老电除尘器的“续命术”：高频电源改造应对高比电阻飞灰

基于 Alstom 澳大利亚项目的 ESP 升级实践与效果评估

关键词
Electrostatic Precipitator, high-frequency power supply, Switched Integrated Rectifier, high resistivity fly ash, SO3 conditioning, 工业烟气治理, 静电除尘改造

燃煤电站仍然是火电行业中静电除尘器（ESP）的最大用户之一，但随着超低排放和高比电阻煤/灰工况的普及，大量上世纪建设的老旧 ESP 正面临“先天尺寸不足、后天指标变严”的双重压力。如何在锅炉、烟道和厂区布局都几乎无法大改的前提下，通过有限投资实现显著减排，就成为当前工业烟气治理领域的现实痛点。

来自 Alstom Limited Australia 的 Debasish Chakrabarti 以澳大利亚东海岸一座 500 MW 机组为对象，对典型高比电阻燃煤工况下老旧 ESP 的性能瓶颈进行了系统梳理，并重点评估了采用高频电源（Switched Integrated Rectifier，SIR）与半脉冲控制系统对除尘效率的提升效果。这一研究为“用电控改造替代大拆大建”提供了具有代表性的工程样本。

该机组配套的是典型的粉煤炉烟气治理系统，每台锅炉配置 4 套 ESP，单台 ESP 顺流设置 6 个电场。前 5 场场长 2.8–3.6 m，极板间距 250 mm，第 6 场为后加长电场，场长 3.75 m、板距 400 mm。按照原始设计，ESP 在入口粉尘浓度 25 g/Nm³、烟气温度 130 ℃ 时，目标除尘效率为 99.28%，折算排放约 180 mg/Nm³。配置方面，1–5 场采用 60 kV / 800 mA 变压整流装置（TR），第 6 场为 95 kV / 800 mA。

随着机组运行年限增加以及煤质变化，实际工况早已偏离设计条件。最新的等速采样测试显示，500 MW 等效负荷下 4 个烟道的实际烟气流量均明显高于设计（部分烟道达到 252–265 m³/s），烟温上升到 150–168 ℃，而 ESP 出口通过不透光度换算的颗粒物排放水平则维持在 235–250 mg/Nm³，远高于当今主流燃煤电站的环保指标。煤质和灰成分分析表明，该电站所用煤炭挥发分不高、硫含量较低（S 质量分数约 0.69%），灰成分以 SiO₂ 和 Al₂O₃ 为主，高比电阻飞灰特征明显，这为静电除尘器带来了典型的反电晕风险。

针对高比电阻问题，电站在 1990 年代中后期已进行过一轮“软改造”：一方面将原有常规高压控制器整体升级为 EPIC II 半脉冲控制系统；另一方面增设 SO₃ 喷射系统以人为降低飞灰比电阻。然而多年运行表明，仅靠传统半脉冲调节和 SO₃ 调质，在场强不足、空间电荷增强的条件下依旧难以将排放稳定压低。2010 年，Alstom 对该 ESP 进行了更深入的电气特性分析，通过空气负荷与粉尘负荷条件下的 V–I 曲线，对各电场的放电状态和约束因素做了细致比对。

从空气负荷测试看，低电流段的电压读数波动较大，难以形成可靠的 I–V 曲线，研究团队据此认为在小于 10 mA 的区域数据参考意义有限。从各电场对比来看，第 6 场因极板间距更大，所需的放电起晕电压理应更高，但除第 6 场外，其余电场之间在相同电流密度下电压差异较大，指向潜在的气流分布、极线状态或积灰不均等机械和工况问题。值得注意的是，随着锅炉负荷和粉尘浓度提升，ESP 各场电压通常会有所上升，这与尘层增厚、空间电荷变化及粉尘粒径分布细化有关，进一步增加了运行调优的复杂性。

粉尘负荷下的电气数据更清晰地暴露了问题根源。前两场电场运行明显受火花放电限制，表现为电压上不去、电流和功率输入偏低，典型的一场“吃不饱”状态；而 3–6 场则普遍呈现反电晕特征，即在高比电阻飞灰沉积形成的尘层中产生局部击穿，使有效场强降低并诱发高频火花。结合 SO₃ 投加情况推断，要么 SO₃ 投加量不足，要么该煤灰体系中 SO₃ 降低比电阻的效率有限，难以从根本上消除尘层反电晕。研究团队强调，在这样的工况下，需要通过更精细的 ESP 控制优化和半脉冲参数整定，在“保证瞬时放电强度”和“压低平均电流密度以抑制反电晕”之间找到平衡点。

在此背景下，Alstom 与 Delta 公司决定进行一次更具针对性的高频电源改造试验：选取最具代表性的 A、D 两烟道的第一电场，将原 60 kV / 800 mA 常规变压整流装置替换为 60 kV / 1000 mA 额定的 SIR 高频电源，并保持后续电场 EPIC II 半脉冲控制模式不变。SIR 采用 23–50 kHz 高频开关变换，将 50 Hz 工频输入变为纹波极小的高压直流，理论上可以显著提高在火花受限工况下的可用电晕功率，同时依靠快速反馈控制，使电压始终运行在接近火花极限的最优点附近。

