Введение к работе
Актуальность темы
Все современные ТЭС, снабжены пылеулавливающими электрофильтрами (ЭФ), качество их работы определяет уровень загрязнения атмосферы и окружающей среды. Наиболее эффективным и быстрым способом улучшения работы ЭФ является усовершенствование источников электропитания, а эффективность пылеочистки, в основном, определяется режимами работы источников питания механизмов отряхивания осадительных электродов (ОЭ).
Наметившаяся тенденция использования угольного топлива тепловыми электростанциями делает задачу улучшения очистки выбросов от пыли особенно актуальной. Используемые в России агрегаты питания, в основном, представляют собой однофазные высоковольтные выпрямители, работающие на промышленной частоте 50 Гц, состоящие из следующих основных узлов: тиристорного силового регулятора, токоограничивающего реактора, повышающего трансформатора, высоковольтного выпрямителя на кремниевых вентилях, защитного реактора. Основные недостатки существующих агрегатов, работающих на промышленной частоте 50 Гц:
- высокий уровень пульсаций выходного напряжения на ЭФ;
- значительное время возврата напряжения на исходный до пробоя уровень;
- малый электрический КПД (70-80%);
- большие массогабаритные показатели.
Заниженное среднее значение напряжения на выходе ухудшает степень пылеочиски. Это происходит из-за повышенных пульсаций и частых штатных пробоев в ЭФ. Агрегаты питания, как правило, используют однофазное питание, и поэтому создают неравномерную нагрузку в трёхфазной сети. Перевод питающего напряжения на повышенную частоту более 12 кГц и трёхфазную сеть с широтно-импульсной регулировкой напряжения инвертора существенно уменьшает отмеченные выше недостатки. Именно по этому пути пошли основные разработчики источников питания Шведские фирмы Alstom, ABB, а также Siemens, NWL, Sumitomo, Castlet и др. которые выпускают и продолжают усовершенствовать электрические схемы и конструкции. Сейчас выпускается уже третье поколение агрегатов униполярного питания с высокочастотной связью (ВЧС) с сетью на частоте 20 кГц и более. Однако и это не устраняет основной недостаток, как и при питании от низкочастотных агрегатов, необходимо наличие устройств механического отряхивания ОЭ, а это неизбежно приводит к появлению вторичного пылеуноса и понижению эксплуатационной надёжности ЭФ..
Основным направлением настоящей работы является научная разработка концепций создания систем питания пыле- газоочистного комплекса, включающих в себя разработку электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ), электрических схем источников питания ЭФ и реакционных камер (РК), приборов диагностики, а также проведение экспериментальных исследований на физических моделях и в условиях реальной эксплуатации.
Цель работы
Разработка научных основ конструирования электровакуумных приборов, электрических схем для питания ЭФ и РК, повышающих степень пыле- и газоочистки дымовых газов промышленных предприятий.
Для достижения поставленной цели необходимо было:
-
исследовать процесс пылеочистки на ОЭ ЭФ, провести анализ режимов питания от униполярного источника и от источника, формирующего только знакопеременные импульсы секундной длительности, а также при использовании дополнительно импульсного питания от приставок, формирующих импульсы микросекундной длительности;
-
создать научно-технические основы построения электрических схем источников знакопеременного и импульсного питания ЭФ на базе ЭЛВ для получения максимального электрического КПД, максимального срока службы и надёжности;
-
разработать методы построения электрических схем автономных источников питания РК одиночными униполярными и пачками знакопеременных импульсов наносекундной длительности;
-
создать на основе электрических и оптических схем оптимизированное устройство оперативного контроля и регистрации уровня запылённости на выходе дымохода и устройство оперативного контроля удельного электрического сопротивления (УЭС) пыли;
-
выработать концепцию научно-технических основ создания универсального пыле- газоочистного комплекса состоящего из унифицированных источников питания с оптимизированными электрическими схемами, формирующими импульсы специальной формы, а также устройств контроля и определения параметров, подлежащих автоматическому регулированию;
-
создать принципы моделирования силовых электрических схем и подмодуляторов источников питания, создать методику работы с модельными схемами и основу модели перспективных ЭЛВ максимально приближённых к реальному прибору.
Основные задачи исследования
1. Изучение влияния параметров напряжения питания ЭФ на степень пылеочистки в большом диапазоне УЭС пыли, а также на степень газоочистки РК от оксидов.
2. Изучение процессов в силовых схемах и подмодуляторах источников питания, влияющих на основные электрические параметры, такие как надёжность и долговечность.
3. Обоснование технических требований на основные параметры ЭЛВ и плазменных коммутаторов.
4. Разработка и обоснование принципа построения оптимальных электрических схем систем питания высоковольтных устройств пыле- и газоочистки на основе ЭЛВ и газоразрядных приборов (ГП), обеспечивающих максимальную надёжность и долговечность источника питания ЭФ.
