電站電除塵系統(tǒng)節(jié)能改造范文
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《電氣傳動(dòng)自動(dòng)化雜志》2014年第三期
1高頻電源基本原理及特點(diǎn)
1.1傳統(tǒng)電除塵器電源與高頻電源原理對(duì)比目前傳統(tǒng)的電除塵器普遍采用工頻可控硅電源供電。其電路結(jié)構(gòu)是兩相工頻電源經(jīng)過(guò)可控硅移相控制幅度后送整流變壓器升壓整流后形成100Hz的脈沖電流送除塵器。高頻電源是把三相工頻電源通過(guò)整流形成直流電源，通過(guò)逆變形成高頻交流電，再經(jīng)整流變壓器升壓整流后形成高頻脈沖電流送除塵器，脈沖頻率可達(dá)20kHz～50kHz，甚至達(dá)50kHz～200kHz的超高頻。工頻電源及高頻電源工作原理如圖2所示。
1.2高頻電源的特點(diǎn)（1）相對(duì)于傳統(tǒng)工頻電源，在電源設(shè)備本身電能轉(zhuǎn)換效率上，高頻電源節(jié)能幅度最高可達(dá)90％以上，工頻電源只有70％左右。與工頻電源相比，高頻電源可增大電暈功率，從而增加了電場(chǎng)粉塵的荷電能力。高頻電源在純直流供電方式時(shí)，其電壓波動(dòng)更?。ㄒ话悖?％，而工頻電壓波動(dòng)35％～45％），電暈電壓更高（可達(dá)到工頻電源二次電壓的130％），電暈電流更大（峰值電流是工頻電源二次電流的200％）。高頻電源的火花控制特性好，僅需很短時(shí)間（＜25μs，而工頻電源需10000μs）即可檢測(cè)到火花發(fā)生并立刻關(guān)閉供電脈沖，因而火花能量很小，電場(chǎng)恢復(fù)快（僅需工頻電源恢復(fù)時(shí)間的20％），從而進(jìn)一步提高了電場(chǎng)的平均電壓，提高除塵效率，和工頻電源相比，在同等條件下可提高除塵效率達(dá)40％～70％。高頻電源及工頻電源工作有效對(duì)比如圖3所示。（2）相比工頻電源不同，高頻電源采用的是軟特性的穩(wěn)定直流電源，其優(yōu)點(diǎn)在于電源工作的最佳點(diǎn)是在火花始發(fā)以下臨界處?；鸹ǚ烹妼?shí)質(zhì)上是正、負(fù)離子在電場(chǎng)中發(fā)生碰撞釋放能量的一種現(xiàn)象，它對(duì)除塵毫無(wú)作用。在設(shè)計(jì)上，高頻電源把電源供電整個(gè)過(guò)程能夠控制在火花始發(fā)點(diǎn)以下的電暈放電狀態(tài)，不讓其進(jìn)入火花放電狀態(tài)，基本不產(chǎn)生火花，即使產(chǎn)生火花，也可以在＜25μs內(nèi)自行關(guān)斷，電場(chǎng)電壓恢復(fù)快，損耗小。常規(guī)工頻電源在整個(gè)供電過(guò)程中，包含了火花放電和電暈放電，火花多而耗能大，一旦產(chǎn)生火花要10000μs內(nèi)才能關(guān)斷，并且絕大部分能量都在屬于火花放電被浪費(fèi)掉了。而高頻電源技術(shù)在處理同等塵源的情況下，電場(chǎng)耗能一般為工頻電源除塵器的10％，所以高頻電源可以節(jié)能省電。高頻電源及工頻電源供電波形對(duì)比如圖4所示。（3）高頻電源比工頻電源適應(yīng)性更強(qiáng)，具有先進(jìn)的控制策略、多種控制模式、適應(yīng)各種工況。高頻電源的供電電流由一系列窄脈沖構(gòu)成，具有更寬的脈沖寬度和脈沖頻率，更陡峭的電壓上升率，可以給電除塵器提供各種電壓波形，控制方式靈活，因而可以根據(jù)電除塵器的工況提供最合適的電壓波形。間歇供電時(shí)，可有效抑制反電暈現(xiàn)象，少二次揚(yáng)塵，特別適用于高比電阻粉塵工況。高低壓一體化控制，斷電振打及減功率振打功能可有效提高除塵效率。（4）高頻電源體積小、重量輕，高頻電源的配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高頻整流變壓器為一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總重量只有工頻電源的1/4，可安裝于除塵器頂部，不占用控制室空間，該結(jié)構(gòu)有助于節(jié)省控制室土建成本，節(jié)省控制柜與變壓器相連的控制電纜，減少安裝費(fèi)用。（5）高頻電源采用三相電源輸入，無(wú)缺相損耗，無(wú)電網(wǎng)污染，屬于綠色電源，可在工況惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用。
2高頻電源供電提高電除塵效率分析
