摘要：岱庄煤矿热电厂原有电除尘器效率低，无法满足环保排放标准。本研究通过认真分析现场情况，设计了一种适用于75T/h循环流化床锅炉的电除尘器优化与节能控制技术，通过采用三相电源、优化控制算法改进供电参数、采用节能运行方式等，使除尘效果达到环保排放要求，为小型循环流化床锅炉电除尘技术提供了先进的手段和装备。
一、引言
电除尘器作为我国工业除尘的主力设备，其高压供电电源及控制技术自八十年代初至今有了很大的发展，目前大量应用的单相工频调压-升压-整流方式，在控制功能、控制精度、数字化处理及传输各方面已达到或接近国外先进水平。随着工业的发展以及国家对大气污染排放标准的进一步提高，要求电除尘器达到更高的收尘效率。以前火力发电厂使用的电除尘器除尘效率已有很大一部分达不到要求，就目前的电力行业来讲，全国整体电除尘器设计除尘效率基本为：约76%的电除尘器的效率小于99%或排放浓度在240mg/m3以上，约13%的电除尘器效率在99.3-99.5%之间或排放浓度在150-200mg/m3之间，仅约10%的电除尘器的效率在99.6%以上或排放浓度在100mg/m3以下,如果严格执行50mg/Nm3的排放标准，控制PM2.5的排放,几乎所有的电除尘器都需要改造，电除尘器本体越做越大，由于钢材等主要原材料价格上涨，改造成本也急剧增大，给行业造成了新的生存危机。
岱庄煤矿位于山东济宁煤田(东区)北部，井田内地势平坦，地面村庄稠密，共有78个自然村，村庄下压煤可采储量约占矿井可采储量的80%。本煤矿热电厂的电除尘器是1999年自浙江菲达机电集团公司购买的，高压电源都为单相电源，它由单相工频380V交流输入，经两个反并联可控硅调压，再由变压器升压整流输出高压直流信号加到电除尘器，当时满足了我国除尘的标准。由于使用年限过长，元器件性能老化并损坏，影响了机组的正常维修和维护，增大了运行人员和检修人员的工作强度，使机组运行可靠度降低，除尘效率降低，能耗增大。时至今日，随着国家除尘标准的提高，这种电源的弊端逐渐显现出来，存在转换效率低，一般仅为0.7左右，且易造成电网污染，三相供电不平衡。
本研究在工业电除尘器装置的除尘机理、工作特性、操作工艺以及国内外研究的基础上，针对目前电除尘装置工艺过程中存在电能消耗大、除尘效率低以及控制策略不能随工况变化等问题，结合岱庄煤矿热电厂电除尘器的实际情况及问题，对电除尘三相高压电源节能提效技术进行了研究，并采用智能优化控制方法进行了电除尘装置的节能优化研究，对电除尘控制器进行了改进设计。
二、电除尘三相高压电源节能提效研究
(一)、三相电源与单向电源技术特点对比
1、单相高压电源
控制原理：单相380VAC/50HZ工频交流信号，经过可控硅移相调压、变压器升压和整流后的波形为100HZ;如果在正半波发生闪络时，只要等到过零时，就可以利用可控硅换相，封锁下一个半波的输出;相反，在负半波发生闪络时，也在换相时输出封锁下一个半波的信号。这个技术已经是相当成熟的，在世界范围内得到普遍推广。
单相电源主要存在问题：
①电能转换效率比较低。理论计算效率只有70%，实际为66%左右。
②不平衡供电。因为，在四电场或五电场实际应用中，其中一个电场的高压电源，单相380VAC/50HZ输入，一相工作，另两相处于空载。电除尘器选用的电源规格越大，不平衡问题就越严重，无法保证电网的功率因数指标。对于一台1000MA/72KV的设备就有271A的电流无法平衡。
③平均电压低。负载的二次电压与峰值电压之间存在25-35%的脉动，系统阻抗不匹配，容易产生火花击穿，容易出现大电流/低电压，或者低电流/大电压运行状态，影响整体的除尘效率。
2、三相高压电源的主要特点
①电能转换效率高。因为采用完全的三相调压，三相升压、三相整流。功率因素≥95%，电网损耗最小;它能有效地克服当前单相电除尘高压电源功率因素低(≤70%)、缺相损耗、不平衡供电的弊端。
②输出电压高。单相的峰值电压比平均电压高25-35%，而三相电源的峰值电压与平均电压比较接近≤5%。如右图所示，上方波形为二次电流，下方波形为二次电压波形，几乎接近纯直流信号。从而有效地提高粉尘的荷电能力，提高除尘效率。
