WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Щербаков Александр Владимирович

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ создания систем питания ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ УСТРОЙСТВ ПЫЛЕ- И ГАЗООЧИСТКИ  НА

ОСНОВЕ электронно-лучевых вентилей И Газоразрядных приборов

Специальность 05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника

05.14.12 – Техника высоких напряжений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учёной степени

доктора технических наук

Москва - 2010 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии

«Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина» (ФГУП ВЭИ)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

МАКСИМОВ БОРИС КОНСТАНТИНОВИЧ

доктор технических наук, старший научный сотрудник,

ЧЕКАЛОВ ЛЕВ ВАЛЕНТИНОВИЧ

доктор технических наук, старший научный сотрудник,

АКИМОВ ПАВЕЛ ИВАНОВИЧ

Ведущая организация:

ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»

Защита состоится  «16 »  сентября  2010 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 217.039.01, Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина», 111250 Москва, ул. Красноказарменная 12, e-mail:surma@vei.ru 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина»

Автореферат  разослан «  » 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета  кандидат технических  наук 

А.М. Сурма

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:

  1. 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;
  2. 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;
  3. разработать методы построения электрических схем автономных источников питания РК одиночными униполярными и пачками знакопеременных импульсов наносекундной длительности;
  4. 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;
  5. 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;
  6. 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

  1. 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;

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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

  1. 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.
  2. Показано, что при промышленной эксплуатации наиболее перспективны источники с ВЧС с сетью, имеющие более высокий электрический КПД, надёжность и малые массогабаритные показатели.
  3. Разработан и изготовлен экспериментальный образец источника униполярного питания с ВЧС с сетью на частоте 12 кГц, проведены его успешные испытания на ТЭЦ.
  4. Разработан стенд ЭФ, позволяющий исследовать влияние электрических режимов источников на степень пылеочистки, использующийся также как перенастраиваемый универсальный эквивалент нагрузки при испытаниях источников питания.
  5. Разработаны электрические схемы источников ЗПП с электрическим КПД более 93% на основе ЭЛВ по схеме управляемого высоковольтного высокочастотного удвоителя напряжения на частоте 12 кГц.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается изученность проблемы и задачи исследований

На протяжении десятилетий решается проблема создания технологий, способствующих уменьшению или нейтрализации дымовых газов промпредприятий как в виде твёрдых частиц, так и в виде газообразных соединений, источниками которых являются, в основном, тепловые электростанции, цементные заводы, металлургические и химические комбинаты, и др. Из обращения президента России Д. Медведева от 20.06.09: Россия должна к 2020 г. снизить выбросы по всем промпредприям на 20%, т.е. сейчас выбросов около 150 млд. тонн. 

Так при сжигании твёрдого топлива только на одном блоке мощностью 500 МВт образуется примерно 500 м3 дымовых газов в сек, содержащих до 20 г/м3 твёрдых взвешенных частиц золы. Это соответствует выбросам в атмосферу 360 тонн золы в час или выбросы с учётом КПД 98%, 7,2 тонны в час, за год выбросы с учётом КПД 98% будут составлять 57 000 тонн золы в год. Поэтому улучшение степени пылеочистки в два раза это снижение выбросов до 28 500 тонн золы в год. Практически в России средний уровень выбросов в атмосферу составляет 100-150 мг/м3, европейские нормы 30 мг/м3, японские нормы 3 мг/м3.

Кроме твёрдых частиц присутствует большой процент газообразных выбросов оксидов серы, азота, углерода, а также канцерогенов. Нефтепродукты после сжигания имеют большой процент чрезвычайно мелких частиц (от 0,5 до 10 мкм) низкоомных и того же характера газообразные вредные выбросы.

Газ после сжигания практически не имеет твёрдых частиц, но зато содержит вредные газообразные выбросы, оксиды азота и углерода. Проблема очистки промышленных газов от выбросов окислов достаточно актуальна, так объём выбросов в России составляет по оксидам азота – 1,23 млн. тонн, оксидам серы – 2,7 млн. тонн в год.

Для удаления твёрдых выбросов используются ЭФ имеющие преимущества по сравнению с другими типами фильтров. Эффективность пылеочистки дымовых газов в основном определяется режимами работы источников питания ЭФ, поэтому основное внимание в настоящей работе уделено исследованию влияния изменения на уровень и характер выбросов параметров питающего напряжения. Питание осуществлялось от макетных источников ЗПП и импульсного питания с целью научно-технического обобщения и выбора концепции построения электрических схем, реализующих оптимальные электрические параметры, обеспечивающие улучшение пыле- и газоочистки, разработки технических требований для конструирования ЭЛВ.

Поставлена задача разработки основ создания оригинальных методик построения схем источников ЗПП ЭФ импульсами секундной и приставок униполярного питания импульсами микросекундной  длительности на основе ЭЛВ в основных цепях и ГП во второстепенных.

Для очистки от газообразных продуктов или преобразования высокомолекулярных канцерогенных соединений в сравнительно безвредные, в работе были разработаны основы создания перспективных схем высоковольтных источников питания РК пачками знакопеременных импульсов в диапазоне от десятков до сотен наносекунд при напряжениях в десятки киловольт.

