高頻脈沖電源在熱電廠超低排放中的應(yīng)用

徐赫澤（中油電能電力生產(chǎn)保障公司）

大慶中油電能熱電二公司3#爐電除塵器電源采用一電場高頻電源，二、三、四電場工頻電源的運行方式。根據(jù)EMS在線數(shù)據(jù)顯示，目前除塵器出口粉塵排放濃度40~50mg/Nm3，脫硫塔出口粉塵排放濃度10~20mg/Nm3，符合原國家設(shè)計標準的低于30mg/Nm3，但不符合現(xiàn)行規(guī)定的超低排放低于10mg/Nm3的要求，同時原有電除塵二、三、四電場工頻電源存在運行效率低，除塵耗電量居高不下等問題?；谏鲜鲈?，2018年7月黑龍江省電業(yè)主管部門明確要求進行超低排放改造，并于2020年10月30日完成該項目[1-2]。

1 主要問題

1）工頻電源由于輸出平均電壓低，閃絡(luò)現(xiàn)象峰值電壓無法突破63kV，導致除塵效率低的同時也造成能耗巨大。工頻及高頻直流電源受火花放電電壓限制無法持續(xù)提升電暈電壓，否則易發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，造成極板擊穿，靜電除塵器每年都會發(fā)生因閃絡(luò)導致的電場短路情況，降低了電場利用率。

2）原有的電除塵器供電電源模式受到技術(shù)限制已無法進一步提高除塵效率。原電除塵器一電場為高頻電源，二、三、四電場為工頻電源，其電除塵器出口濃度可以滿足原有排放標準，但當兩個或兩個以上電場發(fā)生短路故障時，排放極易超標，必需停爐檢修，除塵效率無法進一步提升[3-5]。

3）除塵器工頻電源變壓器耗能高，表現(xiàn)為銅損和鐵損大，導致變壓器本體溫升高，并且電能轉(zhuǎn)換效率低，功率因數(shù)低等原因造成廠用電量增高。

2 原因分析

2.1 鍋爐電除塵電源存在問題分析

熱電二公司共5臺鍋爐，實施了廢氣脫硫和除塵改造。并且對靜電除塵器進行了技術(shù)升級改造，在原有雙室四電場電除塵器基礎(chǔ)上整體增高，除塵器極板極線全部換新，第一電場配置1.6A/72kV的高頻電源，二、三、四電場配置1.6A/72kV的工頻電源。設(shè)計指標電除塵出口煙塵濃度小于或等于50mg/Nm3，目前電除塵出口煙塵濃度達40～50mg/Nm3。根據(jù)超低排放要求，除塵器出口濃度需不能高于40mg/Nm3，再經(jīng)過脫硫系統(tǒng)協(xié)同作用，可實現(xiàn)粉塵的超低排放。

2.2 電源除塵效率低問題分析

原來使用的除塵器電源主要采用單相工頻電源和高頻電源。其中單相工頻電源輸出電壓紋波系數(shù)大，一般在35%左右，其峰值電壓一般比平均電壓高30%，導致電暈電壓低，一般不能升得很高，通常在50～70kV，因為在輸出持續(xù)為高電壓情況下，電場易發(fā)生閃絡(luò)，其恢復時間不但提高了能耗而且降低除塵效率，工頻電源為避免閃絡(luò)無法突破，同時單一的工頻波形在高比電阻粉塵的工況下，除塵效率低，因晶閘管屬于半控型開關(guān)元件，當電源發(fā)生火花放電時，相應(yīng)速度慢，檢測和關(guān)斷火花時間約為10ms，恢復時間為50~60ms。高頻電源為三相電壓輸入，輸出為直流連續(xù)電壓，其頻率在0~30kHz，控制頻率短并且可調(diào)，其紋波系數(shù)小于1%，波形近似于一條直線，因此峰值電壓和平均電壓為同一電壓，這使得靜電除塵器能夠以次火花發(fā)生點電壓運行，從而提高了電除塵器的供電電壓和電流，增大了電暈功率的輸入，同時其檢測和關(guān)斷火花時間約為25us，恢復時間約為10ms，遠遠低于工頻電源，提高了電除塵器的效率，但對于高比電阻粉塵的收塵效率較低，易發(fā)生反電暈現(xiàn)象。因此，尋求新的電源技術(shù)，在提高粉塵驅(qū)進速度的同時，減少反電暈和閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生，提高收塵效率和避免因閃絡(luò)的發(fā)生造成設(shè)備損壞[6-8]。

2.3 工頻電源電能轉(zhuǎn)換效率低的原因分析

單相工頻電源的采用的是油浸式工頻變壓器，為鐵氧體材質(zhì)，其自身功耗較高，同時由于工頻電源易發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，為避免電暈極和收塵極之間的頻繁火花放電帶來的沖擊，其整流變壓器內(nèi)阻通常設(shè)計為總阻抗的30%~35%，因此電源轉(zhuǎn)換效率一般為65%~70%。此外因工頻電源采用單相交流輸入，容易導致電網(wǎng)不平衡，其晶閘管調(diào)壓在電壓輸入端產(chǎn)生大量的諧波電流，對電網(wǎng)造成一定干擾。工頻高壓直流的頻率為50Hz，所以變壓器體積和重量較大，發(fā)熱量較大。高頻電源采用超微晶材質(zhì)，耗電量較低，同時為三相交流輸入，其轉(zhuǎn)換效率為93%以上，功率因數(shù)在0.9以上，因此高頻開關(guān)電源損耗小，相對電源節(jié)能15%，因二次輸出頻率在0~30kHz可調(diào)，可以根據(jù)工況自動對輸出電壓進行微調(diào)，控制場強輸出，避免電量浪費。

