摘要：为了更好地满足环境保护对电厂除尘效果提出的新标准、新要求，在全面系统研究几种常见除尘器改造方案之上，有效转换某300MW机组静电除尘器的工频电源，本文详细阐述了高频电源原理引入除尘器。更改之后，单台静电除尘器能够有效降低粉尘排放，数量大约在114.6吨，从而节约112.5万元电费，进而达到节能减排的目的。
关键词：高频电源;静电;除尘器
前言：如今，在我国大力倡导节能减排，在此背景下，发电厂认真贯彻执行国家大政方针，积极引入和运用合理的节能降耗技术和有效的应对策略。在新生代静电除尘器的供电装置中，大功率高频电源相对于工频电源而言，在保证除尘工作效率基础上，可以大大降低电除尘器的功耗。电厂将原来用的工频电源更换为高频电源，从而获得了良好的节能减排功效。
1高频电源工作原理
交流输入经三相整流转换为直流电源，再由逆变器转换为高频交流，最后由整流器输出直流高压。变换器目前已经基本实现了直流向高频交流的过渡和转换，而高频整流器以及高频变压器也已经顺利完成了升压，并以整流形式输出，进而为除尘器提供电能。
1.1高频电源的节能原理
由于工频电源输出频率相对较低，电源转换效率并不理想，只达到了75%，而高频电源转换效率可达95%，从而有效节约了20%的电能。静电除尘器主要利用工频电源产生的电晕，在此过程中，只有很少的电能被用于烟尘荷电，绝大部份电能做了无效的空气电离。而采用高频电源进行电能供应时，需要采用5-10μs的脉冲宽度对粉尘进行充电，充电量大，能耗小，从而大大降低了电能。再利用三相电整流完成后，高频电源逆变在直流电源上，纹波很小，能将直流脉冲的幅度严格控制在无火花区，基本上不产生火花。即便不慎出现火花，也会在5-10μS内自动熄灭，而工频电源一般电火花较多，且电源消耗较大。一旦产生火花，可在10毫秒(10000μs)内关闭，因此高频电源可节约电能。
1.2高频电源除尘效率工作原理
因高频电源的高压转换一直都在50KHz以上，所以脉冲幅度能够在非火花区调整至最大值，即二次电压可以调整为最大，这与工频电源放电不同，但始终维持荷电状态，所以烟尘总荷电量通常会很大，尤其是对微细烟尘极易发生荷电反应，所以站在理论角度，高频电源可以最大限度发挥除尘功效。相对于高比电阻烟尘而言，如果利用工频电源装置，极易出现反电晕放电现象。反电晕放电一旦发生，必然会发生反电晕放电扬尘现象，进而影响到出口烟尘指标。假设使用高频直流脉冲电源，工作人员就可以随意调整电源的脉冲时间，同时拥有较宽的脉冲宽度和脉冲频率，并且需要选择更大上升率的电压，使高比电阻烟尘在集尘杆上拥有充足的放电时间，从而有效消除了反电晕放电现象，促进除尘效率的大大提升。直流脉冲幅度在可控制范围内，无火花放电，即使产生火花，也会在5-10μs内自动熄灭，不会产生火花粉尘。因此，从理论上讲，高频电源可以有效提升高高比电阻烟尘脱除率。
2.锅炉及电除尘器概况
某电厂2号机组容量已经得到300MW，并于2011年10月开始正式生产运行。此锅炉制作商为哈尔滨锅炉厂有限公司，为亚临界压力、一次中间再热、单炉平衡通风、固态除渣、全钢框架结构的自循环∏型汽包锅炉。锅炉最大限度的连续蒸发量为每小时1025吨，最大蒸发量为每小时960吨，并为其配备了2sy278-4型双室四电场水平电除尘器，且山西大同煤是此锅炉的设计煤种，收到的基灰含量为23%。除尘器入口粉尘浓度(标准条件值)为每立方2532毫克，烟尘比电阻为6.80×1011～6.70×1012Ω·cm。单电场最佳长度为4米，同杆间距设定为40厘米，电场有效截面积一般为278.4平方米，最大烟气流量为每小时1821791立方米，烟气流量为每秒0.81米，设计效率一般在99.7%，本体阻力需要控制在200帕以内，本体漏气率需在2%以内。系统需要利用380V三相电压有效控制工频电源，高压供电电源为1.0A/72KV-HW，共有16台整流变和16个微机控制柜。每个A/BPC段有16个馈线开关，每个馈线开关需要配备一个与之相匹配的高压程控柜，从而保证一对一供电。静电除尘器需要通过直流高压电源在电场中构建阴极线和阳极板之间不匀称高压静电场。当烟气流经强电场时，会被电离成正负离子，带电负离子会吸引轻小粉尘，进而吸附在阳极板上。当粉尘沉降到一定厚度后，采用机械振打的方式振打进入下灰斗并清除。系统采用工频晶闸管电源，其电路结构为晶闸管移相控制幅值后，将两相电源送入整流变压器升压整流，进而产生50Hz脉冲电流，输入电除尘器。