Методики построения схем источников должны быть основаны на использовании резонансных свойств элементов схемы и паразитных емкостей и индуктивностей ЭФ и РК.

Все представленные решения реализуются с применением высокочастотного звена на частоте более 12 кГц, на уровне сетевого напряжения.

Глава первая. Перспективные режимы питания ЭФ пылеочистки и РК устройств газоочистки»

Способ повышения эффективности работы ЭФ путём уменьшение скорости газов, увеличение числа полей сопряжены с необходимостью реконструкции электродов и газового тракта котла, что пригодно при конструировании новых промпредприятий. Один из способов повышения эффективности работы  существующих ЭФ, который не требует его реконструкции, это применение источников питания, формирующих специальные формы напряжения и систем автоматического регулирования их электрических параметров.

В частности зарубежными фирмами разрабатываются источники униполярного питании с высокочастотной связью с сетью на частотах более 20 кГц и создаются алгоритмы управления напряжением и отряхиванием осадительных электродов, способствующие уменьшению уровня вторичного пылеуноса. Движение по этому пути нашей науки – значит догонять, что экономически не целесообразно. Необходимо создать новую концепцию пыле- и газоочистки путём построения электрических схем и системы управления, опережающую по уровню зарубежную.

Наиболее предпочтительна знакопеременная форма напряжения, создаваемая источником ЗПП предложенная И.П. Верещагиным и Г.З. Мирзабекяном.. При таком питании ослабляются силы адгезии пыли к ОЭ и возникает факт самоочистки. Например, на Черепецкой ГРЭС при использовании Карагандинского угля применение ЗПП в 2 раза повышает степень пылеочистки. Применение ЭЛВ в источниках ЗПП, позволяет осуществить полное управление параметрами напряжения  на нагрузке, а также даёт следующие преимущества:

- поддерживает на электродах более высокое предпробойное напряжение и осуществляет стабилизацию тока коронного разряда после пробоя;

- обеспечивает возможность быстрого отключения напряжения питания при искровом  пробое, предотвращает переход разряда в дуговой (происходит: защита электродов и источника питания, осуществляется экономия потребляемой электроэнергии);

- увеличивается  средняя  величина  напряжения, приложенного  к электродам ЭФ, благодаря чему уменьшаются пульсации напряжения на ЭФ.

Лабораторные и промышленные испытания доказали эффективность применения ЗПП для подавления обратной короны (ОК). В процессе образования слоя пыли на ОЭ при изменении полярности приложенного напряжения возникают отрывающие силы, которые приводят к их самоочистке. Отечественные источники импульсного питания (ИП) для ЭФ не выпускают, поэтому представляет интерес рассмотреть возможность реализации нового ИП,  как этапа на пути разработки ИП ЭФ, формирующего комбинированную знакопеременно-импульсную форму напряжения  на основе ЭЛВ.

Для очистки дымовых газов от окислов азота и серы в настоящее время, согласно разработкам, проведенным за рубежом, а также в Москве в ВТИ им. Куйбышева и в ИВТ г. Москва, считается перспективным направлением  использование электроразрядного метода на основе импульсного стримерного разряда. Преимущество данного метода по обезвреживанию газообразных вредных выбросов над традиционными чисто химическими технологиями определяется возможностью:

    1. одновременного удаления оксидов азота  и серы;
    2. организации сухого процесса очистки без жидких стоков;
    3. снижения объёмов требуемых химических реагентов;
    4. уменьшения капитальных и эксплуатационных расходов.

Для реализации электроразрядного метода необходимо иметь на РК импульсы длительностью 100…300 нс. Конверсия газов возрастает при уменьшении длительности фронта со 150 до 50 нс. Наиболее предпочтительно в РК типа нить – цилиндр или нить – плоскость иметь на нити положительный потенциал, применение пачки знакопеременных импульсов с первым положительным импульсом предпочтительнее.

По результатам исследования, проведенного в Москве в ВТИ им. Куйбышева совместно с ФГУП ВЭИ г. Москва, РК нить-плоскость с поперечным сечением 260х230 мм, длиной по потоку 210 мм и общей длиной проволочного электрода 5 м, расстояние между нитью и плоскостью 37 мм, осуществлено питание знакопеременным импульсом с частотой повторения 2 МГц, при скорости потока дымовых газов 100Nм3/ч, вводимой мощностью 600 Вт, при частоте повторения 100 Гц, напряжении 36…50 кВ, импульсном токе 70 А, получена устойчивая конверсия оксидов серы.

В задачу построения эффективного источника, формирующего импульсы нс длительности, входит разработка высокодобротного коммутатора со сроком службы достаточным для его практического применения. Практически во всех электрических схемах источников прототипов используются сильноточные (1 кА и более) газонаполненные или воздушные разрядники на полное рабочее напряжение и ток, или импульсные повышающие трансформаторы, позволяющие снизить коммутируемое напряжение путём увеличения коммутируемого тока. Основная форма используемых униполярных импульсов близка к треугольной.

