靜電除塵器軟穩(wěn)電源的工作原理和改造研究

吳福雨

(鶴壁同力發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 鶴壁 458000)

靜電除塵器軟穩(wěn)電源的工作原理和改造研究

吳福雨

(鶴壁同力發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 鶴壁 458000)

概述了某電廠靜電除塵器高壓電源存在的問題，介紹了除塵器軟穩(wěn)電源的工作原理和減排原理，分析其與傳統(tǒng)工頻整流電源的差異，提出了將除塵器高壓電源由傳統(tǒng)工頻整流電源改為三相軟穩(wěn)電源、更換除塵自動監(jiān)控系統(tǒng)的改造方案，以提高除塵效率和降低電源能耗。

除塵器；軟穩(wěn)電源；工頻整流電源；改造

0 前言

為了對火電廠的大氣污染物排放進行嚴格控制，我國于2012-01-01發(fā)布實施了新版GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，要求自2014-07-01起，現(xiàn)有火電廠煙囪入口粉塵排放濃度由50 mg/Nm3降至30 mg/Nm3以下；根據(jù)最新文件，要求再降至5 mg/Nm3以下，以實現(xiàn)燃煤機組煙氣超低排放，并做到在線實時監(jiān)視可追溯。

1 除塵器傳統(tǒng)工頻電源存在的問題

某公司2×300 MW機組靜電除塵器高壓電源采用傳統(tǒng)的工頻整流電源，存在除塵效率低、能耗高且不能滿足最新排放標準要求等問題。為落實國家煤電節(jié)能減排和環(huán)保要求，現(xiàn)決定對該除塵器實施高效電源改造。

2 除塵器軟穩(wěn)電源的工作原理

目前，除塵器高效電源主要有4種類型：三相工頻電源、高頻電源、脈沖電源和軟穩(wěn)電源。通過對多家燃煤電廠除塵器電源改造情況的考察和調(diào)研，并對市場上現(xiàn)有除塵器高效電源的減排能力、節(jié)電性能、銷售價格和后期運維成本的比對，該公司決定選用三相軟穩(wěn)電源作為除塵器高效電源。

2.1 軟穩(wěn)電源的特性及功能

軟穩(wěn)電源是軟特性、準穩(wěn)定直流電源的簡稱?！败洝笔侵鸽娫葱再|(zhì)屬于軟特性，即電源輸出電壓、電流隨負載大小的變化而變化，它是針對常規(guī)電源的硬特性來說的。“穩(wěn)”是指電源波形是一條穩(wěn)定的直線，即電源輸出穩(wěn)定的直流，它是針對常規(guī)電源的脈動性來說的。

軟穩(wěn)電源采用工頻三相電源供電，經(jīng)過濾波整流、電壓調(diào)整、高頻逆變、閃絡(luò)控制等環(huán)節(jié)，為電場提供可靠的、始終處于火花臨界處的輸出電壓，以減少火花電壓造成的能量損失，解決無法連續(xù)供電的弊端，可大幅提高輸入電壓的有效利用率，從而改善除塵效果。軟穩(wěn)電源功能如圖1所示。

2.2 軟穩(wěn)電源的工作原理

工頻三相輸入電壓經(jīng)過可控整流，根據(jù)上位機記憶的控制配方調(diào)整輸出電壓，再經(jīng)過高頻逆變并升壓。在升壓過程中，根據(jù)輸入的電場粉塵濃度、溫度、負荷等信號調(diào)整線圈耦合程度，進一步調(diào)整適合電場的輸出二次電壓，使二次電壓穩(wěn)定輸出在火花電壓的臨界值以下，并根據(jù)實際使用情況調(diào)整電暈電流。軟穩(wěn)電源的工作原理如圖2所示。

