徐州電廠靜電除塵器高頻電源改造與高效除塵節能效果分析

國華徐州發電有限公司 葛 爽 劉 彤 張曉彤

徐州電廠靜電除塵器高頻電源改造與高效除塵節能效果分析

國華徐州發電有限公司 葛 爽 劉 彤 張曉彤

隨著近年來國家環保部門對燃煤發電企業污染物排放的要求日趨嚴格，靜電除塵器作為重要環保設備，日趨受到關注。目前，我國燃煤發電機組靜電除塵器大多選用常規工頻（50Hz）電源，能耗居高不下，電耗量占機組發電量的0．3%～0．4%。因此如何提高電除塵設備除塵效率同時降低其能耗，具有非常重要的意義。本文以徐州電廠2×1000MW國產超超臨界燃煤發電機組靜電除塵器提效改造為例，介紹了靜電除塵器采用高頻高壓供電裝置（簡稱：高頻電源）替代工頻電源系統設備，實現了靜電除塵器出口煙塵濃度低于20mg/Nm3等超低排放目標，同時通過優化完善鍋爐負荷閉環控制系統等措施，大幅減少了電耗量，為企業取得了可觀的經濟效益。

電除塵；高頻電源；改造；節能

一、項目概況

國華徐州發電有限公司一期工程2×1000MW國產超超臨界燃煤發電機組鍋爐、汽輪機、發電機三大主機由上海電氣集團公司制造，分別于2011年12月20日、12月31日正式運營。同步建設脫硫脫硝工程，采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝、SCR煙氣脫硝裝置。

靜電除塵器采用三室四電場BE型靜電除塵器，主要由干式靜電除塵器本體以及整流設備、低壓供電裝置等組成。其中每臺電除塵包含12臺GGAj021.8A/66KV和GGAj02 1.6A/66KV硅整流設備。每臺除塵器設置12臺高壓控制柜，包含可控硅、智能監控器等構成。每臺除塵器設置4臺低壓控制板，采用DDPX型低壓控制裝置，可實現電磁振打器控制、電加熱恒溫控制、測溫、料位顯示等常規電除塵器的控制功能，也可實現過程邏輯控制；既可程序自動控制，又可現場操作箱上控制。低壓控制柜1～3分別控制電除塵器Ⅰ～Ⅲ室的陰、陽極頂部電磁錘振打和高壓斷電振打，灰斗加熱、進出口喇叭溫度檢測，灰斗高料位檢測和高壓隔離開關到位顯示等。低壓控制柜4控制電除塵器保溫箱加熱，安全聯鎖等。電子間PLC柜實現卸輸灰控制。

為達到本次超低排放改造要求，將采用高頻電源技術對除塵器提效改造，使靜電除塵器出口煙塵濃度低于20mg/Nm3的排放標準。

二、國華徐電燃煤電廠除塵高頻電源優化改造原因及措施分析

（一）國華徐電燃煤電廠除塵高頻電源優化改造范圍

1.靜電除塵器本體部分改造。改為低低溫除塵器后，原靜電除塵器本體、灰斗、煙道等殼體結構和強度、氣流分布裝置、阻流板和灰斗結構、振打裝置、氣力輸送等相關部分進行檢查、評估；對靜電除塵器本體適應性改造等。

2.靜電除塵器電氣部分改造，包含高頻電源、高壓隔離開關箱、高壓控制柜改造、低壓控制系統改造等部分。

3.靜電除塵器電控部分改造，主要包含工作站、操作員站、交換機、通訊箱、濁度儀、DCS連接、輔網連接等。

（二）設計原則

在低溫省煤器投入，高頻電源全功率運行，設計煤種邊界條件下，電除塵出口灰塵濃度不高于20mg/Nm3。

在低溫省煤器投入，設計煤種邊界條件下，電除塵出口煙塵達到20 mg/Nm3時，高頻電源總功耗小于1740.8kW。

為達到本次超低排放改造要求，采用低低溫除塵及高頻電源技術對除塵器提效改造，靜電除塵器出口煙塵濃度低于20mg/Nm3，除塵效率不低于除塵改造前性能試驗值及設計煤種折算值。

