基于現(xiàn)場調(diào)研的電袋復(fù)合除塵器運(yùn)行能耗系統(tǒng)研究

賴志華

（國家環(huán)境保護(hù)電力工業(yè)煙塵治理工程技術(shù)中心，福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 引言

近年來，為了滿足國家《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》(發(fā)改能源〔2014〕2093 號)［1］及《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》（環(huán)發(fā)〔2015〕164號）［2］等文件對于煙塵超低排放的要求，電袋復(fù)合除塵技術(shù)得到了不斷改進(jìn)，電袋復(fù)合除塵器可以使煙塵排放濃度穩(wěn)定在10 mg/m3以下甚至低于5 mg/m3［3-8］，已成為大氣污染除塵治理領(lǐng)域的主流技術(shù)路線之一［9-14］。電袋復(fù)合除塵技術(shù)確保煙塵達(dá)標(biāo)排放的工程經(jīng)驗(yàn)已較為豐富，技術(shù)較為成熟［15-18］，但是，現(xiàn)階段缺乏對電袋復(fù)合除塵器工程項(xiàng)目運(yùn)行中的能耗跟蹤，尤其是量化研究幾乎沒有。根據(jù)《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》［19］，實(shí)現(xiàn)能源的綠色、高效利用已成為節(jié)能減排的重中之重［13］。因此，有必要對電袋復(fù)合除塵器的運(yùn)行效果與能耗進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計并進(jìn)行量化分析，這將有助于指導(dǎo)電袋復(fù)合技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展，提高環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。

本研究通過對22 臺不同規(guī)格的電袋復(fù)合除塵器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研并進(jìn)行統(tǒng)計分析，距今投運(yùn)時間最長的機(jī)組達(dá)13a，最短1a，平均7a。采用電耗計算法得到電袋復(fù)合除塵器單位時間主要電耗、除塵器阻力電耗、空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗、高壓供電設(shè)備單位時間電耗、絕緣子加熱器單位時間電耗，并對不同容量機(jī)組的單位時間電耗、單位機(jī)組容量的單位時間電耗值進(jìn)行對比量化分析。另外，在電耗基礎(chǔ)上，計算得出各臺電袋復(fù)合除塵器的比電耗值，根據(jù)《除塵器能效限定值及能效等級》（GB 37484-2019）［20］的能效等級規(guī)定，評估22 臺電袋復(fù)合除塵器能達(dá)到的能效等級水平，為電袋復(fù)合除塵器的節(jié)能運(yùn)行提供參考。

2 研究方法

2.1 調(diào)研對象與數(shù)據(jù)獲取

電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗主要由除塵器阻力電耗、空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗、電區(qū)高壓供電設(shè)備單位時間電耗（電區(qū)清灰電耗忽略）、絕緣子加熱器單位時間電耗組成，這四項(xiàng)電耗值都需依據(jù)除塵器的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計算。據(jù)此調(diào)研了22臺不同規(guī)模電袋復(fù)合除塵器的運(yùn)行阻力、出口煙氣含塵濃度、清灰周期、投運(yùn)時間等運(yùn)行參數(shù)，詳見表1。

表1 各機(jī)組電袋復(fù)合除塵器運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Operating parameters of electrostatic-fabric integrated precipitators for each unit

2.2 電耗計算方法

電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗采用計算法進(jìn)行統(tǒng)計，按式（1）進(jìn)行計算，

式中：W為電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗，（kW·h）/h；Wr為除塵器阻力單位時間電耗，（kW·h）/h；Wac為空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗，（kW·h）/h；Whv為高壓供電設(shè)備單位時間電耗，（kW·h）/h；Wih為絕緣子加熱器單位時間電耗，（kW·h）/h。

除塵器阻力單位時間電耗Wr按式（2）進(jìn)行計算［20-21］：

式中：Q為電袋復(fù)合除塵器單位時間處理的工況煙氣量，m3/h；Δp為電袋復(fù)合除塵器運(yùn)行阻力，Pa；0.85為電袋除塵系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)、傳動設(shè)備等引起的綜合效率系數(shù)。

空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗Wac按式（3）進(jìn)行計算［20］：

式中：q為空壓機(jī)機(jī)組輸入比功率，（kW·min）/m3；L為單個脈沖閥清灰耗氣量，m3/個（3 寸閥取值0. 7；3.5 和4 寸閥取值 1；4.5 寸閥取值1.3）；d為脈沖閥數(shù)量，個；T為清灰周期，s。對于Wac的計算，由于參數(shù)較多，未將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)一一列出，現(xiàn)以21號660 MW機(jī)組為例進(jìn)行計算，提供參考，其具體參數(shù)見表2。由表2、公式（3）可得，Wac=69.6（kW·h）/h。

表2 空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗計算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters for unit time power consumption of air compressor system