3 軟穩(wěn)電源的減排節(jié)能原理

軟穩(wěn)電源工作電壓最佳點是在火花始發(fā)點以下的臨界處，整個過程都沒有火花放電的產(chǎn)生。和常規(guī)工頻電源相比，軟穩(wěn)電源不僅消除了肉眼看得見的火花放電，也消除了肉眼看不見的超出火花放電。

圖1 軟穩(wěn)電源功能示意

圖2 軟穩(wěn)電源的工作原理

軟穩(wěn)電源電壓U穩(wěn)和常規(guī)電源電壓U常的輸出特性如圖3所示。U穩(wěn)是平行于時間軸的一條直線，可平移至火花始發(fā)點Uf的臨界處，整個周期內(nèi)都是高效的。常規(guī)電源是脈動的，U常的高效只是a，b，c，d 4個點，遠離Uf的部分低效，超過a，b，c，d 4個點的部分無效。

圖3 軟穩(wěn)電源和常規(guī)電源電源輸出示意

如果火花始發(fā)點以下臨界處是最佳點的極限值，那么常規(guī)電源最佳點的極限值只是峰值a，b， c，d 4個點，其有效值Uy則是此極限值的1/；軟穩(wěn)電源工作電壓的最佳點是火花始發(fā)點以下臨界處、平行時間軸的一條直線，每時每刻都等于常規(guī)電源電壓最佳點的極限值，即為常規(guī)電源有效值的倍，即U穩(wěn)=Uy。

由于粉塵有效驅(qū)進速度ω與兩極間電壓U有下列關(guān)系：

在式(1)中，K是常數(shù)，有效驅(qū)進速度ω與兩極間的電壓U的平方成正比。

軟穩(wěn)電源的粉塵有效驅(qū)進速度ω穩(wěn)=KU2穩(wěn)

因此，2種電源都處于最佳點的極限值時，軟穩(wěn)電源有效驅(qū)進速度是常規(guī)電源有效驅(qū)進速度的2倍。根據(jù)除塵效率多依奇公式η=1-e-Aω/Q可以看出：一級軟穩(wěn)電源供電能等于二級常規(guī)電源供電的除塵效果，這就是軟穩(wěn)電源替代常規(guī)工頻電源向除塵器供電能夠減排的原理。

4 傳統(tǒng)工頻整流電源與高效軟穩(wěn)電源比對

4.1 除塵器供電的高壓電源的技術(shù)路線

4.1.1 采用傳統(tǒng)工頻整流電源

采用傳統(tǒng)工頻整流電源時，除塵器供電的高壓電源的技術(shù)路線是：將工頻兩相380 V通過鐵芯變壓器直接一次升壓至幾萬V，再經(jīng)過整流成為硬特性的脈動直流，輸出到靜電除塵器本體陰極線。其主要特點有2個：(1) 電源的性能屬于硬特性；(2)電源的波形屬于脈動性。

硬特性是指由于傳統(tǒng)工頻電源內(nèi)阻較小，其輸出電壓不隨著電場內(nèi)部負載變化而自動變化。

4.1.2 采用高效軟穩(wěn)電源

采用高效軟穩(wěn)電源時，除塵器供電的高壓電源的技術(shù)路線是：將工頻三相380 V經(jīng)過整流濾波成為540 V直流電源(電抗器濾波、可控硅整流)，經(jīng)IGBT高頻開關(guān)全橋逆變成兩相高頻交變電流，再通過整流變整流后形成穩(wěn)定直流，輸出到靜電除塵器本體。其主要特點是：直流電源性質(zhì)屬于軟特性，電源的波形是一條穩(wěn)定的直線。

軟特性是指軟穩(wěn)電源輸出的電壓能隨電場內(nèi)部負載變化而自動變化。

4.2 2種電源的供電特點及除塵效率

4.2.1 供電特點

傳統(tǒng)工頻整流電源采用火花整定運行方式，以火花電壓為基礎(chǔ)，當檢測到有火花時就會自動停止供電，待火花消除后快速恢復(fù)供電，電源間斷工作，即傳統(tǒng)工頻電源在停電時沒有向電場提供荷電所需場強，除塵能力此時近乎為0。傳統(tǒng)電源有火花放電且電源特性屬于硬特性，其輸出電壓不隨著電場內(nèi)部負載變化而自行調(diào)整，不具備適應(yīng)環(huán)境變化的能力，除塵效率低。