（三）國華徐電燃煤電廠除塵高頻電源優化改造的措施

國華徐電靜電除塵器采用三室四電場BE型，為保證出口煙塵濃度低于20mg/Nm3等超低排放指標達標，本期靜電除塵器、高頻電源改造項目對既有系統設備進行改造優化。

1.總體改造優化措施

（1）將原24臺工頻整流變更換為24臺EHC-Ⅱ 2.0A /72kV直升式調頻高頻電源，每臺高頻電源增設就地電源控制箱1面，原電除塵高壓控制柜改為高頻電源柜。

（2）高頻電源內主接觸器與高壓隔離開關狀態位置回路設安全閉鎖，高壓隔離開關柜門和所有檢修人孔門設機械鎖具，防止人員誤入帶電設備間隔。

（3）低壓遠程控制系統與高頻高壓電源遠程控制系統整合、聯動，采用斷電、欠壓/減功率振打、分組振打等不同模式。

（4）除塵器灰斗內壁、內人孔門內襯不銹鋼板，氣流分布板更換為不銹鋼材質，部分陽極板、陰極線更換，極間距和振打桿調整，膨脹節更換，除塵器內部泄漏氣流封堵。

（5）陰、陽極上振打桿更換密封組件，陰極振打絕緣子更換為復合高分子防污防結露型絕緣軸，陰極振打器密封部位加裝玻璃鋼防雨罩。調整陰、陽極振打錘提升高度，振打加速度在原有基礎上增加50%。

（6）增裝灰斗脫汞取灰門1只，更換煙塵濁度儀。

（7）第一、二電場每個灰斗各新增4只電加熱器，第三、四電場每個灰斗各新增8只電加熱器。每列保溫箱新增絕緣子熱風吹掃系統1套,新增除灰輸送壓縮空氣出口管道加裝微熱再生干燥裝置1套。

（8）新增高頻電源控制通訊系統（2臺機組共用）冗余服務器2臺、工程師站1臺、操作員站2臺、冗余交換機，改造后的電除塵高、低壓設備控制直接納入電除塵操作員站，通過單獨通訊送至SIS系統進行監視和控制。

2.具體優化改造措施

（1）高頻電源改造

所有原整流變壓器，對原變壓器底座進行適配性改造，在原先位置上安裝高頻電源，在每臺高頻電源旁設一只高頻配電箱，高頻電源和高頻配電箱通過隨機電纜連接，同時高頻控制箱和高頻電源之間留有檢修、維護空間。

首先輸入的三相工頻交流電源接入配電箱（見圖1第①部分），再經過三相全橋整流濾波后變成低壓直流電（見圖1第②部分整流電路），再經過全橋IGBT等逆變電路裝置逆變控制，產生高頻交流脈沖（見圖1第③部分逆變電路），高頻高壓整流變壓器最后將低壓高頻交流脈沖升壓整流后（見圖1第④部分高頻變壓器），供電給電除塵器電場使用。控制系統（見圖1第⑤部分MCU/DSP控制器）主控制高頻工作運行及故障保護。散熱系統（見圖1第⑥部分散熱系統）主要為高頻變壓器、整流、逆變系統提供散熱。

圖1 EHC-II高頻電源控制原理圖

低壓側參數說明：

一次電壓：高頻一次側交流輸入電源的電壓有效值。見圖1整流電路①，即A、B、C相交流電壓，一般為50HZ 380V.

