автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Система знакопеременного питания пылеулавливающих электрофильтров на основе электронно-лучевых вентилей

РГБ ОД

- ц Ш »113

На правах, рукописи

Калинин Вадим Георгиевич

СИСТЕМА ЗНАКОПЕРЕМЕННОГО ПИТАНИЯ ПЫЛЕУЛАВЛИВАЮЩИХ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ВЕНТИЛЕЙ

05. 27. 02 - Вакуумная и плазменная электроника 05. 14. 12 - Техника высоких напряжений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

м * *

Работа выполнена в Государственном Научном Центре РФ «Всероссийский Электротехнический институт им. В.И. Ленина» (Государственное Унитарное Предприятие)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор технических наук, профессор Переводчиков Владимир Иннокентьевич

Докггор технических наук, профессор Мирзабекян Гарри Завенович

Кандидат технических наук, доцент Орлов Александр Васильевич

Всероссийский теплотехнический институт

Защита состоится >g?e£g1?Aál2000 г.

в//, часов на заседании диссертационного совета Д 143.04.01 при ГНЦРФВЭИ по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д.12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ВЭИ им. В.И.Ленина

Автореферат разослан

Г

/9 " MtíUf 2000 г.

Ученый секретарь г.

Диссертационного J

Совета, к.т.н. с.н.с. ¿C-oZ^S Соболева A.C.

¿V

lbW,b~bóLC,M -oli.n

* *

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Для очистки индустриальных газовых выбросов тепловых электростанций, цементных заводов и других предприятий от твердых частиц и аэрозолей широко применяются электрические фильтры (ЭФ). В России большая часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, ЭФ используются для улавливания большого количества золы, которая образуется при сжигании угля. Значительная часть электрофильтров не обеспечивает санитарных норм обеспыливания вследствие неблагоприятных для обеспыливания свойств аэрозолей, износа оборудования и недостаточных габаритов электрофильтров.

Наиболее распространенные способы повышения эффективности работы электрофильтров (уменьшение скорости газов, увеличение числа полей, химическое кондиционирование газов) сопряжены с необходимостью реконструкции электрофильтра и газового тракта котла, заменой внутреннего изношенного оборудования, что требует больших капитальных вложений. Подобные изменения целесообразны на этапе разработки и создания новых установок и часто трудно осуществимы для модернизации действующих объектов. Поэтому весьма актуально использование методов интенсификации процессов электрогазоочистки, не связанных с заменой оборудования и увеличением габаритов электрофильтров. Одним из таких высокоэффективных методов является использование вместо униполярного питания ЭФ

специальных форм питающего напряжения (знакопеременного и различных типов импульсного питания). Применение импульсной и знакопеременной формы питающего напряжения при улавливании высокоомных зол на тепловых электростанциях показало возможность существенного увеличения эффективности работы ЭФ. При этом использование импульсного питания (ИП) позволило снизить пылевыбросы в атмосферу в 1,5-2 раза при улавливании зол с УЭС 10й-10130м •м. Использование знакопеременного питания (ЗПП) на промышленных электрофильтрах позволяет, в отдельных случаях, повысить эффективность работы электрофильтра и выявило эффект саморегенерации осадительных электродов (возможность работы без механизмов отряхивания осадительных электродов), что существенно повышает эксплуатационную надежность ЭФ. Угли, образующие при сжигании высокоомную золу, составляют только часть потребляемых тепловыми электростанциями. Значительная часть используемых углей образует низкоомную золу, при улавливании которой обратный коронный разряд не образуется. Для повышения эффективности работы электрофильтров и их эксплуатационной надежности в этих условиях, целесообразно использовать эффект повышения заряда частиц при импульсном питании и исследовать возможность реализации процесса саморегенерации осадительных электродов при питании ЭФ знакопеременным напряжением. При этом актуально создание высоковольтного комбинированного знакоперемно-импульсного источника питания, позволяющего одновременно реализовать преимущества как импульсного, так и знакопеременного питания на электрофильтре.

Цель работы заключается в повышении эффективности работы и эксплуатационной надежности электрофильтров при улавливании низкоомных. зол, обоснование комбинированной -импульсно-знакопеременной формы напряжения питания

электрофильтров и разработка технических предложений по реализации такого источника на основе электронно-лучевых вентилей.

В работе поставлены и решены следующие основные задачи, обеспечивающие реализацию основной цели:

разработан экспериментальный источники импульсного питания для промышленных электрофильтров тепловых электростанций;

разработан измеритель концентрации твердых частиц в газоходах промышленных электрофильтров;

исследованы основные закономерности процесса саморегенерации осадительных электродов электрофильтра в режиме знакопеременного питания при улавливании низкоомной золы;

проведен анализ влияния изменения геометрических размеров на эффективность применения знакопеременного питания и саморегенерацию осадительных электродов;

исследована возможность реализации режима самогенерации на промышленном электрофильтре и изменение эффективности его работы в этом режиме; исследована эффективность применения импульсной формы напряжения питания, при осаждении низкоомной золы на промышленном электрофильтре;

разработаны технические предложения по созданию источника комбинированного- знакопеременно-импульсного питания для промышленных электрофильтров на основе электронно-лучевых вентилей.

Методика исследования.

В работе использован комплексный подход к проведению исследований, включающий: эксперименты на физической модели, анализ их результатов, построение качественной модели. При обработке лабораторных экспериментов

применялся статистический анализ результатов. При проведении экспериментов на промышленном электрофильтре использовалась методика института НИИОГАЗ по определению эффективности их работы. Научная новизна.

В ходе проведения исследований были получены следующие основные научные результаты:

1. Исследована эффективность применения знакопеременного питания при осаждении пылей без образования обратной короны. Показано, что при относительно малой площади осадительных электродов КПД пылеулавливания выше при знакопеременном питании, чем при униполярном питании в широком диапазоне удельного электрического сопротивления (Ю6Ом'м- 10" Ом»м).

