（电气工程专业论文）兰溪电厂3电除尘系统节能优化改造的技术研究.pdf

a b s t r a c t w i t he c o n o m yg r o w i n ga n ds o c i a ld e v e l o p i n g ，p e o p l ep u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s a b o u te n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o na l s ow i t he n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i n o r d e rt or e d u c ee l e c t r i c a lc o s t sa n dt h ec o s t so fp o w e rg e n e r a t i o n ，t h ep o w e rp l a n t c o m p a n i e sa l s od e m a n df o re n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n f o ri m p r o v i n gd u s tc o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n go p e r a t i o n ，t h i si s s u ec l o s e l y w i t ht h ea c t u a lo p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fl a n x ip o w e rp l a n t , a c c o r d i n gt ot h e p a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f 孝3e l e c t r o s t a t i cd u s tc o l l e c t o r , a n a l y s i sf 巾m b o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i d e so fp o w e rc o n s u m p t i o na n de q u i p m e n td e f i c i e n c i e s o ft h eo r i g i n a ls y s t e m a c c o r d i n gt of a i l u r ea n a l y s i sa n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl a n x ip o w e rp l a n t ，b a s i so n t h er e s e a r c ho fl a t e s tp u b l i s h e de n e r g y - s a v i n go p e r a t i o nt e c h n o l o g yo fe l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o ra n dr e l a t e dp r o d u c t sa n df u l lr e s p e c tf o rt h eo r i g i n a le l e c t r i cd u s tc o l l e c t i n g s y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h et e c h n i c a lm e r i t sii nl i n ew i t hs a v i n gi n v e s t m e n t i a c c e s st ot h el a r g e s te f f e c to ft h ep r i n c i p l eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o na n de f f i c i e n c y , d e m o n s t r a t e dt e c h n i c a li n n o v a t i o np r o g r a m so fav a r i e t yo fe l e c t r o n i cc o n t r o l e q u i p m e n t , s e l e c ta n di m p l e m e n tt h eb e s tt e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o np r o g r a m t h et o p i cc o n t a i n se n e r g y - s a v i n ga r g u m e n ti nd e