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黄础晓
(广东省粤泷发电有限责任公司，广东 罗定 527200)
某电厂与2台发电机组锅炉配套的BE240/2-4型静电除尘器，每台静电除尘器处理烟气量为84 000 m3/h,分2路进入2个进口喇叭，设置双室四电场，经多孔均流板分别流入室内，沿着气流方向途经8个通电单元(4个电场)后,再经竖置槽形板折流，分别从2个出口喇叭流出，净化后的烟气经出口烟道，由2台引风机排出。设计除尘效率大于等于99.6%，除尘器出口排放设计值小于等于35 mg/m3。每台电除尘器配套8台高压控制柜、2台低压控制柜。高压控制柜使用的供电电源采用输入为两相的可控硅工频相控电源，2台锅炉共同配备一套上位机系统，于2003年投运，目前已运行十余年。由于设备老化、系统硬件等原因，存在严重的电晕封闭、电晕功率输出不足问题，加上控制器的控制系统是20世纪90年代的控制技术，控制器的硬件、软件系统不能满足对电场闪络的精确捕捉和控制，在反电晕、电晕封闭和节能控制上都已不能满足现阶段的排放要求，且控制柜故障率高，影响电除尘系统的稳定运行。从节能降耗和节约成本上探索新的除尘技术对电除尘器进行改造成为当前的紧急任务。经过多方考察调研，此次改造方案最终采用了高频电源。
1.1 工作原理
调制型高频电源是将三相交流电经整流和滤波后得到的约 530 V的直流电源，再用很高的调制频率调制出不同的工作频率[1]。为改造原有工频电源，需要调制出50 Hz的工作频率，送至原工频变压器升压整流后形成高频高压脉动输出，为ESP提供供电电源[2]。调制型高频电源系统电路拓扑结构如图1所示。
图1 高频电源系统电路拓扑结构
1.2 调制型高频电源特点
1)二次电压、二次电流平滑，闪络恢复速度快[3]。与工频50/60 Hz高压电源相比，高频电源纯直流供电时的输出电压纹波小于5%，远小于工频电源35%～45%的纹波百分比[4]，其闪络电压高，平均运行电压可达工频电源的1.3倍，运行电流可达工频电源的2倍，在同样的电场里，能够输入更多的功率，从而能够有效提高除尘效率。高频电源与常规电源供电输出对比如图2所示。
图2 高频电源与常规电源供电输出电压对比
2)配置灵活多变。高频电源和传统电源融为一体，载波频率最大可达40 kHz，调制频率可从几赫兹到几千赫兹。这一特点搭配中高频变压器组成高频电源[5]，也可以用常规变压器，组成混合型高频电源。混合型高频电源便于运用在产品的升级改造中，不用改动现场变压器及控制室至本体的电缆，只需替换原高压控制器，即可使原电源由常规电源升级为高频电源，改造成本低，改造工期短。
3)运行稳定，电晕功率输出强。采用电流“硬开关”调制，对负载波动不敏感，电晕功率输出能力更强，因此，使用高频电源比使用常规电源的电除尘器具有更高的除尘效率。
4)三相平衡，无谐波。高频电源采用三相电源平衡输入，对电网无污染，属于绿色电源。效率与功率因数高，效率通常大于93%，功率因数通常大于90%，比工频电源节能20%以上，设备运行数年后节省的电费相当于收回全部投资。
2.1 现有电除尘器的配置及存在问题
某电厂现有与1号锅炉电除尘配套的8台高压控制柜和2台低压控制柜。高压控制柜型号为GGAJ02H-1.0 A/72 kV，低压控制柜型号为DDJX4045F1，高压控制柜为早期的8位H型控制柜，于2003年投运。目前电除尘电控系统已出现以下问题。
1)第一电场的二次电压偏高，二次电流很低，当烟气中的含尘浓度高到一定程度时，将电场电晕极附近的场强减少到电晕的起始值，导致电晕电流大幅下降，甚至趋近于零，出现严重的电晕封闭问题，导致电晕功率输出不足，影响除尘效率。
2)控制器的控制系统是20世纪90年代的控制技术，控制器的硬件、软件系统均不能满足对电场闪络的精确捕捉和控制要求，并且在反电晕、电晕封闭和节能控制上都已不能满足现阶段的要求。现有控制柜故障率高，影响电除尘系统稳定运行。
3)部分电除尘保温层加热器的控制状态与实际状态不符，以及部分电除尘振打器的振打效果不良，现场振打实际高度与控制器显示高度不符，当高度全部调至30 cm左右时，振打开路，影响除尘效率。
2.2 改造方案
为解决某电厂电除尘效率低、耗电量大及控制柜故障率高等问题，电厂组织相关专业技术人员和厂家论证，充分考虑改造工程的特点和现场实际情况，在满足旧系统全部功能、配置要求的基础上，对系统设计、配套设备和布置等进行优化，选取最安全、经济、环保的方案。最终对1号锅炉电除尘改造，确定了以下方案。
1)采用高频电源对1号锅炉电除尘第一、第二电场的4台工频电源进行改造。改造过程中不更换整流变压器，沿用原有控制柜至整流变压器的电缆，用4台调制型高频电源控制柜对原第一、第二电场的4台工频控制柜进行更换。并对1号锅炉电除尘控制系统的铜母排进行整体更换。
