朱偉明

（中國石化廣州分公司，廣東廣州 510000）

1 概述

電除塵器是廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電、石化、水泥、冶金等行業(yè)去除煙氣中粉塵的主要設(shè)備，目前我國燃煤電站除塵設(shè)備中95%以上仍采用電除塵器，電除塵器供電電源是電站除塵的關(guān)鍵設(shè)備，也是電廠的重要能耗設(shè)備，它的供電方式直接決定了電除塵器的除塵效果。在國家煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格和節(jié)能減排等一系列政策的影響下，繼續(xù)采用傳統(tǒng)的工頻供電方式將無法滿足新形勢下對電除塵器除塵效率和能耗指標(biāo)的要求。

2 電除塵器及其原理

電除塵主要可分為氣體的電離（電暈放電）、粉塵荷電、荷電粉塵的收集以及清理4個過程，其基本原理是在電場加上高壓直流電后電場內(nèi)的陽極板和陰極線之間建立了一個非均勻的高壓靜電場，煙氣從電場內(nèi)陰極線和接地的陽極板之間通過，被強電場電離為正離子和負(fù)電子，煙氣中的粉塵顆粒遇到負(fù)電子而荷電，受電場力作用，向陽極移動，從而被吸附到陽極極板上，最后通過清灰系統(tǒng)將粉塵清除出去。電除塵器工作原理如圖1所示。

圖1 電除塵器工作原理圖

其中電除塵器電源是電除塵裝置中的核心部分，為電除塵器提供所需的高壓電場，其性能直接影響除塵的效果和效率，因此電除塵器電源的改進(jìn)是提升電除塵器性能、提高除塵效率的關(guān)鍵，同時也是節(jié)能降耗的主要環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題

（1）某電站1#、2#煤粉爐配套雙室二電場電除塵器，共4個電場，于1989年投入使用，1臺爐配套2臺1.0A/72kV的高壓硅整流變壓器，配套2臺高壓控制柜、1臺振打控制柜、1臺加熱控制柜。

（2）現(xiàn)場實測1#、2#爐各電場二次電壓及二次電流過低，未能有效收集煙塵，在煙塵收集過程中煙塵過大，影響除塵裝置的除塵效率，增加運行成本。

（3）原高壓硅整流變壓器、高壓控制柜、隔離開關(guān)均為較早期產(chǎn)品，且在控制室內(nèi)，占地多，能耗大，設(shè)備的故障率較高。變壓器至電除塵裝置采用高壓電纜，電纜老化快、絕緣性能降低，打火、擊穿時有發(fā)生，不僅影響生產(chǎn)，且增加維修成本。

（4）系統(tǒng)控制設(shè)備不具備節(jié)能控制和自動調(diào)節(jié)功能，無法遠(yuǎn)程操作、監(jiān)控，電氣設(shè)備不具備集中控制功能。

4 高頻電源基本原理及特點

4.1 傳統(tǒng)電除塵器電源與高頻電源原理對比

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。

圖2 工頻電源及高頻電源工作原理示意圖

高頻電源是把三相工頻電源通過整流形成直流電源，通過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。

4.2 高頻電源的特點

圖3 高頻電源及工頻電源有效區(qū)對比圖

（1）相對于傳統(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，從而增加了電場粉塵的荷電能力。高頻電源在純直流供電方式時，其電壓波動更?。ㄒ话悖?%，而工頻電壓波動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，僅需很短時間（＜25μs，而工頻電源需10000μs）即可檢測到火花發(fā)生并立刻關(guān)閉供電脈沖，因而火花能量很小，電場恢復(fù)快（僅需工頻電源恢復(fù)時間的20%），從而進(jìn)一步提高了電場的平均電壓，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區(qū)對比如圖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)點在于電源工作的最佳點是在火花始發(fā)以下臨界處。

火花放電實質(zhì)上是正、負(fù)離子在電場中發(fā)生碰撞釋放能量的一種現(xiàn)象，它對除塵毫無作用。

在設(shè)計上，高頻電源把電源供電整個過程能夠控制在火花始發(fā)點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，電場電壓恢復(fù)快，損耗小。

常規(guī)工頻電源在整個供電過程中，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掉了。

而高頻電源技術(shù)在處理同等塵源的情況下，電場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比如圖4所示。

圖4 高頻電源及工頻電源供電波形對比圖

（3）高頻電源比工頻電源適應(yīng)性更強，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，可有效抑制反電暈現(xiàn)象，減少二次揚塵，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，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，減少安裝費用。