t a i lo nt h ef i r s tp a r ta n dc o n t r o lp a r t s o ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t ，f o rf a s t e ra n dm o r ea c c u r a t er e a l i z a t i o no fl o g i c c o m p u t i n ga n ds o f t w a r ei n s t a l l a t i o n ，p u tf o r w a r dt ou p g r a d i n gt h em i c r o c o n t r o l l e r ； p r o p o s e dw o r k i n gm e t h o d so fc h a r g i n gr a t i oa n dt h es l o p eo fe n e r g y - e f f i c i e n tm e t h o d s a n dd e s c r i b e db o t hd e s i g ni d e a sa n dt h el o g i c a lb l o c kd i a g r a mi nd e t a i l ；i no r d e rt o b e t t e ra c h i e v et h er e m o t em o n i t o r i n g ，t h es u b j e c td e s i g n e dt h eo r i g i n a lc o m m u n i c a t i o n r e s t r u c t u r ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d sa n dc o n f i g u r a t i o ns c r e e n ；a c c o r d i n gt o d e b u gr e q u e s t lp r o p o s e dan e wd e b u g g i n gm e t h o dlw h i c hc a nf i n dt h eb e s t e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rc o m b i n a t i o nw h i c hs u i t a b l el a n x ip o w e rp l a n to p e r a t i n g c o n d i t i o n s i i i w i t ht r a n s f o r m a t i o nc o m p l e t e d ，t h et e s tr e p o r tf 内mt h ep i l o ts h o w st h a tt h e e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rh i g h - v o l t a g ee n e r g y - c o n s u m p t i o nl e s st h a nt h ef o r m e r a v e r a g eo f3 7 5 ，a n di m p r o v e dd u s tr e m o v a le f f i c i e n c y0 0 9 ，a tl a s t ，a c h i e v e d e x p e c t e dr e s u l ta f t e ro p t i m i z e d t h i si s s u ei sat e c h n i c a lt r a n s f o r m a t i o np r o j e c to fl a n x ip l a n t , a i m st os o l v et e c h n i c a l p r o b l e m so fh i g hd i f f i c u l t ya n dl a r g ew o r k l o a d ，a l s ow i t hs u c c e s s f u lc o m p l e t i o no ft h e p r o j e c ta n dp r o v i d e du s e f u lb u i d i n ge x p e r i e n c ef o ro t h e rf r a t e r n a lu n i t s ，r e s e a r c hr e s u l t s h a v ev e r yu s e f u lp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sa n dp o p u l a r i z a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , t r a n s f o r m a t i o n ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n ；e f f i c i e n c y i m p r o v i n g ；e l e c t r i c i z e r a t i om e t h o d ；t h es l o p eo fe n e r g y - s a v i n gm o d e 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签谚东多、梆期：户7 年伊月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做储签名彦礁 签字日期：岬年月夕日 导师 日 致谢 该文经过近半年的书写，已告一个段落了。