（环境工程专业论文）燃煤电厂电袋复合式除尘器优化控制的仿真运行研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着新的火电厂大气污染物排放标准的发布，火电厂燃煤锅炉的烟尘排放标 准由5 0 m g m 3 降低到了3 0m g m 3 ，某些重点地区达到了2 0m g m 3 。这就对燃煤电 厂除尘设备提出了更高的要求，因此，电一袋复合式除尘器作为一种高效的除尘设 备在近些年得到了研究与应用，其运行稳定性及经济性也逐渐得到了大家的关 注。本文以某燃煤电厂3 0 0 m w 机组配套的电袋复合式除尘器为仿真研究对象， 确定处理工况条件和电袋复合式除尘器的结构参数、运行调整参数，综合分析影 响电袋复合式除尘器除尘效率的因素，建立电袋复合式除尘器的仿真运行及优化 控制数学模型，在w i n d o w 界面下利用v i s u a lb a s i c6 0 编程语言开发出燃煤电厂 电袋复合式除尘器优化控制的仿真运行软件。该仿真软件人机界面友好，操作使 用方便，能脱离v b 开发环境，在w i n d o w s 下独立运行。而且能够实现系统的启 停操作、本体参数、运行参数和系统流程显示、参数实时变化曲线图显示、优化 控制和控制特性调整以及系统帮助等仿真控制功能，并且利用仿真软件可以进行 一系列仿真实验，该软件可以用于科研或燃煤电厂仿真培训。论文得到了不同参 数的运行仿真实验结果，从运行成本经济性方面对实验结果进行分析。 关键词：电袋复合式除尘器，数学模型，运行仿真，优化控制 华北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t a r e rt h ee m i s s i o ns t a n d a r do fp o l l u t a n t sf o rt h e m l a lp o w e rp l a n t sh a v eb e e n d i s t r i b u t e d ，t h et h e n n a lp o w e rs t a t i o nc o a l f i r e db o i l e r sm i s ta n dd u s te m i s s i o ns t a n d a r d r e d u c e dt o3 0m g m j行o m 5 0 m g m s o m ei m p o r t a n tr e g i o n s e v e nr e d u c e dt o2 0 m g m j t h i sm a k e sh i g h e rd e m a n d so nt h e n n a lp o w e rp l a n t sd u s tc o l i e c t o re q u i p m e n t t h e r e f o r e ，t h ee 】e c t r i c b a gc o m p l e xd u s tc o l l e c t o ra sah i g he f 五c i e n c yd u s tc o l l e c t o r e q u i p m e n th a sb e e ns t u d i e da n da p p l j e d t h es t a b i l i t ya n de c o n o m yo fj tf o l l o w i n g c l o s e l yb yr e s e a r c h e r s t h ep a p e rt a k e st h ee l e c t r i c b a g c o m p l e xd u s tc o l l e c t o ro f 3 0 0 m wg e n e r a t i n g s e tb o i l e ra se m u l a t i o nr e s e a r c ho b j e c t t h ew o r k i n gc o n d i t i o n ， s t r u c m r ep a r a m e t e r sa n do p e r a t i o na d j u s t m e n tp a r a m e t e r sa r ed e n n e d m a k eo v e r a l l a n a l y s i so ft h ef a c t o ra f k c t i n gt h ed u s tc 0 1 1 e c t o r se 伍c i e n c y ，a n das e r i e so f m a t h e m a t i c s i m u l a t i o nw e r ee s t a b l i s h e d a tt h ei n t e r f a c eo fw i n d o w s u s et h ev i s u a lb a s i c6 0 p r o g r a m m i n gl a n g u a g et od e v e l o pas o r w a r eo fr u n n i n gs