计划在后续中试和工业装置上开展进一步验证。

除了时间维度上的能量削减，EOPT还在空间维度上对ESP各电场的功率分配进行优化。考虑到含尘烟气在各电场间的粉尘负荷、比电阻和沉降特性不同，算法会优先保障对总排放贡献最大的电场有足够能量输入，并在不影响末端排放的前提下，对中间电场实施更大幅度的节能。论文给出的一个典型分配结果是：首场节能约40%，中间场可节能高达90%，末场再节能约40%。这种“分区差异化节能”的思路，与目前行业中基于CFD和在线监测数据优化电场配置的趋势高度契合，为ESP在复杂工况下的整体能量最优控制提供了技术路径。

回击电晕（Back corona）一直是高比电阻粉尘工况下ESP性能退化的关键因素之一。传统Semipulse技术已经证明在缓解回击电晕上有明显效果，但过去GE控制器在脉冲模式下可用的最大供电比例是1:3（33.3%），从100%直接降到33.3%在许多工况下跨度过大，难以精细权衡“压制回击电晕”和“维持足够场强”之间的平衡。论文通过测试给出了一条“排放—功率”对应曲线，显示在某些低比电阻条件下，采用33.3% Pulse Ratio的间歇供电模式，反而在较低功率下获得了更低排放，说明适度的脉冲间歇有助于改善除尘效率。

引入Pulse Ratio后，控制系统可以使用更小步距调整间歇供电比例，对轻度回击电晕工况尤其有利。为实现自动化控制，作者在新算法中集成了EPOQ（Back corona optimization）功能，通过Q值与电流密度等参数的综合判断，智能选择合适的Pulse Ratio和电晕脉冲电流密度，在线识别并“追踪”最佳工作点。这样不仅减少了对人工经验的依赖，也提高了控制响应速度和稳定性。

值得注意的是，论文提出的EOPT能耗优化与EPOQ回击电晕优化可以同时启用，实现“组合控制”。以文中给出的示例为例：EPOQ首先从回击电晕抑制的角度判断，33.33% Pulse Ratio为当前最佳，随后EOPT在不突破排放上限的前提下，进一步通过降低电流将综合功率降至约25%。示波记录显示，在这一组合设定下，二次侧电压波形保持在接近最佳值，电流脉冲变得更稀疏但形态完整，说明控制系统成功在能耗与排放限制之间找到了一条动态平衡路径。

从行业应用角度看，GE此次工作并非提出一种全新物理机理，而是在现有ESP物理基础之上，通过更强大的微处理器控制和更丰富的脉冲模式，把“间歇供电”这把老工具打磨得更锋利、更可控。对于燃煤电厂、水泥、钢铁以及垃圾焚烧等有静电除尘需求的行业，这一Pulse Ratio智能脉冲+EOPT/EPOQ组合策略，提供了一个值得关注的技术方向：在不进行大规模硬件改造的前提下，通过高压控制系统升级和控制逻辑优化，有望在维持或改善排放水平的同时，显著降低ESP电力消耗和运行碳足迹。

Keywords: Electrostatic Precipitator, ESP control system, Energy optimization, Smart pulsing, Back corona, Semipulse, Pulse ratio, 工业烟气治理, 超低排放

References:
[1] Jacobsson, H., et al. Back-corona control with help of advanced microprocessor enhances performances. In: Proceedings of ICESP VI, Budapest, 1996.
[2] Mauritzson, C., et al. ESP emission reductions with advanced electrode rapping together with novel energizing methods. In: Proceedings of ICESP IX, Mpumalanga, South Africa, 2004.
[3] White, H. J. Electrostatic precipitation. New York: Addison-Wesley; 1963. Library of Congress Catalog Card No. 62-18240.
[4] Porle, K., Francis, S. L., Bradburn, K. Electrostatic precipitators for industrial applications. REHVA; 2005. ISBN 2-9600468-1-1.
[5] Deye, C. S., Layman, C. M. A review of electrostatic precipitator upgrades and SO₂ reduction at Tennessee Valley Authority Johnsonville Fossil Plant. Conference paper No. 52.
[6] Parker, K. R. Applied electrostatic precipitation. London: Blackie Academic & Professional; 1997. ISBN 0-7514-0266-4.

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] Jacobsson, H., et al. Back-corona control with help of advanced microprocessor enhances performances. In: Proceedings of ICESP VI, Budapest, 1996.
[2] Mauritzson, C., et al. ESP emission reductions with advanced electrode rapping together with novel energizing methods. In: Proceedings of ICESP IX, Mpumalanga, South Africa, 2004.
[3] White, H. J. Electrostatic precipitation. New York: Addison-Wesley; 1963. Library of Congress Catalog Card No. 62-18240.
[4] Porle, K., Francis, S. L., Bradburn, K. Electrostatic precipitators for industrial applications. REHVA; 2005. ISBN 2-9600468-1-1.
[5] Deye, C. S., Layman, C. M. A review of electrostatic precipitator upgrades and SO₂ reduction at Tennessee Valley Authority Johnsonville Fossil Plant. Conference paper No. 52.
[6] Parker, K. R. Applied electrostatic precipitation. London: Blackie Academic & Professional; 1997. ISBN 0-7514-0266-4.