实际上，该研究前后已历时一年多的时 间，从课题选择、文献阅读、走访调研、方案论证、项目实施、评估总结到最后的论文 撰写，总想把在浙大学到的知识，运用到实际电力工程上来，对一些问题发表一点自己 的见解，但限于水平，目前只能做到这样的程度。 感谢我的指导老师吴国忠教授。在我硕士阶段的三年中，吴老师给予我很多的 指导和帮助，他严谨的治学态度、勤恳的工作作风使我受益匪浅，让我学到了很多。正 是有了吴老师的悉心指导及勉励，才使我能较为顺利完成该论文。感谢我的企业导师 吴孝炯高工，在我论文写作过程中，他不时给我以指点并提出了许多有建设性的意 见。感谢祝建军、李中玉工程师等参与研究的同志，我和他们一起度过了一段美好的时 光。也感谢高国飞等同志为我打印了文稿。还得感谢默默奉献并支持我的夫人和亲人， 在我课题研究过程中，她们承担了许多家务工作。 知识是无止境的，我将继续深入对发电企业电力工程的研究，希望能有所收获。 浙江大学硕士专业学位论文 绪论 1绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 随着经济的增长和社会的发展，人民对环境保护提出了更高的要求。如今，人们印 象中的工业化城市不再是高楼林立、一根根的大烟囱冒着黑烟。在我国，目前的电力生 产主要来源是火力发电，这需要燃烧大量的煤炭，燃烧过程产生的大量排向大气层的煤 粉尘不仅造成了严重的环境污染，而且对人体健康构成了严重的危害。 电除尘被认为具有除尘效率高、处理烟气量大、运行维护费用低的优点，广泛应用 于燃煤机组的电厂中。然而，随着科技的发展，人们对除尘效率和节约使用电能有了更 高的要求。首先，从2 0 0 4 年1 月1 日起，火电厂大气污染物排放标准( g b1 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 正式实施，新标准要求通过建设项目环境影响报告书审批的新、扩、改建火电厂烟尘最 高允许排放浓度为5 0 m g m 3 ；其次，电除尘是重要的环保设备，同时也是火电厂中的高 能耗设备，一般情况下，电除尘的功耗为机组容量的千分之四【16 1 。国家“十一五规划” 提出了“建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，对各电力企业来说，在保证电除 尘器高效环保运行的同时，如何降低厂用能耗，提高电厂的经济效益是当前的主要任务。 兰溪发电有限公司3 静电除尘器为双室4 电场除尘器，高压控制装置型号为 g g a j 0 2 2 0 7 2 ( d j 9 6 ) ，低压控制装置型号为d d w k - 4 k 0 2 ( x ) 一( d j 9 6 ) 。电除尘 器2 0 0 7 年投入运行以来，在运行中发现以下问题： ( 1 ) 虽然两台除尘器除尘效率达9 9 7 以上，但是电除尘系统所配2 只德国杜勒的 d r 2 1 6 浊度仪，其性能及精确度均较差，难以保证电除尘持续高效可靠的工作，给运行 维护带来困难； ( 2 ) 根据运行经验和一系列数据，发现在不同的机组负荷下，电除尘高压控制柜运 行一次电流、低压动力柜运行一次电流都比较高，设备比较耗能，离国家的“节能减排” 要求还有差距。 为响应国家节能减排的号召，进一步降低厂用电率，提高电厂的整体经济效益，针 对存在的缺陷和问题，需要对电除尘的电控设备进行详细的故障分析。因原系统投资建 造时间不长，部分设备和运行方式也较先进，所以本技改方案力图保留原除尘系统的优 点，争取以最少的技改资金获得更大的节能效果。本课题将提出各种技改方案，并对方 案进行可行性研究论证后付诸实施。 目前，我国许多燃煤机组使用的电除尘器大多为9 0 年代的技术，随着社会的发展和 浙江大学硕士专业学位论文绪论 节能减排意识的增强，需要对现有电除尘器进行节能化改造。相信本课题的研究、论证 并实施节能技改方案，一方面可以为本企业深挖企业内部潜力，实现节能降耗，为降低 厂用电率作出贡献，另一方面也可为其它电厂的电除尘节能改造提供借鉴和参考。 1 2 我国火电厂电除尘运行状况及节能评估 电除尘是一种高效的除尘装置，在适当的条件下其效率可达9 9 。因此在电力，化 工，冶金，造纸等行业得到广泛的应用。尤其是在燃煤电厂，我国目前的除尘设备基本 上采用电除尘装置。电除尘器主要包括两部分：一是电除尘器本体系统，这其中包括收 尘极系统，电晕极系统，振打装置，气流分布装置，壳体，排灰装置以及搅拌槽装置等。 