如前所述，電除塵器利用高壓電暈放電使粉塵荷電，然后在電場(chǎng)力的作用下被吸附在極板上，實(shí)現(xiàn)粉塵粒子和煙氣的分離。因而電除塵效率與粒子荷電和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)粒子過(guò)程直接相關(guān)，粒子荷電量越大，集塵電場(chǎng)強(qiáng)度越大，粒子向極板運(yùn)動(dòng)速度越大，除塵效率越高。在燃煤鍋爐粉塵粒度范圍內(nèi)，粒子荷電主要為電場(chǎng)荷電，計(jì)算公式為：式中：q為粒子的荷電量；qs為粒子的飽和荷電量；t0為荷電時(shí)間常數(shù)s；t為粒子進(jìn)入電場(chǎng)荷電的時(shí)間；εp為粒子的相對(duì)介電系數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，8.85×10-12F／m；E0為荷電場(chǎng)強(qiáng)；dp為荷電粒子的直徑，m；N0為電暈場(chǎng)中帶電離子的數(shù)量密度，個(gè)／m3；K為波爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K。由荷電量計(jì)算公式可見(jiàn)，粒子荷電量取決于粉塵粒子的粒度、介電性質(zhì)、煙氣特性、荷電空間離子密度和荷電場(chǎng)強(qiáng)。煙氣特性、粉塵粒子的粒度和介電性質(zhì)由煤種和燃燒工況決定，對(duì)于除塵設(shè)備來(lái)說(shuō)，這是既定條件。荷電空間離子密度取決于電暈放電強(qiáng)度，電暈放電強(qiáng)度取決于電暈區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度，而電暈區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度取決于外加電源提供的外加電壓，因而電暈放電強(qiáng)度取決于外加電壓，荷電空間離子密度取決于外加電壓，荷電場(chǎng)強(qiáng)度也完全取決于外加電壓。因此，對(duì)于既定設(shè)備，荷電量取決于外加電壓大小。外加電壓增大，電暈放電強(qiáng)烈，粉塵塵粒子荷電量增大，荷電速率增加，荷電時(shí)間縮短。粒子荷電后在電場(chǎng)力作用下向極板運(yùn)動(dòng)的速度，即驅(qū)進(jìn)速度ω計(jì)算公式如下。式中：Ep為集塵場(chǎng)強(qiáng)，V/m。煙塵粒子的驅(qū)進(jìn)速度與粉塵粒徑、荷電場(chǎng)強(qiáng)和集塵場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)，取決于外加電壓。外加電壓越大，荷電場(chǎng)強(qiáng)和集塵場(chǎng)強(qiáng)越大，驅(qū)進(jìn)速度越大，因而除塵效率越高。高頻電源和工頻電源向電除塵器供電電壓波形對(duì)比如圖5所示。工頻電源將50Hz交流電升壓整流輸出，形成100Hz脈沖直流負(fù)高壓，供電電壓波動(dòng)比較大，電壓峰值比電壓均值高30％左右，當(dāng)電壓峰值達(dá)到擊穿電壓時(shí)，供電電壓便無(wú)法再提高，因而電源供電的二次電壓顯示值（均值）低于擊穿電壓。高頻電源先將三相交流電整流為直流，再逆變?yōu)楦哳l交流，頻率20～50kHz，然后升壓再整流為直流輸出。高頻高壓開(kāi)關(guān)電源的頻率是工頻電源的400～1000倍，所以輸出到電除塵器上的電壓幾乎是恒穩(wěn)的純直流電源，供電電壓波動(dòng)很小，因此電源輸出電壓始終是臨近火花擊穿電壓，相當(dāng)于工頻電源輸出電壓的峰值，因而供電電壓高于工頻電源，電暈電流大，電場(chǎng)強(qiáng)度大，粒子荷電量高，驅(qū)進(jìn)速度大，除塵效率就高。高頻電源能提高供電電壓并不是提高了電場(chǎng)的擊穿電壓，而是電源供電電壓始終是普通工頻電源供電電壓的峰值，不像常規(guī)電源那樣周期性的脈沖下降，這與脈沖供電依靠窄脈沖提高擊穿電壓不同。高頻電源供電比工頻電源供電除塵效率高的另一個(gè)原因，是當(dāng)發(fā)生火花放電時(shí)，工頻電源通常要關(guān)閉晶閘管，這樣會(huì)導(dǎo)致其導(dǎo)通角相應(yīng)縮小，因此往往在火花放電嚴(yán)重的場(chǎng)合不能輸出大的功率，在電場(chǎng)存在高比電阻粉塵而產(chǎn)生反電暈時(shí)，電場(chǎng)的火花將進(jìn)一步增大，這將導(dǎo)致輸出功率的急劇下降，這就是一般電除塵器經(jīng)常發(fā)生的情況。有時(shí)甚至?xí)陆档綆资甿A，嚴(yán)重影響收塵效率。而高頻電源的情況則不同，因?yàn)槠漭敵鲭妷旱念l率是工頻電源的400倍以上，所以當(dāng)發(fā)生火花放電時(shí)能夠快速恢復(fù)供電電壓，波動(dòng)很小，因而除塵效率不會(huì)降低。
