電除塵電氣控制的自動化設(shè)計要點(diǎn)分析

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.031

摘" 要：為解決電除塵系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)存在的耗電量過大、電氣控制精度不足問題，規(guī)避由此引發(fā)的除塵效率下降困境，保證系統(tǒng)運(yùn)行效益、節(jié)能效益的綜合提升，該文進(jìn)行深入探究。先簡要分析案例電除塵系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，然后針對分析結(jié)果設(shè)計控制參數(shù)調(diào)節(jié)試驗，在此基礎(chǔ)上對應(yīng)完善負(fù)荷控制、濁度控制功能，拆除原有高低壓控制柜，更換為WFb型電除塵專用高壓整流設(shè)備，同時調(diào)整振打器振打方式，經(jīng)過技改的電除塵系統(tǒng)運(yùn)行表現(xiàn)良好，能夠為電除塵電氣控制自動化設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：電除塵；電氣控制；自動化設(shè)計；通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；振打器

中圖分類號：X773" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0１２４-0４

Abstract： In order to solve the problems of excessive power consumption and insufficient electrical control precision in the operation of the electrostatic precipitator system， to avoid the decline of dust removal efficiency， and to ensure the comprehensive improvement of system operation and energy-saving benefits， this paper makes an in-depth exploration. First， the operation status of the electrostatic precipitator system is briefly analyzed， and then the control parameter adjustment test is designed according to the analysis results. On this basis， the functions of load control and turbidity control are improved， the original high and low voltage control cabinet is removed and replaced by WFb special high voltage rectifying equipment for electrostatic precipitator. At the same time， the vibrating mode of the vibrator is adjusted， and the technical reform of the electrostatic precipitator system performs well. Therefore， this design can provide reference for the automatic design of electrical control of electrostatic precipitator.

Keywords： electrostatic precipitator; electrical control; automatic design; communication network system; vibrator

近年來我國經(jīng)濟(jì)增速放緩，產(chǎn)業(yè)格局升級迭代趨勢明朗，傳統(tǒng)粗放型生產(chǎn)模式被全面摒棄和淘汰，新型、綠色生產(chǎn)理念深入人心，為各行業(yè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型注入了活力。發(fā)電行業(yè)作為典型高耗能產(chǎn)業(yè)，同樣加快了轉(zhuǎn)型步伐，如何優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行效益，如何提高除塵系統(tǒng)綜合性能，成為了諸多管理者關(guān)注的焦點(diǎn)問題，有必要從清潔、綠色角度出發(fā)，對其自動化設(shè)計方式進(jìn)行深入系統(tǒng)探究。

1" 案例電除塵系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

為直觀說明電除塵電氣控制自動化設(shè)計要點(diǎn)，文章引進(jìn)某火電廠除塵供電系統(tǒng)技改案例輔助闡述。該發(fā)電廠共配備了3臺發(fā)電機(jī)組，規(guī)格均為200 MW，采用并列配置方式與除塵系統(tǒng)相連，每臺機(jī)組對應(yīng)2臺除塵器，型號為2GF158M高壓直流設(shè)備，運(yùn)行模式共有5種，對應(yīng)鍋爐負(fù)荷情況可見表1。系統(tǒng)采用常規(guī)電氣控制方式，另外配備卸灰設(shè)備、陰極線陽極線、振打系統(tǒng)等附加裝置，供電部分采用DK-PLC低壓程控設(shè)備，以及GGAJ02-1.4 A/72 kV-WE型高壓控制器[1]。正式運(yùn)行環(huán)節(jié)，供電系統(tǒng)啟動并全波供電，依賴人工控制四點(diǎn)式隔離開關(guān)，配合振打器間歇振打。系統(tǒng)自建成以來，至今已運(yùn)行20余年，期間表現(xiàn)較為穩(wěn)定，但存在耗能較高的問題。高功率、大電流運(yùn)行模式下電廠除塵成本上升，電器元件的工作環(huán)境也較為惡劣，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用相對較高，高壓控制柜、整流變壓器尤其需要加強(qiáng)保養(yǎng)，負(fù)擔(dān)相對較重?，F(xiàn)階段電廠響應(yīng)轉(zhuǎn)型升級、綠色生產(chǎn)號召，考慮對電除塵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，下面就其改造設(shè)計細(xì)節(jié)進(jìn)行探究分析。