二是高压供电装置和低压控制系统，这主要是提供电除尘器中所需的高压直流电。电除 尘器工作就是利用静电原理，将高电压产生的强电场加到电晕极和收尘极之问( 这里电 晕极作为阴极，收尘极作为阳极) 使气体电离产生电晕放电，粉尘荷电。当含尘气体通 过电场，其中的尘粒荷电后形成离子，并在电场的作用下向收尘极运动，沉积在收尘极 板表面形成积灰，然后通过阴、阳极振打装置使积灰落入灰斗，最后排灰装置将灰排掉。 多年的电除尘理论研究和实践运行经验表明，电除尘系统内的电控设备对电除尘的 节能和除尘效率影响巨大，电控设备必须根据电除尘运行工况的变化，确保电除尘器长 期运行在最佳工况下。例如在烟气含尘浓度大、粉尘粒径细、负电性气体含量高时，很 容易发生“电晕封闭”现象，此时提供幅度尽可能高的纯直流电压，将会使输入到电场 内的电晕功率提高，对于改善电除尘器的运行效果会有很大好处。而在普通工况和高比 电阻粉尘工况下，提高具有特定脉冲幅度、宽度和周期的脉冲供电波形，将会获得良好 的节能效果和除尘效果。 目前，我国燃煤电厂的燃用煤种大多灰分大，含硫量低，发热量低，煤种多变。燃 煤灰分有的高达4 0 5 0 以上；电除尘运行中，产生反电晕的约占8 0 ，这给电除 尘的运行和达标排放造成了较大的困难。 对于电除尘常规高压供电设备，为了使除尘效率尽量高，其运行电压u 2 尽量接近火 花闪络电压，二次电流尽量大。不论各燃煤电厂的燃用煤种性质有多大不同，也不论水 泥行业，冶金等行业的工况有多大区别，电除尘高压供电设备几乎均运行在单一的火花 整定工作方式下，高压供电设备运行处于“大功率高能耗”状况【6 1 ，而除尘效果往往欠 佳。这一现象很值得深思与探讨。 2 浙江大学硕士专业学位论文 绪论 1 3 国内外火电厂电除尘节能方法和措施 2 0 世纪7 0 年代，发达国家如美国、英国、法国等采用电除尘器对燃煤电厂的烟尘 进行除尘。这些电除尘器的供电电源全部采用常规的“脉动硬特性电源”，通常采用可控 硅自动控制高压整流，由高压硅整流器、电抗器和可控硅触发角生成系统或高阻抗整流 变压器和可控硅自动控制系统组成。 电除尘器的高压电源装置的低压侧为3 8 0 v 、工频5 0 h z 的交流电，经可控硅控制后 送至变压器一次端，升压后产生交流高压电压，经硅整流器整流后输入电除尘器本体阴 阳两个电极，分别称为电晕极和收尘极，如图1 1 所示。在这个系统中，可控硅是供电 的主要控制元件，它的开断时间和速率决定了高压电源输入到电除尘器的电压波形曲线、 幅值大小，决定了供电功率和电晕的发生状况。一般的节能措施紧紧围绕控制运行中电 除尘器的反电晕现象，根据送入电除尘器的烟尘的比电阻大小和烟气流量和流速，来调 节可控硅的控制角，从而控制可控硅的关、开时间，达到既能满足环保排放要求，又尽 可能的实现节约使用电能。 图1 - 1 电除尘电控系统图 随着设备运行经验的积累和电除尘控制理论研究的深化，单片机技术、微机技术、 通讯组件的不断进步，为电除尘电控设备的先进节能提效控制技术的实现提供了可能， 为智能化控制器的研制提高了坚实基础，新型的高效节能环保型电除尘电控设备替代高 耗能、低效率的设备已成为必然。 查阅公开的技术资料，常见的高压电源节电技术有以下几种： ( 1 ) 脉冲节能供电工作技术 脉冲节能供电技术的思路为：电除尘器和硅整流变压器等效为电容与电感元件，控 浙江大学硕士专业学位论文绪论 制系统通过对每个半波晶闸管的导通角进行合理控制，在整流变压器低压端( 输入侧) 形成脉冲，然后升压整流后形成既有基础电压又有窄脉冲电压，这种脉冲供电主要由基 础电压调节电路、脉冲产生电路、保护电路、脉冲幅值调节电路组成，它的优点是尘粒 荷电迅速、有效抑制反电晕现象、降低电能损耗、收尘效果好【1 6 2 1 1 。 该方法通过电除尘器节能理论与实践结合，大幅度减少了电除尘在运行过程中无效 和反效电能的损耗，在提高或保证除尘效率的基础上实现了电除尘器的节能运行，具有 很高的理论和实际应用价值。 ( 2 ) 问歇供电节能方式。 所谓间歇供电是指一次回路可控硅输出2 个半波后，停2 个半波或停4 到2 0 个半 波，停的半波数量愈多，间歇供电程度愈深，节能效果愈好。如果锅炉负荷低、烟气的 流量和含尘量持续下降，就逐步将所用电场全部调入间歇供电状态，直至加大间歇供电 深度，最终达到在保证除尘效率的前提下，实现节能运行【8 1 7 】。 实现间歇供电的目的，一方面是节能，更重要的另一方面是使收集到极板上的荷电 粉尘能有充分时间释放电荷，避免其发生局部放电或击穿，最大限度地避免反电晕的发 生。间歇供电工作技术在电厂实际应用后，大都取得了一箭双雕的效果。 ( 3 ) 采用3 2 位d s p 为核心的控制器。 文献 1 3 】认为3 2 位d s p 芯片d s p 2 8 1 2 为核心的控制器，为实现各项基本运算和复 杂的提升功能提供了必要的硬件基础。它是调整、控制电除尘器输入信号的一种信号处 理控制器，能针对各种烟气、不同的温度、灰尘成份和烟气流量等情况，保持合适的火 花率，自动跟踪二次电压和二次电流的变化，使除尘器电气系统运行在最佳工况，从而 提供除尘效率，降低电除尘器的能耗。 