高頻電源在火電廠電除塵改造中的應(yīng)用

黃礎(chǔ)曉

(廣東省粵瀧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 羅定 527200)

0 引 言

某電廠與2臺發(fā)電機(jī)組鍋爐配套的BE240/2-4型靜電除塵器，每臺靜電除塵器處理煙氣量為84 000 m3/h,分2路進(jìn)入2個進(jìn)口喇叭，設(shè)置雙室四電場，經(jīng)多孔均流板分別流入室內(nèi)，沿著氣流方向途經(jīng)8個通電單元(4個電場)后,再經(jīng)豎置槽形板折流，分別從2個出口喇叭流出，凈化后的煙氣經(jīng)出口煙道，由2臺引風(fēng)機(jī)排出。設(shè)計(jì)除塵效率大于等于99.6%，除塵器出口排放設(shè)計(jì)值小于等于35 mg/m3。每臺電除塵器配套8臺高壓控制柜、2臺低壓控制柜。高壓控制柜使用的供電電源采用輸入為兩相的可控硅工頻相控電源，2臺鍋爐共同配備一套上位機(jī)系統(tǒng)，于2003年投運(yùn)，目前已運(yùn)行十余年。由于設(shè)備老化、系統(tǒng)硬件等原因，存在嚴(yán)重的電暈封閉、電暈功率輸出不足問題，加上控制器的控制系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代的控制技術(shù)，控制器的硬件、軟件系統(tǒng)不能滿足對電場閃絡(luò)的精確捕捉和控制，在反電暈、電暈封閉和節(jié)能控制上都已不能滿足現(xiàn)階段的排放要求，且控制柜故障率高，影響電除塵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。從節(jié)能降耗和節(jié)約成本上探索新的除塵技術(shù)對電除塵器進(jìn)行改造成為當(dāng)前的緊急任務(wù)。經(jīng)過多方考察調(diào)研，此次改造方案最終采用了高頻電源。

1 調(diào)制型高頻電源原理和特點(diǎn)

1.1 工作原理

調(diào)制型高頻電源是將三相交流電經(jīng)整流和濾波后得到的約 530 V的直流電源，再用很高的調(diào)制頻率調(diào)制出不同的工作頻率[1]。為改造原有工頻電源，需要調(diào)制出50 Hz的工作頻率，送至原工頻變壓器升壓整流后形成高頻高壓脈動輸出，為ESP提供供電電源[2]。調(diào)制型高頻電源系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高頻電源系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 調(diào)制型高頻電源特點(diǎn)

1)二次電壓、二次電流平滑，閃絡(luò)恢復(fù)速度快[3]。與工頻50/60 Hz高壓電源相比，高頻電源純直流供電時的輸出電壓紋波小于5%，遠(yuǎn)小于工頻電源35%～45%的紋波百分比[4]，其閃絡(luò)電壓高，平均運(yùn)行電壓可達(dá)工頻電源的1.3倍，運(yùn)行電流可達(dá)工頻電源的2倍，在同樣的電場里，能夠輸入更多的功率，從而能夠有效提高除塵效率。高頻電源與常規(guī)電源供電輸出對比如圖2所示。

圖2 高頻電源與常規(guī)電源供電輸出電壓對比

2)配置靈活多變。高頻電源和傳統(tǒng)電源融為一體，載波頻率最大可達(dá)40 kHz，調(diào)制頻率可從幾赫茲到幾千赫茲。這一特點(diǎn)搭配中高頻變壓器組成高頻電源[5]，也可以用常規(guī)變壓器，組成混合型高頻電源。混合型高頻電源便于運(yùn)用在產(chǎn)品的升級改造中，不用改動現(xiàn)場變壓器及控制室至本體的電纜，只需替換原高壓控制器，即可使原電源由常規(guī)電源升級為高頻電源，改造成本低，改造工期短。

3)運(yùn)行穩(wěn)定，電暈功率輸出強(qiáng)。采用電流“硬開關(guān)”調(diào)制，對負(fù)載波動不敏感，電暈功率輸出能力更強(qiáng)，因此，使用高頻電源比使用常規(guī)電源的電除塵器具有更高的除塵效率。

4)三相平衡，無諧波。高頻電源采用三相電源平衡輸入，對電網(wǎng)無污染，屬于綠色電源。效率與功率因數(shù)高，效率通常大于93%，功率因數(shù)通常大于90%，比工頻電源節(jié)能20%以上，設(shè)備運(yùn)行數(shù)年后節(jié)省的電費(fèi)相當(dāng)于收回全部投資。