2. Выявлены основные закономерности влияния знакопеременной формы напряжения питания на формирование слоя на осадительном электроде. Показано, в частности, что формирование слоя происходит медленнее, чем при униполярном питании.

3. Исследован процесс накопления слоя до критической величины, изучены и экспериментально подтверждены основные особенности режима саморегенерации осадительных электродов.

4. Проведен анализ влияния размеров осадительных электродов на эффективность применения знакопеременного питания. Моделирование позволило экстраполировать экспериментальные данные при изменении геометрических размеров осадительных электродов с учетом влияния вторичного пылеуноса.

5. Показана возможность существенного повышения эффективности работы электрофильтра, улавливающего низкоомную золу при использовании импульсного питания.

6.Исследованы особенности формирования импульсов высокого напряжения при использовании электронно-лучевого вентиля в

качестве ключа в предложенной схеме показано его преимущество.

Практическая ценность работы:

1. Проведены длительные эксплуатационные испытания разработанного источника знакопеременного питания в промышленных условиях на электрофильтре ТЭЦ-22 (Мосэнерго). Показано, что источники знакопеременного питания АПЭЛ 0,5/80 и ПЭЛМ 0,5/80 отвечают заданным требованиям по электрическим характеристикам, продемонстрированы их высокая надежность при промышленной эксплуатации. Применение знакопеременного питания позволило реализовать саморегенерацию осадительных электродов электрофильтра, что позволяет существенно повысить надежность работы электрофильтра, приводит к экономии энергопотребления за счет отключения механизмов отряхивания.

2. Разработан оптический пылемер, основанный на преобразовании ослабленного. в результате прохождения через контролируемую среду инфракрасного излучения. Схемотехническое решение позволило устранить общий недостаток таких приборов - зависимость показаний от запыления элементов оптического канала. Длительные эксплуатационные испытания показали, что оптический пылемер отвечает заданным требованиям, надежен в работе, что позволяет в перспективе реализовать полную автоматизацию систем пылегазоочистки.

3. Создан лабораторный макет электрофильтра, который позволяет проводить исследования влияния режимов питания и моделирование в лабораторных условиях процессов пылегазоочистки различных промышленных объектов.

4. Разработанная методика моделирования роли геометрических размеров электрофильтра позволяет экстраполировать результаты лабораторных исследований при изменении

геометрических размеров зоны осаждения с учетом вторичного пылеуноса.

5. Разработан экспериментальный источник импульсного питания и проведены его испытания на промышленном электрофильтре. Показана возможность снижения концентрации пыли в газах на выходе из электрофильтра в 1,5 - 1,8 раза при оборудовании одного поля трехпольного электрофильтра таким источником.

6. Предложена концепция комбинированной формы напряжения питания для электрофильтров и разработаны технические предложения по реализации такого источника на основе электронно-лучевых вентилей, что позволит осуществить саморегенерацию осадительных электродов и повысить эффективность очистки при улавливании как высокоомной, так и низкоомной пыли.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментов, раскрывающие особенности формирования на осадительном электроде слоя низкоомной золы и их влияние на КПД при питании электрофильтра знакопеременным напряжением. Показано что, при знакопеременном питании КПД выше, чем при униполярном питании в широком диапазоне изменения удельного электрического сопротивления осажденного слоя (10б Ом*м -10й Ом'м).

2. Экспериментально установленный механизм саморегенерации осадительных электродов. Показано, что он состоит из двух составляющих, - частичный сход в процессе осаждения и обрушение осажденного слоя при достижении критической массы. Метод моделирования влияния этих процессов на КПД электрофильтра.

3. Результаты изучения режима саморегенерации осадительных электродов промышленного электрофильтра в течение продолжительного периода времени при питании его

знакопеременным напряжением, подтверждающие стабильность его КПД по сравнению со штатным режимом работы электрофильтра, позволяющий повысить

среднезксплуатационные характеристики электрофильтра за счет отказа от механизмов механического отряхивания осадительных электродов.

4. Параметры импульсного питания, которые позволяют значительно повысить эффективность применения электрофильтров при улавливании низкоомных пылей.

5. Технические предложения по созданию источника комбинированного знакопеременно-импульсного питания на основе электронно-лучевых вентилей, который позволяет увеличить эффективность работы электрофильтра в 1,5-2 раза и обеспечить саморегенерацию осадительных электродов при осаждении высокоомной и низкоомной золы.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на: Четвертой Международной конференции по Электростатической Очистке (Будапешт 1996 г.) Международном семинаре «Энергетика и экология», (Велена, Словения, 1997 г.)

Седьмой Международной конференции по Электростатической Очистке (Корея 1998 г.) научных семинарах ВЭИ им. В.И. Ленина. (1993 - 2000г.) Публикации. Основной материал диссертационной работы отражен в шести печатных работах.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложения и изложена на 187 страницах печатного текста, содержит 58 иллюстраций.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются основные проблемы, формулируются основные направления работы. Кратко излагаются содержание диссертации по главам, основные научные положения и практические результаты, положения выносимые на защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор основных систем электропитания для промышленных электрофильтров, режимы работы систем электропитания, область их применения и принципы автоматического регулирования параметров, рассмотрены основные направления развития и совершенствования систем электропитания.

Из обзора следует, что для решения основной проблемы при улавливании высокоомных пыл ей - предотвращение обратной короны (ОК), или снижения ее интенсивности разработаны и применяются различные способы.