（5）高頻電源采用三相電源輸入，無缺相損耗，無電網(wǎng)污染，屬于綠色電源，可在工況惡劣的現(xiàn)場環(huán)境使用。

5 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，然后在電場力的作用下被吸附在極板上，實現(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驅(qū)動粒子過程直接相關(guān)，粒子荷電量越大，集塵電場強度越大，粒子向極板運動速度越大，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荷電，計算公式為：

式中：q為粒子的荷電量；qs為粒子的飽和荷電量；t0為荷電時間常數(shù)s；t為粒子進(jìn)入電場荷電的時間；εp為粒子的相對介電系數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)，8.85×10-12 F／m；E0為荷電場強；dp為荷電粒子的直徑，m；N0為電暈場中帶電離子的數(shù)量密度，個／m3；K為波爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23 J/K。

由荷電量計算公式可見，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強。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，對于除塵設(shè)備來說，這是既定條件。荷電空間離子密度取決于電暈放電強度，電暈放電強度取決于電暈區(qū)電場強度，而電暈區(qū)電場強度取決于外加電源提供的外加電壓，因而電暈放電強度取決于外加電壓，荷電空間離子密度取決于外加電壓，荷電場強度也完全取決于外加電壓。

因此，對于既定設(shè)備，荷電量取決于外加電壓大小。外加電壓增大，電暈放電強烈，粉塵塵粒子荷電量增大，荷電速率增加，荷電時間縮短。

粒子荷電后在電場力作用下向極板運動的速度，即驅(qū)進(jìn)速度ω計算公式如下：

式中：Ep為集塵場強，V/m。煙塵粒子的驅(qū)進(jìn)速度與粉塵粒徑、荷電場強和集塵場強相關(guān)，取決于外加電壓。外加電壓越大，荷電場強和集塵場強越大，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，供電電壓便無法再提高，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，電場強度大，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。

圖5 高頻電源和工頻電源輸出電壓波形

高頻電源供電比工頻電源供電除塵效率高的另一個原因，是當(dāng)發(fā)生火花放電時，工頻電源通常要關(guān)閉晶閘管，這樣會導(dǎo)致其導(dǎo)通角相應(yīng)縮小，因此往往在火花放電嚴(yán)重的場合不能輸出大的功率，在電場存在高比電阻粉塵而產(chǎn)生反電暈時，電場的火花將進(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，因為其輸出電壓的頻率是工頻電源的400倍以上，所以當(dāng)發(fā)生火花放電時能夠快速恢復(fù)供電電壓，波動很小，因而除塵效率不會降低。

6 節(jié)能改造的可行性方案與對策

6.1 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1.0A/72kV高頻電源，重新設(shè)計、安裝穿墻套管、隔離開關(guān)柜，在控制室原高壓控制柜內(nèi)設(shè)置4臺開關(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，降低危險。同時降低能耗、提高效率。

6.2 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)升級改造后，能提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性、降低設(shè)備能耗、減少檢修維護成本。降低設(shè)備的磨損，提高設(shè)備性能及使用壽命。

6.3 軟件升級

配套新增1套上位機系統(tǒng)，引入鍋爐負(fù)荷（4～20mA）等信號到主機，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。同時結(jié)合相關(guān)軟件能合理有效的控制各個設(shè)備，改進(jìn)后的系統(tǒng)可以根據(jù)工況變化自動選擇運行方式、自動設(shè)定運行參數(shù)，實現(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內(nèi)部的反電暈現(xiàn)場及有效的達(dá)到節(jié)能的目的。

7 改造后預(yù)期效益分析

7.1 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臺高壓整流變壓器為1.0A/72kV，每臺變壓器容量為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)某電廠實際工程應(yīng)用經(jīng)驗和技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用高頻電源、上位機系統(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)國發(fā)［2012］40號《國務(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）。

可見，使用新型電控技術(shù)加上高頻電源，效益十分顯著，每臺爐每年可節(jié)電超過48萬元。預(yù)計約3年時間節(jié)電費就可以收回投資費用，達(dá)到降低廠用電率以及節(jié)能環(huán)保的目的。

7.2 性能分析

改造后的設(shè)備自動化程度高，運行穩(wěn)定，減少設(shè)備日常維護，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費用、備件費用。

8 結(jié)論

通過上述分析，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)簡單、性能可靠、體積小、功能強、維護成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，除塵效率高，節(jié)能降耗效果顯著，具有工頻電源無法比擬的優(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，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。

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