目前，国内决大多数电除尘电源产品，采用一块或二块16 位单片机( 如8 0 c l9 6 等) 作为核心控制芯片，其运算速度低，编程指令和结构复杂，由于1 6 位单片机的局限性， 许多先进的软件功能不能实现，使产品性能的提升受限，同时也为产品软件的升级带来 局限。因此，该文献提出了采用3 2 位d s p 为核心的控制器，为安装使用各种数学运算 软件和编制各种节能软件提供了硬件环境【1 3 】。 ( 4 ) 智能动态优化技术的节能方法 该技术方法认为在电除尘运行过程中，由于受到锅炉负荷、燃煤煤质变化等因素影 响，电除尘的运行工况始终处于动态变化过程中，所用电除尘的供电参数也应该随着运 行工况的变化而变化。在这样的理论背景下，开发一种智能优化控制系统。该功能的核 4 浙江大学硕士专业学位论文绪论 心是在电除尘运行是随着烟气流量大小和粉尘性质的变化，对运行电压、电流波形以及 u i 曲线特性进行综合分析，根据数学算法自动反复调整工作方式和可控硅的导通角，从 而调整电压、电流的波形和幅值，使得电除尘器本体收尘电场的电压、电流始终处于最 佳工况，通过减少无效能耗和反效能耗最终达到节能目的【1 6 】。 该技术通过除尘器能耗理论与实践相结合的办法，根据变工况运行状况，使u i 曲线始终处于最优化运行，最大可能的减少反效能耗和无效能耗，达到节能的目的。它 的缺点是反映工况变化的信息采集和信息监控要求高，数学算法复杂，需要配备工控机 和开发相应软件，投资比较高。 ( 5 ) 采用三相高压整流电源 电除尘器三相高压硅整流电源是在单相可控硅移相调压电源计算的基础上开发出来 的一种新型移相调压电源。与单相可控硅移相调压电源不同的是，三相高压硅整流电源 采用三相3 8 0 v 交流电源供电，通过三路六只可控硅反并联调压，经三相变压器升压整流， 并联成一路直流电压加到电除尘电极。 利用三相高压整流电源的优点，采用晶闸管三相全控桥式整流电路，其功率因素大 于等于0 9 5 ，电网损耗小，而单相电源功率功率因素低、缺相损耗大，电源利用率低； 三相电源的转换效率大于等于8 7 ，要比单相电源高1 2 以上，因为三相电源比单相电 源的固有能耗节约2 8 左右，而且其输出的二次平均电压比单相提高1 5 以上，从而在 节能的前提下有效提高除尘效率。另外，由于三相平衡供电，可以避免单相电源供电引 起的三相不平衡电流，可以改善电网的质量，同时还可以降低电除尘变压器的容量，与 单相高压整流电源相比，可以降低投资成本【3 _ 3 1 。 它的缺点是由于可控硅需要过零点才关断，如果b 项在a 项击穿的情况下继续导通， 大大强化了击穿强度，闪络冲击较大。 ( 6 ) 采用高频开关电源技术 高频开关电源是上个世纪九十年代初阿尔斯通公司推出的一种基于高频开关逆变技 术的新型电除尘器高压电源，它是一种与电网频率无关的高频一体化电源。它能提供从 接近纯直流到脉冲幅度很大的脉冲波形的各种供电波形，在实际工程应用中可针对不同 的运行工况选择合适的电压波形，更能适应电除尘的变工况特点，从而提高除尘效率， 并实现节能。高频开关电源采用三相电源供电，相对于可控硅单相调压电源来说，它对 电网影响较小，同时由于其工作频率高，电能转换也效率高，并且具有体积小，重量轻、 集成度高等优点。随着该技术的不断成熟、产品成本不断降低，该技术必将逐步取代工 浙江大学硕士专业学位论文 绪论 频可控硅移相调压电源技术，而成为电除尘器高压供电装置的主流。 高频开关电源的工作原理为三相工频交流电压经全波整流后变为直流，在控制器的 作用下，主开关器件或饱和导通或截止，将直流逆变为高频交流，经高频变压器升压整 流后输出直流高压供给电除尘器收尘电场。由于它输出的电压脉冲频率很高，是常规电 源的几百倍，在电除尘电容特性的作用下，其输出电压波动非常小，峰值、谷值、平均 值相差无几，接近纯直流输出，使电场几乎可以在火花放电电压下运行，可以向电场内 输入更大的电晕功率。此外，它的高频技术和控制器的快速响应可以使霍华德熄灭时间 变得非常短，火花后的电晕功率恢复变得更加快速。 高频开关电源的关键技术在于逆变开关和高频高压整流变压器，它的电能转换率高 可达9 0 ，供电平衡，对电网无干扰。由于采用脉宽调制技术( p w m ) 或脉频调制技术 ( p f m ) ，可以使输出脉冲宽度、最佳周期时间和最佳脉冲幅度等参数独立的灵活选择，可 以自由调节波形宽度和占空比，针对高比电阻粉尘，便于设置任意占空比的间歇供电方 式，与工频电源相比保守节能2 0 t ) a 上【1 3 1 7 】。 这种电源接线方式的缺点是控制技术和制造工艺难度较大，且功率愈大，技术难度 也愈大，它的造价高，运行维护比较困难。 ( 7 ) 多处理器设计 由于单一处理器运算能力有限，而工作任务和繁重，既要对电场运行的工况进行检 测，又要对键盘、数据显示及通讯进行控制，一旦发生冲突，将影响控制的实时性和除 尘效率。而采用多处理器设计，构建高性能的硬件平台，有效解决了单处理器设计的局 限性，使产品的总体性能和软件升级有了明显提高【1 1 】。 这个方法的优点是显而易见的，但由于各c p u 之间相互独立，构成多个不通的计算 机系统，各c p u 之间的数据交换是一个重要的问题。另外由于数据交换而衍生管理c p u 和数据总线等问题，将使这个多处理器设计的物理结构和网络复杂化。 ( 8 ) 恒流高压直流电源 恒流高压直流电源从上个世纪八十年代开始应用于电除尘领域以来，以其独有的供 电特性，良好的应用效果，逐渐被电除尘行业所接受，特别是在一些烟气条件变化比较 大并且复杂的场合，更是首选的高压电源。 与可控硅电源不同，恒流高压直流电源的恒定量是电流，电压是受控量。该电源在 电除尘器上的供电特性呈正反馈工作，即电源输出功率的大小与电除尘器所需功率大小 成正比例关系。如果电除尘器某时刻粉尘浓度变大，若要电除尘器保持高效除尘效率， 6 浙江大学硕士专业学位论文 绪论 必须增大输入电晕功率。由于恒流电源输出电流i 恒定，而输出电压u 随负载阻抗z 变 化而变化，当粉尘浓度增大时，阻抗z 增加，恒流电源输出电压u 也同步增加，所反映 在电除尘上即电晕输出功率p 是同步增大；当电场负载减少，如电场内由电晕放电向火 花放电过度时，随着离子浓度的增加，阻抗z 减小，电源输出功率降低，电源向电场输 送的功率p 也减少，这样就有利于抑制放电的进一步发展，避免发生火花击穿和拉弧。 此外，由于恒流电源采用i ，- t 回路实现电压源向电流源的变换，因此输出电压波形 无畸变，接近完全正弦波。因此在同样的电压峰值下，采用输出电压波形无畸变的恒流 电源相对于波形有畸变的可控硅移相调压电源，工作电压平均值获得很大提高。 因此，恒流电源能通过提高电除尘器的运行电压，来提高除尘效率。又因为它能根 据烟气中粉尘浓度的变化，自动调节运行电压，实现变工况运行，具有节能效果。目前， 国内具有代表性的产品为上海激光电源设备厂的h l 系列恒流高压直流电源。 ( 9 ) 采用具有反电晕自动识别、控制功能的高压电源控制器 这种高压电源控制器可以根据采集到的运行参数如u 2 、1 2 ，根据置入的软件，自动 判断运行状态，当发生电晕时，自动对可控硅的触发角进行调整，从而达到克服反电晕、 提高除尘效率的作用，同时也节约了电能。 1 4 本论文的主要工作和成果 本论文在查阅大量国内外文献资料，经走访调研其他电厂运行经验的基础上，对原 兰溪电厂的电除尘器系统的电控设备进行了详细研究，认真分析了运行中存在的缺陷和 高耗能问题，结合当前改造资金紧张的局面，对各种技改方案进行分析比较论证，最后 提出了最佳的节能技改方案：为节约投入，保留单相高压电源；为方便运行维护，采用 无浊度仪的自我优化的控制方式；为提高自动化控制水平，对1 6 位的单片机进行升级改 造；针对原电控设备高耗能问题，提出了反电晕的节能运行方式：采用充电比的运行方 式和最佳斜率节能工作方式。 本论文经计算，比较了电除尘的理论能耗和实际能耗，详细论证了原撑3 电除尘供电 装置的节能改造的可行性研究了当前众多的电除尘节能技术，结合兰溪电厂运行实际， 提出了适合兰溪电厂运行需要的技改措施，论证了各种技改方案和节能技术的可行性， 设计并完成了充电比运行方式和最佳斜率节能方式的逻辑流程。 为了保证改造后的节能提效，即既要保证电除尘器的高效除尘效率，又要保证节能 运行，论文设计了一种寻求系统最佳运行方式的试验方案，经过测试，找到一种最适合 浙江大学硕士专业学位论文 绪论 兰溪电厂燃用煤种的最佳运行方式。 为使改造方案能适应原电除尘微机监控系统，需要对灰控和就地上位机的画面重新 组态，需要对通讯方式进行修改，论文对这些技改方案进行设计并付诸实施。 浙江大学硕士专业学位论文兰溪电厂# 3 电除尘节能降耗改造可行性研究论证 2 兰溪电厂襻3 电除尘节能降耗改造可行性研究论证 根据兰溪电厂原群3 电除尘的使用环境和高压供电装置及其控制系统的运行特性，结 合当前最新的电除尘技术和兰溪电厂的运行工况及缺陷状况，详细分析节能的可行性和 实施技改的必要性。 2 1 电除尘器节能降耗运行的理论分析与计算 2 1 1电除尘理论能耗 电除尘器运行过程中，烟气中的尘粒荷电后，在电场力作用下向收尘极运动，根据 斯托克斯定律1 9 3 9 1 ，一个球形尘粒在运动过程中所受到的摩擦阻力f d 为 f d = 6 7 rr la 【1 ) ( 2 1 ) 式中t 1 为介质粘度；a 为尘粒半径； c o 为荷电尘粒驱进速度。 使荷电尘粒向着收尘极板运动所经过的距离为s 时所消耗的功率为： w = f d xs = 6 丌1 1a t , 0s ( 2 2 ) 一般而言，燃煤电厂飞灰粒径分布的中位径通常为1 0 2 5um ，现假设尘粒直径为1 0 “m ，向着收尘极板运动所经过的距离s - - 5c m ，荷电尘粒的驱进速度c o = 3 0c m s ，则 根据式( 2 2 ) ，可以得到所消耗的功为： w = 6 丌1 1a 【0s ：6 丌1 1 81 0 5 5 l o 。6 3 0 1 0 2 5 1 0 之 = 2 1 5 4 1 0 。