i m u i a t i o na n do p t i m i z e d c o n t r o lo fe i e c t r i c - b a gc o m p l e xd u s tc o l l e c t o r t h es o r w a r eh a sac o m 南r t a b l eh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，c o n v e n i e n to p e m t i n ga n dc a ns e p a r a t ef r o mt h ev i s u a lb a s i c6 0t o o p e r a t ei n d e p e n d e n t l yi nt h ew i n d o w s t h es o r w a r ec a nr e a l i z et h es t a r t - s t o po p e r a t i n g o ft h ed u s tc o l l e c t o rs y s t e ma n do p t i m i z e dc o n t r o lt h es y s t e m i tc a nd i s p l a vt h e p a r a m e t e r sa n dt h et 1 j n n i n gc u r v e s t h i ss o r w a r ec a nb eu s e di nr e s e a r c ha n dt r a i n i n g t h e p a p e rg e tas e r i e so fs i m u l a t i o nr e s u l t ，a n dm a k ea n a l y s i so fo p e r a t i o nc o s t s k e y w o r d s ：e i e c t r 主c - b a gc o m p l e xd u s tc o i l e c t o r ，m a t h e m a t i cs i m u l a t i o n ，r u n n i n ga n d s i m u i a t i o n ，o p t i m i z e dc o n t r o l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 我国是煤炭资源大国，电力结构以燃煤发电为主，因此燃煤产生的大量煤烟 对大气造成了严重的污染。为了适应“建立环境友好型社会”的要求，国家制定 了新的排放标准，加大了煤烟污染的治理力度。2 0 1 2 年新的排放标准开始实施， 规定新上火电项目烟尘排放浓度应控制在3 0 m g m 3 以下，某些重点地区要求低于 2 0m g m 3 ，这一新标准相比2 0 0 4 年的排放标准规定的5 0m g m 3 又有所提高l 引。国 内燃煤电厂中，锅炉配套的除尘设备以电除尘器为主，占总容量的9 5 以上，同 时，一些老旧电厂目前还在使用水膜除尘器和多管旋风除尘器，水膜除尘器和旋 风除尘器从机理上很难达到较高的除尘效率，而电除尘器又受到设计水平、锅炉 运行状况、燃煤煤种、粉尘的物理化学性能等因素的影响【3 l 。这导致了国内现役的 除尘设备大多不能达到新的排放标准的要求。电除尘器只有依靠增加电场数量或 电场宽度来达到环保要求，但这样投资和运行费用都将大幅度上升，在经济上不 划算。近些年来研究发现空气中微细粒子的浓度与人们的患病率密切相关，导致 城市人口患病率和死亡率增加的主要原因是空气中悬浮颗粒物中的微细粒子的浓 度，而并非空气中悬浮颗粒物的总量。细颗粒是导致心血管和呼吸疾病的主要原 因，对人体健康产生严重危害。颗粒物的大小一般用其粒径大小来描述：p m - o 是 指直径小于1 0 微米的颗粒物：p m 2 ，是指粒径小于2 5 微米的颗粒物。这些细小的 颗粒能够通过呼吸过程进入人体的呼吸道和肺部，直径小于1 0 微米的颗粒物通常 又称为可吸入颗粒物。人们越来越重视对可吸人颗粒物的控制，加强了可吸人颗 粒物控制设备及技术的开发【4 5 j 。而电除尘器对微细颗粒的捕集效率不高。袋式除 尘器除尘效率高，性能稳定，适应力强，适用范围广，且可以捕集可吸入颗粒， 特别是近年来由于覆膜滤料的出现使得对可吸入颗粒的捕集效率大大提高，但是 其初始含尘量高，系统阻力较大，容易造成布袋堵塞、板结，导致寿命缩短，风 机电耗高，维护及运行成本上升【6 出j 。 电袋复合除尘器是把静电除尘器和布袋除尘器两种相对成熟的除尘设备有机 的结合在一起，其主要优点体现在以下几方面：除尘机理以及设备技术的发展都 很可靠，除尘效率高，能够达到新的排放标准的要求，对可吸入颗粒的捕集效果 也很好；除尘设备运行稳定，受煤质变化及粉尘特性影响较小，适应性强：由于 华北电力大学坝士学位论文 前级电除尘器能够除尘效率达到8 0 以上，因此大大降低了滤袋的负荷，使得系 统阻力较小，过滤风速较大。另外，由于静电作用，滤袋表面沉积的粉尘层具有 松散的组织，过滤阻力低，压力损失小，可以选择较长的清灰周期和较低的喷吹压 力，延长滤袋的使用寿命【l m 陀】。