2 1號鍋爐電除塵的技術(shù)改造方案

2.1 現(xiàn)有電除塵器的配置及存在問題

某電廠現(xiàn)有與1號鍋爐電除塵配套的8臺高壓控制柜和2臺低壓控制柜。高壓控制柜型號為GGAJ02H-1.0 A/72 kV，低壓控制柜型號為DDJX4045F1，高壓控制柜為早期的8位H型控制柜，于2003年投運(yùn)。目前電除塵電控系統(tǒng)已出現(xiàn)以下問題。

1)第一電場的二次電壓偏高，二次電流很低，當(dāng)煙氣中的含塵濃度高到一定程度時，將電場電暈極附近的場強(qiáng)減少到電暈的起始值，導(dǎo)致電暈電流大幅下降，甚至趨近于零，出現(xiàn)嚴(yán)重的電暈封閉問題，導(dǎo)致電暈功率輸出不足，影響除塵效率。

2)控制器的控制系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代的控制技術(shù)，控制器的硬件、軟件系統(tǒng)均不能滿足對電場閃絡(luò)的精確捕捉和控制要求，并且在反電暈、電暈封閉和節(jié)能控制上都已不能滿足現(xiàn)階段的要求。現(xiàn)有控制柜故障率高，影響電除塵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3)部分電除塵保溫層加熱器的控制狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)不符，以及部分電除塵振打器的振打效果不良，現(xiàn)場振打?qū)嶋H高度與控制器顯示高度不符，當(dāng)高度全部調(diào)至30 cm左右時，振打開路，影響除塵效率。

2.2 改造方案

為解決某電廠電除塵效率低、耗電量大及控制柜故障率高等問題，電廠組織相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員和廠家論證，充分考慮改造工程的特點(diǎn)和現(xiàn)場實(shí)際情況，在滿足舊系統(tǒng)全部功能、配置要求的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配套設(shè)備和布置等進(jìn)行優(yōu)化，選取最安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方案。最終對1號鍋爐電除塵改造，確定了以下方案。

1)采用高頻電源對1號鍋爐電除塵第一、第二電場的4臺工頻電源進(jìn)行改造。改造過程中不更換整流變壓器，沿用原有控制柜至整流變壓器的電纜，用4臺調(diào)制型高頻電源控制柜對原第一、第二電場的4臺工頻控制柜進(jìn)行更換。并對1號鍋爐電除塵控制系統(tǒng)的銅母排進(jìn)行整體更換。

2)用新型工頻高壓控制柜對1號鍋爐電除塵第三、四電場的4臺舊H型工頻高壓控制柜進(jìn)行改造，改造過程中不更換整流變壓器，沿用原有控制柜至整流變壓器的電纜，只用4臺新型工頻高壓控制柜對原4臺舊H型工頻高壓控制柜進(jìn)行更換。

3)對1號鍋爐電除塵的低壓加熱控制柜和電磁振打控制柜進(jìn)行更換，采用新型低壓加熱控制柜及電磁振打控制柜對原有低壓控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用最新型的振打、加熱控制方式，具有不同程度的振打功能可供選擇。對1號鍋爐電除塵器進(jìn)行高低壓連鎖功能設(shè)計(jì)，使每個電場具備“斷電振打”功能，大幅提升振打效果，減少二次揚(yáng)塵，從而提高除塵效率。

4)在不影響現(xiàn)有系統(tǒng)監(jiān)控、操作模式情況下，將1號鍋爐電除塵高低壓控制系統(tǒng)的信號接入現(xiàn)有2號鍋爐電除塵控制系統(tǒng)后臺，實(shí)現(xiàn)對鍋爐的電除塵高低壓控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視及操作功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)主要創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)比較

3.1 關(guān)鍵技術(shù)主要創(chuàng)新點(diǎn)

此次1號鍋爐電除塵器改造中，對1～4號高壓柜采用分體式高頻電源進(jìn)行改造，該類型電源僅對控制柜進(jìn)行改造，無需更換整流變壓器及電纜，改造便捷，節(jié)省改造成本，減少施工量。

對5～8號高壓柜采用HV32高壓控制柜進(jìn)行改造，也僅改造控制柜即可。在控制上采用獨(dú)有的數(shù)理統(tǒng)計(jì)算法和實(shí)時數(shù)據(jù)庫的形式，根據(jù)不同煙氣工況做出自適應(yīng)，能很好地克制末電場的反電暈現(xiàn)象，且運(yùn)行更加穩(wěn)定，原有控制柜經(jīng)常跳停的故障不再出現(xiàn)[5]。采用DZK32電磁振打控制系統(tǒng)，使電磁振打控制更為自動化、數(shù)字化。高頻電源結(jié)合優(yōu)化后的控制系統(tǒng)[6]，充分考慮改造工程的特點(diǎn)和現(xiàn)場實(shí)際情況，在滿足舊系統(tǒng)全部功能、配置要求的基礎(chǔ)上，選取最安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方案，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配套設(shè)備和布置等進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)綜合比較

