徐州電廠靜電除塵器改造及高頻電源的技術應用

陶秋根，劉鶴忠，鄧文祥，戴建忠

(華東電力設計院有限公司 ，上海 200063)

1 概述

國華徐州發電有限公司一期2×1000 MW機組工程，兩臺機組已分別于2011年12月20日和2011年12月31日建成投產。原工程設計時執行的污染物控制排放標準為《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2003)，原大氣污染設計排放指標為：煙塵≤50 mg/Nm3；SO2≤400 mg/Nm3；NOX≤450 mg/Nm3。 而2012年1月1日起開始實施的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2011)中特別排放限值的要求，排放指標為：煙塵≤20 mg/Nm3；SO2≤ 50 mg/Nm3；NOX≤ 100 mg/Nm3。2014年9月三部委發布《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014－2020年)》要求機組排放指標達到：煙塵＜10 mg/Nm3；SO2＜35 mg/Nm3；NOX＜50 mg/Nm3。

在滿足國家環保標準政策的同時神華集團公司要求下屬電廠堅持“高品質發電”、環保“零容忍、零排放”。國華電力公司則提出以“清潔高效”為路徑，對現役機組進行節能、環保等方面的升級改造工作，實施“綠色發電計劃”，做到高品質發電，公司2016年1月對徐州提出的環保改造指標是：煙塵濃度≤3 mg/Nm3、SO2濃度≤35 mg/Nm3、NOx濃度≤50 mg/Nm3進行設計，力爭達到煙塵濃度≤3 mg/Nm3、SO2濃度≤20 mg/Nm3、NOx濃度≤30 mg/Nm3。

顯然原工程設計時執行的污染物控制排放標準與現有國家的環保要求和神華集團、國華電力的要求存在著較大差距，迫切需要對原設計工程進行技術改造。改造范圍包括除塵、脫硫和脫硝。對于除塵改造要求采用現有先進的技術，同時兼顧協調治理的效果的系統和設備，而采用低低溫靜電除塵器能有效提高除塵效率。

2 徐州電廠原有除塵設備的配置

徐州電廠原有除塵系統配置二級除塵設備，一級除塵設備為每臺爐配二臺三室四電場的干式、臥式、板式靜電除塵器，靜電除塵器設備制造廠為福建龍凈環保股份有限公司。鍋爐BMCR工況下設計煤種：除塵器入口煙氣溫度為129℃，除塵器入口的煙氣含塵量為28.7 g/Nm3，除塵器保證效率99.85%；二級除塵設備為石灰石－石膏濕法脫硫設備中的吸收塔，每臺爐配一臺吸收塔，吸收塔主要實現脫硫作用外兼顧有除塵功能，徐州電廠原脫硫系統吸收塔為設有四層噴淋層的空塔結構，吸收塔的脫硫效率為95%，其除塵的保證效率為50%。按照二級除塵設備，通過理論計算二級除塵后吸收塔出口的煙塵濃度為21.5 mg/Nm3(含石膏在內)。

3 新建電廠除塵設備的配置

目前，國家最新的排放標準對煙氣污染物的排放控制要求有了明顯的提高，為了適應新的形勢，滿足新的排放標準，與煙氣系統配套的系統和設備其效率需要提高，需要解決運行過程中出現的問題。煙塵排放是其中一個重要的控制指標，并日益受到關注。

目前國內新建燃煤機組鍋爐除塵設備一般配置為：靜電除塵器、電袋復合除塵器或布袋除塵器(三選一，布置在引風機之前)，加上兼有高效除塵效果的脫硫吸收塔和濕式靜電除塵器(布置在引風機之后)。濕式靜電除塵器除塵效果明顯，但由于其占地面積大和需要增加復雜的水系統(沖洗水系統、補水系統、排水系統、加堿系統等)，故項目建設時如采用超凈脫硫除塵一體化技術或其他兼有高效除塵效果的脫硫系統，在能夠滿足環保要求的前提下可以不設置濕式靜電除塵器。

早期布置在引風機之前的除塵設備，國內600 MW等級及以上機組均采用靜電除塵方式除塵；近年來由于環保標準提高、改造項目場地條件受到限制和濾袋新材料性能的提高等原因，逐步有一些大型電廠開始采用電袋或純布袋除塵器，目前國內有新鄉寶山電廠660 MW機組、安徽平圩電廠#1爐600 MW機組、江西貴溪電廠#8爐600 MW機組、湛江奧里油電廠2×600 MW機組等采用電袋除塵器；河南新密電廠2×1000 MW機組、平圩電廠三期2×1000 MW機組也是采用的電袋除塵器；國內采用純布袋除塵器600 MW機組較少，山西漳山電廠2×600 MW機組采用布袋除塵器。相比較目前國內還是靜電除塵器的使用占有絕大部分約占燃煤機組的90%以上。與國外發達國家相比，美國應用靜電除塵器約占80%，歐盟約占85%，而日本基本絕大部分采用靜電除塵器。