Один из способов повышения эффективности работы электрофильтров, который не требует значительных капитальных затрат на реконструкцию электрофильтра, - это применение источников питания, формирующих специальные формы напряжения на полях электрофильтра и систем автоматического регулирования электрических параметров. Знакопеременное питание электрофильтров позволяет повысить эффективность улавливания высокоомных зол за счет частичного или полного подавления ОК, при этом частота изменения полярности (от долей до единиц Гц ) определяется временем возникновения ОК и необходимостью ее подавления. Выявлено существенное влияние длительности фронта изменения полярности на вторичный унос при осаждении высокоомных зол и эффект саморегенерации осадительных электродов (ОЭ). Саморегенерация ОЭ - важный фактор, т.к. позволяет работать с большими интервалами между отряхиванием ОЭ, вплоть до полного отключения механизмов отряхивания, что приводит к повышению

среднеэксплуатационных характеристик электрофильтра. Подробного исследования механизма саморегенерации и использования знакопеременного питания при осаждении низкоомных зол не проводилось. Проведенные ранее исследования по применению импульсного питания ЭФ, улавливающих высокоомные золы, показали возможность значительного повышения эффективности улавливания (снижение концентрации на выходе из электрофильтра в 1,5-2 раза) и снижения энергопотребления (до 80%) в широком диапазоне изменения параметров импульсного напряжения (частота 6-200 Гц, длительность единицы - десятки микросекунд, амплитуда до 70 кВ). Данные об использовании импульсного питания при осаждении золы с УЭС менее 109 Ом'м отсутствуют. В результате анализа сформулированы цели исследования и использования знакопеременного и импульсного питания для интенсификации процессов электрогазоочистки при улавливании низкоомной золы.

Во второй главе обосновывается применение электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ) для источников питания, формирующих специальные формы напряжения на электрофильтре, рассматриваются схемотехнические решения источников знакопеременного и импульсного питания, нагрузкой которых может являться одно поле промышленного электрофильтра.

Применение ЭЛВ, включенного в цепь постоянного тока высокого напряжения, позволяет:

- производить быстрое, с фронтами до единиц микросекунд, отключение тока при полном напряжении на нагрузке, что приводит к нарастанию на момент отключения полного напряжения нагрузки на аноде;

- пропускать токи от единиц до нескольких десятков ампер, при этом имеют минимальное падение напряжения на вентиле в момент прохождения тока (в режиме постоянного тока

или длинных импульсов), не превышающее 1-2% от полного коммутируемого напряжения нагрузки.

Кроме того, ЭЛВ имеют вольтамперную характеристику со слабой зависимостью тока от приложенного напряжения. Использование ЭЛВ во всех видах источников питания позволяет стабилизировать предпробойный ток электрофильтра, производить быстрое отключение источника от электрофильтра при возникновении пробоя, что приводит к увеличению среднего напряжения на электрофильтре и повышает его эффективность, а также продлевает срок службы электродов и источников питания. Рассматривается схемотехническое решение источника знакопеременного питания (ЗИП) на ЭЛВ и алгоритм работы системы управления. Комплектный источник знакопеременного питания АПЭЛ 05/80 содержит два ЭЛВ 200/1, которые поочередно формируют положительное и отрицательное напряжение питания электрофильтра в соответствии с алгоритмом работы определяемым системой управления, - пропорциональная зависимость между углом регулирования тиристоров и напряжением на электрофильтре, и отрицательную обратную связь по интенсивности искровых пробоев в ЭФ. Основные электрические параметры: коммутируемое напряжение ± 80 кВ; коммутируемый ток 0,5-1 А; импульсы отрицательной и положительной полярности изменяются в диапазоне - частота 0,01-100 Гц; скважность 2-100; время переключения полярности напряжения, 4-50 мс.

Результаты стендовых и длительных испытаний на промышленном ЭФ показали, что источник удовлетворяет требованиям промышленной эксплуатации по надежности, ремонтопригодности и безопасности обслуживания.

Для реализации комбинированного источника питания требуется проведение экспериментальных исследований на реальном электрофильтре, задача которых - определить оптимальные электрические параметры источника импульсного питания при осаждении низкоомной пыли, и на основании этих

исследований выдать техническое задание иа оптимизацию электрической схемы источника комбинированного питания электрофильтра. Макет такого источника импульсного питания разработан в диссертации.

При разработке учитывалась необходимость в широких пределах изменять параметры электрических импульсов напряжения на нагрузке. Амплитуда импульса от 5 до 20 кВ, частота повторения от 50 до 400 Гц, длительность от 20 до 200 мкс, средний ток до 400 мА, импульсный ток до 1000А.

При формировании импульсного напряжения необходимо обеспечить ток заряда в сотни ампер при микросекундной скорости нарастания, поэтому одной из основных проблем при выборе принципиальной схемы является выбор импульсного коммутатора, способного выдерживать большие амплитуды импульсных токов (до 1000 А при длительности импульса до 200мкс), высокие напряжения (не менее 35 кВ), частоту повторения до 400 Гц.

В процессе разработки рассматривались варианты построения ИИП на вращающихся разрядниках, управляемых вакуумных разрядниках, мощных ЭЛВ, газоразрядных коммутаторах (водородных тиратронах). Применение ЭЛВ на этапе разработки было затруднено в связи с отсутствием данных о работе ЭЛВ в импульсном режиме и массогабаритными характеристиками мощных вентилей.

Применение газоразрядных коммутаторов (тиратронов) позволяет коммутировать экстремально большие токи и выдерживать высокие напряжения, представляется наиболее целесообразным на этапе разработки макета импульсного источника питания, схемотехническое решение которого выполнено таким образом, что позволяет в перспективе использовать ЭЛВ в качестве основного коммутирующего элемента.

Экспериментальный источник импульсного питания, нагрузкой которого может являться одно поле промышленного электрофильтра емкостью не более 0,15 мкФ, позволил провести

исследования эффективности применения импульсного питания при улавливании низкоомной золы .

В третьей главе рассматривается оптический измеритель концентрации твердых частиц в газоходах, который разработан для решения задачи непрерывного контроля концентрации пыли в газах промышленных газоходов и оптимизации параметров источников питания на

промышленных электрофильтрах и в лабораторных условиях.