目前，國內(nèi)大部分電源改造采用一體式高頻電源改造[7]，需要更換控制柜、變壓器及電纜，改造工作量大、成本高，高頻電源要安裝在除塵器頂部，不便于操作、檢修，且控制設(shè)備在戶外容易老化，給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來風(fēng)險。采用分體式進(jìn)行改造[8]，可以避免上述問題，僅更換一個控制柜便能達(dá)到改造目的。

HV32電除塵控制系統(tǒng)配備先進(jìn)的32位高速處理器，使控制系統(tǒng)在處理速度和效率上達(dá)到國際先進(jìn)水平；控制器有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，通過觸摸屏終端與HV32控制器的數(shù)據(jù)傳輸，在控制柜觸摸終端上能隨時方便地進(jìn)行電場曲線的制作、實(shí)時數(shù)據(jù)的查看，歷史報警記錄的查詢。控制器有強(qiáng)大的通訊能力，不僅可在觸摸屏上顯示所有數(shù)據(jù)，還可將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，并預(yù)留DCS接口。1號鍋爐電控系統(tǒng)經(jīng)過改造后，大幅提升了電除塵控制系統(tǒng)的控制處理能力，目前除塵器出口的含塵濃度由原來的大于30 mg/m降低至23～25 mg/m，提效顯著。

4 改造后的運(yùn)行情況和效果評估

4.1 改造后運(yùn)行參數(shù)情況

2020年11月，某電廠完成1號鍋爐電除塵控制柜改造，并正式投入運(yùn)行。電廠空載運(yùn)行參數(shù)見表1，電廠帶負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)見表2。

從表1、表2得出：

表1 電場空載運(yùn)行參數(shù)

表2 電場帶負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)

1)1號鍋爐改造后的控制系統(tǒng)閃絡(luò)特性好，閃絡(luò)無電流沖擊，對火花響應(yīng)靈敏，電場閃絡(luò)后能快速恢復(fù)電場能量[9]，電場電壓恢復(fù)快，損失小，能有效抑制反電暈，脈沖波形可隨工況靈活調(diào)制。

2)電除塵各電場改造后，相比原有控制柜，在二次電壓、電流輸出上大幅提升，有效地消除了前電場的電暈封閉[10]現(xiàn)象；并且運(yùn)行更加穩(wěn)定，原有控制柜經(jīng)常跳停的故障不再出現(xiàn)。高頻電源結(jié)合優(yōu)化后的控制系統(tǒng)[11]，提高了電場電壓，降低了火花率，電除塵升壓正常，運(yùn)行電流降低，提高了電除塵效果，降低了能耗，減少了廠用電和煙塵排放，實(shí)現(xiàn)降耗節(jié)能和效率提高。

4.2 改造前后煙塵濃度效果對比

1號鍋爐電除塵高低壓系統(tǒng)改造前后參數(shù)對比見表3。可以看出，1號鍋爐電除塵高低壓系統(tǒng)改造前，在鍋爐負(fù)荷為106 MW，煙氣流量為589 km3/h時，1號鍋爐除塵器出口(即原煙氣入口)粉塵濃度為33.5 mg/m3左右；1號鍋爐電除塵高低壓系統(tǒng)改造后，在鍋爐負(fù)荷為115 MW，煙氣流量為533 km3/h時，1號鍋爐除塵器出口粉塵濃度降低為22.7 mg/m3左右。從改造前后的運(yùn)行參數(shù)對比可以看出，某電廠1號鍋爐電除塵系統(tǒng)經(jīng)過改造后，高低壓控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，電暈功率相比原有工頻電源有顯著提升，除塵器出口的含塵濃度由原來的大于30 mg/m3降低至23～25 mg/m，1號電除塵器除塵效率提升至99.8%，大幅降低了除塵器出口的粉塵排放量。

表3 改造前后煙塵濃度效果對比

5 結(jié) 語

該文研究了高頻電源在某火電廠電除塵改造中的應(yīng)用情況，通過改造前后效果對比可知，改造后電除塵控制柜二次電壓、電流輸出值大幅提升，有效抑制了電場的電暈封閉現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。同時，改造后的電除塵煙氣入口含塵濃度明顯下降，除塵效率高達(dá)99.8%。實(shí)踐證明，高頻電源應(yīng)用在火電廠電除塵中，對環(huán)境效益和提高設(shè)備可靠性方面均有良好的促進(jìn)作用，可在行業(yè)推廣。