基于以上优点，使得电袋复合除尘器在旧的电除 尘器改造以及新建火电厂除尘设备的选用中得到了广泛的使用【1 3 】。 仿真技术是以计算机系统与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用 模型对系统进行研究的一门多科性、综合性的技术。针对火电厂3 0 0 m w 机组电 袋复合除尘器运行过程的优化控制的仿真研究，为火电厂电袋复合除尘系统提供 了一种高效、节能、经济的运行模式，既可用于教学培训，又可用于科学研究， 对改善除尘系统运行状况也能起到重要作用。仿真软件可以直观准确的反映除尘 设备运行状况，也能实现除尘设备各参数的调整，应用仿真软件可以对电袋复合 除尘器的运行调整进行准确的仿真模拟，从而节省了设备试验的投资，仿真技术 的应用还可以提高技术水平和人员的操作水平。因此，越来越多的人开始从事仿 真软件的开发工作。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内对电袋复合式除尘技术的研究与开发在2 0 世纪9 0 年代基本处于空白状 态，仅有少数研究院所对荷电后粉尘影响布袋捕集效率的关系做过一些试验研 究。直到进人2 l 世纪电袋复合除尘技术才逐渐被人们所关注，但大部分仍处于小 型试验开发阶段。2 0 0 1 年11 月国内首次在内蒙元宝山发电厂燃煤锅炉上，成功进 行了一种名为高压静电滤槽复合型卧式除尘器的串联式电袋除尘试验，自此串联 式电一袋除尘技术的开发应用在国内展开。2 0 0 2 年福建龙净环保股份有限公司率先 推出了中国第一台电袋复合式除尘器，并且应用在水泥制造行业。徐州坝山环保 热电有限公司与福建龙净环保股份有限公司合作研究制造了一台电袋复合式除尘 器，安装应用在徐州坝山环保热电有限公司，自此电一袋复合式除尘技术逐渐应用 于火电厂除尘技术的改造，这一技术也应用到更加宽广的领域。这种新的除尘技 术综合了两种传统的电除尘和布袋除尘的收尘优点，并且通过前级电场捕集大量 粉尘和后级布袋除尘捕集细微粉尘，实现了静电除尘和布袋除尘的有机结合，实 现了除尘机理和方式上的重大创新和突破。该技术和产品已于2 0 0 7 年7 月份通过 了国家科技部的技术产品鉴定，综合技术已经水平达到了国际先进水平。这是我 华北电力大学硕士学位论文 国电袋复合除尘器从试验研究阶段投入实际运行阶段的第一步。近年来又陆续对 天津军粮城电厂5 0 m w 机组的电除尘器( 处理烟气量4 5 0 0 0 0 m 3 h ) ，上海金山水泥 厂窑尾电除尘器( 处理烟气量3 0 0 0 0 0 m 3 厂h ) ，南京梅山能源有限公司5 0 m w 机组电 除尘器( 处理烟气量5 5 0 0 0 0 m 3 h ) ，内蒙通辽盛发热电2 1 3 5 m w 机组电除尘器 f 处理烟气量8 8 0 0 0 0 m 3 h ) ，分别进行了同类改造或项目新建，均获得很好效果 【1 4 】。f e 型电袋复合式除尘器是我国自主研发的新型电一袋复合式除尘设备，到 2 0 1 1 年，已经投入运行的5 0 m w 6 6 0 m w 的各种类型的机组都可以配套使用。 但是，由于运行控制不佳，近些年来国内很多电一袋复合除尘器达不到设计效 率，或者用电量较大造成资源浪费。如何把计算机技术、现代控制技术应用于电一 袋复合除尘器，以改善设备的利用状况，改善电一袋复合除尘器的运行、维护、管 理水平，已经成为一个重要的课题。针对电除尘器的运行仿真研究工作再国内已 经比较常见，而且很多已经得到应用，但是，针对电袋复合除尘器的仿真研究工 作在国内还没有大规模开展。 1 2 2 国外研究现状 据资料表明，美国是世界上比较早开始研究电一袋复合式除尘技术的国家，并 且投入到了电场的运行中。早在1 9 6 1 年f r e d e r i c k 就在他的文章中指出，织物、烟 尘的静电荷对过滤的除尘率、阻力及清灰难易有影响，按照这一思路，1 9 7 0 年美 国精密工业公司试验生产了一种预荷电脉喷清灰的除尘器a p i t r o n ，其结构是在金属 丝网制成的圆筒形管子中心放置一根电晕线，管子外面套条滤袋，进入管子的 粉尘因电晕作用而荷电，一部分被金属丝网电极所收集，其余荷电粉尘被最外层 的滤袋收集。由于高压电晕放电有时会损坏滤袋，这种早期的设计结构没有被推 广，但是它是我们目前了解的最早的电袋复合式除尘设备。美国电力研究协会， 为了使美国的发电厂达到越来越严格的政府控制烟尘排放的要求，在1 9 8 0 年代后 期开发了c o h p a c 即紧缩混合型除尘器( c o m p a c th y b r i dp a r t i c u l a t ec o l l e c t o r ) 。其 基本构思就是在原有电除尘器的下游增加一台袋式除尘器，来捕集电除尘器未能 收集到的微细粉尘，使排放浓度能满足法规的要求。因为大部分粉尘已被电除尘 器捕集，到达下游脉冲袋式除尘器的粉尘量较少，所以袋式除尘器的气布比得到 提高，滤袋寿命延长，这样使得袋式除尘器的体积和投资大大缩小。该系统的结 构特点就是前电后袋。