Оптический метод, лежащий в основе измерения, основан на степени ослабления инфракрасного излучения контролируемой средой, т.е. осуществляется измерение прозрачности оптического канала при затенении его непрозрачными частицами пыли. Особенностью разработанного прибора является включение оптических элементов в канал отрицательной обратной связи излучающей головки, что позволило скомпенсировать потери мощности излучения при изменении температуры окружающей среды, изменении степени запыленности оптических элементов и поддерживать постоянную интенсивность светового потока в оптическом канале путём изменения мощности излучения. Компенсация потерь в широком диапазоне и высокая разрешающая способность позволяют в перспективе использовать

оптический измеритель концентрации твердых частиц в качестве датчика при построении комплексной системы управления, реализующей оптимальную форму напряжения на электрофильтре.

Четвертая глава посвящена проведению исследований на экспериментальном стенде и анализу эффективности применения знакопеременного питания при осаждении низкоомной золы. Задачей исследований является установление основных закономерностей и особенностей электрогазоочистки при знакопеременном питании электрофильтра по сравнению с аналогичными процессами при униполярном питании для различных значений УЭС улавливаемой пыли.

Экспериментальный стенд, созданный для проведения исследований, представляет собой электрофильтр горизонтального типа, оснащенный системой ЗПП, системой пылеприготовлепия, системой непрерывной регистрации количества осаждаемой золы на осадительных электродах (ОЭ) и системой непрерывного контроля запыленности на входе и выходе из электрофильтра. В лабораторном ЭФ использовалась система игольчатых коронирующих и С образных осадительных электродов, оснащенные механизмами ударно-молоткового отряхивания. При проведении лабораторных исследований использовалась зола, уловленная в промышленном электрофильтре (ТЭЦ-22, Мосэнерго), образовавшаяся при сжигании угля Кузнецкого бассейна. Таким образом моделировалось максимально возможное число факторов, определяющих работу промышленного электрофильтра.

Эксперименты, проведенные на лабораторном макете электрофильтра, показали, что при относительно малой площади осадительных электродов КПД пылеулавливания при знакопеременном питании выше чем при униполярном питании в широком диапазоне удельного электрического сопротивления (УЭС) 10б Ом*м - 10" Ом«м, (рис1.). При этом ОК на лабораторном макете электрофильтра образуется, когда УЭС превышает 1090м*м.

Исследованы основные закономерности влияния режимов ЗПП на формирование слоя на осадительном электроде и КПД электрофильтра. Показано, что оптимальное время переключения полярности напряжения - 2-И мс. Меньшее время переключения приводит к повышенному вторичному уносу, а большее время не целесообразно, т.к. снижается время эффективной работы электрофильтра. Увеличение длительности приложения импульсов знакопеременного напряжения питания до 30 сек незначительно влияет на кинетику нарастания слоя на ОЭ и КПД электрофильтра.

Исследован процесс накопления слоя до критической величины, изучены основные особенности режима

саморегенерации осаднтельных электродов при знакопеременном питании. Экспериментально определен механизм саморегенерации осадительных электродов. Показано, что происходит сход части осаждаемой пыли и обрушение осажденного слоя по достижении критического значения удельного веса слоя на ОЭ, (рис 2). При этом установлено, что при длительности полупериодов ЗПП в диапазоне от 3 доЗО секунд величина критического значения не зависит от длительности полупериодов, а при увеличении выше 30 секунд в условиях эксперимента наблюдалось её увеличение при снижении КПД электрофильтра. При проведении лабораторных и промышленных испытаний учитывалось, что для достижения максимальной эффективности работы электрофильтра целесообразно максимально сократить длительность положительного полупериода.

Проведен анализ влияния геометрических размеров осадительных электродов на эффективность применения знакопеременного питания. Показано, что для промышленных электрофильтров (площадь ОЭ одного поля которого значительно превосходит площадь ОЭ лабораторного макета) применение ЗПП не приводит к повышению эффективности его работы. Проведенные исследования позволили рекомендовать режимы ЗПП для исследования процесса саморегенерации на промышленном электрофильтре.

Возможность реализации процесса саморегенерации на промышленном электрофильтре и изменение эффективности его работы в этом режиме исследовались при проведении полномасштабных промышленных испытаний.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям применения знакопеременной и импульсной форм напряжения питания на промышленном электрофильтре и перспективам развития источников питания для электрофильтров.

Испытания знакопеременного питания, когда явление обратной короны отсутствует, проведены на ТЭЦ 22 (Мосэнерго) на электрофильтре типа ЭГА-35-9-5-3 при сжигании угля Кузнецкого бассейна. Образующаяся при сжигании зола имеет удельное электрическое сопротивление 108-109 Ом-м, возникновение OK при проведении испытаний не обнаружено.

Испытания при питании промышленного электрофильтра знакопеременным напряжением проводились с учетом рекомендаций по режиму питания, полученных в лабораторных исследованиях с оптимизацией по показаниям оптического индикатора запыленности: время переключения полярности напряжения 7 мс (минимальное для емкости электрофильтра 1,5 мкФ и использовании источника питания типа АПЭЛ 0,5/80); длительность приложения импульсов знакопеременного напряжения питания отрицательной полярности - 30 с, положительной ~ 2 С;

При проведении испытаний на промышленном электрофильтре было установлено, что при питании его знакопеременным напряжением механическое отряхивание осадительных электродов может быть отключено, штатная система гидрозолоудаления, л этом случае, работает без сбоев. Процесс саморегенерации носит стабильный, равномерный характер.

Критерием выхода полей электрофильтра на режим саморегенерации может служить изменение уровня напряжения пробоя, при этом происходит его повышение (~ 4 кВ).

В режиме знакопеременного питания без периодического отряхивания осадительных электродов (режим саморегенерации), эффективность газоочистки оставалась на том же уровне, что и для униполярного питания с периодической очисткой осадительных электродов механическими системами отряхивания.