4.2.2 除塵效率

火花放電的實質(zhì)是正電荷和負電荷在電場中間發(fā)生碰撞，通過光和熱釋放能量的物理現(xiàn)象，并沒有把電荷附給粉塵，對除塵沒起到正面作用。

高效軟穩(wěn)電源始終工作在火花始發(fā)點電壓以下的臨界處，不進入火花放電區(qū)域，不產(chǎn)生火花放電，因而消除了火花放電帶來的巨大能量損失。軟穩(wěn)電源輸出的電壓、電流能隨電場負載變化自動跟蹤調(diào)整，電壓、電流穩(wěn)定，供電過程一直持續(xù)在電暈區(qū)工作，保持電除塵始終處于高效、節(jié)能狀態(tài)。軟穩(wěn)電源的除塵效率比傳統(tǒng)工頻整流電源和其他高效電源都高。

4.3 2種電源的技術(shù)參數(shù)及電能消耗

4.3.1 技術(shù)參數(shù)

在傳統(tǒng)工頻整流電源模式下，電場電源為常規(guī)整流變提供，其技術(shù)參數(shù)是：額定容量119 kVA，輸入額定電壓380 V AC(兩相)，輸出額定電流1 100 mA，輸出額定電壓72 kV。

軟穩(wěn)電源模式下，電場電源為軟穩(wěn)電源裝置提供，技術(shù)參數(shù)是：額定容量56 kVA，輸入額定電壓380 V AC(三相)，輸出額定平均電流700 mA，輸出額定平均電壓72 kV。

4.3.2 電能消耗

電源改造前后，每臺除塵器電源數(shù)量不變，都是8臺，但容量不同。由設(shè)備容量參數(shù)可見，原有的常規(guī)電源耗電量遠高于新裝的軟穩(wěn)電源耗電量。

4.4 對除塵效率衰減的影響

傳統(tǒng)工頻整流電源電場內(nèi)部檢修完畢投入運行后，除塵效率比較高，但隨著運行時間的增長，除塵效率明顯下降。這是因為常規(guī)電源除塵器運行在“最佳火花率”狀態(tài)下，不僅費電，而且火花放電對放電極的尖端(電暈線/陰極線芒刺)產(chǎn)生電腐蝕，影響放電效果，最終降低除塵效率。

電源改造后，電除塵的除塵效率衰減緩慢，這是因為軟穩(wěn)電源不會產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，在整個供電過程中不產(chǎn)生火花放電，不會造成放電極電腐蝕，放電狀態(tài)持續(xù)良好。這樣不僅延長了放電極的使用壽命，也保證了除塵效率。

4.5 對電場內(nèi)部同極間距的影響

傳統(tǒng)工頻整流電源要求電除塵同極間距一般不能大于400 mm，若電場內(nèi)部發(fā)生故障，檢修人員不方便進入通道進行檢修。

電源改造后，由于軟穩(wěn)電源升壓工藝好，容易實現(xiàn)超高壓，為電除塵實施同極寬間距提供了條件。適用于軟穩(wěn)電源的同極間距通常可達到600—700 mm，方便檢修人員進入通道檢修。

總之，軟穩(wěn)電源與傳統(tǒng)工頻電源相比，性能更優(yōu)越，具有三相平衡、平均電壓電流高、輸出波紋小、工況適應(yīng)性強、轉(zhuǎn)換效率高等多項優(yōu)點。