上个世纪9 0 年代中期，在美国能源部的资助下，北达科他 大学能源与环境研究中心开发出了a h p c 即先进混合型除尘器( a d v a n c e dh y b r i d p a r t i c u l a t ec 0 1 l e c t o r ) ，并于1 9 9 9 年8 月取得美国专利。该除尘设备是由一行电除 尘器部件和一行滤袋相间排列而成：滤袋在电除尘的极板之间，极板为多孔板， 华北电力大学坝士学位论文 粉尘可以通过极板上的小孔进入到滤袋中，这一技术的中间试验装置1 9 9 9 年7 月 开始运行，用于处理o t t e r t a i l 电力公司大石燃煤发电厂排放的烟气，该设备的长 期运行性能稳定，采用在线清灰，除尘效率能达到9 9 9 9 以上，系统阻力保持在 1 6 0 0 2 0 0 0 p a 【1 5 抑l 。一直到1 9 9 0 年，欧洲才开始电袋复合除尘技术的研究和应 用。西班牙s e v i l l a 大学在该国l o sb a 币o s 电厂进行了试验。瑞士的e l e x 公司自 1 9 9 8 年以来，先后在意大利、德国等国的水泥厂应用了串联式电袋复合除尘器， 也获得很好的效果口叭。近些年关于电袋复合除尘器的运行仿真的研究在国外较少 报道。 1 3 课题主要研究内容 以某燃煤电厂3 0 0 m w 机组配套的电袋复合式除尘器为仿真研究对象，确定 处理工况条件包括锅炉工况条件、燃烧煤种、烟气性质和环保要求等和电袋复合 式除尘器的结构参数、运行调整参数，综合分析影响电袋复合式除尘器除尘效率 的因素，建立电袋复合式除尘器的仿真运行模型和优化控制模型，利用v i s u a l b a s i c6 ( ) 软件开发燃煤电厂电袋复合式除尘器优化控制的仿真运行软件。使用仿 真软件进行运行仿真试验，从而对整个电袋复合除尘系统的运行状况进行优化。 1 3 1 除尘系统仿真数学模型的建立 本论文所作的仿真没有通讯系统，所有数据并非来源于现场运行状况监测和 数据采集，而是来自于建立的数学模型，因此，要深入了解除尘系统的除尘机 理、结构组成和工矿参数，综合分析影响电袋复合除尘系统除尘效率的因素，从 而建立更加准确的能够反映实际运行状况的仿真数学模型，所需建立数学模型主 要包括以下及方面： 1 电除尘器运行工况参数模型 锅炉蒸发量、燃煤灰分对入口烟气量、入口烟气含尘浓度、入口烟气温度影 响的模型、粉尘平均粒径模型、粉尘比电阻模型。 2 电除尘器本体结构参数模型 包括电场的长、宽、高，极板间距、截面积、收尘面积、窜气量、二次扬尘 量、漏风量、漏风率、气流分布均匀性及振打周期模型。 3 电除尘器运行性能参数模型 4 华北电力大学硕士学位论文 包括电除尘器电场风速、粉尘趋近速度、电场分级除尘效率、电除尘器总除 尘效率、出口烟气含尘浓度模型。 4 袋式除尘器运行工况参数 包括入口烟气量、入口烟气含尘浓度、烟气压力，烟气温度。 5 袋式除尘器本体结构参数 滤料种类、滤袋的直径和高度、滤袋的条数、单条滤袋过滤面积、滤袋总过 滤面积、脉冲喷吹时间、脉冲周期、压力损失、漏风量、漏风率等参数模型。 6 袋式除尘器运行性能参数模型 过滤风速、空气压缩量、除尘效率、出口烟气含尘量、出口烟气含尘浓度等 参数模型1 1 9 j 。 7 电。袋复合除尘器总除尘效率模型 1 3 2 仿真软件的开发 电袋复合除尘器运行仿真软件的开发以v i s u a lb a s i c6 0 编程软件为工具，对 电一袋复合除尘器的运行过程、参数变化进行仿真，软件主要包括以下几部分： 1 系统主界面，包括欢迎界面、系统菜单、帮助和退出按钮。 2 系统流程图界面，这一界面为运行仿真软件的核心部分，所有仿真数据及成 果都通过这一界面进行链接，其内容主要包括：系统的启停操作控制，电除尘器 本体结构参数，电除尘器运行参数，袋式除尘器本体结构参数，袋式除尘器运行 参数，入口烟气含尘浓度曲线，出口烟气含尘浓度曲线，仿真实验几部分。其中 仿真实验部分可以实现对工况参数及运行参数的调整、运算及处理，从而实现电。 袋复合除尘器运行的优化控制。 1 3 3 仿真软件的运行调试 运行开发出的仿真软件，通过仿真实验采集工况及运行参数数据，对其进行 分析变焦，修正仿真数学模型并对软件进行调整，完善软件各种功能，美化显示 界面，是人机界面更友好。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 4 仿真实验与实验结果分析 利用仿真软件进行仿真实验，从而取得不同工况参数及运行条件下的运行参 数、除尘效率、出口烟气含尘浓度的值，并对实验结果进行分析，绘制参数变化 曲线图，综合分析影响除尘效率的因素，对运行参数进行优化。 1 4 课题研究的现实意义 电一袋复合除尘器与电除尘器、袋式除尘器相比较，除尘效率较高而且运行维 护费用较低，还可以用于旧的电除尘器的改造上，其优势已经比较邑日显，再近些 年来逐渐得到推广使用，针对电袋复合除尘器的优化控制的运行仿真主要目的是 为火电厂3 0 0 m w 锅炉机组的电一袋复合除尘设备运行控制过程进行优化，为除尘 设备提供一套高效、节能、经济、稳定的运行方案。 6 华北电力大学硕士学位论文 第2 章电一袋复合式除尘器优化控制仿真运行数学模型 的建立 借助计算机及各种应用软件可以实现除尘系统的仿真，计算机仿真就是通过 建立系统的数学模型，并将其放到计算机程序上进行试验研究的综合科学方法。 