В режиме саморегенерации осадительных электродов при знакопеременном питании эвакуация пыли с осадительных электродов происходит "автоматически" при достижении критического накопления, условия осаждения равномерны по всему полю электрофильтра, при этом концентрация пыли в газах, поступающих на очистку, не влияет на процесс саморегенерации осадительных электродов.

В процессе проведения исследований влияния режимов работы импульсного источника питания на эффективность работы промышленного электрофильтра определены оптимальные электрические параметры источника импульсного питания.

Электрический режим работы импульсного источника подбирается в процессе экспериментальной наработки по показаниям оптического пылемера. Критерием оптимизации является уменьшение длительности импульса, амплитуды и частоты повторения при сохранении повышенной

эффективности пылеочистки, рис.3. Минимальные значения этих параметров снижают потребление электроэнергии источника питания, повышают электрический КПД его использования. Зависимость величины пылевых выбросов от параметров импульсов прикладываемого напряжения от источника импульсного питания исследована с помощью оптического индикатора запыленности.

Амплитуда выходного тока пылемера пропорциональна освещённости фотоприёмника. Увеличение тока фотоприёмника соответствует уменьшению концентрации пыли в газах, что соответствует увеличению степени очистки газов в электрофильтре при неизменной запыленности газового потока на входе в электрофильтр, рис.4. Стабильность режима работы котла при оптимизации режима контролируется по степени изменения запылённости контрольного, параллельного газохода вторым пылемером.

На основании полученных данных построен усреднённый график в относительных единицах (рис.4), по которому

определяются оптимальные электрические характеристики источника питания.

При проведении весовых замеров установлено, что применение импульсного источника питания на одном поле электрофильтра позволило заметно повысить степень очистки газов в электрофильтре - уменьшение концентрации пыли в газах на выходе из электрофильтра почти в 2 раза (увеличение КПД на 1,5%).

На основании проведенных лабораторных и промышленных исследований определены основные параметры комбинированной формы напряжения питания электрофильтров (рис 5), для повышения эффективности работы электрофильтров, их среднеэксплуатационных характеристик как при осаждении пылей с образованием ОК, так и в том случае, если ОК не возникает. Предложено возможное схемотехническое решение источника комбинированного питания для электрофильтров на ЭЛВ. Определены основные требования к разрабатываемому ЭЛВ для создания комбинированного знакопеременно-импульсного источника питания.

В разделе "заключение" кратко сформулированы основные практические и научные результаты, полученные в работе:

1. Создан экспериментальный стенд, который представляет собой лабораторный макет электрофильтра, форма электродов которого воспроизводит часть осадительного пространства промышленного электрофильтра. Стенд оснащен источником знакопеременного питания на основе электронно-лучевых вентилей. Разработана методика проведения исследований на стенде. Разработано и изготовлено необходимое диагностическое оборудование.

2. Разработан и изготовлен оптический пылемер для определения изменения концентрации пыли в газах на промышленных установках и экспериментальном стенде. Проведены длительные эксплуатационные испытания

оптического пылемера на ГЭЦ-22 (Мосэнерго), Ачинском глиноземном комбинате и на других промышленных установках.

3. Проведены длительные эксплуатационные испытания разработанного источника знакопеременного питания на ТЭЦ-22 (Мосэнерго).

4. Проведены исследования на лабораторном макете электрофильтра, которые показали повышение эффективности пылеулавливания при знакопеременной форме напряжения питания по сравнению с униполярной формой напряжения в широком диапазоне изменения удельного электрического сопротивления модельной пыли от 105 Ом-м до 10й Ом м.

5. Проведены исследования скорости формирования слоя на осадительном электроде. Показан механизм саморегенерации осадительного электрода при знакопеременном питании при улавливании пыли без образования обратного коронного разряда.

6. Проведено моделирование размеров осадительных электродов поля электрофильтра и их влияние на вторичный пылеунос при саморегенерации осадительного электрода.

7. При проведении промышленных испытаний была показана возможность работы электрофильтра в режиме саморегенерации осадительных электродов без снижения эффективности работы электрофильтра в течение 200 часов. Саморегенерация осадительных электродов позволяет отказаться от использования систем механического отряхивания осадительных электродов.

8. Разработан экспериментальный источника импульсного питания для промышленного электрофильтра и проведены его испытания на электрофильтре ТЭЦ-22. Показана эффективность его использования при осаждении низкоомной пыли.

9. В результате проведенных исследований предложена концепция комбинированной знакопеременной-импульсной

формы напряжения питания, позволяющая осуществить саморегенерацию осадительных электродов и повысить эффективность улавливания высокоомных и низкоомных пылей.

10. Разработаны технические предложения по созданию комбинированного источника питания на основе электроннолучевых вентилей.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Калинин В.Г., Щербаков А.В. Оптический пылемер. Журнал. Приборы и техника эксперимента, N1,1994, 2 с.

2. Калинин В.Г., Щербаков А.В., Оптический измеритель концентрации твёрдых частиц пыли в газоходах. Журнал. Электрические станции, 1995, №7. 7с.

3. Perevodchikov V.I, Kalinin V.G., Lamin Y.A., Schapenko V.N. Studies of dust layer formation on electric precipitator electrodes at a alternating polarity power supply. VI ISESP Conference June 19-21, 1996 Technical University of Budapest, Hungary. 6ps.

4. Perevodchicov V.I., Shapenco V.N., Kalinin V.G., Stuchencov V.M., Alexandrova L.P. Development and introduction of non-traditional methods and apparatus for improvement of dust precipitators efficiency. Семинар «Энергетика и экология», Титова Велена, Словения, 1997 г. 6 ps.

5. Perevodchikov V.I., Shapenko V.N., Stuchenkov V.N., Savin A.A., Kalinin V.G., Matveyev N.V., Alexandrova L.P. Combined pulse and alternating polarity power supply to increase the efficiency of dust cleaning". Proc. 7th International Conference on Electrostatic Precipitation. Kyngbuk, Korea, 1998. 4 ps.

