Система знакопеременного питания пылеулавливающих электрофильтров на основе электронно-лучевых вентилей

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 (31 111) 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 комбинированногознакопеременно-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.