因此，建立符合实际情况，能够反映系统实际运行状况的数学模型是仿真的首要 条件。 2 1 电除尘器除尘机理 在电除尘技术中，粉尘的捕集主要是利用在电晕电场中粉尘荷电后移向异性 电极，从而从气流中分离出来的原理，主要涉及悬浮粒子荷电，带电粒子在电场 内的迁移和捕集，以及将收尘表面上的捕集物清除等三个基本过程，它主要分为 四个阶段： 1 施加电场 在正负电极之间施加电压，就可以建立起电场，其主要作用为：( a ) 在高压放 电极附近电场的场强比较强，气体被电离，产生大量离子，这样就形成了电晕放 电的必要条件；( b ) 电场促使尘粒与带电离子碰撞，使尘粒荷电：( c ) 静电力的作用 驱动荷电尘粒向收尘极移动。 2 气体的电离( 电晕放电) 电除尘器中能够形成电晕放电的基本条件是，存在能够形成能使气体电离发 生电晕放电的非均匀电场的正负电极间的电位差。在放电极表面电场强度最大， 距放电极越远电场强度越小。电晕放电原理如下图2 1 所示。电场中粉尘粒子荷电 的来源为带负电荷的电子和阴离子。实验证实电场强度与电场中粒子的迁移速度 成正比。 3 尘粒荷电 尘粒粒径、电场强度和停留时间等因素影响了尘粒荷电量的大小，通常认为 尘粒荷电有两个主要机理：电场荷电和扩散荷电。电场荷电是在电场中粉尘粒子 与沿电力线运动的气体离子碰撞进而荷电，对于半径大于o 5um 的尘粒，电场荷 电起主导作用。扩散荷电是由离子的热运动引起的，对于半径小于0 2um 的尘 华北电力大学硕士学位论文 粒，则为扩散荷电起主导作用。而半径在0 2 0 5 m 之间的尘粒，两者均起作 用。 4 叟尘 板式电除尘器的工作原理如下图2 1 所示。粉尘进入电场荷电后，在电场力作 用下，各自按照其所带电荷的不同极性，向与其极性相反的电极运动，并沉积于 其上【2 1 】。 图2 1 板式电除尘器工作原理 2 2 电除尘器优化控制运行仿真数学模型的建立 2 2 1 电除尘器运行工况参数模型 本文以燃煤电厂3 0 0 m w 机组配套的电一袋复合式除尘器为仿真研究对象，其 主要运行参数为该锅炉所对应的运行参数，所建立的模型包括锅炉蒸发量、煤种 对入口烟气量、入口烟气含尘浓度、粉尘平均粒径、粉尘比电阻、入1 烟气温度 等参数影响的模型。其中，煤种对锅炉实际运行工况的影响是各方面的，但是限 于实验条件与时间，本论文只针对对除尘器运行状况影响较大的燃煤灰分这一性 质建立了模型。所建立的模型中使用了随机参数，使得各种参数乐意再一定范围 内随机波动，更能够准确直观的反应系统实际运行状况。 1 锅炉蒸发量模型 华北电力大! 学硕士学位论文 目前国内外火电厂发电机组明显向大容量方向发展，新建工程大多是大容量 机组，为适应这一发展趋势，使得仿真系统更加准确的模拟实际工况，本文中采 用的锅炉实际蒸发量为1 0 0 0 饥。建立的实际蒸发量的模型为额定蒸发量乘以锅炉 负荷，加上一个小幅度的随机变量，使得蒸发量的变化范围符合锅炉实际运行状 况，见式2 1 所示。 w 。= o 5 ( 1 1 r n d ) w 。1 0 r n d ( 2 1 ) 式中w 。实际蒸发量，讹； w 。额定蒸发量，讹： 弛d 随机函数。 2 燃煤灰分模型 目前绝大多数燃煤电厂的锅炉直接燃用原煤，而国内燃煤的灰分普遍比国外 高，平均水平约为2 5 3 0 ，这不仅对锅炉本身造成一定的磨损，而且严重影 响了电除尘器的运行状况和除尘性能圈。对电除尘系统提出了严峻的挑战。燃煤 灰分数学模型见式2 2 。 a y = 1xr n d ( 2 2 ) 式中a y 实际燃煤灰分，； a y o 燃煤灰分基量，从1 4 4 0 可调。 3 入口烟气量及入口烟气含尘浓度模型 入口烟气量及入口烟气含尘浓度由锅炉实际蒸发量和燃煤灰分共同决定，所 以其值随着锅炉运行状况的变化会产生波动， q 。1 = 1 7 2 0 w ( a y 1 0 0 ) ( 1 0 0 + 2 7 ) ( 2 3 ) c i l = w x1 0 0 0 0 x a y ( 7xq i l )( 2 - 4 ) 式中q i l 入口烟气量，m 3 h ； c i l 入口烟气质量浓度，m 3 。 4 粉尘平均粒径和比电阻模型 煤粉的颗粒大小决定了燃烧后产生灰尘粒径的大小，由于电除尘器的除尘机 理为电晕荷电，小颗粒的粉尘荷电更加困难，电除尘器对其捕集效果较差，因 此，粉尘平均粒径大小严重影响了电除尘器的除尘效率。电厂实际运行中，为了 使煤燃烧更充分，提高电厂运行的经济效益，往往把煤磨制的更加细小，这就使 得粉尘的平均粒径更小，本文所选取的粉尘平均粒径在1 0 3 0 耻m 之间随机波动， 从而可以模拟各种不同的运行工况，平均粒径数学模型如下式2 5 ，粉尘比电阻模 型如式2 6 所示。 d p = d ，。尺打d 1( 2 5 ) 9 华北电力大学硕士学位论文 篡鼍! 寰曼蔓曼寡曼鼍毫亨尝皂曼曼曼烹烹烹是烹曼尝鼻景曼寰妻曼曼曼曼景尝毒景曼景曼烹曼 式中d 广实际粉尘平均粒径，u m ； 6 f 凡粉尘平均粒径基量，1o 3 0 “m 可调； p = 1 7 + 2 9 尺，7 d ) 1 0 。