Методы исследования
Исследования проводились с использованием современных методов и экспериментальной техники, включающей специально разработанные стенды для исследования ЭЛВ, ГП и полупроводниковых приборов в условиях экстремально высоких импульсных нагрузок.
Основой экспериментальной техники были источники униполярного, знакопеременного (ЗПП) и импульсного питания. Экспериментальный стенд по своим параметрам максимально приближённый к реальному ЭФ, содержащий один коронирующий и два ОЭ, предусмотрено изменение основных параметров пылевоздушной смеси и система автоматического взвешивания ОЭ. Задача стенда ЭФ – проведение исследований с целью получения экспериментального материала по минимизации пылевых выбросов путём оптимизации выходных параметров и режимов работы источников питания.
Основной теоретический метод оптимизации электрических параметров схем – использование компьютерного моделирования в программах EWB.
Научная новизна
-
Впервые обоснованы критерии оптимизации электрических характеристик по минимуму пылевых выбросов:
- источников ЗПП с ВЧС с сетью, ЭФ импульсами длительностью от 1 до 100 с;
- резонансных приставок на ЭЛВ и ГП униполярного питания ЭФ импульсами длительностью от 40 до 200 мкс, для работы в импульсных источниках питания в которых ЭФ является частью резонансного контура;
- источников на основе ЭЛВ униполярного импульсного и знакопеременно-пачечного питания РК импульсами длительностью 150…200 нс, в которых используется принцип двойного преобразования энергии, частичный разряд ёмкостного накопителя и полный разряд индуктивного;
-
Научно обоснованы технические требования на конструирование новых образцов вакуумных высоковольтных ЭЛВ на напряжение до 200 кВ при максимальном среднем токе до 2 А, импульсном до 10 А и ЭЛВ на напряжение до 100 кВ, импульсном токе до 500 А.
-
Проведен детальный теоретический анализ колебательных процессов в диапазоне 100…1000 кГц, происходящих в электрических схемах источников питания, соединительных кабелей и ЭФ, при формировании на электродах ЭФ высоковольтных импульсов микросекундного диапазона длительности, показавший целесообразность исключения высоковольтных электрических связей и возможность снижения на 30% постоянного напряжения приставки импульсного источника питания при сохранении амплитуды импульсного напряжения на ЭФ.
-
Впервые разработаны универсальные компьютерные модели в программе EWB высоковольтных коммутаторов и обобщённые методики компьютерной оптимизации электрических схем источников на их основе, модели способны автоматически изменять свои характеристики при изменении любых электрических параметров ЭФ и РК.
5. Впервые разработаны научно-технические основы создания технологического комплекса на базе электрических схем, в которых ЭЛВ – силовой коммутирующий прибор источников питания ЭФ и РК. Комплекс содержит общий источник высокочастотного питания, охвачен обратной связью с приборами диагностики, что обеспечивает максимальную эффективность пыле- и газоочистки.
Достоверность результатов
Достоверность подтверждается большим объёмом полученных в работе экспериментальных данных и соответствием теоретическим расчётам и компьютерной оптимизации, проведением экспериментальных исследований на стенде и промышленных ЭФ режимов работы источников, обеспечивающих максимальную степень пылеочистки. Установлена корреляция полученных результатов с аналогичными в других организациях.
Практическая ценность работы
-
Доказана перспективность ЗПП на основе ЭЛВ для питания ЭФ очистки от твёрдых частиц, обеспечивающего повышение степени пылеочистки высокоомных пылей (1010..1012 Ом.м) и возможность отказа от устройств механического отряхивания осадительных электродов для всего известного диапазона УЭС пыли.
-
Показано, что при промышленной эксплуатации наиболее перспективны источники с ВЧС с сетью, имеющие более высокий электрический КПД, надёжность и малые массогабаритные показатели.
-
Разработан и изготовлен экспериментальный образец источника униполярного питания с ВЧС с сетью на частоте 12 кГц, проведены его успешные испытания на ТЭЦ.
-
Разработан стенд ЭФ, позволяющий исследовать влияние электрических режимов источников на степень пылеочистки, использующийся также как перенастраиваемый универсальный эквивалент нагрузки при испытаниях источников питания.
-
Разработаны электрические схемы источников ЗПП с электрическим КПД более 93% на основе ЭЛВ по схеме управляемого высоковольтного высокочастотного удвоителя напряжения на частоте 12 кГц.
-
Разработаны источники-приставки на основе ГП и ЭЛВ, формирующие импульсы микросекундной длительности, позволяющие дополнительно повысить в 6 раз степень пылеочистки всего известного диапазона УЭС пыли.
-
На основе этажерочной конструкции РК типа нить-плоскость доказана эффективность применения вместо униполярной - знакопеременной формы пачечного импульсно питания РК плазмохимического преобразования оксидов и созданы для конструирования высокоэффективных, долговечных, с высоким электрическим КПД источников питания, формирующих пачки знакопеременных импульсов наносекундной длительности.