Классические схемы формирования импульсов по схемам с полным разрядом емкостных накопителей с распределёнными параметрами формируют практически идеальные по форме прямоугольные импульсы, но только при сопротивлении нагрузки равном волновому, что в реальных условиях работы РК технологической установки не выполнимо.

Из коммутаторов наиболее распространены разные типы механических воздушных разрядников, но они имеют ограниченный срок службы, сложны при тиражировании, а основной недостаток заключается в том, что сами разрядники являются источником загрязнения.

Из всех схем наиболее предпочтительно за основу взять схемы с частичным разрядом емкостного накопителя на вакуумных коммутаторах, т.к. они не чувствительны к весьма широкому диапазону изменения сопротивления нагрузки при импульсном токе 40…500 А, напряжении 40…100 кВ.

Для коммутации в источниках питания ЭФ и технологических установок коллективом авторов ВЭИ были предложены принципы построения мощных высоковольтных вакуумных приборов (ВВП), высоковольтных ламп с малыми потерями и высоким КПД коммутации – электронно-лучевых вентилей (ЭЛВ), с  жёстким управлением на уровень анодного напряжения 40…200 кВ в объёме единичного прибора, обладающем, к тому же, высоким быстродействием, пентодной характеристикой и самым высоким коэффициентом качества (К), определяющем отношение максимального анодного напряжения к внутреннему сопротивлению в открытом состоянии в ключевом режиме. Например, для ВВП типа ЭЛВ 1/200 имеем напряжение 200 кВ, падение напряжения 0,5…1 кВ, ток до 2 А, получаем величину К=200 000/0,5=400, серийные приборы имеют максимальное значение К=70…100. Например, для ЭЛВ 4/40 получены следующие параметры: первеанс прибора P = 88 мкА/В3/2, ток до 8 А; токоперехват IУЭ/IК не более 4,6 %; торможение UА/UУЭ до 27 %. Основные статические параметры лампы: крутизна SУЭ = 4,6 мА/В; внутреннее сопротивление Ri = 12,5 кОм; коэффициент усиления µ = 57,5.

Распределение потенциала (рис.1) между анодом и катодом в ЭЛВ и серийным высоковольтным вакуумным прибором (ВВП) показывает, что падение напряжения анод-катод у ЭЛВ значительно меньше, чем у ВВП, однако напряжение на управляющем электроде существенно больше.

Рисунок 1 Распределение потенциала в ЭЛВ и ВВП

1 – обычный сеточный ВВП;2, 3 – ЭЛВ при различных потенциалах на уэ;А – анод;уэ – управляющий электрод;К – катод.

Разработаны вентили с аксиально-симметричной ЭОС (рис.2а) ЭЛВ 1/200 и ленточной (рис.2б) ЭЛВ 50/100. Применение ленточной ЭОС позволяет существенно повысить первеанс и обеспечить высокие удельные значения коммутируемых токов. Разработанные для электрических схем импульсных источников питания ЭЛВ, обладают сравнительно малыми (100..150 пФ) входными емкостями.

а)

б)

.Рисунок 2 Электронно-оптические системы. а) ЭЛВ 1/200; б) ЭЛВ 50/100

Разработаны основы создания моделей ЭЛВ в программе EWB на основе ключевого элемента, полупроводникового диода, планарного транзистора, резистора и источника тока, позволяющие с большой степенью точности моделировать работу прибора в электрических схемах источников питания при случайном характере изменения сопротивления нагрузки. Создан ряд реальных модельных схем ЭЛВ 1/200, ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100.

Глава вторая. Научно-технические основы создания современных источников униполярного и знакопеременного питания электрофильтров.

Преимущества ИП с высокочастотным звеном по сравнению с традиционным агрегатом питания при увеличении частоты сети с 50 Гц до 10 кГц приводят к тому, что:

1. масса и габариты ВЧ ИП существенно меньше и агрегат может быть установлен на крышке ЭФ, следовательно, не требуется дополнительного помещения для высоковольтных источников и не нужны высоковольтные кабели;

2. осуществляется снижение пылевых выбросов из-за уменьшения пульсаций, кроме этого, после пробоя происходит более быстрое восстановление напряжения на ЭФ.

Необходимость разработки и испытания такого источника УП связана с тем, что ВЧ ИП отечественная промышленность не выпускает.

На ТЭЦ-22 г. Дзержинский проведены длительные опытно-промышленные испытания униполярного источника с ВЧС с сетью на частоте 12 кГц со средней мощностью до 80 кВт в режиме питания ЭФ по алгоритму представленному на рис.3.

Рисунок 3 Алгоритм питания коронирующего электрода  ЭФ

Как видно из рисунка алгоритм питания КЭ разбит на четыре участка: 1 участок – «А» быстрый подъём напряжения; 2  участок – «В» – рабочий; 3 участок  – «С» – определение нового значения пробивного напряжения; 4 участок  – «Д» быстрый подъём напряжения. Система управления задаёт алгоритм работы с ограничением выходного напряжения по одному из ранее перечисленных параметров.