( 2 6 ) p 一实际粉尘比电阻，q c 厅7 x 一粉尘比电阻的数量级，8 1 2 可调。 5 入出口烟气温度模型 入出口烟气温度会影响起晕电压、起晕时电晕极表面的电场强度、电晕极附 近的空间电荷密度和离子有效的迁移率等。温度还会引起比电阻的变化，温度低 于露点时还会引起系统结露。本文建立的烟气温度数学模型见式2 7 、2 8 。 取毫2 已、。( 1 一瀑) 6 0 ( 2 7 ) 式中t 八r 锅炉满负荷时入口烟气温度，： w ；锅炉实际蒸发量，t h ； w 。锅炉额定蒸发量，t h ： t 唪刍= t ，刍一2 2 5 一( o 。5 s o d 。1 )( 2 8 ) 一 、鼍、 q4 ， 、， t ：n 吨出口烟气温度，； d 。1 电除尘器本体漏风率。 6 入出口烟气压力模型 p k 壹= 9 9 0 0 0 5 0 0 r n d( 2 9 ) 式中p 州。电除尘器入口烟气压力，p a ； p 生皂= p 。，、毫一2 0 0 1 0 xr n d( 2 1 0 ) 式中p n 电除尘器出口烟气压力，p a 。 2 2 2 电除尘器本体结构模型 本文建立的数学模型主要涉及到的电除尘器本体结构参数包括电场的长、 宽、高、截面积、收尘面积。还有与以上参数息息相关的本体漏风量、漏风率、 窜气量、气流分布均方根、二次扬尘量等参数的模型。并且以修正系数的形式表 现出以上参数对除尘器效率的影响。 1 电场的长、宽、高和极间距模型 本文针对3 0 0 m w 机组，蒸发量为1 0 0 0 t h 的锅炉所配套的电袋复合式除尘 器，并且综合考虑负荷、煤种等实际工况参数变化的因素，设计出了电除尘器部 分的本体结构参数如下：2 个电场，4 个供电分区，双进、双出口，4 个灰斗，采 华北电力太学硕士学位论又 用现在常用的4 8 0 c 型板和r s b 新型管状芒刺线的结构，同极间距4 0 0 m m ，异极 间距2 0 0 m m ，电场长度选取2 4 0 ( ) o m m ，宽度选取2 2 9 0 0 m m ，高度选取 12 5 0 0 m m 。其中长、宽、高三个参数直接影响着电除尘器的横截面积和总收尘面 积，从而对除尘效率造成直接的影响。 除尘器的极配形式对电晕放电和电流密度有很大影响，r s b 极线主要依靠芒 刺尖端放电，在高含尘量条件下也不会产生电晕封闭，而且使得电流密度分布更 均匀，对提高阳极板的有效利用率和防止反电晕的效果十分明显。在极间距的选 择上，宽间距体现出比较大的优越性，因为随着极间距的增大，电晕极产生的电 晕电流在极板上的分布逐渐趋于相对均匀，能够充分发挥整个极板表面的收尘作 用，相当于增大了收尘面积，从而直接影响除尘效率【2 引。 2 漏风量和漏风率模型 电除尘器一般是负压运行，如果设备安装时，壳体连接处焊接控制不严，就 会从除尘器外部漏入冷空气，使得除尘器的处理烟气量增大，电场风速增大，烟 气温度降低，最终除尘器内部温度低于露点温度造成局部结露腐蚀设备。如果从 灰斗漏风，造成已沉积的粉尘再次扬起也会造成除尘器性能下降。灰受潮之后粘 附在灰斗上导致卸灰不畅，严重了还会产生堵灰。烟道、阀门、绝缘套管等处漏 入冷空气，还可能导致出现冷凝水，引起电晕线肥大、绝缘套管爬电等后果。一 般要求电除尘器本体漏风率小于5 。漏风率对除尘效率的影响主要体现在处理烟 气量方面。漏风量、漏风率数学模型见式2 一l l 、2 一1 2 。 q i = r n d q i 4 ( 2 一l1 ) 式中q ，电除尘器漏风量，m 3 厂h ； d 口1 = q i ( q l q i ) ( 2 - 1 2 ) 式中d 。，漏风率。 3 窜气量模型 窜气量就是所谓的气流旁路，是指电除尘器的气流不通过收尘区，而是从收 尘极版的项部、底部和极板两面最外部与壳体的壁之间的通道中通过。也就是这 部分气流没有经过收尘区而直接外排，窜气量是运行中一个严重的问题，对除尘 效率影响特别大，烟气只要出现5 的旁流，除尘效率就达不到9 5 。因此，对高 效电除尘器来说，解决窜气的问题至关重要，一般可以采取的措施是采用阻流板 迫使旁路气流从除尘区经过【2 4 】。窜气量对除尘效率的影响再建立模型时，主要通 过窜气量修正系数来体现，具体数学模型见式2 1 3 、2 。1 4 所示。 q 。= q ixr n d 1 ( 2 13 ) k 。：= q ，( q ，+ q 。) ( 2 一1 4 ) 华北电力大学坝士学位论文 式中a q ，_ 窜气量，m 3 h ； k 窜气量修正系数。 4 气流分布均方根值模型 一般而言，烟道内的气流速度为1 5 m s 左右，而电场内的气流速度仅为1 州s 左右，两者相差甚远。因为速度的迅速转变，会使进入电场的烟气产生涡流、紊 流，最终导致气流分布不均。再气流速度不同的区域中，粉尘的捕集效率不同， 在气体流速较高的区域，粉尘捕集效率低，而在气体流速较低的区域，粉尘捕集 效率较高，这使得电场效应无法得到充分利用，因为在高流速区造成的效率降 低，不可能在低流速区内得到补偿。而且局部气流速度高的地方会造成冲刷现 象，使得沉积在收尘极板上合灰斗中的灰尘再次扬起，影响除尘器的除尘效率。 另外，在气流速度低的区域，电晕线上可能积累过多的粉尘，这会引起不均匀的 电晕放电2 5 - 2 7 1 。 