6. Perevodchikov V.I., Kalinin V.G., Sedov Y.V., Shapenko V.N., Scherbakov A.V. Research in formation of dust layer on precipitation electrodes of the electrostatic precipitator at an alternating polarity power supply. Proc. 7lh International Conference on ElectrostaticPrecipitation.Kyngbuk, Korea, 1998.4 ps.

> я

Рис. 1. Изменение КПД пылеулавливания макета электрофильтра при:

а) униполярном питании;

б) знакопеременном питании.

Рис. 2. Изменение удельного веса слоя на осадительном электроде в процессе осаждения для:

1) униполярного питания;

2) знакопеременного питания.

2 я

£ 5

г о

II

2 5 § ё

1 I

ы. 1>

8 5

2 !-.

1,0

ж

1н=го(мкс) ^овт'330^ 1 1

10

15

20

(кВ)

18

¡5 1.0

§ ё § »

о 5

г Й

о

ии 1н й 11 В) с)

100 200 300 -100 (Гц)

а) б)

Рис. 3. Зависимость эффективности пылеочистки при изменении параметров импульсного напряжения питания: а) амплитуды импульсного напряжения; б) частоты повторения импульсов.

увепич«*« уменьшение

изменение концентрации пыли

напрявлс»« прогони ленты самопиша

Рис. 4. Показания оптического пылемера, при периодическом

включении и отключении импульсного источника на 3-ем поле электрофильтра.

о

о

5

Рис. 5. Оптимальная форма комбинированного напряжения питания для электрофильтра.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ.

1.1. Основные формы напряжения питания электрофильтров.

1.1.1. Прерывистое питание.

1.1.2. Импульсное питание электрофильтров.

1.1.3. Знакопеременное питание.

1.2. Принципы автоматического регулирования параметров, алгоритмы управления.

1.3. Направления развития и совершенствования, расширение области применения.

1.4. Постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2. РЕАЛИЗАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ЗНАКОПЕРЕМЕННОГО И ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ВЕНТИЛЕЙ.

2.1. Параметры и характеристики электронно-лучевого вентиля.

2.2. Схемотехническое решение источника знакопеременного питания на ЭЛВ.

2.2.1. Особенности реализации режимов работы источника знакопеременного питания, при работе с промышленным электрофильтром.

2.2.2. Регулирование параметров источника знакопеременного питания при работе с промышленным электрофильтром

2.3. Источник импульсного питания электрофильтра.

2.3.1. Источник импульсного питания с ЭЛВ в цепи заряда.

2.4. Выводы.

ГЛАВАЗ. ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДЫХ

ЧАСТИЦ В ГАЗАХОДАХ.

3.1. Принцип действия и структурная схема оптического измерителя.

3.2 Функциональная схема и конструкция оптического измерителя.

3.3 . Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ ЗНАКОПЕРЕМЕННОГО ПИТАНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗООЧИСТКИ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Порядок проведения исследований на лабораторном макете электрофильтра.

4.2.1. Отбор и подготовка пыли.

4.2.2. Задаваемые и регистрируемые характеристики.

4.2.3. Режимы питания лабораторного макета электрофильтра

4.2.4. Вольтамперные характеристики лабораторного макета электрофильтра.

4.2.5. Температура, скорость и запыленность пылевоздушного потока на входе макета электрофильтра.

4.2.6. Определение веса осевшей пыли.

4.3. Методика проведения эксперимента.

4.3.1. Определение изменения эффективной скорости осаждения пылевых частиц (КПД пылеулавливания).

4.4. Обработка результатов измерений.

4.5. Исследование изменения эффективности пылеулавливания лабораторного макета электрофильтра при изменении температуры воздушного потока.

4.6. Исследование влияния режимов работы источника знакопеременного питания на КПД лабораторного макета электрофильтра и формирование слоя на осадительном электроде.

4. 7. Исследование основных закономерностей процесса саморегенерации осадительного электрода.

4. 8. Влияние знакопеременного напряжения питания на адгезионные свойства осажденного слоя.

4.9 Выводы.

4.10. Анализ экспериментальных результатов с позиции структуры слоя на осадительном электроде.

4. 10. 1. Влияние электрических сил на частицы и формирование слоя на осадительном электроде.

4. 10. 2. Влияние геометрических параметров электрофильтра на изменение условий осаждения и саморегенерацию осадительного электрода.

4. 11. Выводы.

ГЛАВА 5 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ПИТАНИЯ

ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ.

5. 1. Схема проведения экспериментальных исследований

5. 2. Проведение испытаний работы электрофильтра в режиме саморегенерации осадительных электродов при питании электрофильтра знакопеременным напряжением.

5.3. Проведение испытаний на промышленном электрофильтре при питании его импульсным напряжением.

5. 4. Перспективы развития систем питания.

5.5. Выводы.

Одним из наиболее совершенных способов очистки промышленных газов от пыли в энергетике, металлургии, цементном производстве и других отраслях промышленности от пылевых частиц является очистка в электрофильтрах. Для того чтобы предотвратить экологическое загрязнение воздушного бассейна и окружающей территории приходится очищать огромные объемы газов. Электрические фильтры (ЭФ) имеют ряд преимуществ по сравнению с другими фильтрами - это большая долговечность, простота технического обслуживания, наличие непрерывного цикла золоудаления при достаточно высокой эффективности, отсутствие сменных элементов, большая пропускная способность и др.

Растущие экологические требования к промышленным объектам в современных условиях приводят к необходимости поиска экономически выгодных решений по увеличению эффективности работы электрофильтров. Прикладные исследования в данной области направлены на дальнейшее увеличение эффективности применения электрофильтров, уменьшение капитальных затрат и затрат на обслуживание. Комбинация физических, химических и механических процессов в электрофильтре представляет различные аспекты исследований.