高壓供電設(shè)備單位時間電耗Whv按式（4）、式（5）進(jìn)行計算［22］。

配備工頻電源，供電設(shè)備單位時間電耗：

配備高頻電源，供電設(shè)備單位時間電耗：

式中：I1i為一次電流，A；U1i為一次電壓，V；n 為電場數(shù)；cosφ為功率因素（工頻電源取值0.7，高頻電源取值0.9）。對于Whv的計算由于參數(shù)及部分機(jī)組配套電源數(shù)量較多，未將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)一一列出，現(xiàn)仍以21 號660 MW 機(jī)組為例進(jìn)行計算，該機(jī)組采用高頻電源，其具體參數(shù)見表3。由表3 和公式（5）可得，Whv=339（kW·h）/h。

表3 高壓供電設(shè)備單位時間電耗計算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters of power consumption per unit time for high-voltage power supply equipment

絕緣子加熱器單位時間電耗Wih按式（6）進(jìn)行計算：

式中：P為絕緣子加熱器額定單位時間電耗，（kW·h）/h；u為運(yùn)行系數(shù)（k取值0.5）。

3 結(jié)果與討論

3.1 電耗計算結(jié)果

從表1 可知，序號1～11 為300 MW 以下機(jī)組，12～17 為300 MW 機(jī)組，18～22 為600 MW 機(jī)組。按照式（1）～（6），得到每臺電袋復(fù)合除塵器單位時間主要電耗、除塵器阻力電耗、空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗、高壓供電設(shè)備單位時間電耗、絕緣子加熱器單位時間電耗。

分別統(tǒng)計300 MW 以下機(jī)組、300 MW 機(jī)組、600 MW 機(jī)組的單位時間主要電耗之和、機(jī)組容量之和，進(jìn)一步得出單位機(jī)組容量的單位時間電耗平均值，見圖1。電袋復(fù)合除塵器各電耗值占比見圖2。

圖1 各機(jī)組電袋復(fù)合除塵器電耗Fig.1 Electricity consumption of electrostatic-fabric integrated precipitators for each unit

圖2 電袋復(fù)合除塵器電耗值占比Fig.2 Proportion of electricity consumption value of electrostatic-fabric integrated precipitator

從圖1可知，300 MW 以下機(jī)組的單位時間電耗最大值為554.9（kW·h）/h，最小值為68.5（kW·h）/h，平均值為251.7（kW·h）/h。300 MW 機(jī)組的單位時間電耗最大值為865.4（kW·h）/h，最小值為435.3（kW·h）/h，平均值為668.5（kW·h）/h，相比已有研究統(tǒng)計的電除塵器300MW 機(jī)組的電耗平均值896（kW·h）/h［23］低25.4%。600 MW 機(jī)組的單位時間電耗最大值為1 332.7（kW·h）/h，最小值為903.1（kW·h）/h，平均值為1 172.7（kW·h）/h，相比已有研究統(tǒng)計的電除塵器600 MW 機(jī)組的電耗平均值1 341（kW·h）/h［23］低12.6%?？梢?，隨著機(jī)組容量的加大，電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗逐漸增大，這是由于機(jī)組容量越大，對應(yīng)的煙氣量通常越大，除塵器阻力電耗、空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗增加，且通常需要配置更多數(shù)量的高壓供電設(shè)備和絕緣子加熱器，使得供電設(shè)備單位時間電耗更高，從而導(dǎo)致電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗增大。另外，對于同級別的機(jī)組，電袋復(fù)合除塵器比電除塵器的電耗平均值更低，更加節(jié)能。

從單位機(jī)組容量的單位時間電耗值來看，300 MW 以下機(jī)組、300 MW 機(jī)組、600 MW 機(jī)組的單位機(jī)組容量的單位時間電耗值分別為4.2、2、1.9（kW·h）/h·MW，300 MW 機(jī)組比300 MW 以下機(jī)組的單位時間電耗值降低52.4%，600 MW 機(jī)組比300 MW 機(jī)組的單位時間電耗值降低5%，由此可見，大容量機(jī)組電袋復(fù)合除塵器的耗電比率比小容量機(jī)組更有優(yōu)勢，即大容量機(jī)組電袋復(fù)合除塵器更加節(jié)能，機(jī)組容量越大，節(jié)能效果越顯著。

從圖2可知，在各項(xiàng)電耗中，除塵器阻力電耗占電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗值的比例較高，達(dá)到73.3%。因此，降低電袋復(fù)合除塵器的運(yùn)行阻力對其實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)起到至關(guān)重要的作用；高壓供電設(shè)備單位時間電耗、空壓機(jī)系統(tǒng)單位時間電耗和絕緣子加熱器單位時間電耗占比分別為14.2%、8.4%和4.1%，也有一定的節(jié)能空間。