一 电除尘器气流分布均匀性评判标准采用相对均方根值法，o 为测试断面上各测 点流速相对均方根值，当0 1 时，气流分布均匀程度为优秀；当0 1 $ o 1 5 时， 气流分布均匀程度为良好：当o 1 5 o 2 5 时，气流分布均匀程度为不合格，这时就需要调整气流均布板了。现在气 流分布不均匀造成除尘器效率降低的影响已经得到一致认可，本文中评价气流分 布均匀性对除尘效率的影响主要使用修正系数，见式2 1 5 、2 1 6 ，对总除尘效率 进行修正1 2 8 1 。 k 口= 5 0 0 ( s o o + g ： ( 2 - 1 5 ) o = r = l dx0 s ( 2 1 6 ) 式中k - _ 气流分布不均修正系数； a 气流分布不均随机波动函数。 5 二次扬尘模型 二次扬尘即已经沉积在极板上的灰尘，被烟气刘重新带走。它可以使除尘效 率有明显的下降。产生二次扬尘的原因有很多种，如气流分布不均造成的涡流、 紊流；振打方式选取不当，频率过快；电除尘器供电方式；电除尘器本体漏风； 清灰强度、周期不合理：除尘器有窜气现象等。这些因素对二次扬尘量造成的影 响无法进行定量的估算，因此对二次扬尘量建立仿真模型时，我们用二次扬尘修 正系数来对其对除尘效率带来的影响进行修正，具体数学模型见式2 1 7 、2 18 和 2 1 9 。 m i = c i l q i 1 0 0 0( 2 一1 7 ) m = m i 4 r n d( 2 一l8 ) 华北电力大学帧士学位论又 k m = m i ( m i m ) ( 2 - 1 9 ) 式中m ；烟气中总含尘量，k g h ； a m 二次扬尘量，k g h ； k 、广二次扬尘修正系数。 2 2 3 电除尘器振打控制模型 电除尘器内电场的振打装置的主要作用为定时清除电场极线和极板上的积 灰，保持电场中二次电压的稳定。振打方式包括振打方向、振打强度和振打周 期。振打方向有多种不同的选择，阴极项部机械振打系统和阳极侧向底部机械振 打系统为目前比较常用的振打系统。振打力和振打周期的选择取决于粉尘的粘 度、比电阻、粉尘的沉积速度和其在极板上的附着力。实践表明，电除尘器振打 清灰周期的长短，对除尘效率有十分显著的影响，振打周期设置过长，会造成积 灰太厚，使得阴阳极之间电压降低：而振打周期设置过短时，由于灰层太薄，振 打落下的粉尘容易被烟气流重新带走，使得二次扬尘量增加，降低除尘效率。除 了选择合理的振打周期外，还可以考虑间隙振打和阴、阳极交错振打的方式，这 样可以提高清灰效果，减少二次扬尘量。 阴极振打周期t k 数学模型如下式2 2 0 所示： t k = t k l + i xt k 2 ( 2 _ 2 0 ) 阳极振打周期t 。i 数学模型如下式2 2 1 所示： t a i = t ；i 1 t a i 2 = n 、+ d 6 j ( 2 - 2 1 ) 式中t 阴极振打时间，m i n ，一般取5 6m i n ； 飞，第一电场阴极停振时间，m i n ，一般取5 6m i n ； i 表示第几电场； t 州第i 电场阳极振打时间，m i n ； t 。i 厂第i 电场阳极停振时间，m i n ； n 阳极板允许连续振打次数，一般取2 5 次； 1 一阳极振打轴转速，r m i n ； d 阳极板允许连续积尘最大厚度，l0 2 0 m m ： 6 厂一第i 电场阳极板的实际积尘率，m 州m i n 。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 4 电除尘器运行性能模型 1 电场风速及粉尘趋近速度模型 电除尘器内气流的电场风速是指电除尘器在单位时间内处理的气体量与电场 断面的比值。电场风速对除尘效率的影响主要表现为，当电场风速增大时，粉尘 微粒在电场中的停留时间缩短，从而减少了粉尘微粒与被电离的气体离子结合的 机会，使得被极板捕集道德粉尘量减少，而且高风速还会带走一部分已经沉积下 来的粉尘，即加大了二次扬尘量。气体流速越低，粉尘颗粒在电场中的停留时间 越长，荷电越充分，捕集效率也就越高。 粉尘趋近速度与电场强度、空间电荷密度、粒子性质等因素有关。不同性质 的粒子，趋近速度差距很大，工程实际当中通常采用的是有效趋近速度，它的值 是根据电除尘器实际的收尘面积，处理烟气量和实际除尘效率利用多依其效率公 式反推出来的，它包含了电场强度、粉尘特性、粒径大小、电场风速、气流分 布、振打效果、二次扬尘等很多因素的综合影响，所以粉尘驱进速度是电除尘器 设计的关键因素，也是对电除尘器性能进行比较和评判的重要参数。本文建立仿 真模型只考虑了对趋近速度影响较大的电场风速和粉尘粒径两个量，见式2 2 2 、 2 2 3 所示。 v = ( 2 q i q 1 ) ( 2x3 6 0 0 xf ) ( 2 2 2 ) c o 。= 0 0 1 ld 。) ( 0 5 4 0 一i 1 0 ) v( 2 2 3 ) 、- v， 、， 式中v 一电场风速，州s ； f 电除尘器截面积，m 2 ； 广一与自然沉降等值的趋近速度，m s ； i 表示第几电场。 