電站電除塵系統節能改造可行性分析

朱偉明

（中國石化廣州分公司，廣東廣州 510000）

1 概述

電除塵器是廣泛應用于火力發電、石化、水泥、冶金等行業去除煙氣中粉塵的主要設備，目前我國燃煤電站除塵設備中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鍵設備，也是電廠的重要能耗設備，它的供電方式直接決定了電除塵器的除塵效果。在國家煙塵排放標準日趨嚴格和節能減排等一系列政策的影響下，繼續采用傳統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電子，煙氣中的粉塵顆粒遇到負電子而荷電，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是提升電除塵器性能、提高除塵效率的關鍵，同時也是節能降耗的主要環節。

3 系統現狀及問題

（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、隔離開關均為較早期產品，且在控制室內，占地多，能耗大，設備的故障率較高。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、擊穿時有發生，不僅影響生產，且增加維修成本。

（4）系統控制設備不具備節能控制和自動調節功能，無法遠程操作、監控，電氣設備不具備集中控制功能。

4 高頻電源基本原理及特點

4.1 傳統電除塵器電源與高頻電源原理對比

目前傳統的電除塵器普遍采用工頻可控硅電源供電。其電路結構是兩相工頻電源經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20kHz～50kHz，甚至達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對比圖

（1）相對于傳統工頻電源，在電源設備本身電能轉換效率上，高頻電源節能幅度最高可達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）即可檢測到火花發生并立刻關閉供電脈沖，因而火花能量很小，電場恢復快（僅需工頻電源恢復時間的20%），從而進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40%～70%。高頻電源及工頻電源工作有效區對比如圖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定直流電源，其優點在于電源工作的最佳點是在火花始發以下臨界處。

火花放電實質上是正、負離子在電場中發生碰撞釋放能量的一種現象，它對除塵毫無作用。

在設計上，高頻電源把電源供電整個過程能夠控制在火花始發點以下的電暈放電狀態，不讓其進入火花放電狀態，基本不產生火花，即使產生火花，也可以在＜25μs內自行關斷，電場電壓恢復快，損耗小。

常規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，一旦產生火花要10000μs內才能關斷，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性更強，具有先進的控制策略、多種控制模式、適應各種工況。高頻電源的供電電流由一系列窄脈沖構成，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、控制系統、高頻整流變壓器為一體化結構設計，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，該結構有助于節省控制室土建成本，節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，無電網污染，屬于綠色電源，可在工況惡劣的現場環境使用。

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動粒子過程直接相關，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，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s；t為粒子進入電場荷電的時間；εp為粒子的相對介電系數；ε0為真空介電常數，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量密度，個／m3；K為波爾茲曼常數，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、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由煤種和燃燒工況決定，對于除塵設備來說，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電場強度，而電暈區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，即驅進速度ω計算公式如下：

式中：Ep為集塵場強，V/m。煙塵粒子的驅進速度與粉塵粒徑、荷電場強和集塵場強相關，取決于外加電壓。外加電壓越大，荷電場強和集塵場強越大，驅進速度越大，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，當電壓峰值達到擊穿電壓時，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，再逆變為高頻交流，頻率20～50kHz，然后升壓再整流為直流輸出。高頻高壓開關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，驅進速度大，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，是當發生火花放電時，工頻電源通常要關閉晶閘管，這樣會導致其導通角相應縮小，因此往往在火花放電嚴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生反電暈時，電場的火花將進一步增大，這將導致輸出功率的急劇下降，這就是一般電除塵器經常發生的情況。有時甚至會下降到幾十mA，嚴重影響收塵效率。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，所以當發生火花放電時能夠快速恢復供電電壓，波動很小，因而除塵效率不會降低。

6 節能改造的可行性方案與對策

6.1 高壓設備改造

將傳統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，重新設計、安裝穿墻套管、隔離開關柜，在控制室原高壓控制柜內設置4臺開關引電源給高頻電源，直接敷設一次400v低壓電纜到頂部的高頻電源。減少高壓電纜，減少設備維護，降低危險。同時降低能耗、提高效率。

6.2 低壓設備改造

更換并重新布置低壓控制柜，集中控制所有低壓設備。低壓控制系統升級改造后，能提高設備運行的穩定性、降低設備能耗、減少檢修維護成本。降低設備的磨損，提高設備性能及使用壽命。

6.3 軟件升級

配套新增1套上位機系統，引入鍋爐負荷（4～20mA）等信號到主機，能實現遠程集中監控。同時結合相關軟件能合理有效的控制各個設備，改進后的系統可以根據工況變化自動選擇運行方式、自動設定運行參數，實現智能化控制，能合理的調整間歇供電脈沖比，間歇脈沖供電能克服電場內部的反電暈現場及有效的達到節能的目的。

7 改造后預期效益分析

7.1 節能分析

在同等工況條件下，改造后預期節能降耗。

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。

根據某電廠實際工程應用經驗和技術數據統計分析，采用高頻電源、上位機系統，配合減功率振打技術及相關節能軟件，至少節能可達50%以上。

按節能率50%進行估算，年節電功率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。

折合年節約標準煤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。（根據國發［2012］40號《國務院關于印發節能減排“十二五”規劃的通知》確定發電量與標準煤的比值）。

可見，使用新型電控技術加上高頻電源，效益十分顯著，每臺爐每年可節電超過48萬元。預計約3年時間節電費就可以收回投資費用，達到降低廠用電率以及節能環保的目的。

7.2 性能分析

改造后的設備自動化程度高，運行穩定，減少設備日常維護，減少設備的磨損，提高設備的使用壽命，則即可降低每年的維護費用、備件費用。

8 結論

通過上述分析，電除塵器采用高頻電源技術是一種先進的節能節電技術，與傳統工頻電源技術相比，具有結構簡單、性能可靠、體積小、功能強、維護成本低、綠色環保等優點，除塵效率高，節能降耗效果顯著，具有工頻電源無法比擬的優越性，在火力發電廠電除塵器系統設備具有較廣闊的應用前景，同時，它也是傳統可控硅電源革命性的更新換代產品，為電除塵器的電源供電提供了一種新的選擇。

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