Источник проходит опытно-промышленные испытания на 1-м котле подстанции ЭФ  ТЭЦ 22 г. Дзержинский. Получены положительные результаты экспериментальных исследований при работе на угольной пыли с газовой подсветкой от 15 до 30 тыс. м3/час. Предельное значение постоянного тока ограничено величиной Iэф=1 А.

Разработанный опытный образец источника УП с ВЧС с сетью для питания ЭФ может служить прототипом для создания источника ЗПП с ВЧС с сетью при сохранении алгоритма.

ЗПП – это такой вид питания ЭФ при котором напряжение между КЭ и ОЭ периодически изменяется на противоположное (рис.4). Длительность отрицательной и положительной полярности на КЭ определяются экспериментально, например, с помощью оптического пылемера по минимуму пылеуноса на выходе ЭФ. Практически длительность отрицательной полярности 30…100 с, а положительной 1…2 с, для высокоомных пылей золы угля Кузнецкого бассейна. Фронт переключения составляет 5…8 мс и его минимальное значение определяется максимальными значениями тока коммутатора и электрической ёмкостью ЭФ.

Рисунок 4 Осциллограмма напряжения на КЭ при ЗПП

Проведено длительное, многолетнее исследование электрической схемы разработанного ранее источника ЗПП как приставки ПЭЛ-0,5/80-м, так и автономного АПЭЛ-0,5/80-м питающихся непосредственно от сети 50 Гц, для удаления пылей с различным УЭС, на ЭФ электрической ёмкостью от 0,01 мкФ (Стерлитомак, химкомбинат), до 0,25 мкФ – Шарыповская ГРЭС Красноярский край, показано преимущество ЗПП перед УП.

Проведено длительное многолетнее исследование ЭЛВ 1/200 в реальной установке ПЭЛ-0,5/80-м для питания ЭФ, доказано, что ЭЛВ обеспечивает заданную надёжность, срок службы не менее 8000 ч при вероятности безотказной работы не менее 0,9 с обычными оксидными катодами.

Стендовые испытания проходили на: экспериментальном пылевом стенде ФГУП ВЭИ; опытно-промышленные на ТЭЦ 22 г. Дзержинский; Ачинском глинозёмном комбинате; Назаровской ГРЭС; Италии ТЭС Маргера; металлургическом комбинате в Германии и ряде других предприятий.

Дальнейшее развитие источников ЗПП это использование в электрической схеме высокочастотного звена и автоматическое управление режимом работы ЭЛВ, использование импрегнированного катода для получения срока службы не менее 15…30 тыс.ч.

Основным препятствием к всестороннему внедрению разработанных ранее источников ЗПП является большие габариты и масса, превышающие те же параметры униполярного в 1,5…2 раза.

Разработаны научно-технические основы создания оригинальной электрической схемы источника ЗПП с ВЧС с сетью (рис.5), в которой электрическая ёмкость ЭФ является выходной ёмкостью несимметричной схемы удвоения ВЧ напряжения поочерёдно для положительной и отрицательной полярности, а источником ВЧ напряжения является один инвертор, который так же поочерёдно работает в части удвоения напряжения то положительной, то отрицательной полярности. При этом выходная обмотка ВЧ трансформатора работает только на половинное напряжение и один конец её заземлён, что весьма существенно повышает надёжность трансформатора и снижает его себестоимость.

Рисунок 5 Электрическая схема источника ЗПП с ВЧС с сетью.

1…4 – сигналы управления силовыми транзисторами; 5, 6 – сигналы управления подмодуляторами ЭЛВ; Др – драйвер управления; ПМ - подмодулятор

Особенностью работы такого источника ЗПП является то, что высоковольтный трансформатор на выходе инвертора обеспечивает только половину рабочего напряжения ЭФ. Обмотка ВЧ трансформатора работает на не симметричную схему удвоения, которая поочерёдно, в зависимости от того, какой вентиль включён, выдаёт на выходе удвоенное напряжение то положительной, то отрицательной полярности. За основу при разработке технического задания на алгоритм работы приняты разработанные ранее параметры источника ЗПП с 50 Гц питанием.

Для моделирования предлагается упрощённая электрическая схема. Моделируются две несимметричные схемы удвоения напряжения, в которых ключевой активный элемент (ЭЛВ 1/200), определяющий полярность напряжения на нагрузке, дополнительно используется в качестве элемента схемы удвоения. В качестве выходного конденсатора схемы удвоения используется собственная электрическая ёмкость нагрузки, т. е. ЭФ. Реально в зависимости от типа ЭФ электрическая ёмкость может составлять 0,05…0,25 мкФ. В модельной схеме (рис.6) создаётся модель ЭЛВ имеющая пентодную вольтамперную характеристику.

Рисунок 6 Модельная схема источника ЗПП с ВЧС с сетью

Получены результаты подтверждают концепцию создания схем, в которых ЭЛВ выполняет не только функции статического коммутатора, но и является элементом высокочастотного звена.

Глава третья. Научно-технические основы создания высоковольтных импульсных приставок микросекундной длительности к источникам униполярного и ЗПП ЭФ, и источников наносекундной длительности.

Импульсное питание существенно повышает степень пылеочистки. Экспериментальные источники питания ЭФ подключаются в один из каналов газохода, а другой используется как контрольный.