③三相供电完全平衡。因为单相电源在使用中，始终用一相，空两相，在大型电除尘器中不平衡电流可达500A以上。而三相电源各相电压，电流，磁通的大小相等，相位上依次相差120°。任何时候电网都是平衡的，是最科学合理的用电模式。
④超大功率输出。单相电源如果设计到2000MA/72KV的规格，一次输入额定电流为：541A;而同样2000MA/72KV的三相电源，一次电流仅为：230A;两者供电输入一次电流相差：311A。
⑤节能效果好。因为转换效率比单相电源提高25%，三相完全平衡输入，单台额定输入电流可减小几百安培，输出二次平均电压比单相电源提高15%，有效提高除尘效率。这些因素都直接转化成节能的效果。一台110M2四电场的静电除尘器，当年减少电费即可收回三相高压电源所增加的投资。
(二)三相电源关键技术问题
①三相同步时序：开发三相电源首要问题是解决三相同步。如果不同步，三相的输出波形就不平衡，特别是在开始导通时，会出现高低波。控制系统会误判断为闪络，变成假闪控制，无法升压。这个问题的主要原因是移相触发脉冲不同步，导通不平衡。本研究采用的三相电源的最终技术方案是采用双内核(即双CPU)，从而保障三相系统的同步和触发保护。
②闪络火花封锁：前面已经提到三相闪络冲击有可能是瞬态导通电流的3.0-5.0倍。如何保证可靠关断，又不产生拉弧现象是开发三相电源的技术关键。本研究采用的三相电源的技术方案以单相电源动态火花跟踪技术，软硬件相结合的方法为基础，同时增加了科学的控制手段和保护措施，闪络控制十分稳定和可靠。
③抗干扰问题：对于闪络火花放电瞬态干扰的问题，在开发单相电源时，就采取了一些措施。但是三相电源的闪络冲击，是单相电压难以相比拟的，控制系统的芯片随时都可能损坏。本研究采用的三相电源采取了全方位的隔离技术，使得产品的可靠几乎超过单相电源。
三、电除尘系统节能优化研究
电除尘器在运行过程中，其运行工况始终处于动态变化中，电除尘器的供电参数必须随运行工况同步变化才能使电除尘器始终运行于最佳状况。
通过理论分析和大量的现场试验发现，电除尘器的运行工况与电气参数之间存在着规律性的联系。在此基础上，研究智能优化控制，其核心是在电除尘器运行时根据烟气及粉尘性质的变化，对运行电压、电流波形、粉尘出口浓度以及U-I特性进行综合分析与判断，自动地反复调整工作方式以及导通角，使提供给电除尘器本体的电压、电流始终处于最佳状态，使之有利于粉尘的荷电与捕集，从而提高除尘效率、降低烟尘排放浓度并降低电能消耗。但智能动态优化控制受现场环境变化影响较大，目前多以监控除尘效率为主，要真正达到节能优化，仍需在理论控制上有进一步研究。
本课题以智能优化控制为基础，以RBF全监督神经网络建立电除尘器出口浓度—供电电压模型，并采用遗传算法，以出口粉尘浓度满足环保要求为限定，以能耗最低为目标，对电除尘器的供电电压进行优化控制。同时将电场工作电压优化控制方法与火化跟踪控制方式相结合，并适当选择电压上升率和火化频率，以改善供电特性，提高除尘效率，选择合理的振打方式、卸灰控制方式和绝缘子加热方式，以实现电除尘器整体的节能控制。
(一)电除尘器出口粉尘浓度RBF神经网络模型
电除尘器除尘效率受很多因素的影响，如烟气性质、烟气量、烟气浓度;T/R(高压硅整流)供电方式、供电电压电流;阴阳极振打清灰效果;气流分布;漏风状态等。当其他因素，如烟气量、负荷、烟气性质以及除尘器本体等相对固定后，除尘效率就直接和电场参数密切相关。在这里，采用RBF神经网络建模，将作用于岱庄煤矿热电厂电除尘设备三个电场的二次电压作为神经网络的输入X，将电除尘器出口粉尘浓度作为神经网络的输出Y，建模反映电除尘器工作二次电压与出口粉尘浓度之间的关系。电除尘器出口粉尘浓度RBF网络模型如图所示。
电除尘器出口粉尘浓度RBF网络模型
(二)电除尘器节能优化控制设计
电除尘节能优化控制设计原理是以电除尘器的出口粉尘浓度作为判定除尘效率的依据，以除尘器的一次侧输入功率为判定除尘器能耗的依据，用全监督RBF神经网络建立电除尘器出口浓度一供电电压模型，采用遗传算法GA寻找最佳工作二次电压的设定值，控制系统将实际电压信号与优化得到的最佳工作电压信号比较后，随之采用电除尘控制器的控制算法改变主回路调节晶闸管的导通角，从而通过高压硅整流变压器使电场二次电压得到调节，作用于电除尘器本体，同时结合合理的振打、温度、却灰控制等低压控制方式，使其输出出口粉尘浓度不超过环保要求的限定值以及降低电除尘器的电能消耗。