在新的環保形勢下為了提高靜電除塵器的除塵效率，設計時通常采取以下三種措施：第一通過增加電場數量、增加比集塵面積來提高除塵效率；第二通過降低除塵器入口煙溫、減低飛灰的比電阻，將常規靜電除塵器變成低低溫靜電除塵器來提高除塵效率；第三采用高頻電源可有效加強電場的粉塵荷電也可以提高塵效率。近期改造電廠由于場地條件的制約通常是結合第二、第三種措施來提高設備的效率。

徐州電廠改造工程通過技術經濟比較，提出了低低溫靜電除塵器+高頻電源的技術方案來對原有靜電除塵器進行改造；脫硫系統采用了超凈脫硫除塵一體化改造技術。改造后通過二級高效除塵設備煙塵排放達到了超低排放改造要求。

4 徐州電廠低低溫靜電除塵器方案

徐州電廠改造前除塵器型式為三室四電場靜電除塵器，改造方案需要在除塵器入口煙道上加裝低溫省煤器，布置見圖1。

圖1 除塵器前低溫省煤器布置圖

改造方案仍為三室四電場，靜電除塵器的外形保持基本不變。為了達到超低排放改造要求，同時采用了低低溫靜電除塵器及高頻電源的技術對靜電除塵器進行提效改造，改造后保證靜電除塵器出口煙塵濃度低于20 mg/Nm3(干基、6%O2)。再通過脫硫系統超凈脫硫除塵一體化改造技術使吸收塔出口煙塵濃度低于3 mg/Nm3(干基、6%O2)。本工程通過招標落實電除塵改造由浙江大維高新技術股份有限公司總承包，超凈脫硫除塵一體化改造由北京清新環境技術股份有限公司總承包。

設置低溫省煤器后，空預器出口的煙氣通過低溫省煤器將排煙溫度由129℃降為85℃后進入靜電除塵器。低低溫靜電除塵改造提高了除塵效率，但由于煙氣溫度將處于酸露點溫度以下，灰的溫度將降低，灰的流動性變差，同時灰中吸附大量的SO3，灰的濕度和黏度會增加，增加了灰斗及輸灰管堵塞的風險，對電除塵及其輸灰系統安全運行帶來較大負面影響。因此，需對原靜電除塵器進行低低溫靜電除塵器本體及其輔助設備進行適應性改造，適應性改造工程包括：將原除塵器灰斗低壓電加熱系統擴容，使灰斗電加熱器提高的熱量保證灰斗壁溫保持不低于120℃；加裝保溫箱強制熱風吹掃系統；除塵器灰斗內壁襯厚2 mm的316 L不銹鋼板、除塵器喇叭入口處均流板更換為316 L及以上不銹鋼材質、振打系統升級改造、系統電源及控制測量改造，輸灰壓縮空氣加裝干燥裝置等以適應低低溫除塵運行方式時除塵和輸灰的要求。設置低溫省煤器后理論上會增加堵灰風險，但只要嚴格按上述要求做好防范措施，該風險是完全可以避免的。從國內已進行低低溫靜電除塵器改造的工程項目來看，基本不存在這方面的問題。

在對原靜電除塵器進行低低溫靜電除塵器改造的同時，控制電源由工頻電源改造成高頻電源。一至四電場均采用直升式調頻高頻高壓電源，該電源具有純直流供電、間歇供電等供電方式，間歇供電比可任意可調。拆除原有工頻整流變，高頻電源發生裝置安裝于原有工頻整流變位置。所有高頻電源發生裝置確保密封良好，高頻電源變壓器具有完善的防爆功能。高頻電源發生裝置主要參數：輸出額定平均電流≧1.8 A，輸出電流調節范圍：0～100%線性可調；輸出額定平均電壓≧80 kV，輸出電壓調節范圍：0～100%線性可調；輸入電壓：三相電壓 380 V，50 Hz。之前常規工頻電源因為工作頻率低(100 Hz)，只有簡易的檢測和處理反電暈的能力；而改造后的高頻電源工作頻率高，具有真正的檢測反電暈現象及抑制反電暈作用。