Форма напряжения на нагрузке при импульсно-знакопеременном питании (рис.7).

Рисунок 7 Форма напряжения на ЭФ

Для углей Кузнецкого бассейна импульсно-униполярная и импульсно знакопеременная форма напряжения повышает эффективность.

Минимально возможная длительность импульса 20…40 мкс ограничивается уровнем напряжённости электрического режима источника питания. Частота повторения 300...330 Гц, амплитуда импульса вольтодобавки к основному питанию, например: -15...-20 кВ к УП  -40 кВ, импульсный ток 200…300 А, при электрической ёмкости ЭФ около 0,15 мкФ.

Повышение эффективности пылеочистки (запыленность дымовых газов при УП составляет 0,541 и 0,435 г/м3, КПД 96,2% и 96,9% соответственно, а при УП, совмещённом с импульсным,  0,298 и 0,278 г/м3, КПД 97,89% и 97,95%, соответственно.

Проведено сравнение степени пылеочистки (рис.8) при полностью отключённом питании 3-го поля и влиянии подключения ИИП. Как видно из диаграммы амплитуда увеличения запылённости после отключения питания 3-го поля  практически равна амплитуде уменьшения запылённости при  подключении ИИП. Т. е. создаётся впечатление, будто бы появилось ещё одно (четвёртое) поле.

Рисунок 8 Диаграмма регистрации степени выходной запылённости ЭФ котла № 6

а) при униполярном питании 1-го и 2-го полей, питание 3-го поля отключено; в) при униполярном питании всех трёх полей; с) при совместной работе униполярного питания всех трёх полей и импульсного питания на 3-м поле; d) штатное отряхивание;e) выброс при отключении электрического питания поля.

Приставка экспериментального импульсного питания должна формировать импульсы длительностью 20…200 мкс, напряжением -10…-20 кВ на электрической ёмкости ЭФ составляющей 0,15 мкФ. Формирование фронта и среза требует импульсные токи в сотни ампер. Поэтому для проведения оценочных экспериментов влияния импульсного питания разработана электрическая схема приставки на основе высоковольтных импульсных водородных тиратронов допускающих коммутацию импульсных токов до 3000 А. Для повышения надёжности работы схемы используется зарядный ЭЛВ. Результаты оптимизации электрических параметров ИИП представлены на рис.9.

Рисунок 9 Результаты оптимизации параметров ИИП

Оптимальные параметры импульсов составляют: фронт и срез 5…20 мкс, длительность 15…30 мкс, амплитуда -10…-20 кВ. Величина максимальной амплитуды ограничена 20 кВ, при её превышении возникают не штатные, спровоцированные импульсным питанием, пробои в ЭФ.

Из-за малого срока службы тиратронов было решено заменить их двумя включёнными встречно-параллельно электронно-лучевыми вентилями ЭЛВ 50/100 на ток в импульсе до 300 А и напряжение до 100 кВ, выполняющими функции прямого и обратного коммутаторов. Однако применение таких вентилей существенно повышает габариты, массу и себестоимость источника. Поэтому предложено заменить эти два вентиля одним с дополнительным высоковольтным импульсным обратным диодом на напряжение до 35 кВ и ток до 300 А. Силовая часть электрической схемы источника-приставки будет иметь вид (рис.10).

Рисунок 10 Схема приставки импульсного питания ЭФ

Принцип работы такой обобщённой схемы заключается в том, что вентиль обеспечивает коммутацию фронта импульсного питания на большую ёмкость ЭФ (до 0,15 мкФ). Конденсатор С3, имеющий электрическую ёмкость в 3…4 раза больше ёмкости ЭФ подключается к ЭФ. Напряжение на ЭФ становится практически равным UС3, т.е. равным сумме напряжения на ЭФ и источника постоянного напряжения. Практически, при постоянном напряжении Uэф=40 кВ, Uип=20 кВ, UС3=60 кВ – получается новое импульсное напряжение на ЭФ Uэф-имп<60 кВ. Формирование среза импульса осуществляется автоматически сразу после формирования фронта. В результате на нагрузке ЭФ формируется импульс отрицательной полярности колокольной формы длительностью определяемой индуктивностью L1 и электрической ёмкостью ЭФ.

Импульсное напряжение состоит из фронта, формируемого с помощью прямого, срез – обратного коммутаторов. Длительность определяется как половина периода колебания последовательного резонансного контура, состоящего из ёмкости ЭФ и индуктивности соединительного кабеля или дополнительной индуктивности. Колебательный процесс в контуре определяется его параметрами:

где: Uсв(0) – начальное напряжение на конденсаторе связи;  р1  и р2 – корни характеристического уравнения:

Частота свободных колебаний определяется параметрами контура:

, где 

При выбранных параметрах частота свободных колебаний, в нашем случае,  составляет 50 кГц, при ёмкости ЭФ около 0,15 мкФ. Декремент колебаний  определяется потерями на эквивалентном сопротивлением – r, которое складывается из потерь на коммутирующем ключе  в проводящем состоянии, соединительных проводах, дополнительном сопротивлении, потерями в нагрузке. Потерями на активном сопротивлении ЭФ при этом можно пренебречь.