Наиболее распространенные способы повышения эффективности работы электрофильтров (уменьшение скорости газов, увеличение числа полей, химическое кондиционирование газов) сопряжены с необходимостью реконструкции электрофильтра и газового тракта котла. Подобные изменения целесообразны на этапе разработки и создания новых установок и часто трудно осуществимы для модернизации действующих объектов.

Один из способов повышения эффективности работы электрофильтров, который не требует значительных капитальных затрат на реконструкцию электрофильтра, - это применение источников питания, формирующих специальные формы напряжения на полях электрофильтра и систем автоматического регулирования электрических параметров.

Для решения проблемы увеличения эффективности осаждения при возникновении так называемой "обратной короны" (ОК) разработаны и применяются на практике источники питания, позволяющие в 2 - 4 раза повысить эффективность работы электрофильтров. Основные источники питания, которые используются с этой целью, - источники, формирующие знакопеременную форму напряжения питания, и источники, формирующие импульсную форму напряжения питания как частный случай источников импульсного питания может рассматриваться так называемый источник прерывистого питания работающий, на промышленной частоте, что достигается изменением алгоритма управления униполярного источника.

Многочисленные литературные данные свидетельствуют о высокой эффективности применения импульсной формы питающего напряжения при улавливании высокоомных пылей. Применение источников импульсного питания позволяет:

- повысить заряд частиц за счет высокой напряженности поля в момент подачи импульсов напряжения;

- получить более равномерное распределение тока коронного разряда (по сравнению с коронным разрядом при постоянном токе ) по сечению электрофильтра.

Применение импульсного питания позволяет повысить эффективность пылеулавливания за счет снижения средней плотности тока у поверхности осажденного слоя и снижения интенсивности обратного коронного разряда. Применение импульсного питания ограничено высокой стоимостью источников импульсного питания, стоимость которых в 4-5 раз больше стоимости униполярных источников (отечественная промышленность источников импульсного питания не выпускает).

Чем выше удельное электрическое сопротивление пыли, тем ниже должна быть средняя плотность тока в электрофильтре для предотвращения образования ОК, что ведет к снижению возможной степени очистки газов в электрофильтре, когда обратная корона отсутствует, поэтому существует верхняя граница удельного

12 электрического сопротивления слоя (-10 Ом-м), выше которой эффект от применения импульсного напряжения питания снижается. Промышленные испытания, проведенные для пылей с удельным электрическим сопротивлением 5-1010—5-1012 Ом-м, показали возможность экономии энергопотребления на 20 - 80% по сравнению с униполярным питанием и снижение концентрации пыли на выходе из газоочистительного аппарата в 1,5-2 раза.

Применение знакопеременной системы питания позволяет предотвратить образование обратной короны при улавливании высокоомной пыли с удельным сопротивлением (ру > 109 Ом*м) и позволяет значительно повысить эффективность пылеулавливания.

Принцип действия знакопеременного питания (31111) заключается в поочерёдной подаче на коронирующий электрод ЭФ напряжения положительной и отрицательной полярности. Периодическое изменение полярности прикладываемого напряжения предотвращает образование ОК, при этом период изменения прикладываемого напряжения устанавливают близкий к времени накопления заряда на слое, но еще не достигающего уровня достаточного для пробоя.

Кроме того, периодическое изменение полярности создает рыхлую структуру слоя пыли на осадительных электродах, при которой осуществляется их самоочистка без использования системы механического отряхивания или существенно увеличивается периодичность ее включения. Это приводит к уменьшению запыленности выходного потока за счет уменьшения вторичного пылеуноса при отряхивании, повышению среднеэксплуатационной эффективности, т.к. системы механического отряхивания - наименее надежный элемент электрофильтров.

Система управления реализует необходимый алгоритм, который оказывает определяющее влияние на эффективность применения источников питания при длительной промышленной эксплуатации. В том случае, если максимальная эффективность электрофильтра достигается при работе с максимально возможным напряжением на электродах, разработано несколько способов регулирования. Наибольшее распространение получили системы регулирования по заданному току и напряжению, по дуговому пробою в электрофильтре, по заданному числу искровых разрядов в электрофильтре, по максимальной величине мощности, потребляемой коронным разрядом, по максимальному среднему напряжению. Недостатком таких способов регулирования напряжения и тока является то, что независимо от способа регулирования система управления не может обеспечить оптимальный режим работы электрофильтра при улавливании золы или пыли с высоким удельным электрическим сопротивлением.

С широким развитием цифровых систем управления существенно возросла возможность оптимизировать регулируемые параметры источников питания при изменении условий осаждения в электрофильтре, переходе на другие сорта топлива. Алгоритм работы цифровых систем управления определяется набором задач, которые данная система управления призвана решить в комплекте с источником питания. Вольт-амперные характеристики электрофильтра и их изменение в процессе работы предоставляют достаточные данные, для того чтобы определить начало процессов, отрицательно сказывающихся на эффективности работы (например образование ОК, изменение уровня напряжения пробоя электрофильтра), и соответствующим образом изменить параметры напряжения питания.

При решении задачи построения источников питания принципиальное значение имеет выбор основных коммутирующих элементов.

Применение электронно-лучевых вентилей в источнике знакопеременного питания, включенных в цепь постоянного тока высокого напряжения, позволяет реализовать дополнительные преимущества - оперативно регулировать форму напряжения питания, стабилизировать предпробойный тока электрофильтра, производить быстрое отключение источника от электрофильтра при возникновении пробоя, что приводит к увеличению среднего напряжения на электрофильтре и повышает его эффективность, продлевает срок службы электродов и источников питания, а также приводит к экономии энергопотребления.