2.4 電除塵四電場電源匹配存在問題分析

現(xiàn)有電除塵電場的電源種類有多種，高頻、單相工頻還有三相工頻電源、脈沖電源等等，在收塵效率和能耗上各有不同，同時脈沖電源其基波電源可以是單相工頻、三相工頻，也可以是高頻電源。因此根據(jù)實際的電源種類配置方式較多，現(xiàn)有電場電源是一電場高頻，二、三、四電場為工頻電源，該種組合方式在高比電阻收塵上也存在除塵效率較低的弊端。

3 改造方案

3.1 工頻電源升級為高頻電源

原有工頻電源受自身特性影響，其紋波系數(shù)在30%左右，平均電壓較峰值電壓低30%，影響除塵效率。

而高頻電源電能效率轉(zhuǎn)換高，同時其頻率可在0~30kHz自動調(diào)節(jié)，減少電能損耗，同時其輸出近似于平直的直流輸出，紋波系數(shù)小于1%，峰值電壓和均值電壓等同，除塵效率大大提升。

3.2 選擇使用分體式基波高頻疊加脈沖電源

脈沖電源其頻率一般為100Hz，其二次電流最高可達200A，脈沖寬度為100us，其瞬間可達到兆瓦級能量輸出，而一般高頻和工頻二次輸出額定值均為1.6A，脈沖電源提升高比電阻粉塵的荷電能力，提高除塵效率，通過對比分析選用高頻電源作為基波，疊加脈沖電源，滿足電源平穩(wěn)輸出的同時，達到節(jié)省耗電量的目的。基波疊加脈沖電源根據(jù)工藝不同分為一體式和分體式，最終選用分體式脈沖電源，可以確保在疊加脈沖電源部分發(fā)生故障檢修時，高頻基波電源可不退出運行，確保除塵的持續(xù)運行，在基波高頻疊加電源運行時，其基波電壓通常在50kV以下，避免電場在輸出持續(xù)高電壓情況下，發(fā)生閃絡(luò)及反電暈。

3.3 實施高壓電源的組合優(yōu)化運行

結(jié)合除塵的實際情況，合理分配高頻電源和脈沖電源的數(shù)量和組合方式，提高除塵運行效率。一、二電場采用高頻電源，三、四電場采用脈沖電源，前級電場采用高頻電源可以提供持續(xù)的高電壓，提高電暈電流，減少電暈封閉情況，提高高濃度粉塵排放，后級電場多為高比電阻的細小微粒，采用脈沖電源效果更為明顯，其基波電壓控制在60kV以下，確保持續(xù)穩(wěn)定的收塵，而避免火花放電情況，同時脈沖電源可疊加至最高140kV，脈沖頻率為100Hz，脈沖寬度75~100us，最大限度的提高峰值電壓，同時避免反電暈現(xiàn)象的發(fā)生[9-10]。

4 效果分析

1）改造后除塵器出口濃度低于30mg/Nm3，遠低于預(yù)期的40mg/Nm3以下。電場高壓電源電能轉(zhuǎn)換效率和輸出功率因數(shù)得到了有效的提高，提升除塵效率的同時，降低了廠用電消耗量。

2）選用集成化設(shè)計的電源設(shè)備，減少了運行人員的操作流程，選用分體式基波疊加脈沖電源設(shè)備，確保脈沖電源部分故障檢修同時，不影響基波電源除塵運行。

3）經(jīng)濟效益計算。3#爐為410T鍋爐，每年大負荷期間均為滿負荷運行，煤質(zhì)不變的情況下，其粉塵排放濃度比例相近，通過除塵系統(tǒng)的粉塵總量變化不大，除塵系統(tǒng)運行在相同工況下，統(tǒng)計其運行耗電量，2019—2020年負荷期耗電量見表1。在負荷相近情況下，同期對比節(jié)約電量243630kWh，節(jié)約電費15.59萬元。

表1 2019—2020年負荷期耗電量 單位：kWh

5 結(jié)論

本項目依托超低排放改造項目，結(jié)合電除塵電源應(yīng)用現(xiàn)狀進行，對鍋爐電除塵電源進行研究優(yōu)化并得到實際應(yīng)用，提高了高比阻粉塵的除塵效果，提升了電除塵電場整體的排放效率，同時有效抑制了閃絡(luò)和反電暈的發(fā)生。優(yōu)化了電源各電場的配置方案，合理分配高頻電源和脈沖電源，在節(jié)省投資的前提下，確保除塵達標排放。在降低粉塵出口排放同時，對進一步降低能耗起到了積極作用，也為高頻脈沖電源在熱電廠超低排放中的應(yīng)用提供了一定的實踐經(jīng)驗。