Для упрощения задачи ток утечки учитывать не будем, а нагрузку будем рассматривать как чисто емкостную. (рис.11).

Рисунок 11 Схема включения емкостей Ссв Сэф

Процесс перезаряда конденсаторов может иметь периодической или колебательной характер, если сопротивление контура меньше критического. Частота свободных колебаний в контуре будет определяться по формуле:

Чем больше ёмкость конденсатора связи, тем больше амплитуда импульса, формируемого на нагрузке. Однако имеется её критическая величина при которой её дальнейшее увеличение не будет способствовать увеличению амплитуды.

Для формирования на емкостной нагрузке отрицательного импульса, амплитуда которого равна 20 кВ, необходимо зарядить конденсатор связи до напряжения 15 кВ.

Тиратроны с холодным катодом ТПИ 1-5к/100 (псевдоискровые разрядники), сочетают в себе лучшие качества тиратронов и искровых разрядников. Так как в отличие от классических тиратронов, срок службы псевдоискровых разрядников определятся не эрозией катода, а изменением рабочего давления, вследствие поглощения газа и отравлением генератора водорода газами, выделяющимися из электродов, то важной характеристикой псевдоискровых разрядников является отсутствие сильноточных цепей накала,  малые затраты энергии на управление.

Создана обобщённая методика построения электрических схем униполярных ИИП на основе псевдоискрового разрядника ТПИ1-5к/100 и вентиля типа ЭЛВ 1/200 (ЭЛВ 4/40) по схеме импульсного удвоения напряжения. Электрическая схема высоковольтного ИИП, формирует униполярные импульсы нс длительности для питания РК. Получены униполярные импульсы амплитудой до 50 кВ, током до 70 А, длительностью 0,2…0,3 мкс, при частоте повторения до 200 Гц. Проведены испытания на стенде ВТИ Москва, на модуле РК электрической ёмкостью 140…160 пФ. Электрическая схема силовой части ИИП приведена на рис.12.

Рисунок 12  Электрическая схема силовой части ИИП

1- источник высокого напряжения; 2 - подмодулятор для ЭЛВ 1/200; 3 - система управления; 4 - блок питания водородного генератора

.

Основной недостаток схемы – наличие силового газоразрядного прибора, имеющего небольшой, с точки зрения эксплуатации технологической установки, срок службы .

Создана обобщённая методика построения электрических схем, формирующих пачки знакопеременных импульсов нс длительности. Основой является подмодулятор, в котором с помощью модуляторной лампы постепенно возрастает ток в накопительной индуктивности. Когда его прирост прекращается и достигает максимального значения, ограниченного эмиссионной способностью катода, лампа резко закрывается. Цепь тока обрывается и на индуктивности за счёт ЭДС самоиндукции формируется высоковольтный импульс, напряжение которого может многократно превосходить исходное питающее. В этом случае модуляторная лампа подмодулятора должна иметь высокую электрическую прочность, чтобы выдержать амплитуду выброса напряжения. Такая схема (рис.13) имеет минимальную себестоимость, так как исключаются дорогостоящие высокочастотные высоковольтные конденсаторы, а вся энергии накапливается в индуктивности. Формирование колебательного процесса осуществляется с частотой, определяемой параметрами этой индуктивности и паразитными емкостями высоковольтного провода и входной ёмкости ЭЛВ на землю. Практически полученная частота колебаний составляет 2…5 МГц, что соответствует длительности импульсов 100…250 нс.

Рисунок 13 Схема источника ЗПП – пачечного питания РК

ГМИ – модуляторная лампа; ТГИ – импульсный тиратрон РК – реакционная камера; С7 – емкостной накопитель; L3 ,первичный, L5 – вторичный  индуктивный накопитель

Предполагается в качестве V10 использование вентиля типа ЭЛВ50/100 (ЭЛВ4/40 использован как прототип). Применение вентиля ЭЛВ 50/100 позволяет существенно увеличить электрическую ёмкость нагрузки до 200…1000 пФ (реальная ёмкость нагрузки – модуля РК исследованной ранее составляет 90…100 пФ). При моделировании в программе EWB амплитуда импульсного напряжения на нагрузке составляла 100…110 кВ при  напряжении источника питания до 100 кВ и импульсе анодного тока ЭЛВ до 500А.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что электрический КПД такого источника не менее 95 %, что соответствует современным требованиям по созданию энергосберегающих технологий. Для ограничения количества импульсов количеством 3…5 шт., параллельно индуктивности L3 подключается дополнительный коммутатор на водородном тиратроне. Его включение через время равное 3…4 периодам высокочастотного колебания приводит к резкому уменьшению добротности колебательного контура L3С8 и срыву колебаний. Т. е. формируется столько высоковольтных импульсов, сколько необходимо для получения максимальной эффективности плазмохимического преобразования. Т.е. этот процесс также поддаётся автоматизации.

Расчёт электрических потерь в модуляторе показал, что при анодном напряжении на ЭЛВ равном 70 кВ, токе 100А, частоте повторения 1 кГц (скважности около 500) –  импульсная мощность, выделяющаяся в нагрузке будет близкой к 7 МВт (средняя около 14 кВт).