根據國內改造已運行的電廠的分析，采用高頻電源除了能提高靜電除塵器的除塵效果外，還具有較好的節能效果。采用高頻電源相對于可控硅工頻整流電源，相同排放條件下在理論可實現接近30%的節能。其主要原因有：高頻電源頻率高損耗小，轉換效率高達95%，而常規工頻電源轉換效率一般為80%；高頻電源三相供電、任何負載下功率因數均大于0.90，常規工頻電源是單相供電，額定功率輸出時功率因數為0.80；常規工頻電源采用火花率整定方式運行，火花率為每分鐘幾十至幾百次，浪費電能較多，同時對集塵板和電源設備也造成傷害，高頻電源可輸出直流電壓，波形近似一條直線，可實現幾乎為零的火花率。

目前國內低低溫靜電除塵器配高頻電源已有較多的應用業績，包括新建工程和改造項目300 MW及以上已投運的和正在執行合同的機組，全國已有100多臺。從已投運的設備來看，采用低低溫靜電除塵器后，其出口煙塵濃度基本均能控制在≤20 mg/Nm3(干基、6%O2)，以下是部分已投運的低低溫靜電除塵器業績及運行數據。

表1 低低溫靜電除塵器配高頻電源設計參數(理論計算值)(煤種的含灰量：設計煤種Aar=24%，校核煤種Aar=28%)

表2 低低溫靜電除塵器配高頻電源業績

本工程提出的低低溫靜電除塵器+高頻電源的技術方案需要分步實施。第一步對靜電除塵器內部進行適應性改造，如電加熱系統擴容，除塵器灰斗內壁襯不銹鋼板等措施以適應低低溫靜電除塵器運行的需求，同時將一至四電場均采用直升式調頻高頻高壓電源；第二步在進入靜電除塵器的煙道上加裝低溫省煤器，將進入靜電除塵器的煙氣溫度降至85℃，實現低低溫靜電除塵器配高頻電源的運行。目前靜電除塵器部分改造包括內部結構和控制電源已經完成，并投入運行；低溫省煤器系統已完成招標。

5 改造后的排放效果

就目前靜電除塵器采用高頻電源技術進行提效改造后測試情況看，已超過了預期的效果，優于設計值。

表3 高頻電源改造后靜電除塵器參數(2號爐實際測試值)(測試時間為2017年2月；低溫省煤器系統未安裝)

徐州電廠靜電除塵器改造及高頻電源技術應用二臺爐分別進行，2號爐自2016年7月下旬首次交貨起、1號爐自2016年9月下旬首次交貨起，分別在二個月內完成了項目改造。二臺爐的改造費用包括設備供貨、施工和設備調試在內約為2100萬。改造后靜電除塵器煙塵排放濃度基本可控制在20 mg/Nm3以內，改造前基本在30 mg/Nm3左右，通過改造二臺爐每年(按5500 h計)可減少煙塵排放336.6 t(不考慮脫硫除塵因素)。

徐州電廠業主考慮到原有的引風機性能較好盡可能的利舊，現在在脫硫系統改造后煙氣阻力增加1200 Pa，理論上引風機已基本無富裕度。增加低溫省煤器后，由于煙氣溫度降低的同時，煙氣量減少，而煙氣系統阻力增加，使得風機實際運行點將向風機失速區偏移，風機安全裕量將降低。所以在目前靜電除塵器出口煙塵排放濃度較低時，觀察靜電除塵器變化情況及引風機的實際運行參數。如靜電除塵器出口煙塵排放濃度超過設計值(≥20 mg/Nm3)時，安裝低溫省煤器，同時根據需要改造引風機以滿足出力要求。

6 結論

徐州電廠除塵改造工程采用低低溫靜電除塵器，同時控制電源由工頻電源改造成的高頻電源技術方案是可行的，通過技術改造可滿足靜電除塵器出口煙塵濃度≤20 mg/Nm3的要求，再經過二級除塵設備(采用超凈脫硫除塵一體化技術的吸收塔)，實測收塔出口煙氣粉塵濃度2.08 mg/Nm3，達到了改造設計目標煙塵濃度≤3 mg/Nm3的要求。在滿足國家環保標準政策的同時，能達到神華集團公司和國華電力公司的要求。又因為采用低低溫靜電除塵器技術方案可保留原有的靜電除塵器外形基本不變，所以改造工程量小，所以本次除塵設備改造選用低低溫靜電除塵器的技術路線是正確的。該方案需要分步實施。

目前第一步靜電除塵器適應性改造和高頻電源技術應用已經完成，除塵器出口煙塵的排放已超過了預期的效果，優于設計值(2號爐各種工況下實際運行值均≤18 mg/Nm3)。第二步視靜電除塵器變化情況安裝低溫省煤器。通過除塵器設備的改造二臺爐每年(按5500 h計)可減少煙塵排放336.6 t(不考慮脫硫除塵因素)。

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