2" 電除塵電氣控制參數(shù)試驗

2.1" 試驗設(shè)計思路

電除塵器工作過程通常分為4個階段，即氣體電離、粉塵荷電、粉塵沉降和清灰。供電系統(tǒng)運(yùn)行提供能量，使氣體電離并生成大量自由電子，與負(fù)離子、粉塵等發(fā)生碰撞，并吸附空氣中0.01～50 μm的粉塵，最后在沉積、振打功能支持下，將粉塵收集到灰斗之中，實現(xiàn)除塵目標(biāo)。從中可以看出，電除塵裝置運(yùn)行效率主要受如下幾個因素的制約。①煙氣及粉塵性質(zhì)，比如粉塵濃度、粒徑、黏附力等。②電除塵器結(jié)構(gòu)，比如電場長度、串聯(lián)數(shù)，以及電廠集塵面積、氣流分布狀態(tài)等。③操作因素，比如鍋爐運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、電場電暈功率設(shè)置等。其中電場電暈功率的可調(diào)節(jié)空間較大，功率越高、除塵效率越高，只有協(xié)調(diào)好各電場的出力關(guān)系，平衡好功率與除塵效率之間的關(guān)系，才能確保綜合效益的優(yōu)化?；诖?，電氣控制自動化設(shè)計環(huán)節(jié)，先對控制參數(shù)進(jìn)行了試驗分析，以案例項目1號鍋爐為研究對象，對除塵器電場出力進(jìn)行合理化分配。

2.2" 試驗過程

從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上看，電除塵器各運(yùn)行模式下，主要對應(yīng)設(shè)置有4個電場，選定模式3、模式4作為研究對象。初始狀態(tài)下，模式3、模式4的二次電流參數(shù)有所不同，前者 1～4號電場電流分配參數(shù)分別為400～700、400～700、400～600、400～700 mA，后者4個電場的電流分配參數(shù)分別為400～800、400～800、400～600、400～700 mA。試驗開始后對兩電場電流分配情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，過程分述如下。①第一次試驗。1號電場二次電流限制均設(shè)置為600 mA，2號電場二次電流適當(dāng)調(diào)低，模式3和模式4分別設(shè)置為400、450 mA，持續(xù)運(yùn)行24 h并記錄運(yùn)行結(jié)果，發(fā)現(xiàn)廠用電率有所下降，從原先的0.32%降低到了0.29%，粉塵質(zhì)量濃度也明顯下降，從原先的11 mg/m3降低到了9 mg/m3。②第二次試驗。根據(jù)前述試驗結(jié)果，對電場出力進(jìn)行深入調(diào)節(jié)，優(yōu)化3號電場電流分配結(jié)構(gòu)，模式3、模式4條件下，電流分別調(diào)整為400、450 mA，啟動除塵設(shè)備運(yùn)行24 h，并跟蹤記錄除塵情況、耗能情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度未變，廠用電率下降0.02%。③第三次試驗。在第三次試驗中，將3號電場的二次電流限制調(diào)整到350 mA，4號電場的二次電流限制同樣下調(diào)，為200～350 mA，統(tǒng)計結(jié)果顯示廠用電率繼續(xù)下降，降幅同樣為0.02%，但此時的粉塵質(zhì)量濃度出現(xiàn)了明顯上漲，從原先的9 mg/m3升至13 mg/m3。

