Оптимизация параметров импульсного источника для питания электрофильтров

Щербаков А. В., Калинин В. Г.,   Стученков В. М.

Для улучшения пылеочистки газов от твердых частиц требуются большие капитальные затраты для замены существующих электрофильтров (ЭФ) на новые с увеличенным числом полей. Значительно дешевле проведение модернизации источников питания при сохранении или незначительной модернизации самих ЭФ. Такой путь снижения уровня выбросов до требуемого уровня ПДВ экономически более выгоден.
Добавление импульсного питания к существующему униполярному позволяет существенно повысить степень пылеочистки ЭФ в широком диапазоне удельных сопротивлений зол [1,2]. Это связано с тем, что при импульсном воздействии максимальное напряжение ионизации частиц пыли существенно повышается.
Как правило, ЭФ имеют весьма большую электрическую емкость (около 0,15 мкФ) и большую протяженность кабельных цепей высоковольтного питания. При формировании импульсного напряжения надо на этой емкости сформировать высоковольтный импульс. При формировании фронта и спада сравнительно короткого импульса микросекундной длительности требуются токи в сотни ампер.
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 200 мкс), высокие напряжения до 35 кВ, частоту повторения до 400 Гц, и иметь долговечность не менее 8000 ч непрерывной работы.
Рассматривались варианты построения источника импульсного питания (ИИП) на вращающихся разрядниках, управляемых вакуумных разрядниках, мощных электронно-лучевых вентилях и водородных тиратронах. Применение последних позволяет коммутировать экстремально большие токи при высоких напряжениях и оперативно изменять длительность и частоту повторения.
Создан полномасштабный макетный образец ИИП ЭФ и проведены его промышленные испытания. Прибор позволяет изменять амплитуду импульса от 5 до 20 кВ, частоту повторения от 50 до 400 Гц, длительность от 20 до 200 мкс, импульсный ток до 1000 А (при среднем токе до 400 мА). В процессе проведения экспериментальных исследований на реальном ЭФ осуществляется определение оптимальных электрических параметров ИИП и на основании этих исследований выдается техническое задание на дальнейшую оптимизацию электрической схемы ИИП.
Критерием оптимизации является минимальная длительность импульса, амплитуды и частоты повторения, при сохранении повышенной эффективности пылеочистки. Минимальные значения этих параметров снижают потребления электроэнергии источника питания, повышают электрический КПД его использования.

Рис. 1. Графики зависимости снижения уровня выходной запыленности от амплитуды импульсного напряжения на электрофильтре (а), частоты повторения импульсов (б) и длительности импульсов (в)

Параметры импульсов подбираются в процессе экспериментальной наработки по показаниям импульсного оптического пылемера (например, разработки НИЦ СЭ ВЭИ импульсного пылемера [3], работающего в инфракрасном диапазоне длин волн). Амплитуда выходного тока пылемера (измеренная в миллиамперах) пропорциональна освещенности фотоприемника.

Рис. 2. Схема подключения источника импульсного питания к электрофильтру:
ИИП - импульсный источник питания; УШП - униполярное штатное питание; РК- радиочастотный кабель

Для контроля режима работы котла одновременно отслеживается запыленность контрольного газохода таким же вторым пылемером. Строятся графики зависимости тока фотоприемника от электрического режима работы ИИП. На основании полученных графиков создается усредненный график в относительных единицах (рис. 1), по которому определяются оптимальные электрические параметры импульсов.
В процессе проведения исследований выяснилось, что уменьшение длительности импульсов не снижает эффективности пылеочистки. Минимально полученная длительность импульса 20 мкс. При увеличении частоты повторения импульсов от 50 до 330 Гц эффективность пылеочистки резко возрастает, а при дальнейшем увеличении от 330 до 400 Гц эффективность изменяется незначительно. Амплитуда напряжения величиной 20 кВ ограничивается средней мощностью источника при полученной частоте повторения и длительности импульсов. Поэтому имеет смысл при модернизации уменьшить длительность импульсов при сохранении амплитуды, что пропорционально снизит потребляемую мощность.
В результате исследования возможности совместной работы импульсного и униполярного штатного питания получены весьма обнадеживающие результаты. Уровень выходной запыленности понизился почти в 1,5 - 1,8 раза. Из показаний пылемера, записанных на ленте самописца, видно, что подключение импульсного источника в оптимальном режиме создает такой же положительный эффект, как и отключение последнего третьего поля на трехпольном ЭФ ЭГА-35-9-5-3 создает отрицательный. Дополнительно проведенные замеры классическим весовым способом в режиме импульсного напряжения 20 кВ при частоте повторения 330 Гц и длительности импульса 20 мкс, также показали существенное повышение степени пылеочистки (таблица). Схема подключения ИИП к ЭФ отражена на рис. 2.
В результате проведенного эксперимента выяснено, что применение импульсного питания совместно с униполярным приводит к существенному повышению эффективности пылеочистки в 1,5-1,8 раза. Запыленность дымовых газов при униполярном питании составляет 0,541 - 0,435 г/м³, а при униполярном, совмещенном с импульсным, - 0,298 - 0,278 г/м³.
В результате проведенных испытаний выяснено, что, чем меньше длительность импульса, тем выше электрическая экономичность при сохранении той же степени пылеочистки. Оптимальным режимом можно считать: минимальная длительность импульса 20 мкс, частота повторения 330 Гц, амплитуда 20 кВ.
Одной из основных особенностей успешного проведения эксперимента является длительная работа ЭФ в режиме малых уровней “подсветки”.