2)用新型工频高压控制柜对1号锅炉电除尘第三、四电场的4台旧H型工频高压控制柜进行改造，改造过程中不更换整流变压器，沿用原有控制柜至整流变压器的电缆，只用4台新型工频高压控制柜对原4台旧H型工频高压控制柜进行更换。
3)对1号锅炉电除尘的低压加热控制柜和电磁振打控制柜进行更换，采用新型低压加热控制柜及电磁振打控制柜对原有低压控制系统进行改造。采用最新型的振打、加热控制方式，具有不同程度的振打功能可供选择。对1号锅炉电除尘器进行高低压连锁功能设计，使每个电场具备“断电振打”功能，大幅提升振打效果，减少二次扬尘，从而提高除尘效率。
4)在不影响现有系统监控、操作模式情况下，将1号锅炉电除尘高低压控制系统的信号接入现有2号锅炉电除尘控制系统后台，实现对锅炉的电除尘高低压控制系统的远程监视及操作功能。
3.1 关键技术主要创新点
此次1号锅炉电除尘器改造中，对1～4号高压柜采用分体式高频电源进行改造，该类型电源仅对控制柜进行改造，无需更换整流变压器及电缆，改造便捷，节省改造成本，减少施工量。
对5～8号高压柜采用HV32高压控制柜进行改造，也仅改造控制柜即可。在控制上采用独有的数理统计算法和实时数据库的形式，根据不同烟气工况做出自适应，能很好地克制末电场的反电晕现象，且运行更加稳定，原有控制柜经常跳停的故障不再出现[5]。采用DZK32电磁振打控制系统，使电磁振打控制更为自动化、数字化。高频电源结合优化后的控制系统[6]，充分考虑改造工程的特点和现场实际情况，在满足旧系统全部功能、配置要求的基础上，选取最安全、经济、环保的方案，对系统设计、配套设备和布置等进行优化。
3.2 与当前国内外同类技术综合比较
目前，国内大部分电源改造采用一体式高频电源改造[7]，需要更换控制柜、变压器及电缆，改造工作量大、成本高，高频电源要安装在除尘器顶部，不便于操作、检修，且控制设备在户外容易老化，给系统的稳定性带来风险。采用分体式进行改造[8]，可以避免上述问题，仅更换一个控制柜便能达到改造目的。
HV32电除尘控制系统配备先进的32位高速处理器，使控制系统在处理速度和效率上达到国际先进水平；
控制器有强大的数据处理能力，通过触摸屏终端与HV32控制器的数据传输，在控制柜触摸终端上能随时方便地进行电场曲线的制作、实时数据的查看，历史报警记录的查询。控制器有强大的通讯能力，不仅可在触摸屏上显示所有数据，还可将数据上传至上位机系统，并预留DCS接口。1号锅炉电控系统经过改造后，大幅提升了电除尘控制系统的控制处理能力，目前除尘器出口的含尘浓度由原来的大于30 mg/m降低至23～25 mg/m，提效显著。
4.1 改造后运行参数情况
2020年11月，某电厂完成1号锅炉电除尘控制柜改造，并正式投入运行。电厂空载运行参数见表1，电厂带负荷运行参数见表2。
从表1、表2得出：
表1 电场空载运行参数
表2 电场带负荷运行参数
1)1号锅炉改造后的控制系统闪络特性好，闪络无电流冲击，对火花响应灵敏，电场闪络后能快速恢复电场能量[9]，电场电压恢复快，损失小，能有效抑制反电晕，脉冲波形可随工况灵活调制。
2)电除尘各电场改造后，相比原有控制柜，在二次电压、电流输出上大幅提升，有效地消除了前电场的电晕封闭[10]现象；
并且运行更加稳定，原有控制柜经常跳停的故障不再出现。高频电源结合优化后的控制系统[11]，提高了电场电压，降低了火花率，电除尘升压正常，运行电流降低，提高了电除尘效果，降低了能耗，减少了厂用电和烟尘排放，实现降耗节能和效率提高。
4.2 改造前后烟尘浓度效果对比
1号锅炉电除尘高低压系统改造前后参数对比见表3。可以看出，1号锅炉电除尘高低压系统改造前，在锅炉负荷为106 MW，烟气流量为589 km3/h时，1号锅炉除尘器出口(即原烟气入口)粉尘浓度为33.5 mg/m3左右；
1号锅炉电除尘高低压系统改造后，在锅炉负荷为115 MW，烟气流量为533 km3/h时，1号锅炉除尘器出口粉尘浓度降低为22.7 mg/m3左右。从改造前后的运行参数对比可以看出，某电厂1号锅炉电除尘系统经过改造后，高低压控制系统运行稳定，电晕功率相比原有工频电源有显著提升，除尘器出口的含尘浓度由原来的大于30 mg/m3降低至23～25 mg/m，1号电除尘器除尘效率提升至99.8%，大幅降低了除尘器出口的粉尘排放量。
表3 改造前后烟尘浓度效果对比
该文研究了高频电源在某火电厂电除尘改造中的应用情况，通过改造前后效果对比可知，改造后电除尘控制柜二次电压、电流输出值大幅提升，有效抑制了电场的电晕封闭现象，系统运行更加稳定。同时，改造后的电除尘烟气入口含尘浓度明显下降，除尘效率高达99.8%。实践证明，高频电源应用在火电厂电除尘中，对环境效益和提高设备可靠性方面均有良好的促进作用，可在行业推广。
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