Глава четвёртая.  Концепция создания установок комплексных систем питания пыле- газоочистки.

Для проведения экспериментальных исследований новых источников питания и оптимизации их алгоритмов работы создан горизонтальный универсальный экспериментальный стенд ЭФ, состоящий из одного КЭ и двух ОЭ.

Масштаб стенда составляет от 1/100 до 1/1000 промышленного ЭФ. Один из ОЭ подвешен на электронных весах. Стенд позволяет макетировать практически все режимы работы ЭФ при всех известных УЭС пыли.

Таблица 1  Технические характеристики стенда ЭФ

Параметр

Значение

Активное сечение, м2

0,17

Высота ОЭ, м

0,57

Длина ОЭ, м

0,71

Суммарная поверхность осаждения пыли, м2

0,81

Общая длина всех КЭ, м

2,3

Расстояние между ОЭ, мм

265

Тип КЭ

игольчатый

Скорость пылегазового потока в ЭФ, м/с

0,5…1

Температура пылегазового потока, оС

20…120

Запыленность пылегазового потока, г/м3

5…20

Отряхивание ОЭ и КЭ, ударно-молотковое

механическое.

Проведены комплексные исследования эффективности ЗПП на стенде ЭФ, получен ряд зависимостей изменения эффективности от длительности импульсов, УЭС, скорости осаждения пыли, изменения удельного веса слоя на ОЭ по сравнению с УП. Эксперименты, проведенные на лабораторном макете ЭФ показали, что при относительно малой площади ОЭ КПД пылеулавливания при ЗПП выше, чем при УП, в широком диапазоне УЭС, v = 106 Ом•м…1012 Ом•м, (рис.14). При этом ОК на лабораторном макете ЭФ  образуется, когда v >  109 Ом•м. Электрическая ёмкость стенда может изменяться от 0,01 до 0,4 мкФ путём подключения внешних высоковольтных конденсаторов.

Рисунок 14 Изменение КПД () пылеулавливания макета ЭФ от УЭС пыли

а) униполярное питание; б) ЗПП

При ЗПП наступает стабильный процесс саморегенерации ОЭ, что создаёт предпосылки  использования этого процесса для эвакуации пыли с ОЭ и полного или частичного отказа от систем механического отряхивания.

Применение источников ЗПП, показало повышение эффективности пылеочистки при УЭС золы более v = 106…109 Ом•м. Практически при всех известных УЭС, применение ЗПП на ЭФ, работающих на углях Кузнецкого бассейна, позволяет работать без систем механического отряхивания ОЭ.

Стенд предназначен для испытания различных вариантов схемных решений модуляторов на основе ЭЛВ 1/200 и ЭЛВ 4/40. Испытания схемных решений осуществляются в режиме низкого напряжения (до 15…20 кВ) и высокого (до 50 кВ). В первом случае испытания проводятся в условиях воздушной изоляции, а во втором – в баке с трансформаторным маслом. Вентили исследуются в мкс (5…10 мкс) и нс (15…30 нс) диапазоне длительности.

Основным элементом исследовательского стенда является импульсный подмодулятор мкс длительности (5…15 мкс), собранный на основе частотного тиристора ТЧИ-100, модуляторной лампы ГМИ-83В (ГМИ 32Б) и тиратрона ТГИ1-1000/25 (рис.15). Подмодулятор формирует импульсы прямоугольной формы длительностью от 5 до 15 мкс, фронтом 0,3…0,5 мкс, срезом 0,1…0,5 мкс, амплитудой 1…15 кВ. Импульсный ток подмодулятора до 30 А определяется модуляторной лампой. Применение ГМИ-32 позволит обеспечить импульсный ток нагрузки подмодулятора до 100 А, что позволит проводить экспериментальные исследования перспективного вентиля ЭЛВ50/100, имеющего большие токи управляющего электрода.

Рисунок 15 Электрическая схема подмодулятора для исследования ЭЛВ в мкс диапазоне длительности импульса

Полученное максимальное значение импульсного анодного тока ЭЛВ4/40 составляет 100 А при максимально допустимом импульсном напряжении на управляющем электроде около 15 кВ, падении напряжения на участке анод-катод 1…4 кВ, напряжении смещения около –500В. Сняты импульсные вольтамперные характеристики ЭЛВ 4/40 в импульсном режиме мкс и нс длительности.

Подмодулятор стенда формирует импульсы управления ЭЛВ мкс и нс длительности амплитудой до 35 кВ, током до 100 А.

Основным прибором диагностики запылённости является пылемер. Принцип действия основан  на  затенении в оптическом канале непрозрачными  твёрдыми частицами пыли приёмной площадки фотоприёмника импульсного излучения в инфракрасном диапазоне. Величина фототока  обратно пропорциональна количеству пыли.  Величина фототока после интегрирования регистрируется самописцем или оцифровывается и регистрируется на мониторе компьютера. 