Рис. 3. Структурно-электрическая схема импульсного источника питания и его подключения к электрофильтру

Эффективность применения импульсного питания существенно снижается при работе на чистые или малозапыленные осадительные электроды, а также при очистке выходных газов, содержащих большой процент недожога (зола, имеющая сравнительно низкое значение удельного электрического сопротивления - УЭС).
Конструктивно полномасштабный макет ИИП смонтирован в штатном металлическом баке от униполярного источника питания типа АТФ-600 с масляным наполнением.
В разработанном макетном образце используются два высоковольтных водородных тиратрона типа ТГИ 2500/35, включенных последовательно. Режим работы источника задается от внешней СУ. Длительность выходных высоковольтных импульсов можно плавно изменять от 20 до 200 мкс, амплитуду от 2 до 20 кВ, частоту повторения от 50 до 400 Гц. Значение импульсного тока до 500 А. При исследованиях ИИП подключается к униполярному через конденсатор связи емкостью 0,4 мкФ на напряжение 100 кВ.
Предлагаемая схема ИИП с СУ положена в основу полномасштабного макета, с помощью которого удобно тестировать ЭФ, т.е. определять оптимальные параметры импульсов: длительность, амплитуду, частоту повторения для различных УЭС и состава пыли с целью получения наилучшей степени пылеочистки.
Принципиальная схема полномасштабного макета ИИП (рис. 3) представляет собой мощный импульсный модулятор, у которого фронт импульса формируется тиратроном F2, включенным параллельно ЭФ, а спад - V1, включенным последовательно с V%. Одновременно тиратрон V2 восстанавливает напряжение на силовом конденсаторе связи Ссв. Длительность импульса определяется временем между включением первого и второго тиратронов.
Во время штатного пробоя ЭФ напряжение на Ссв равно сумме напряжений ИИП и штатного униполярного. В нашем случае при напряжении источника питания ИИП, равном 20 кВ, и напряжении униполярного источника, равном 40 кВ, в момент пробоя ЭФ к тиратрону Ссв должно приложиться напряжение 60 кВ. Выбранный тиратрон выдерживает только 35 кВ (по паспорту), поэтому для предотвращения броска высокого напряжения между анодом и катодом тиратрона Ссв, формирующего спад, подключен рекуперационный диод D2, обеспечивающий подключение Ссв к накопительному конденсатору Снак высоковольтного выпрямителя ИИП. В этом случае амплитуда броска напряжения зависит от соотношения Ссв и Снак· Чем больше емкость Снак, тем меньше подброс напряжения на тиратроне F2. При анодном напряжении 20 кВ этот подброс не должен превышать 35 кВ. Для дополнительной защиты тиратрона используется варистор D3 на напряжение 31 - 33 кВ и ток 300 А.

Управление высоковольтными тиратронами осуществляется от подмодуляторов, собранных по схеме импульсного усилителя на электронной лампе с разделительным импульсным трансформатором со схемой стробирования по цепи управляющего электрода.
Одной из особенностей силовой схемы является наличие управляющих электродов тиратрона Ссв на высоком потенциале. Это потребовало разработки специальной СУ ИИП с автоматической дополнительной задержкой времени включения тиратрона Ссв за счет системы обратной связи через токовый трансформатор (пояс Роговского). CУ1 включает в себя: генератор тактовых импульсов, схему с автоматической регулировкой задержки запуска тиратрона Ссв, усилитель импульсного сигнала светодиода. СУ2 содержит импульсный фотоприемник, усилитель фото сигнала, усилитель импульсов запуска подмодулятора. Между собой СУ1 и СУ2 соединены высоковольтным световодом.

Выводы

1. Применение импульсного источника совместно с униполярным при работе на одно (три) поле ЭФ приводит к повышению эффективности пылеочистки в 1,5 - 1,8 раза по сравнению с питанием этого поля только от униполярного источника.
2. Для питания ЭФ разработана силовая электрическая схема ИИП с последовательно включенными импульсными водородными тиратронами, а также подмодулятор и следящая СУ. СУ с помощью пояса Роговского отслеживает режим работы основного тиратрона, а также позволяет изменять длительность выходных импульсов отрицательной полярности от 20 до 200 мкс, при частоте повторения от 50 до 400 Гц и амплитуде до 20 кВ.
3. Оптимальные параметры импульсов, при которых получается максимальное улучшение степени пылеочистки, составляют: длительность 20 - 30 мкс, частота повторения 300 - 400 Гц, амплитуда не менее 20 кВ.
4. При получившемся оптимальном значении длительности высоковольтного импульса около 20 мкс целесообразно использовать наиболее экономичную резонансную схему ИИП, имеющую максимально возможный электрический КПД.

Список литературы

1. ENEL research on electrostatic technologies for pollutant emissions control. - Results and perspectives, 1995.
2. Perevodchikov V. I., Shapenko V. N, Miizabekyan G. Z. Increasing the Efficiency of Electrostatic Dust Precipitation at Power Stations using the Alternating Polarity Power Supply. 5th International Conference on Electrostatic Precipitation. USA, Washington, 1993.
3. Калинин В. Г, Щербаков А. В. Оптический пылемер. - Журнал ПТЭ, 1990, № 1.