3.2 比電耗和能效等級

電袋復(fù)合除塵器比電耗是處理單位工況含塵煙氣量所消耗的電耗，可以更科學(xué)、準(zhǔn)確地表述電袋復(fù)合除塵器的電耗情況［24-25］。電袋復(fù)合除塵器比電耗按式（7）進(jìn)行計算：

式中：C為比電耗，（kW·h）/m3；W為電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗，（kW·h）/h；Q為電袋復(fù)合除塵器單位時間處理的工況煙氣量，m3/h。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《除塵器能效限定值及能效等級》(GB 37484-2019)［20］，電袋復(fù)合除塵器的能效等級分為3級，其中1級最高，最節(jié)能。燃煤電廠鍋爐電袋復(fù)合除塵器能效等級見表4。

表4 燃煤電廠鍋爐電袋復(fù)合除塵器能效等級Tab.4 Energy efficiency level of electrostatic-fabric integrated precipitator for coal-fired power plant boilers

22 臺電袋復(fù)合除塵器的入口和出口煙氣含塵濃度見圖3。從圖3可知，除了2臺機(jī)組略微高于10 mg/m3，其它20 臺機(jī)組出口煙氣含塵濃度均低于10 mg/m3，僅靠電袋復(fù)合除塵器，就可達(dá)到超低排放要求，其中，12臺甚至不大于5 mg/m3。

圖3 各機(jī)組電袋復(fù)合除塵器入口和出口煙氣含塵濃度Fig.3 Dust concentration in the flue gas at the inlet and outlet of the electrostatic-fabric integrated precipitators of each unit

對22 臺電袋復(fù)合除塵器的比電耗及其能效等級進(jìn)行計算，結(jié)果見圖4。

圖4 各機(jī)組電袋復(fù)合除塵器比電耗和能效等級Fig.4 Specific power consumption and energy efficiency level of electrostatic-fabric integrated precipitators for each unit

從圖4 可以看出，調(diào)研的22 臺電袋復(fù)合除塵器的比電耗均達(dá)到了3級能效的要求，其中，10臺機(jī)組達(dá)到了2 級能效，占比45.5%，3 臺機(jī)組達(dá)到1 級能效，占比13.6%。

3.3 降低電耗的主要措施

對達(dá)到1級、2級能效及其它比電耗較低的機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)和技術(shù)路線分析可以看出，大部分采用的是經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的大凈氣室直通結(jié)構(gòu)，并取消提升閥系統(tǒng)和旁路裝置，大大降低了設(shè)備阻力；采用高性能濾料，提高了過濾精度，增大了透氣性，有效提高了清灰性能和降低濾袋過濾阻力；采用先進(jìn)的氣流分布技術(shù)，使得煙氣的分布更加均勻；上述新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，使得電袋復(fù)合除塵器的運(yùn)行阻力普遍低于800 Pa，阻力電耗小。

4 結(jié)論

（1）隨著機(jī)組容量的加大，300 MW 以下機(jī)組、300 MW 機(jī)組、600 MW 機(jī)組的電袋復(fù)合除塵器的單位時間電耗平均值逐漸增大，分別為251.7、668.5、1 172.7（kW·h）/h。其中，300 MW 機(jī)組和600 MW 機(jī)組相比同級別電除塵機(jī)組的電耗平均值分別低25.4%和12.6%，節(jié)能效果更優(yōu)。本次調(diào)研統(tǒng)計的22臺機(jī)組中，300 MW 機(jī)組比300 MW 以下機(jī)組的單位時間電耗值降低52.4%，600 MW 機(jī)組比300 MW機(jī)組的單位時間電耗值降低5%，說明大容量機(jī)組除塵設(shè)備更加節(jié)能，除塵器阻力電耗是影響電袋復(fù)合除塵器單位時間電耗的最大因素，占比73.3%。

（2）電袋復(fù)合除塵器可以實(shí)現(xiàn)煙塵的超低排放，統(tǒng)計的22臺電袋復(fù)合除塵器的比電耗均達(dá)到了3 級能效的要求，其中，45.5%的機(jī)組達(dá)到了2 級能效要求，13.6%機(jī)組達(dá)到1級能效要求。

（3）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的大凈氣室直通結(jié)構(gòu)、取消提升閥系統(tǒng)和旁路裝置、先進(jìn)的氣流分布和高性能濾袋等新技術(shù)改進(jìn)的電袋復(fù)合除塵器不僅能將出口排放濃度維持在10 mg/m3甚至5 mg/m3以下，其能效等級也能達(dá)到2 級甚至1 級的要求。因此，建議對一些老舊電袋復(fù)合除塵器機(jī)組進(jìn)行技術(shù)升級改造，可以用較低的經(jīng)濟(jì)成本實(shí)現(xiàn)除塵器的煙塵超低排放和低能耗運(yùn)行。