5 軟穩(wěn)電源應(yīng)用于除塵器高壓電源改造情況

5.1 改造范圍及改造方案

該公司每臺機組配置2臺雙室四電場靜電除塵器，除塵器型式為：干式、臥式和板式。改造范圍：2臺機組4臺除塵器16個電場的32套高壓電源及控制系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)。改造方案：在充分利用除塵器原有設(shè)施的基礎(chǔ)上，將除塵器高壓電源由傳統(tǒng)工頻整流電源改為三相軟穩(wěn)電源，更換除塵自動監(jiān)控系統(tǒng)。

5.2 改造后的情況

改造后的軟穩(wěn)電源實現(xiàn)了如下功能：

(1) 具有設(shè)備就地、上位機遠方可相互切換的操作方式及運行工況監(jiān)控模式；

(2) 輸出功率(二次電壓、二次電流)可調(diào)；

(3) 電源的運行控制方式可進行啟動、停止操作及各種運行方式之間的轉(zhuǎn)換；(4) 可進行二次電流、二次電壓等參數(shù)值設(shè)定；(5) 可根據(jù)機組負荷信號、電場粉塵濁度信號進行閉環(huán)控制，自動調(diào)整高壓電源運行方式。

改造后的除塵器自動監(jiān)控系統(tǒng)為IPC上位機智能控制系統(tǒng)，由工控機、系統(tǒng)軟件、顯示器、通信柜組成。軟穩(wěn)電源裝置的DSP(高頻電源核心控制芯片)、IGBT(高頻電源開關(guān)模塊)等關(guān)鍵部件選用進口元件。

6 軟穩(wěn)電源的應(yīng)用效果

2015年4月，該公司2臺機組除塵器軟穩(wěn)電源改造結(jié)束后，經(jīng)環(huán)保部門監(jiān)測，1，2號機組除塵器效率分別由99.496 %，99.481 %提高到99.775 %，99.798 %；1，2號機組除塵器出口排放濃度分別由144.37 mg/m3，160.55 mg/m3降至22.50 mg/m3，23.50 mg/m3(技改目標值：為30.00 mg/Nm3)，改造達到了預(yù)期效果。除塵器傳統(tǒng)工頻電源裝置容量為119 kVA，改為軟穩(wěn)電源后每套裝置容量為56 kVA，單臺設(shè)備容量降低了63 kVA，合計降低容量2 016 kVA(2臺機組32套電源裝置)。

7 結(jié)束語

除塵器采用軟穩(wěn)電源后，提高了除塵效率，減少了機組煙塵排放，改善了本地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，對促進當?shù)亟?jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，具有重要的推動作用。電除塵采用軟穩(wěn)電源后，電場能耗為傳統(tǒng)電源能耗的47 %，節(jié)能節(jié)電53 %，節(jié)能降耗顯著，經(jīng)濟效益明顯。

2015—2016年，該公司繼續(xù)加大環(huán)保投入力度，在除塵器軟穩(wěn)電源改造的基礎(chǔ)上，每臺除塵器又增設(shè)了第5電場(旋轉(zhuǎn)極板方式)。另外，在機組脫硫系統(tǒng)后、煙囪入口前加裝濕式除塵器，并對脫硝系統(tǒng)、引風(fēng)機系統(tǒng)進行擴容。經(jīng)過一系列設(shè)備改造后，該公司于2016年8月實現(xiàn)了煙囪入口煙塵排放濃度低于5 mg/Nm3的環(huán)保目標，2臺機組煙氣超低排放限值全部達標。

1 楊凱元，朱啟春，韓建衡．600 MW機組除塵器軟穩(wěn)電源改造[J]．內(nèi)蒙古電力，2014，32(5)：97-100.

2 劉建華，600 MW機組除塵器升級改造及效益評價[J]．電力科技與環(huán)保，2015，31(2)：36-38.

2016-12-09。

吳福雨(1969—)，男，高級電工技師，主要從事300 MW和600 MW火力發(fā)電機組電氣技術(shù)管理、檢修與維護工作，email：wufuyu000123@sohu.com。