l lj 我国燃煤电厂锅炉产生的烟气含尘浓度一般为1 0 - 4 0 9 m 3 ，再假设烟气中的含尘浓度 c 为2 0 9 m 3 ，尘粒的密度p 为l g c m 3 ，则单位烟气量中的尘粒数量n o 为 c = 4 而 2 0 9 t m 4 3x 氕( 5x10 6m3 tg ( t0 2m ) 3 = 3 8 2x10 1o 阶舶5 ) 因此，使l m 3 烟气中全部尘粒分离所需的功为： w o = w x no = 2 1 5 4 x 1 0 1 1 x 3 8 2 x 1 0 1 0 卸9 7 0j 9 浙江大学硕士专业学位论文兰溪电厂# 3 电除尘节能降耗改造可行性研究论证 l 台6 0 0m w 机组锅炉产生的烟气量约为3 4 1 0 6 r n 3 h ，从这样大烟气量中分离全部尘 粒( 假设粒径为1 0um ) ，所需的功率w s 为 w s = w0 q = 0 9 7 0 3 4 1 0 0 3 6 0 0 = 9 1 8w(23) 可见，分离6 0 0m w 机组锅炉烟气量的尘粒只需要9 1 8w ，这是一个很小的数值。从 式( 2 3 ) 还可以看出，分离不同粒径所需要的功率不同，粒径越大所需功率越小，粒 径越小所需功率越大。在上述条件下，若粒径为2 0 u m ，则需功率为2 3 0 w ，若粒径为5 “m ，则需功率为3 1 6k w 。总的来看，不论多少大小的尘粒，功率的消耗都是微不足道 的。当然，这只是理论功率消耗，实际运行时的功率消耗会偏大一点喳3 。 电除尘理论所需能量很小，这正是电除尘器的一个重要特征，主要原因是分离尘粒 的电力直接作用于尘粒本身。而机械除尘器则以间接的力作用于尘粒上，例如旋风除尘 器是使整个气流都要在除尘器中回旋，利用气流的高速度旋转产生的离心力使尘粒分离， 大部分能量用于加速气流的运动，所以机械式除尘器的能耗会比电除尘器高。 当然，上述功率的计算只是在非常理想状态下得出的，实际运行的能耗由于二次扬 尘、气流分布均匀程度、极板极线积灰情况、阴阳极振打效果、高压绝缘子积灰结露状 况、异极极距工艺水平、电除尘供电特性的影响以及反电晕等因素，都会影响到实际能 耗的大小。但无论如何，评估能耗大小时，电除尘器净化烟气所需的理论功率消耗应该 作为一个重要的参考数据。 2 1 2电除尘高压供电能耗的分类 对于电除尘的常规高压供电装置，为了使除尘效率尽量高，烟尘排放浓度尽量低，往 往工作在火花整定( 或者火花自动跟踪) 的工作方式下，其运行电压u 2 尽量接近火花闪 络电压，二次电流尽量大。通常所说的高参数运行，或称之为“大功率高能耗”工作方 式。由于闪络电压的限制，否则u 2 、1 2 还会增加。改造前兰溪电厂所有在线运行的电除 尘控制器的运行方式就是此种方式。 理论分析认为，电除尘的高压电能消耗应分为四类：用于粉尘的荷电与捕集的电 能，称为“有效”电能，如粉尘的荷电与捕集等；对粉尘的荷电与捕集起破坏作用的 电能，称为“反效”电能，如反电晕、二次扬尘等；介于上述l ，2 之间，即不有利也 不有害的电能称为“无效”电能，如电晕放电、除用于粉尘的荷电与捕集而多余的电荷 等，这部分属于浪费的电能亦称“浪费”电能；从3 8 0 v 交流动力电源转换为脉动直 流负高压输出所消耗的电能称为“固有”能耗( 或转换效率) 5 1 。 1 0 浙江大学硕士专业学位论文兰溪电厂孝3 电除尘节能降耗改造可行性研究论证 电除尘在运行过程中，“有效 、“反效”、“无效”与“固有”电能是交织在一起的。 实际上，在总的电能消耗中，“有效”电能很少，“反效”、“无效”和“固有”能耗占绝 大部分。可以对电除尘的运行过程进行详细分析，对能耗进行细分，通过先进的技术措 施，降低“反效”、“无效”和“固有”电能比例，使电除尘在保持或提高除尘效率、降 低烟尘排放浓度的基础上，开发出能降低电能消耗的产品。 2 2 # 3 电除尘器实际运行能耗分析 2 2 1电除尘器概况 表2 - 1电除尘本体的主要技术参数 名称单位数据 型号 2 一f 4 4 4 4 5 m 一2x1 5 0 1 5 0 标称通流烟气面积 2 4 4 2 8 m 处理烟气量 m 3 s 4 0 5 阳极板规格 i l l m m 衄1 5x4 8 0 1 5 电场有效宽度 2x1 5 = 3 0 串联电场数 个4 通道数 个2x3 6 单电场有效长度 m4 5 电场总的有效长度 m1 8 同极间距 m m4 1 0 异极间距 m m2 0 5 电场分区数 个2 电场供电方式每个电场单个供电 电场内烟气流速 m s1 0 1 烟气流经电场时间 s1 6 5 烟气温度 1 2 5 烟气入i = i 含尘量g m 3 2 6 8 烟气压力 p a9 8 0 0 烟气阻力 p a 2 0 0 漏风率 9 9 6 8 每炉配除尘器数量 厶 2口 浙江大学硕士专业学位论文兰溪电厂# 3 电除尘节能降耗改造可行性研究论证 兰溪发电厂4 6 0 0 m w 机组，由浙江电力设计院设计，浙江某电除尘厂提供设备，每 台炉配置1 台电除尘器，每台电除尘器分2 个小室，每个小室由2 个电场组并联组成。 烟气经四个串联电场的电除尘器除尘，再经烟气脱硫装置脱硫，然后经烟囱排入大气。 电除器下来的灰收集在灰斗内，经飞灰输送系统送入干灰库。电除尘本体主要的技术参 数见表2 一l 。 原电除尘器的高压供电装置由浙江省电力设计院设计，浙江某电子公司生产，采用 高压硅整流装置，通过移相触发晶闸管来控制高压电源。详细参数见表2 - 2 。 