高頻電源在火電廠電除塵改造中的應用

黃礎曉

(廣東省粵瀧發(fā)電有限責任公司，廣東 羅定 527200)

0 引 言

某電廠與2臺發(fā)電機組鍋爐配套的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路進入2個進口喇叭，設置雙室四電場，經多孔均流板分別流入室內，沿著氣流方向途經8個通電單元(4個電場)后,再經豎置槽形板折流，分別從2個出口喇叭流出，凈化后的煙氣經出口煙道，由2臺引風機排出。設計除塵效率大于等于99.6%，除塵器出口排放設計值小于等于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系統(tǒng)，于2003年投運，目前已運行十余年。由于設備老化、系統(tǒng)硬件等原因，存在嚴重的電暈封閉、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90年代的控制技術，控制器的硬件、軟件系統(tǒng)不能滿足對電場閃絡的精確捕捉和控制，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)定運行。從節(jié)能降耗和節(jié)約成本上探索新的除塵技術對電除塵器進行改造成為當前的緊急任務。經過多方考察調研，此次改造方案最終采用了高頻電源。

1 調制型高頻電源原理和特點

1.1 工作原理

調制型高頻電源是將三相交流電經整流和濾波后得到的約 530 V的直流電源，再用很高的調制頻率調制出不同的工作頻率[1]。為改造原有工頻電源，需要調制出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]。調制型高頻電源系統(tǒng)電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 高頻電源系統(tǒng)電路拓撲結構

1.2 調制型高頻電源特點

1)二次電壓、二次電流平滑，閃絡恢復速度快[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%，遠小于工頻電源35%～45%的紋波百分比[4]，其閃絡電壓高，平均運行電壓可達工頻電源的1.3倍，運行電流可達工頻電源的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40 kHz，調制頻率可從幾赫茲到幾千赫茲。這一特點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?；旌闲透哳l電源便于運用在產品的升級改造中，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)運行穩(wěn)定，電暈功率輸出強。采用電流“硬開關”調制，對負載波動不敏感，電暈功率輸出能力更強，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，設備運行數(shù)年后節(jié)省的電費相當于收回全部投資。

2 1號鍋爐電除塵的技術改造方案

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。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減少到電暈的起始值，導致電暈電流大幅下降，甚至趨近于零，出現(xiàn)嚴重的電暈封閉問題，導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90年代的控制技術，控制器的硬件、軟件系統(tǒng)均不能滿足對電場閃絡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)定運行。

3)部分電除塵保溫層加熱器的控制狀態(tài)與實際狀態(tài)不符，以及部分電除塵振打器的振打效果不良，現(xiàn)場振打實際高度與控制器顯示高度不符，當高度全部調至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，電廠組織相關專業(yè)技術人員和廠家論證，充分考慮改造工程的特點和現(xiàn)場實際情況，在滿足舊系統(tǒng)全部功能、配置要求的基礎上，對系統(tǒng)設計、配套設備和布置等進行優(yōu)化，選取最安全、經濟、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臺工頻控制柜進行更換。并對1號鍋爐電除塵控制系統(tǒng)的銅母排進行整體更換。

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號鍋爐電除塵器進行高低壓連鎖功能設計，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，實現(xiàn)對鍋爐的電除塵高低壓控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)視及操作功能。

3 關鍵技術主要創(chuàng)新點及技術比較

3.1 關鍵技術主要創(chuàng)新點

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行改造，該類型電源僅對控制柜進行改造，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高壓控制柜進行改造，也僅改造控制柜即可。在控制上采用獨有的數(shù)理統(tǒng)計算法和實時數(shù)據(jù)庫的形式，根據(jù)不同煙氣工況做出自適應，能很好地克制末電場的反電暈現(xiàn)象，且運行更加穩(wěn)定，原有控制柜經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。高頻電源結合優(yōu)化后的控制系統(tǒng)[6]，充分考慮改造工程的特點和現(xiàn)場實際情況，在滿足舊系統(tǒng)全部功能、配置要求的基礎上，選取最安全、經濟、環(huán)保的方案，對系統(tǒng)設計、配套設備和布置等進行優(yōu)化。

3.2 與當前國內外同類技術綜合比較

目前，國內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，且控制設備在戶外容易老化，給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來風險。采用分體式進行改造[8]，可以避免上述問題，僅更換一個控制柜便能達到改造目的。

HV32電除塵控制系統(tǒng)配備先進的32位高速處理器，使控制系統(tǒng)在處理速度和效率上達到國際先進水平；控制器有強大的數(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行電場曲線的制作、實時數(shù)據(jù)的查看，歷史報警記錄的查詢。控制器有強大的通訊能力，不僅可在觸摸屏上顯示所有數(shù)據(jù)，還可將數(shù)據(jù)上傳至上位機系統(tǒng)，并預留DCS接口。1號鍋爐電控系統(tǒng)經過改造后，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 改造后的運行情況和效果評估

4.1 改造后運行參數(shù)情況

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

從表1、表2得出：

表1 電場空載運行參數(shù)

表2 電場帶負荷運行參數(shù)

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

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；并且運行更加穩(wěn)定，原有控制柜經常跳停的故障不再出現(xiàn)。高頻電源結合優(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。從改造前后的運行參數(shù)對比可以看出，某電廠1號鍋爐電除塵系統(tǒng)經過改造后，高低壓控制系統(tǒng)運行穩(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 語

該文研究了高頻電源在某火電廠電除塵改造中的應用情況，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99.8%。實踐證明，高頻電源應用在火電廠電除塵中，對環(huán)境效益和提高設備可靠性方面均有良好的促進作用，可在行業(yè)推廣。