一次電流：高頻一次側交流輸入電源的電流有效值， 可以通過一次電流設定值限定一次電流大小。見見圖1整流電路①，即A、B、C相交流電流，隨高頻輸出功率的變化而變化。

直流母線：三相整流橋整流后直流電壓平均值。見圖1整流電路①。

高壓側參數說明：

額定電壓：變壓器二次輸出額定電壓，即設備允許最大輸出二次電壓值。

額定電流：變壓器二次輸出額定電流，即設備允許最大輸出二次電流值。

二次電壓：變壓器二次輸出電壓平均值，隨電除塵電場工況變化而變化。可以通過二次電壓設定值限定二次電壓大小。見圖1高頻變壓器③。

二次電流：變壓器二次輸出電流平均值，隨電除塵電場工況變化而變化。可以通過二次電流設定值限定二次電流大小。見圖1高頻變壓器③。

工作方式：分為自動跟蹤控制方式與充電比節能控制。

①自動跟蹤控制方式：高頻控制器根據現場工況自動控制IGBT逆變器頻率（頻率范圍0-20KHZ），從而調節輸入到電除塵電場的功率，提供合適的電暈電壓電流。

②充電比節能控制方式：高頻控制器不但調節IGBT逆變器頻率，而且對電除塵電場粉塵荷電時間進行控制，脈沖寬度為電場粉塵荷電時間，脈沖周期減去脈沖寬度為電場荷電粉塵在陽極板的放電時間。通過不同充電比脈沖寬度與脈沖周期的組合，可以適應各種類型的粉塵比電阻，降低及杜絕反電暈的反生，同時極大的降低了電除塵的能耗。

閃絡說明:閃絡電場瞬時的擊穿，擊穿電壓為電場最高工作點電壓，通過快速的尋找閃絡點，探測尋找電場的最高工作點電壓，可以通過閃絡頻率時間進行調節, 從而實現對電場工況進行跟蹤。

（2）高壓隔離開關箱改造

原高壓隔離開關箱拆除，在原有位置安裝不銹鋼高壓隔離開關箱，高頻電源應與新高壓隔離開關箱連接良好，高壓隔離開關箱與保溫箱密封可靠。高頻電源控制單元與整流變為一體化結構，需將原有高壓控制柜改造為電源饋線柜，高頻電源直接由饋線開關送出至本體高頻電源發生裝置，改造后的電源饋線柜應具備一次電壓、一次電流的顯示功能。

（3）安全聯鎖

電除塵器本體上的所有檢修人孔門、通向除塵器高壓電氣設備的‘門’ 均有可靠的閉鎖手段。

①電氣聯鎖：高壓隔離開關不在工作位置保護通過高壓隔離開關柜內質量可靠的雙觸點的行程開關，送入高頻電源控制回路。高壓隔離開關柜的行程開關的任一位置的斷開，高頻電源開關應無法合閘，并在后臺顯示安全聯鎖故障。

②機械聯鎖：高壓隔離開關柜門都設有獨立的機械鎖具，所有的鑰匙全部集中在鑰匙箱內對應位置，一把鑰匙只能打開一把鎖具。高頻電源分、合閘與高壓隔離開關柜門之間的所有邏輯通過機械鑰匙交換和傳遞的方式實現，滿足電廠安全生產運行管理的要求，防止誤操作。

（4）電控部分

在每臺機組的1#除塵器頂部放置2只通訊箱（放置位置在靠近2#除塵器的一側，減少通訊距離），每只通訊箱內包含24只ENETI網關、1只EDS-208A-MM-SC交換機、1只EDS-316交換機、1只EDS-208A交換機。高頻電源上的COM0口通過戶外網線連接到1#通訊箱的ENET-I網關上（通訊協議為Modbus RTU，波特率9600，數據位8位，停止位1位，校驗位無），高頻電源上的COM1口通過戶外網線連接到2#通訊箱。2只通訊箱冗余。通訊箱電源采用雙電源自動切換裝置，一路來自灰控樓MCC柜，另一路來自脫硫UPS電源。（2#機組除塵器頂部通訊鏈路和1#機組除塵器頂部通訊鏈路一致）

除塵控制室內新增1臺交換機柜（1#機組、2#機組共用1臺交換機柜），柜內電源冗余（斷路器型號為ATS NSX63N 4P），柜內包含2只赫斯曼交換機（冗余）、1套工程師站。1#通訊箱通過光纖連接到1#赫斯曼交換機（通訊協議為Modbus TCP/IP），2#通訊箱通過光纖連接到2#赫斯曼交換機。1#、2#交換機通過網線連接到工程師站。2只交換機上分別預留4個到輔網的通訊接口。工程師站組態內容包括1#機組、2#機組上的高壓數據和低壓數據。