2.3" 試驗結(jié)果

通過前述的3次試驗可以發(fā)現(xiàn)，電場二次電流分配情況對電除塵器運(yùn)行效率有著較為明顯的影響，適當(dāng)調(diào)整二次電流限制，可以降低廠用電率，同時促進(jìn)粉塵質(zhì)量濃度的下降，但調(diào)節(jié)不當(dāng)，也可能會引發(fā)粉塵質(zhì)量濃度上升問題，削弱處理效果?；诖?，對電除塵器最優(yōu)二次電流配置參數(shù)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)結(jié)果可見表2。不同模式下，采用的二次電壓限制均為80 kV，粉塵進(jìn)入1號電場后，在較高的二次電流作用下充分帶電，提高收灰效率，2、3號電場二次電流調(diào)低，以降低出口處的粉塵質(zhì)量濃度。經(jīng)過調(diào)節(jié)的除塵器系統(tǒng)運(yùn)行良好，廠用電率下降到0.25%，24 h粉塵排放質(zhì)量濃度檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)，控制在15 mg/m3上下[2]。

3" 電除塵電氣控制的自動化設(shè)計方法

電除塵電氣控制自動化系統(tǒng)的設(shè)計初衷便是最大限度地幫助企業(yè)降低人力資源成本，借助自動化設(shè)備來支撐電除塵器的安全平穩(wěn)運(yùn)行。電除塵電氣控制自動化系統(tǒng)設(shè)計特點(diǎn)共涵蓋以下幾點(diǎn)。①人工操作程度相對較低，被控制對象的數(shù)量相對較少，工作精準(zhǔn)度相對較高。②系統(tǒng)反應(yīng)相對較為靈敏，具有相對較高的抗干擾性，實際操作相對較為簡單。

3.1" 改進(jìn)負(fù)荷控制及濁度控制功能

確定電除塵電氣控制參數(shù)后，還需要調(diào)整電氣控制功能，主要采用閉環(huán)反饋控制模式，上位機(jī)實時收集參數(shù)、發(fā)出指令，下位機(jī)采用ALSTOM邏輯數(shù)控PLC控制器，降低對人工操作的依賴性，提高自動化水平的同時保證控制精度?？刂埔罁?jù)主要包含以下2種。①鍋爐負(fù)荷指標(biāo)。鍋爐實際運(yùn)行過程中，負(fù)荷參數(shù)會轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA的電流信號，經(jīng)由PLC可編程邏輯控制器的解譯，送入上位機(jī)組態(tài)之中，組態(tài)運(yùn)行計算并饋回控制指令，調(diào)節(jié)不同電場的出力情況，調(diào)節(jié)范圍受設(shè)定限值的約束，能夠較好地達(dá)成控制優(yōu)化目的。同時，負(fù)荷控制還預(yù)留出了100 s左右的延時，系統(tǒng)可以自動計算期間預(yù)計負(fù)荷的平均值，若平均值與設(shè)定臨界值不符，則控制模式發(fā)生改變，二次電流、限制數(shù)值等均會對應(yīng)調(diào)節(jié)，顯著提升了控制系統(tǒng)的自動化水平。②濁度指標(biāo)。在裝置出口處安裝傳感器設(shè)備，實時收集煙氣粉塵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行濁度計算。通過人機(jī)交互界面提前設(shè)置好上、中、下3個閾值[3]，將計算出的濁度指標(biāo)與閾值進(jìn)行比較，若實際值大于上閾值，則對應(yīng)調(diào)整二次電流至設(shè)定上限；若實際檢測值在中、上閾值之間，則根據(jù)設(shè)定梯度對應(yīng)調(diào)整二次電流限制值；若檢測值在下、中閾值之間，則二次電流限制值不變。

3.2" 配備WFb型高壓整流器

考慮到現(xiàn)階段電除塵裝置運(yùn)行年限較長，供電控制設(shè)備在長期大功率條件下運(yùn)行，存在較為嚴(yán)重的老化問題，很容易影響機(jī)組運(yùn)行效率，因此自動化設(shè)計環(huán)節(jié)，還對高低壓控制設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。引入WFb型除塵專用高壓整流器，與PLC可編程邏輯控制器連接，實現(xiàn)全自動化的遠(yuǎn)程控制。該種整流設(shè)備主要由3部分組成，其中高壓控制柜配置了主控單元、信號單元、操作單元等；硅整流升壓變壓器配置有取樣回路、磁力鐵芯等；高壓隔離開關(guān)柜配備有門聯(lián)鎖、三點(diǎn)式刀閘等。其主要功能可歸納為如下幾點(diǎn)。①間歇供電?？梢砸?guī)避粉塵比電阻過高問題，防止電暈現(xiàn)象出現(xiàn)，同時提升效率、降低能耗，要根據(jù)實際情況決定間歇供電時長和時間段，占比通常維持在1∶2到1∶256。②降壓振打。能夠在高壓、低壓系統(tǒng)聯(lián)動支持下，較好地完成振打任務(wù)，平均節(jié)能達(dá)到20%以上，整體的響應(yīng)速度也有所提升。改造環(huán)節(jié)需要先拆除原有高壓、低壓控制柜，更換為DDPLC低壓控制柜及GGAJ02-1.4 A/72 kV-WE型高壓控制器，配套安裝智能型四點(diǎn)高壓隔離開關(guān)。