3.1高壓設(shè)備改造將傳統(tǒng)的工頻可控硅電源改造為新型的高頻電源，在電除塵頂部安裝就位4臺(tái)1.0A/72kV高頻電源，重新設(shè)計(jì)、安裝穿墻套管、隔離開(kāi)關(guān)柜，在控制室原高壓控制柜內(nèi)設(shè)置4臺(tái)開(kāi)關(guān)引電源給高頻電源，直接敷設(shè)一次400v低壓電纜到頂部的高頻電源。減少高壓電纜，減少設(shè)備維護(hù)，降低危險(xiǎn)。同時(shí)降低能耗、提高效率。
3.2低壓設(shè)備改造更換并重新布置低壓控制柜，集中控制所有低壓設(shè)備。低壓控制系統(tǒng)升級(jí)改造后，能提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、降低設(shè)備能耗、減少檢修維護(hù)成本。降低設(shè)備的磨損，提高設(shè)備性能及使用壽命。
3.3軟件升級(jí)配套新增1套上位機(jī)系統(tǒng)，引入鍋爐負(fù)荷（4～20mA）等信號(hào)到主機(jī)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。同時(shí)結(jié)合相關(guān)軟件能合理有效的控制各個(gè)設(shè)備，改進(jìn)后的系統(tǒng)可以根據(jù)工況變化自動(dòng)選擇運(yùn)行方式、自動(dòng)設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化控制，能合理的調(diào)整間歇供電脈沖比，間歇脈沖供電能克服電場(chǎng)內(nèi)部的反電暈現(xiàn)場(chǎng)及有效的達(dá)到節(jié)能的目的。
4改造后預(yù)期效益分析
4.1節(jié)能分析在同等工況條件下，改造后預(yù)期節(jié)能降耗。原4臺(tái)高壓整流變壓器為1.0A/72kV，每臺(tái)變壓器容量為103kVA，功率因素為0.65，則日均耗電量約為P=4×103KVA×0.65×24h=6427.2kW•h，每年（按300天）的電量約為：P1=6427.2×300=1928160kW•h。根據(jù)某電廠實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用高頻電源、上位機(jī)系統(tǒng)，配合減功率振打技術(shù)及相關(guān)節(jié)能軟件，至少節(jié)能可達(dá)50%以上。按節(jié)能率50％進(jìn)行估算，年節(jié)電功率0.5×1928160kW•h=964080kW•h按每度電0.5元估算，每年可省964080kW•h×0.5元/kW•h=480240元。折合年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤321.36噸，減少二氧化碳排放739.13噸，減少二氧化硫2.73頓，減少氮氧化物2.38噸。（根據(jù)國(guó)發(fā)［2012］40號(hào)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃的通知》確定發(fā)電量與標(biāo)準(zhǔn)煤的比值）?？梢?jiàn)，使用新型電控技術(shù)加上高頻電源，效益十分顯著，每臺(tái)爐每年可節(jié)電超過(guò)48萬(wàn)元。預(yù)計(jì)約3年時(shí)間節(jié)電費(fèi)就可以收回投資費(fèi)用，達(dá)到降低廠用電率以及節(jié)能環(huán)保的目的。
4.2性能分析改造后的設(shè)備自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，減少設(shè)備日常維護(hù)，減少設(shè)備的磨損，提高設(shè)備的使用壽命，則即可降低每年的維護(hù)費(fèi)用、備件費(fèi)用。
5結(jié)論
通過(guò)上述分析，電除塵器采用高頻電源技術(shù)是一種先進(jìn)的節(jié)能節(jié)電技術(shù)，與傳統(tǒng)工頻電源技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、體積小、功能強(qiáng)、維護(hù)成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，除塵效率高，節(jié)能降耗效果顯著，具有工頻電源無(wú)法比擬的優(yōu)越性，在火力發(fā)電廠電除塵器系統(tǒng)設(shè)備具有較廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)，它也是傳統(tǒng)可控硅電源革命性的更新?lián)Q代產(chǎn)品，為電除塵器的電源供電提供了一種新的選擇。
作者：朱偉明單位：中國(guó)石化廣州分公司