3改造方案论证
从当前电除尘器实际运作情况来看，难以满足国家新标准要求，尤其是除尘入口粉尘浓度随灰分的增加而增加，且粉煤灰比电阻特性做出相应改变后，当前除尘系统则很容易产生生反电晕现象和固定间距极板之间的火花放电，由于输入电压的增加，导致系统平均工作电压比峰值脉冲电压小于20%，因此无法真正保证除尘效果。从节能增效角度考虑有效减小电除尘器改造投资和降低运行维护成本，通过比较以下3种方案，从而择选出最优改造方案。
1)更换电源。将原来的工频三相电源更换为高频高压电源，进而有效提升系统平均工作电压，提高了电场中粉尘的荷电能力，进而大大提升颗粒驱动速度和系统除尘效率。
2)需要把静电除尘器改造为布袋除尘器或电袋复合除尘器。布袋式除尘器属于过滤式除尘设备。其运行限制主要是为了延长滤料布袋的使用年限和加大运行阻力。现阶段，与电除尘器相比，一体式布袋电除尘器在确保除尘效率和对煤的适应性具有非常明显优势。但也存在一定不足，比如设备改造占地面积太大，同时周围温湿度在一定程度上决定了布袋使用寿命，且难以生物降解废弃的布袋，又给自然环境带来了新的污染源。
3)通过不断增加电场的数量和除尘装置的合理高度和款速，进而大大提升除尘工作效力，例如增加五个电场的运行或增加旋转电极的除尘工作方式。但必须明确改造场地相应要求以及施工周期长，同时还要严格控制旋转电极零件可靠度。根据工程建设条件、年度生产维护计划和经济运行情况，选择并实施高频高压供电方案最为适宜。
4.改造后性能测试及效果
电厂需要为2炉电除尘器电气部分投入大量资金，通常会在300万左右。本工程一共敷设高频电力电缆16根，还需要在除尘器顶部吊装安装16根高频电力电缆。并在上位机上重新安装新的控制软件，可以对系统进行远程操作。更改结束之后，对2号电除尘器进行必要的性能测试。使用高频电源可以提高效率，节约能源。为此，对三种工况(提高效率、节能和考虑节能)进行了试验。其中，提效模式具体指在忽视节能的情况下有效提升除尘效率，即电除尘器的所在电场都需要采用直流运行模式;节能模式是确保原有除尘效率基础上达到节能效果的，即电除尘器的所在电场都应以脉冲模式运作，能效处于两者之间，即在达到节能功效之前，另外考虑效率的提高，电除尘器的前两个电场以直流模式工作，后两个电场以脉冲模式工作。在节能、能效兼顾和增效下，电除尘器除尘效率能够依次达到99.85%、99.85%和99.86%，出口粉尘对应浓度分别为每立方米15.6毫克、11.3毫克和12毫克，电除尘系统总功耗依次为445.4kw，622.7kw和768.6kw。
1)对改进后的静电除尘器施行了空载升压试验，最大二次电压为 74 kV，最大二次电流为1200毫安，由此可见，系统的供电质量取得了显著提高。除尘器出口烟尘排放浓度也需要控制在每立方13毫克内，从而达到国家标准特殊排放限值要求。
2)高频电源结构完整，质量和体积相对较小。且直接被安装在电除尘器的上面，大大节约了配电室的空间和大部分的信号电缆和控制电缆。
3)经济效益测算。在节能模式下，节省了大约555kw电能。如果按照每年运行5500小时和一度电0.3684元计算，单台机组使用高频电源后的年节能效益为112.5万元。在增效运行模式下，单台机组(33.44-12.6)×5500=114.6t，年排放烟尘5500小时，可降低排放成本114.6×1200÷2.18=63000元。
结束语：
综上所述，在除尘效率不变的情况下，采用高频电源对电除尘器进行变频改造，可实现50%以上的节能效果。这项技术科研有效实现了节能减排，值得应用和推广。——论文作者：张颖立
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