3.3" 優(yōu)化振打器振打方式

振打器同樣是電除塵系統(tǒng)的重要組成部分，案例電廠初始運(yùn)行狀態(tài)下，主要采用矩陣振打模式，按照設(shè)定順序依次振打各極板，以達(dá)到落灰、收灰的目的。從實際監(jiān)測情況看，這種振打控制邏輯的原理較為簡單，但3號、4號電場陽極處理環(huán)節(jié)所用時間較長，同等時間段內(nèi)可能會出現(xiàn)積灰厚度不足的問題，造成能源浪費(fèi)，如果調(diào)高對應(yīng)電場的二次電壓，又可能引發(fā)廠用電率升高狀況，因此自動化設(shè)計環(huán)節(jié)，還對振打時間間隔進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。引入了分組振打思路，每臺機(jī)組對應(yīng)4個電場組，調(diào)整導(dǎo)通角針對性，并改變電場組振打時間，其中1號、2號電廠組振打周期分別為3 min和15 min，3號和4號電場組分別為1 h和2 h，實際運(yùn)行過程中由高分辨率監(jiān)控觀測極板積灰情況，并通過PLC可編程邏輯控制器傳遞監(jiān)測信息、饋回指令信息，實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)。方案實施后進(jìn)行了為期24 h的觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分組振打方式表現(xiàn)良好，持續(xù)運(yùn)行一個月后，電除塵極板積灰基本清潔完畢，除塵效率有所提升，煙氣出口粉塵質(zhì)量濃度小幅下降[4]。

3.4" 借助計算機(jī)監(jiān)控及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

案例電廠在初始運(yùn)行狀態(tài)下，要想切實利用好電氣控制自動化設(shè)計來對當(dāng)前的電除塵工作進(jìn)行充分的優(yōu)化升級。便需要借助計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來對其綜合自動化設(shè)計工作給予幫助。工作人員首先需要對電除塵器的類型及自身標(biāo)準(zhǔn)配置等基本屬性進(jìn)行了解與掌握，并將所掌握的基礎(chǔ)信息作為自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計信息。當(dāng)前絕大多數(shù)的企業(yè)都會將計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作為電除塵的電氣自動化控制承載方式，計算機(jī)控制系統(tǒng)自身所具有的可靠性及經(jīng)濟(jì)適用性，使得計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)成為電除塵電氣控制自動化設(shè)計的主要系統(tǒng)承載。當(dāng)前計算機(jī)監(jiān)控控制系統(tǒng)可以分為2種類型，分別為分散式監(jiān)控和集中式監(jiān)控。

除此之外，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為電除塵電氣控制自動化設(shè)計工作的重要輔助工具，對綜合自動化設(shè)計工作有著極大的推動作用。電除塵電氣控制自動化設(shè)計工作主要針對電除塵器的正常運(yùn)行、定期檢修以及事故排查等工作進(jìn)行自動化建設(shè)。倘若發(fā)現(xiàn)電除塵器存在運(yùn)行故障后，在對其進(jìn)行故障維修之前，需要對其發(fā)射故障報警。以此來使得各個有關(guān)運(yùn)行部門都可以在第一時間了解到電除塵器的實際運(yùn)行狀態(tài)，有效規(guī)避因電除塵器故障所導(dǎo)致的人員傷亡及財產(chǎn)損害問題。而電除塵器故障報警信號的發(fā)射，便需要借助通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實現(xiàn)，為切實保證故障報警信息可以在第一時間被傳達(dá)到有關(guān)智能終端[5]，技術(shù)人員需要對通信網(wǎng)絡(luò)的寬帶速度進(jìn)行優(yōu)化升級，為切實保證通信信息的暢通，技術(shù)人員需要對通信線路進(jìn)行優(yōu)化，以此來最大限度地保證電除塵電氣自動化控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