改造前后，同一机组在不同负荷下的电气参数和排放表现为对比分析提供了有力依据。在 A1 电场，采用常规 TR 时，机组平均负荷约 350 MW，电场二次电压约 30 kV（峰值 33 kV），平均电流约 130 mA，火花频率约 10 次/min，对应的单道不透光度在 20% 左右。改造为 SIR 后，在平均负荷提升到 480 MW 的情况下，同电场运行电压提高到约 39 kV（峰值 43 kV），电流提升到 180 mA 左右，火花频次增加到约 40 次/min，但对应的烟道不透光度依旧维持在约 20%。从定量效果来看，该电场可输入功率增加超过三分之一，而在更高锅炉负荷下整体排放水平并未恶化，表明 ESP 实际收集效率得到明显改善。

横向比较同一时刻四个烟道的运行数据也印证了这一结论：在 A、D 两道第一场采用 SIR，而 B、C 仍使用工频 TR 的条件下，A、D 烟道的不透光度读数整体低于 B、C。考虑到实际烟气分配、烟温略有差异，这一趋势仍具有工程意义，说明在高比电阻煤灰和老旧电场几何条件不可变的前提下，通过高频电源提升前场电晕功率，是一种行之有效且投资相对可控的减排手段。

从机理上看，常规工频 TR 输出的是叠加有约 30–40% 峰峰值纹波的高压直流电，而 SIR 的输出纹波可以忽略不计，kV 有效值、峰值和谷值近乎一致。在典型火花受限工况下，高频电源可在不提高火花电压的前提下向 ESP 注入 2–3 倍的电晕功率；同时，其快速控制能力使电压可以在火花发生后瞬间跌落并快速恢复，大幅缩短单次火花对集尘的“停顿”时间。对于电晕线悬挂松动、电场内局部缺陷较多的老旧 ESP，SIR 还可以通过调整 kV 或 mA 限值，将运行点控制在略低于火花极限的安全区间，在不触发频繁放电的同时，保持远高于常规 TR 的电场功率输入。

结合反电晕特性，高比电阻飞灰下的前场往往因为颗粒粗、荷电初始条件差而“吃不进”足够功率，导致绝大部分粉尘被迫推向中后场，从而放大了尘层电阻和反电晕风险。研究团队在总结经验时提出，对于煤粉炉后第一电场，“多吃一点总是有益的”，即便通过 SIR 将输入功率提高到接近或略触及反电晕区间，其整体减排收益仍显著优于“功率不足”的状态。该项目中，后 5 场继续采用 EPIC II 半脉冲调制（2 场至 6 场分别为 1:1、1:1、1:3、1:5、1:7 占空比），前场则通过 SIR 持续提升稳定场强，两种技术路径形成互补，有效兼顾了高效荷电和抑制尘层反电晕两大关键目标。

需要指出的是，文中展示的改造效果仍是在未深入精细整定的“初始参数”条件下获得的。作者判断，随着后续对 SIR 控制策略和半脉冲参数的进一步优化，以及与 SO₃ 调质系统的联动调节，ESP 的排放水平还有进一步下降的潜力。这一案例的现实意义在于：对于空间局促、难以新增电场或改造为袋滤器的老旧燃煤电站，依托高频电源、智能控制和在线优化，完全有可能在不中断生产或仅靠短暂停机的前提下，使颗粒物排放重回合规甚至更优水平。

综上，Alstom 的研究表明，在高比电阻煤/灰及 SO₃ 调质工况下，高频 SIR 电源可以显著改善老旧 ESP 的整体效率，不仅有助于达标排放，也提高了电除尘系统对内部机械缺陷的“容错度”。与大规模更换电场、整体改造为布袋除尘等方案相比，高频电源改造属于典型的“轻量级升级”，投资强度低、可在 ESP 外部实施、无需长时间停机，对于当前正面临超低排放改造压力的电力与工业企业，具有较高的性价比和推广价值。

参考文献
[1] Chakrabarti D. Challenges for old ESP upgrades at utility with high resistive coal/ash[C]//International Conference on Electrostatic Precipitation. Alstom Limited Australia.
[2] Kirsten M, Karlsson A. Economical aspects of energising electrostatic precipitators with high-frequency switched power supplies[C]//Proceedings of ICESP X. Australia, 2006.
[3] Mauritzson C, Kirsten M, Karlsson A. ESP emission reductions with advanced electrode rapping together with novel energizing methods[C]//Proceedings of ICESP IX. South Africa, 2004.
[4] Ranstad P, Mauritzson C, Kirsten M, Ridgeway R. On experiences of the application of high-frequency power converters for ESP energisation[C]//ICESP IX. South Africa, 2004.
[5] Ranstad P, Porle K. High frequency power conversion: a technique for ESP energisation[C]//EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particulate Air Pollutants. Toronto, 1995.

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