-
Разработана на основе псевдоискрового разрядника ТПИ обобщённая схема источника импульсного высоковольтного резонансного удвоителя напряжения, формирующего униполярные импульсы наносекундной длительности и источник с двойным преобразованием энергии, формирующий пачки знакопеременных наносекундных импульсов.
-
Разработана обобщённая методика компьютерной оптимизации силовых электрических импульсных схем источников питания ЭФ и РК, подмодуляторов, систем управления и нагрузок с помощью программы EWB в режиме паузы. Проведена оптимизация параметров всех электрических схем при различных режимах работы ЭФ и РК, получена высокая достоверность результатов испытаний на физических моделях и реальных агрегатах.
-
Разработаны и реализованы два типа приборов: импульсного, работающего на просвет инфракрасного пылемера, устойчивого к паразитной засветке и оперативного измерителя УЭС пыли.
На защиту выносятся:
1. Использование ЗПП обеспечивающего увеличение эффективности пылеочистки высокоомной пыли (v > 109 Ом.м) в 2 раза и самоотряхивание осадительных электродов в широком диапазоне известного УЭС пыли (v >103…1012Ом.м), что повышает эксплуатационную надёжность, приводит к экономии затрат на обслуживание устройств механического отряхивания.
2. Использование дополнительно к ЗПП импульсного питания, обеспечивает повышение эффективности пылеочистки в 6 раз для всего известного УЭС пыли.
3. Концепция построения универсальной технологической схемы пыле- и газоочистки с приборами диагностики, включёнными в цепь управления электрическими режимами агрегатов питания.
4. Обобщённые схемы построения источников высоковольтного ЗПП и импульсного питания при использовании ЭЛВ, позволяющих переключать максимальный уровень напряжения от +100 кВ до -100 кВ, ограничивать ток ЭФ при пробое, обеспечить быстрое восстановление напряжения на ЭФ после пробоя.
5. Научное обоснование технических требований построения конструкций ЭЛВ, обладающих минимально возможными емкостями по управляющему электроду и минимуме индуктивности коаксиальных вводов.
6. Обобщённая компьютерная модель ЭЛВ в программе EWB, которая позволяет проводить моделирование в режиме паузы электрических схем источников питания и подмодуляторов с высокой степенью достоверности
7. Основы построения электрических схем источников ЗПП на базе высоковольтных сильноточных ЭЛВ с удвоением высокого напряжения, работающих на промежуточной частоте более 12 кГц, обладающих минимальными массогабаритными показателями, высокой надёжностью и электрическим КПД
8. Основы построения электрических схем источников пачечно-знакопеременного питания с двойным преобразованием энергии емкостного и индуктивного накопителей, обеспечивающих максимальную надёжность и минимальную себестоимость схемы.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
- Всесоюзной научно-технической конференции: Система управления и контроля электрических аппаратов высокого напряжения. Информэлектро (Москва, 1981 г.);
- Международной конференции, VI ISESP Conference, Technical University of Budapest , Budapest, Hungary, (Будапешт, Венгрия 1996 г.);
- Международной конференции, Proc. 7th International Conference on Electrostatic Precipitation. Kyngbuk, Korea, Южная Корея (1998 г.);
- Международной конференции, 12th IEEE International Pulsed Power Conference 1999, loliforma, Monterey, (Лос-Анжелес США, 1999);
- Международном семинаре «Охрана окружающей среды» (Москва 2004 г.);
- Международном симпозиуме Травэк Электротехника 2010, (Московская обл. 2003 г., 2005 г., 2006 г.);
- Международной научно-технической конференции ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина, к 85 летию ВЭИ (Москва, 2006 г.);
- Международном симпозиуме Травэк Электротехника 2030 (Московская обл. 2007 г.);
- Научно-техническом совещании Научно-инженерного центра силовой электроники ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина (Москва, 2008 г.);
-Международной конференции, IEEE International Vacuum Electronics Conference 28-30 April 2009 Angelicum University Rome, Italy (Италия, 2009г.);
- Второй международной конференции «Пылегазоочистка-2009», Гостиничный комплекс Измайлово (Москва, 2009 г.).
- Международной конференции «Russia power 2010» (Электроэнергетика России 2010), ЭКСПОЦЕНТР, Москва, 24-26 марта 2010 г..С.10.
Личный вклад автора выразился:
- В научной постановке и конкретизации задач при;
- проведении экспериментальных исследований на стендах и в условиях промпредприятий, по оптимизации режимов работы ЭФ и РК;
- выборе направления и обосновании методик исследования;
- создании концепции физико-технических основ конструирования ЭЛВ и электрических схем источников питания ЭФ и РК;
- непосредственном выполнении работ до уровня научно-технического решения.
Публикации по теме диссертации
43 научные работы, опубликованные в статьях, докладах, тезисах докладов на международных и отечественных научно-технических конференциях и симпозиумах; 2 авторских свидетельства и 7 патентов.
Объём и структура работы
Диссертационная работа состоит: из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы 190 источников, содержит 333 стр. текста, из них 227 рисунков и 32 таблицы.