同时将由于现场工况变化测量得到的电除尘器二次电压和出口粉尘浓度输入到RBF网络中，修正网络参数，进而对工作电压进行实时的优化控制，实现工业电除尘的整体节能减排。
四、电除尘控制系统
本项目采用的电除尘用高压整流控制设备是在传统控制电源的基础上，结合国内外常规电源的先进经验研发出的新一代产品，该产品具有多CPU、大液晶画面显示、数字锁相、降压振打、火花能级控制、板前接线等优点，目前已广泛应用于燃煤电厂、冶金、建材、化工等领域的电除尘系统中。
(一)设备的节能运行方式
a、断电振打或降压振打功能：
为保证电场振打时的清灰效果，同时降低能耗，有效克服高比电阻粉尘造成的反电晕工况，减少电能损耗、提高除尘效率，电除尘用高压整流设备预留与低压系统的振打联动接口，可与低压系统配合实现降压振打功能，按目前常规的振打周期计算，电场平均可节能20%以上。同时,这种降压振打方式与传统的通过通讯方式实现的降压振打相比，响应速度、可靠性均大大提高。
b、间歇供电、脉冲供电功能：
当粉尘比电阻过高时，电场很容易出现反电晕现象，WFb型高压整流设备提供了节能控制方式，即间歇供电方式和脉冲供电方式，使极板上积尘有足够的释放电荷的时间，从而提高除尘效率、减小能耗，其中：间歇供电占空比可在1∶2 到1∶256范围内设置。脉冲供电的小波幅值在0~100%可调。根据电场的实际运行工况，可将设备工作方式调整为间歇供电或脉冲供电方式，从而达到节能的目的。其中，间歇比和小波幅值可调，以间歇比1:2为例，节能达2/3。
c、浊度闭环反馈控制功能：
本设备通过预留的通讯接口，以除尘器出口排放含尘浓度为参考量，可实现浊度的闭环反馈控制功能，即在保证除尘效率的前提下，通过降低相应电场的二次电压值，达到节能的目的。
d、设备自身的功率损耗低
本课题选用的变压器效率不低于95%，功率因数不低于0.86，变压器空载损耗、短路损耗均低于国内其它同类电源。
5.1.3节能方式的操作说明
在节能方式下，设备可以根据实际工况，调整间歇供电占空比或脉冲供电小波幅值，其中：当脉冲供电小波幅值调整为100%时，相当于传统的火花跟踪控制方式。
(二)控制系统采用多CPU结构
主控芯片80C196用于数据分析与综合控制，其外围电路采用具有可编程逻辑阵列及大容量存储器的 “可编程通用外围芯片”，它把系统所需的多种I/O接口和存储器集成在一个芯片内，简化了电路系统设计，节省了印制板空间，增加了系统可靠性，使产品功耗降低，更适合于工况复杂的运行环境。控制单元与外部接口电路采用全隔离设计,进一步提高了系统的抗干扰性能。
现场电流电压信号由一专用MCS-51系列单片机负责采样，与主控单片机构成双CPU结构，巡检周期缩短,避免了单CPU分时处理的缺点，可在全时域内进行检测。使用专用CPU的采样结构极大的提高了采样精度(采样周期高达100us)，增强了软件火花检测的准确性和可靠性。在实现软件火花检测的同时，采样单元还通过硬件检测电路捕捉二次波形中的畸变，具有硬件火花检测功能，最大限度发挥软、硬件的各自优势，确保在各种工况条件下火花检测的灵敏度。
五、结束语
循环流化床锅炉电除尘器优化与节能控制技术，自2012年10月开始进行工业性试验，之后正式投入运行。工业性试验过程中，对380V三相制电源系统及三相同步处理技术、双CPU双控制器处理技术等多个方面进行了试验和测试。试验过程表明改造后在除尘器运行状况良好的前提下达到以下效果：① 改造后的除尘效率与原工作方式(火花跟踪方式)下的除尘效率略有提升。② 电除尘高压电源改造后，节能效率(有功损耗)不低于30%，同时，按最大节能方式进行优化。运行过程中系统运行稳定，除尘效率高，节能降耗，并能够起到减少人员投入的效果。应用结果表明：环保节能效果显著，产生了重大经济效益和社会效益。结果表明，本研究成果达到了预期要求，项目所提出的方法体系和设备系统是科学、合理、可行的，实施过程中效果良好，为小型循环流化床锅炉电除尘技术提供了先进的手段和装备，取得了显著的社会效益和经济效益，为煤矿企业向资源节约型企业的发展提供了保障。