表2 2 原高压控制设备参数 序号项目 单位数据 1 高压控制装置型号g g a j 0 2 2 0 7 2 - ( d j - 9 6 ) 2 额定一次电压 v 3 8 0 3 额定一次电流 a5 4 0 4 额定二次电压 k v7 2 5 额定二次电流 a2 o 6 可控硅冷却方式风扇冷却 7 数量套7 浮 1 6 8 低压控制装置型号 d d w k - 4 k 0 2 ( x ) ( d j 一9 6 ) 2 2 2电除尘器实际耗能计算 原兰溪电厂撑3 电除尘安装调试结束，自2 0 0 6 年1 2 月投入运行以来，经环保部门多 次检测，除尘效率均在9 9 7 以上，烟尘排放满足达标排放要求。那么它的耗电状况怎 样呢? 2 0 0 9 年7 月3 日，在机组负荷在6 0 0 m w 时，本课题组组织人员记录了当时电除尘 高压侧一次电压和电流，具体参数详见表2 3 。 从现场抄录的数据，经计算，当时 f j 3 电除尘高压侧的总耗电为1 3 1 8 2 9 k v a ，取功率 因素为0 8 5 ，得： 1 3 1 8 2 9 k v 久x0 8 5 = 1 1 2 0 5 5 k w 此1 1 2 0 5 5 k w 即为电除尘高压侧的实际能耗。将它和6 0 0 m w 机组的电除尘理论能 耗9 1 8 w 相比，两者相差1 2 2 0 倍1 2 2 3 兰溪电厂# 3 电除尘器能耗分析 兰溪电厂群3 电除尘理论能耗和实际能耗相差如此之大，需要进行进一步分析，找出 浙江大学硕士专业学位论文兰溪电厂聋3 电除尘节能降耗改造可行性研究论证 表2 - 3 原系统运行参数( 机组负荷6 0 0 m w ) 计算输入功率 电场序号一次电压( v )一次电流( a ) ( k v a ) 3 a 12 0 32 1 94 4 4 6 3 a 22 4 7 3 6 7 9 0 6 5 3 a 32 2 73 0 76 9 6 9 3 儿2 2 83 8 58 7 7 8 3 b l 2 5 23 0 67 7 1 1 3 8 2 2 4 9 3 6 39 0 3 9 3 8 32 3 02 5 55 8 6 5 3 8 42 3 73 2 87 7 7 4 3 c j2 6 83 4 49 2 1 9 3 c 22 4 83 5 38 7 5 4 3 c 32 5 03 5 58 8 7 5 3 c 42 3 73 8 89 1 9 6 3 d l 2 6 2 3 5 99 4 0 6 3 d 22 5 73 7 49 6 1 2 3 d 32 4 63 6 08 8 5 6 3 d 4 2 4 63 3 6 8 2 6 7 高压柜总功率 1 3 1 8 2 9 ( k v a ) 原因。 根据设备说明，原电除尘控制器具有以下运行方式火花跟踪；间歇供电；峰 值电压跟踪；火花率整定控制共四种方式，正常运行在4 模式，即火花率整定控制运 行方式。 查阅相关资料文献，认为火花率整定控制的运行方式属于9 0 年代初的电除尘技术， 它的理论依据为怀特关于电晕功率与电除尘除尘效率成正比的理论公式。 怀特依据驱进速度( 0 与有用电晕功率相联系的理念，得出与电晕功率成正比的电除尘 除尘效率公式如下【1 9 1 ： 7 7 ：l p 一七l 台 ( 2 4 ) 其中：下一除尘效率百分比； p 2 高压供电有用电晕功率，单位为瓦。且有： 罡= 厶毕 ( 2 5 ) 浙江大学硕士专业学位论文兰溪电厂聋3 电除尘节能降耗改造可行性研究论证 式中：1 2 总电晕电流，单位为安培 v p 、v m 二次电压峰值及最小值，单位伏特。 有效驱进速度： d 缈= 厄l( 2 6 ) 彳 式中：a 电除尘本体总集尘面积，单位为平方米； k 。参数，其含义为单位比功率下的驱进速度，其值与烟气粉尘性质及电 除尘本体物理形状设计参数等因素有关。 怀特还进一步指出： ( 1 ) 驱进速度c o 是电除尘除尘效率与电气因素间的基本联系环节； ( 2 ) 驱进速度与供电的联系方式为：a 用供电的峰值电压和平均电压；b 用电除尘 的平均电流；c 用有用的电晕功率。 ( 3 ) 脉冲供电能提供较高的峰值电压，在多种场合应用中有较高的除尘效率。 式( 2 4 ) 式( 2 6 ) 表明输出平均电压尽量高，输出平均电流尽量大，二次电晕 功率愈大，除尘效率就愈高。 根据怀特公式的指导思想设计出火花跟踪的运行方式，该工作方式的最大特点是除 尘效率高，但是问题也很多，如功率消耗大，电能浪费严重；不能克服反电晕；工况适 应性差等缺点。 因此，撑3 电除尘节能改造中需要对电除尘的高压供电方式进行改进，设计出能适应 兰溪电厂煤种经常变化等变工况特点，能反映现代最新节能技术特点的工作方式。 2 3 孝3 电除尘器系统运行缺陷分析 撑3 电除尘器自2 0 0 6 年投运以来，存在以下问题： 目前，虽然两台除尘器除尘效率达9 9 7 以上，但是电除尘系统所配2 只德国杜 勒的d r 2 1 6 浊度仪，其性能及精确度均较差，在线监视时的烟尘浊度数据突变过大，在 0 1 0 0 波动，难以保证整套电除尘系统持续高效可靠的工作，给运行维护带来困难； 根据运行经验和系列数据，发现在不同的机组负荷下，电除尘高压控制柜运行一 次电流、低压动力柜运行一次电流都比较高，设备比较耗能，离国家的“节能减排”要 求还有差距。 1 4 浙江大学硕士专业学位论文兰溪电厂# 3 电除尘节能降耗改造可行性