基于效率的电除尘电源节能改造分析及应用

基于效率的电除尘电源节能改造分析及应用基于效率的电除尘电源节能改造分析及应用陈沫周元龙（大唐集团江苏徐塘发电有限公司，江苏邳州221300）陈沫（1976-），男，江苏东海人，四川大学电力系毕业，武汉大学工程硕士，工程师，从事火力发电厂电气设备管理工作。Phone：[phone]mobile：[phone]E-mail：[e-mail]周元龙（1972-），男，江苏东海人，东北电力学院电力系毕业，复旦大学MBA，高级工程师，从事火力发电厂设备管理工作。Phone：[phone]mobile：[phone]E-mail：[e-mail]电除尘器是环境保护的重要设备，主要用于降低生产性粉尘的排放量，由于其具有除尘效率高、处理烟气量大、运行维护费用低等优点，被广泛应用于电力、冶金、建材等工业领域的烟尘治理。在我国电力行业，使用电除尘器的火电装机容量已经占火电装机总量的90%以上，应用十分广泛。然而随着环保要求的提高，燃煤电厂电除尘器正面临着新的挑战和机遇。随着环保要求的提高，燃煤电厂电除尘器正面临着新的挑战和机遇。•自2004年1月1日起，GB13223－2003《火电厂大气污染物排放标准》正式实施，新的国家标准对新建火电机组和已建成运行的不同年代的老机组烟尘排放浓度均有了更加严格的规定。•其次，许多火电厂烟气脱硫工艺对烟气中的粉尘浓度有严格要求，电除尘器面临提效改造。•再次，电除尘器是重要的环保设备，同时也是火电厂的高能耗设备，一般情况下电除尘器的耗电量约占机组容量的4‰,能耗偏高。为响应国家“十一五”规划明确提出的“建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，江苏徐塘发电有限公司首先对电除尘器电源供电技术进行改进，在保证除尘效率同时，大幅度地降低了电除尘器的能耗，实现了电除尘器的节能、高效运行，达到了节能减排效果。徐塘发电公司总装机容量为4×300MW，其中6号机组配置了两台双室四电场电除尘器，2005年9月，6号机组达标投产时电科院对除尘器总体效能进行了试验，测试除尘效率为99.7%，除尘器高压电场总电晕功率为PΣ=822.7kW。除尘器虽然满足了环保要求，但能耗相对较大，无法满足现代企业经济运行要求。火电厂飞灰粒径分布通常为10～25μm，现假设尘粒直径为10μm，向着收尘极板运动所经过的平均距离d=10cm，荷电尘粒的驱进速度ω=30cm/s，则可以得到一个球形尘粒所消耗的功为：W=6πηaωd=6π×1.8×10-4×5×10-4×30×10=5.10×10-4(erg)=5.10×10-11JραC334π3236-)10/(1)105(3420π火电厂锅炉产生的烟气含尘浓度一般为10～40g/m3，进一步再假设烟气中的含尘浓度C为20g/m3，尘粒的密度ρ为1g/cm3，则单位烟气量中的尘粒数量N0为：N0=因此，使1m3烟气中全部尘粒分离需要的能量为：W0=W·N0=5.10×10-4×3.82×1010=1.95×107(erg)=1.95J=3.82×1010(个/m3)一台300MW火电机组锅炉产生的烟气量Q约为1224498m3/h，从这些烟气量中分离出全部尘粒（假设粒径为10μm），所需的功率约为：P=W0·Q/3600=1.95×107×1224498/3600=6.63×109(erg/s)=663W这是一个很小的数值，分离300MW机组锅炉烟气量的尘粒只需要663W那样小的功率。分离不同粒径所需要的功率不同，粒径越大所需功率越小，粒径越小所需功率越大，但不论是什么样的尘粒，所消耗的能量都是微不足道的。上述分析表明，在理想情况下，6号电除尘器仅需要0.663kW的电功率就能满足运行要求，然而，实际工程应用中却高达到822.7kW，实际值高于理论值1240倍。为什么会出现如此大的差距，经过分析研究发现，火花整定方式下，电能利用率极低是其主要原因。