Однако, угли, образующие при сжигании высокоомную золу, составляют только часть потребляемых тепловыми электростанциями. Значительная часть используемых углей образует низкоомную золу, при улавливании которой обратный коронный разряд не образуется. Для повышения эффективности работы электрофильтров и их эксплуатационной надежности в этих условиях, целесообразно использовать эффект повышения заряда частиц при импульсном питании и исследовать возможность реализации процесса саморегенерации осадительных электродов при питании ЭФ знакопеременным напряжением. При этом актуально создание высоковольтного комбинированного знакоперемно-импульсного источника питания, позволяющего одновременно реализовать преимущества как импульсного, так и знакопеременного питания на электрофильтре.

Цель работы заключается в повышении эффективности работы и эксплуатационной надежности электрофильтров при улавливании низкоомных зол, обоснование комбинированной - импульснознакопеременной формы напряжения питания электрофильтров и разработка технических предложений по реализации такого источника на основе электронно-лучевых вентилей.

В диссертации поставлены и решены следующие задачи, обеспечивающие реализацию основной цели:

В работе поставлены и решены следующие основные задачи, обеспечивающие реализацию основной цели:

- разработан экспериментальный источники импульсного питания для промышленных электрофильтров тепловых электростанций;

- разработан измеритель концентрации твердых частиц в газоходах промышленных электрофильтров;

- исследованы основные закономерности процесса саморегенерации осадительных электродов электрофильтра в режиме знакопеременного питания при улавливании низкоомной золы;

- проведен анализ влияния изменения геометрических размеров на эффективность применения знакопеременного питания и саморегенерацию осадительных электродов;

- исследована возможность реализации режима самогенерации на промышленном электрофильтре и изменение эффективности его работы в этом режиме;

- исследована эффективность применения импульсной формы напряжения питания, при осаждении низкоомной золы на промышленном электрофильтре;

- разработаны технические предложения по созданию источника комбинированного- знакопеременно-импульсного питания для промышленных электрофильтров на основе электронно-лучевых вентилей.

Настоящая диссертация состоит из пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первой главе кратко описываются основные методы повышения эффективности применения электрофильтров, основанные на применении специальных форм питающего напряжения.

Вторая глава посвящена схемотехническому решению источников знакопеременного питания и алгоритму работы системы управления, рассматривается схемотехническое решение экспериментального источника импульсного питания.

В третьей главе рассматривается оптический измеритель концентрации твердых частиц в газоходах, разработанный для решения задачи непрерывного контроля концентрации пыли в газах промышленных газоходах и оптимизации параметров источников питания электрофильтров.

В четвертой главе описываются экспериментальная установка, методика проведения эксперимента, результаты лабораторных исследований. Моделируются процессы, характер которых определен в ходе лабораторных исследований, моделируется изменение геометрических размеров осадительного пространства, их влияние на эффективность применения знакопеременного питания и изменение его параметров.

В пятой главе описываются результаты экспериментов на промышленном оборудовании по применению знакопеременного и импульсного питания при осаждении золы угля кузнецкого бассейна в условиях, когда обратный коронный разряд не образуется, рассматриваются перспективы развития системы питания на основе электронно-лучевых вентилей.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в работе.

- 12

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментов, раскрывающие особенности формирования на осадительном электроде слоя низкоомной золы и их влияние на КПД при питании электрофильтра знакопеременным напряжением. Показано что, при знакопеременном питании КПД выше, чем при униполярном питании в широком диапазоне изменения удельного электрического сопротивления осажденного слоя (106 Ом«м - 1011 Ом*м).

2. Экспериментально установленный механизм саморегенерации осадительных электродов. Показано, что он состоит из двух составляющих, - частичный сход в процессе осаждения и обрушение осажденного слоя при достижении критической массы. Метод моделирования влияния этих процессов на КПД электрофильтра.

3. Результаты изучения режима саморегенерации осадительных электродов промышленного электрофильтра в течение продолжительного периода времени при питании его знакопеременным напряжением, подтверждающие стабильность его КПД по сравнению со штатным режимом работы электрофильтра, позволяющий повысить среднеэксплуатационные характеристики электрофильтра за счет отказа от механизмов механического отряхивания осадительных электродов.

4. Параметры импульсного питания, которые позволяют значительно повысить эффективность применения электрофильтров при улавливании низкоомных пылей.

5. Технические предложения по созданию источника комбинированного знакопеременно-импульсного питания на основе электронно-лучевых вентилей, который позволяет увеличить эффективность работы электрофильтра в 1,5-2 раза и обеспечить саморегенерацию осадительных электродов при осаждении высокоомной и низкоомной золы.

В ходе проведения исследований были получены следующие основные научные результаты:

1. Исследована эффективность применения знакопеременного питания при осаждении пылей без образования обратной короны. Показано, что при относительно малой площади осадительных электродов КПД пылеулавливания выше при знакопеременном питании, чем при униполярном питании в широком диапазоне удельного электрического сопротивления (106 Ом*м - 1011 Ом«м).

2. Выявлены основные закономерности влияния знакопеременной формы напряжения питания на формирование слоя на осадительном электроде. Показано, в частности, что формирование слоя происходит медленнее, чем при униполярном питании.

3. Исследован процесс накопления слоя до критической величины, изучены и экспериментально подтверждены основные особенности режима саморегенерации осадительных электродов.

4. Проведен анализ влияния размеров осадительных электродов на эффективность применения знакопеременного питания. Моделирование позволило экстраполировать экспериментальные данные при изменении геометрических размеров осадительных электродов с учетом влияния вторичного пылеуноса.

5. Показана возможность существенного повышения эффективности работы электрофильтра, улавливающего низкоомную золу при использовании импульсного питания.

6.Исследованы особенности формирования импульсов высокого напряжения при использовании электронно-лучевого вентиля в качестве ключа в предложенной схеме показано его преимущество.

Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на международных конференциях по электростатической газоочистке и семинарах.

Основные результаты изложены и опубликованы в виде 6 статей и докладов на международных конференциях и семинарах.