工程師室內新增1套操作員站，通過2根光纖分別連到除塵控制室內的交換機柜的2只交換機上。

脫硫控制室新增1套操作員站，通過2根光纖分別連到除塵控制室內的交換機柜的2只交換機上。業主提供鍋爐負荷信號，從而實現閉環控制。

（5）DCS部分

每一個電場的高頻電源包含所有的電流、電壓（包括一次電流、電壓和二次電流、電壓等）4-20mA模擬量輸出端子，并將以上所有信號通過硬接線送至脫硫DCS系統。提供接入DCS系統的所有電纜。DCS機柜由業主提供，我公司負責按圖施工。在原先濁度儀位置安裝，將濁度儀反饋信號送入工作站及操作員站。

3.改造后靜電除塵器系統運行分析

靜電除塵器當前運行穩定，高頻電源均采用濁度閉環控制系統實現節能方式運行，其主要功能是使電除塵出口粉塵儀與相應的高頻電源形成一個閉環系統，由軟件根據粉塵濃度來自動調節高頻電源的輸出電流，輔助以振打系統采用減電壓振打。由此實現除塵器隨機組負荷不同，煙氣量及煙塵濁度的不同而自動調整高頻電源的輸出參數。試驗數據證明：在實現目標濁度情況下，當2號機組負荷分別穩定運行于500-799 MW、800-849 MW和850-1000 MW時，電除塵各電場二次電流調節分別運行在450–800 mA、700-1000 mA和800-1200 mA范圍內，使除塵器出口粉塵濃度處于合理區間的同時，降低了電除塵整套高頻電源的能耗，除塵器煙塵凈化效果明顯，所有機組除塵器當前在出口濃度均穩定在10-15mg/Nm3范圍以內。

根據現場除塵器實際運行工況，2號機組靜電除塵器1-4電場高頻電源全部設定為節能工況運行，節能效果顯著且除塵效果明顯，出口排放始終穩定在10-15mg/Nm3范圍。該模式下，高頻電源根據負荷不同，二次電流分別按照設定范圍值自動調節，耗電量可控制在700-1200kW/h范圍，能耗指標優勢明顯。

當前2號機組靜電除塵器電場灰斗加熱系統設定溫度為60℃啟動，80℃停運，因此在機組運行過程中屬于停運狀態，除塵系統整體運行電耗可控制在800-1200W/h范圍內。

4.國華徐電燃煤電廠除塵高頻電源優化改造效果評價

（1）在低溫省煤器投入和解列情況下，高頻電源全功率運行，設計煤種邊界條件下，電除塵出口煙塵濃度均不高于20 mg/Nm3，比30mg/Nm3的原除塵達標數值降低了33.3%，而且目前除塵效率非常穩定，效果十分明顯，整套系統全部達到設計規范要求。

（2）在低溫省煤器投入，設計煤種邊界條件下，電除塵出口煙塵達到20 mg/Nm3時，高頻電源總功耗不高于1740.8kW,比原2100 kW的標準總功耗降低較多，將電除塵原年運行費用662.2萬元，降為548.9萬元，每年約減少113.3萬元的運行費用，（計算公式：總費用=功耗*電費*24小時*365天,其中電費按0.36元/KW計算）實現了增效降耗的改造效果。

（3）如果在上表高頻電源控制參數設定基礎上繼續優化各負荷段高頻電源二次電流調節范圍，能夠進一步實現更優的節能效果。

5.總結

當前由于人們環境意識的增強以及國家對環境保護力度的加大，對于電廠的除塵效果要求越來越高，尤其是對于燃煤電廠而言，如果不及時采取措施進行優化，將會為環境帶來諸多不利影響。本次以國華徐州電廠為例展開分析，對其存在問題、優化范圍、優化原則、具體優化路徑、優化效果及今后改進措施進行闡述，旨在為今后其他同行提供借鑒。

[1]張榮發,皋德華．高頻電源在660MW機組電除塵器中的應用[J]．電力科技與環保,2015,31(02)：42-44．

[2]陶紅森．燃煤電廠電除塵改造技術及應用[J]．工業安全與環保,2015,41(03)：44-46．

[3]姜雨澤．提高燃煤電廠電除塵效率技術改造方案探討[A]．中國環境科學學會．2011中國環境科學學會學術年會論文集(第二卷)[C]．中國環境科學學會,2011：6．

葛爽（1967—），男，電氣工程師，江蘇省電力安全技術專家庫成員，徐州市電力行業專家，從事發電廠電氣技術及安全管理工作。