电除尘器在实际运行过程中，用于高压收尘的电能消耗可分为3类:(1)用于粉尘的荷电与捕集的电能，称为“有效”电能；(2)对粉尘的荷电与捕集起破坏作用的电能，称“反效”电能，如反电晕、二次扬尘等；(3)介于上述两者之间的电能称为“无效”电能，如电晕放电过程中，没有用于粉尘的荷电与捕集的多余电荷等，这部分属于浪费的电能亦称“浪费”电能。电除尘器实际运行过程中，有效、反效、无效电能是交织在一起的，实际上，在总的电能消耗中，有效电能的比例很小，而反效和无效电能占了绝大部分。因此，通过先进的技术措施，提高有效电能比例，降低反效与无效电能比例，则可使电除尘器在原有基础上达到进一步提高除尘效率，降低烟尘排放浓度，并同时大幅度降低电能消耗之目的。徐塘发电公司电除尘器早期采用DJ—96型电源控制装置，当时技术水平限制，电场供电采用持续直流供电方式，为了使除尘器的除尘效率尽量高，烟尘排放浓度尽量低，往往工作在火花整定方式下，使其运行中的二次电压U2尽量接近火花闪络电压，二次电流I2尽量大，因此，除尘器处在一种“大功率高能耗”的工作方式下。新型电除尘器电源技术---电源脉冲供电技术是在理论分析和借鉴国内外先进技术的基础上发展起来的;该供电方式能够大幅度减少电除尘器运行过程中无效和反效电能的消耗，能够在提高或保证除尘效率的基础上，实现电除尘器的节能运行，降低电除尘器的运行电耗。电源脉冲供电技术利用了晶闸管元件的开关作用和整流二极管的单向导电性，以及利用电除尘器系统回路固有电容C、整流变压器回路固有电感L、回路损耗电阻R，构成RLC振荡回路，在整流变压器低压端产生脉冲，然后升压整流后形成既有基础电压，又称窄脉冲供电。脉冲供电技术工作原理图市场调研江苏徐塘发电有限公司收集了部分工程应用实例，对进口品牌和国产品牌优缺点进行充分比较，最终选用国产DKZ-2B型电源脉冲供电装置。除了具有环保节能特点外，该装置的另一显著特点是，将原来除尘器集中管理的低压控制系统均匀分布在每个高压控制单元。单个电场高压供电装置和低压控制设备集成于一台装置，不仅提高了装置的集成度，节省了装置占地面积，而且解决了低压集中控制时，由于低压控制设备故障导致整台除尘器低压设备控制失效的难题。工程应用江苏徐塘发电公司利用机组检修时机，首先对6号炉电除尘器电源进行改造，经过旧柜拆除、新柜安装、回路接线、调试验收，整个工程仅需要10d就顺利结束，且设备一次投运成功。改造后电源装置见下图。工程应用6号炉电除尘器改造前后月度耗电量同期比较图01000002000003000004000005000006000007000008000003月份4月份5月份6月份7月份8月份6号炉电除尘器月度耗电量/kW.h2007年（改造前）2008年（改造后）电除尘器电源改造后，节能效果立竿见影，从除尘变高压侧开关电能表上来看，根据2008年3月至8月连续六个月的统计分析，与改造前的去年同期进行比较，电除尘器耗电量明显下降，降幅均在50%以上。效能比较考虑到机组在负荷不同时造成的电除尘器耗电量差异，因此，根据月度发电量计算出6号电除尘器改造前后月度耗电率，比较如下。从图中仍能得到明显的改造效果，月度耗电率也有超过50%的下降。6号炉电除尘器改造前后月度耗电率同期比较图0123453月份4月份5月份6月份7月份8月份6号炉电除尘器月度耗电率‰2007年（改造前）2008年（改造后）效能比较上述统计结果不仅包括电除尘器高压电场的耗电量，还包括低压振打和加热设备的月度耗电量，也就是6号炉电除尘器高、低压设备月度耗电量之和；但实际上，本次电源改造并未涉及到低压部分节能。改造后高压电源的节能效果究竟如何呢？改造后除尘效率是否满足环保要求呢？效能分析在6号机组稳定后，江苏电科院对电除尘器进行改造后的效能测试。在机组满负荷300MW出力情况下，试验测得的电除尘效率为99.7%，与改造前一致，满足现行环保要求。