2 电除尘器供电参数模型 电除尘器的供电参数模型主要包括起晕电压数学模型见式2 2 4 ，起晕场强数 学模型见式2 2 5 ，上限电压数学模型，上限电流数学模型以及伏安特性数学模型 见式2 2 6 。 u o = a e nl n ( 4 b 厂m ) ( 2 2 4 ) e o = ；1 31 0 2 6 + o 9 5 4 ( 6 a ) i i 1 0 s ( 2 2 5 ) t = k i i ( u i o )( 2 2 6 ) 式中u o 一一起晕电压，v ； a 一一电晕线的最小曲率半径，m ； b 一一异极间距，m ； 1 4 华北电力大学硕士学位论文 e o 起晕场强，v m ； a 气体相对密度，由烟气温度、压力决定： k 伏安特性系数。 3 分级除尘效率模型 影响电除尘器除尘效率的因素很多，关于电除尘器理论除尘效率的计算公式 国内外专家学者也做了多年的研究，其中d e u t s c h ( 多依奇) 于19 2 2 年推算出的 电除尘器捕集效率公式得到了普遍的认可，如下式2 2 7 所示，被作为分析、评价 以及比较电除尘器性能的理论基础，也是电除尘器设计的理论依据。 t 1 = 1 一p x p ( 一a m q ) ( 2 2 7 ) 式中a 总收尘面积，m 2 ； 粉尘趋近速度，m s ； o 处理烟气量，m 3 s 。 在1 9 6 2 年以前，怀特的推论把供电质量引入到除尘效率计算公式里，见式2 2 8 。 n = 1 一一e x p ( 一k p q )( 2 2 8 ) p 电除尘器的电晕功率，w ； k 根据气体、粉尘性质和电除尘器设计而定的参数。 怀特公式中也存在着由实际工程应用而决定的参数k ，它的得到只能根据大量 的实践经验获取。另外，重要的一点是，怀特公式没有考虑当电除尘器的高压供 电系统尚未投加时，电除尘器仍可作为一个庞大的重力沉降室，从而也具有一定 的除尘效率。本文对怀特公式进行了修正，得到如下公式： 。= 0 l e x p 一m e 3 6 0 0 q + ) 。) 】) 1 0 0 q 南 ( 2 2 9 ) 式中价各电场分级除尘效率，i 6 ； 广自然沉降修正系数，与公式相等； k 怀特公式参数，取k = 0 0 0 6 ； p i 某一级电场的电晕功率，w 。 电除尘器某一级电场的电晕功率计算式如下式2 3 0 ： b = 1 2 ( i ) xu 2 ( i ) k 巩 ( 2 3 0 ) 式中1 2 二次电流，1 n a ； u 2 二次电压，v ； k p i 电晕修正系数。 其中电晕修正系数体现出了粉尘比电阻对各级电场除尘效率的影响，电晕修 正系数计算模型见式2 31 。 华北电力大学硕士学位论文 k p j21 0 0 1 21 0 9 1 0p( 2 31 ) 4 电除尘器总除尘效率模型 、q r = 【1 一( 1 1 ，) ( 1 一1 17 ) 】x1 0 0 ( 2 3 2 ) t 1 = k f ”j ( 2 3 3 ) 式中叩广电除尘器总理想除尘效率，： ，7 电除尘器总非理想除尘效率，。 i ( f 总的非理想修正因子，计算方法见式2 3 4 。 k f2k 6 k ：x m( 2 3 4 ) 总的非理想修正因子包括了气流分布不均、窜气量、二次扬尘三个主要因素 对除尘效率的影响，它的值等于各种非理想修正因子之积。 5 出口烟气含尘浓度模型 出口烟气含尘浓度是根据入口烟气含尘浓度以及电除尘器总除尘效率计算出 来的，是反映电除尘器性能的一个重要参数，见式2 3 5 。 c 0 1 = c 1 1 ( 王一 1 ) 1 0 0 0( 2 - 3 5 ) 式中c 。2 电除尘器出口烟气含尘质量浓度，m m 3 。 2 3 袋式除尘器除尘机理 袋式除尘器是一种广泛使用的干式除尘设备。在袋式除尘器中，含尘气体单 向通过滤布，尘粒被截留在滤布的含尘气体一侧，而干净气体通过滤布到达干净 气体一侧，当滤布上的积尘到一定厚度时，借助于机械振动或反吹风等手段将积 尘出去，从而达到除去烟尘颗粒的目的。袋式除尘器的除尘机理主要包括以下几 种作用： 1 筛滤作用 当尘粒粒径大于滤布纤维网孔或沉积在滤布上的尘粒间孔隙时，尘粒被阻留 于滤布或集尘层上。新的滤布筛滤作用很小，随尘粒在滤布表面大量沉积形成粉 尘初层后，筛滤作用将会显著增大。 2 惯性沉降 当含尘气流通过滤布纤维时，由于尘粒的惯性作用，尘粒将不随从流线的弯 曲而射向滤布纤维并且沉积到纤维表面，惯性沉降作用随着尘粒粒径及气体流速 的增大而增大。 3 扩散沉降 华北电力大学硕士学位论又 当含尘气流通过滤布纤维时，由于较小的尘粒会发生布朗运动，尘粒从气流 中可以扩散到滤布纤维上，并且沉积到纤维表面。扩散沉降作用通常发生于粒径 小于1um 的尘粒中。 4 重力沉降 由于重力的影响，较大的尘粒有一定的沉降速度，在气流速度不大时，尘粒 的轨迹偏离气体流线从而接触到纤维表面而沉降下来。 5 截留作用 当含尘气流接近滤布纤维时，较细尘粒随气流一起绕流，当尘粒到滤布纤维 的距离小于尘粒的半径时，则尘粒在流动过程中被纤维所捕获。 6 静电沉降 袋式除尘器中的滤袋纤维和流经过滤器的尘粒都有可能带有电荷，由于电荷 间库仑力的作用，也同样可以发生尘粒在纤维上的沉降。静电效应一般在尘粒粒 径小于lpm ，气流速度很低时，才能显现出来。 袋式除尘器中尘粒的捕集作用往往是