由此可見，基于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電除塵電氣控制自動化設(shè)計已然成為當(dāng)前電廠電除塵工作的主要發(fā)展方向。電廠在保證自身經(jīng)濟(jì)效益的同時，也需要對自身的生態(tài)環(huán)境效益給予高度的關(guān)注與重視，并對自身的建設(shè)成本進(jìn)行有效考量，最大限度地實現(xiàn)電除塵電氣控制自動化系統(tǒng)的有效構(gòu)建，幫助企業(yè)降低人力資源成本和物力資源成本，全面促進(jìn)企業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

3.5" 優(yōu)化現(xiàn)場總線監(jiān)控方式

現(xiàn)場總線監(jiān)控技術(shù)也是當(dāng)前計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中所衍生出的自動化控制技術(shù)之一，將其充分地應(yīng)用到電除塵電氣控制自動化設(shè)計工作之中，可以最大限度地提升控制自動化設(shè)計質(zhì)量及效能。由于現(xiàn)場總線監(jiān)控技術(shù)具有相對較高的針對性，在實際的自動化設(shè)計工作中，設(shè)計人員可以根據(jù)總線監(jiān)控技術(shù)對電氣控制自動化設(shè)計的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行不同的控制，使得電除塵電氣控制自動化系統(tǒng)不會受到集中化的影響。同時現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)在對電氣控制自動化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置的過程中，會對不同的裝置使用不同的運(yùn)行語言，從而使得各個設(shè)計節(jié)點(diǎn)之間不會產(chǎn)生必然的聯(lián)系，從而有效降低電除塵電氣控制自動化系統(tǒng)的故障牽連性[6]，最大限度地保證了系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

4" 電除塵電氣控制的自動化設(shè)計效益分析

為驗證電除塵電氣控制自動化設(shè)計效果，本次對改造后的除塵系統(tǒng)進(jìn)行了為期3個月的跟蹤觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)3臺除塵系統(tǒng)效率均有所提升，原設(shè)備除塵效率分別為99.12%、99.15%和99.30%，出口部分粉塵質(zhì)量濃度分別為76.24、63.15、77.16 mg/m3，經(jīng)過脫硫塔等后續(xù)處理設(shè)備后，平均質(zhì)量濃度仍舊可以達(dá)到28.72 mg/m3。改造后3臺除塵系統(tǒng)質(zhì)量濃度分別為29.31、29.00、28.79 mg/m3，除塵效率可以達(dá)到99.83%、99.88%和99.75%，經(jīng)過脫硫塔等后續(xù)處理設(shè)備后，粉塵平均質(zhì)量濃度僅有12.24 mg/m3，低于30 mg/m3的限值要求，且廠用電率下降到0.25%，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙重統(tǒng)一。

5" 結(jié)論

綜上所述，電除塵系統(tǒng)在高污染、高耗能產(chǎn)業(yè)中承擔(dān)著極為關(guān)鍵的職能，實踐中務(wù)必要給予充分重視。要做好系統(tǒng)的運(yùn)行觀測和分析工作，根據(jù)實際情況優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和電氣控制方法，積極改進(jìn)負(fù)荷控制、濁度控制功能，裝配功能先進(jìn)的高壓整流器設(shè)備，同時優(yōu)化振打器振打方式，降低系統(tǒng)耗電量的同時減少潛在故障隱患，達(dá)到節(jié)能保效的終極目標(biāo)，為核心生產(chǎn)活動的順利推進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

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作者簡介：肖清（1989-），男，工程師。研究方向為電除塵自動控制設(shè)計與調(diào)試。