改造前后除尘效率比较见下表：项目改造前改造后燃煤灰份25.79%33.73%除尘效率99.7%99.7%效能分析试验期间高压电场运行在脉冲电源供电方式下，试验参数及电晕功率计算详见下表。电场运行参数及电晕功率计算Operatingparameterandcoronapowerofelectricfield参数61号1室61号2室一电场二电场三电场四电场一电场二电场三电场四电场二次电压U2/kV38.544.136.542.752.663.642.346.2二次电流I2/mA309.5282.8261.5277.8267.8219.8247.0313.5电晕功率P/kW11.912.59.511.814.114.010.414.5参数62号1室62号2室一电场二电场三电场四电场一电场二电场三电场四电场二次电压U2/kV51.647.338.439.042.544.341.540.0二次电流I2/mA298.8283.8262.5231.3312.8301.5253.8190.3电晕功率P/kW15.413.410.19.013.313.410.57.6效能分析经计算，改造后电除尘高压电场总电晕功率P’Σ为：P’Σ=11.9+12.5+9.5+11.8+14.1+14.0+10.4+14.5+15.4+13.4+10.1+9.0+13.3+13.4+10.5+7.6=191.4kW与改造前相比，改造后电晕功率降低的数值ΔP为：ΔP=PΣ-P’Σ=822.7-191.4=631.3kW降幅为ξ=ΔP/PΣ=631.3/822.7=76.74%，节能幅度十分显著。效能分析效能分析5号炉配置2台双室三电场静电除尘器，电源改造后，进行了300MW电负荷工况下的电除尘器效能试验，主要结果见下表。参数名称符号单位改造前改造后试验日期Day年-月-日2002-12-262008-10-29除尘器效率η%99.37%99.43%高压总电晕功率PkW583.381.6效能分析与2002年达标投产时试验数据相比，改造后5号炉电除尘器高压电晕功率降低的数值ΔP为：ΔP=PΣ-P’Σ=583.3-81.6=501.7kW降幅为ξ=ΔP/PΣ=501.7/583.3=86.01%高压收尘能耗下降幅度惊人！同时，除尘效率为99.43%，高于改造前的99.37%，满足环保要求！环保与节能双效兼得！可见，经改造后，电除尘器除尘效率不仅满足严格的环保要求，同时，大大降低了电除尘的电耗，可谓一举两得。以6号机组为例，按照机组年运行小时为6000h来计算，一年可节约电量W为：W=ΔP×6000=3787800kWh按照现行平均上网电价0.36元/kWh计算，则改造后仅6号电除尘器每年将为企业增加利润ΔM为：ΔM=W×0.36=3787800×0.36=1363608元经济性分析截至2008年10月31日，全公司4台机组已陆续改造完成并投入正式运行，仅此一项每年至少为企业创造利润500万元以上，其经济效益十分可观，且投资回报期不到12个月。经济性分析技术鉴定2008年11月12日，中国大唐江苏分公司组织召开了“江苏徐塘发电有限责任公司4×300MW机组电除尘器电源节能改造工程”技术鉴定会。技术鉴定参加会议的有：国家电网公司、华北电力大学、中国电除尘委员会、江苏省经贸委、江苏省发改委、江苏省工业经济联合会、江苏省电力试验研究院等单位的领导和专家。专家组一致认为，徐塘发电公司通过采用节能脉冲供电技术，大大提高了电除尘器的电能利用率，电源改造在性能及技术指标上满足工程验收的要求，并且达到了目前国际先进水平，环保及节能指标得到专家的普遍认可。技术鉴定2008年6月4日，由中国电机工程学会协办的第二届全国电气节能大赛在上海光大会展中心隆重举行，本成果荣获一等奖，论文作者受邀在颁奖大会上宣讲。获得奖项时间：2008年10月7日地点：中国大唐集团公司奖项：2008年度中国大唐集团公司科技成果二等奖获得奖项电除尘器在净化烟气中的粉尘颗粒时，理论上需要的能量很小，实际运行的电除尘器消耗的电能却很大，其根本原因是电能的利用效率太低