Благодаря применению импульсного метода измерения влиянием паразитной засветки газохода можно пренебречь. Ошибкой из-за разъюстировки можно пренебречь, если обеспечена жёсткость конструкции и запас по углу излучения, при равномерности светового потока  в зоне  проекции  тела не более ±3%  свечения на фотоприёмной стороне. Остаётся  влияние на величину ошибки измерения запыления оптических элементов, что устраняется путём создания перед оптикой вихревых воздушных потоков чистого воздуха.

Основную ошибку в измерения вносит методическая погрешность, заключающаяся в том,  что прибор регистрирует изменение площади  проекции твёрдых частиц,  а общепринятые измерения должны характеризовать весовые соотношения.  Эта погрешность тем больше,  чем больше разброс дисперсионности  твёрдых частиц пыли.  Кроме того, при запылённости значительно превышающей предельно допустимые выбросы (ПДВ) также возникает  погрешность  из-за  перекрытия частицами пыли друг друга и т.о. исключения их из измерения. При однотипном сырье и стабильной работе угольной мельницы практически величина погрешности при нормальном разбросе дисперсионности  не  превышает   ±20...30%.  Уточнённое значение величины погрешности при применении разных марок топлива,  сырья  для  отжигных печей  или  в  переходных  режимах работы мельниц - определяется путём проведения контрольных весовых замеров.

Электрическая схема для уменьшения  влияния температурной погрешности разделена на две части.  Одна часть наиболее подверженная температурному влиянию расположена в отапливаемой пультовой,  там же где самописцы,  дежурные операторы,  а другая - непосредственно на газоходе или в помещении перед дымососами.  Для повышения точности измерения блок обработки сигнала содержит термостабилизатор, точность измерения относительного уровня запылённости до ±30% при изменении температуры окружающей среды от -40оС до +50оС. Температурной погрешностью первой части можно пренебречь, а схемное решение второй части и использование современной элементной базы позволяет обеспечить ошибку не более  ± 5%  при изменении температуры от -40 до +50оС.

Для снижения погрешности измерения, вызванной изменением температуры, влажности и др. параметров пыли и повышения оперативности получения результатов, разработан переносной измеритель удельного электрического сопротивления (УЭС). Измеритель обеспечивает повышение точности и достоверности измерений, позволяет провести предварительную оценку УЭС пыли практически непосредственно во время проведения исследования режимов работы ИП путём измерения параметров золы непосредственно в бункере золоприёмника при рабочей температуре работающего ЭФ. Такой способ оперативного измерения УЭС позволяет предварительно определить длительность импульсов отрицательной и положительной полярности ЗПП при составлении алгоритма работы СУ, а также оценивать целесообразность его применения.

Измерение УЭС пыли осуществляется с помощью тераомметра и специального  измерителя. Исследуемый образец пыли зажимается  между  двумя  плоскими круглыми электродами.  Толщина слоя пыли между ними измеряется микрометром. Величина сопротивления может изменяться в пределах от 102 до 1012 Ом, температура в золосборнике от +80 до +120оС, толщина  слоя  от  5 до 15 мм,  при диаметре прижимного устройства 10 мм. Расчёт УЭС осуществляется по формуле:

  [Ом*м] где R - измеренное сопротивление слоя пыли [Oм],  S - площадь контактного электрода [м2],  d - толщина слоя пыли [м].

Применение комплексного питания экономически более целесообразно, чем реконструкция ЭФ, а при строительстве нового – получается меньше себестоимость при том же значении пылевых выбросов.

На основе разработанной концепции построения высоковольтного питающего оборудования возможно создание малого комплекса, состоящего из источника знакопеременного и импульсного питания, или – развёрнутого комплекса, содержащего не только дополнительное силовое оборудование, но и измерительное, включённое в систему автоматического регулирования по критерию минимизации пыле уноса в атмосферу состоящего из:

1- автономного источника ЗПП ЭФ импульсами секундной длительности:

  • обеспечивающего повышение степени пылеочистки для высокоомных пылей;
  • позволяющего полностью или частично отказаться от применения механического отряхивания ОЭ;
  • обеспечивающего снижения уровня вторичного пылеуноса для всего известного диапазона УЭС пыли;

2- источника-приставки униполярного импульсного питания ЭФ импульсами микросекундной длительности, позволяющего существенно повысить степень пылеочистки практически всего известного диапазона УЭС пыли;

3-автономного источника ЗПП или импульсного УП РК, формирующего импульсы наносекундной длительности, на основе источника, содержащего высоковольтные сильноточные ЭЛВ, позволяющего:

  • повысить степень ионизации частиц пыли в ЭФ;
  • осуществить плазмохимическое преобразование окислов углерода CO, серы SO и азота NO в сравнительно безопасные соединения;
  • осуществить плазмохимическое преобразование высокомолекулярных канцерогенных соединений в простые, сравнительно безопасные соединения;
  • повысить электрический КПД  не менее, чем до 90%.

4- оптического пылемера, позволяющего преобразовывать уровень запылённости газохода в пропорциональные электрические сигналы управления длительностью отрицательных и положительных импульсов ЗПП (сек длительности), изменять амплитуду импульсов источника ИП (мкс. длительности);

5- устройства для измерения УЭС, позволяющего провести контрольные замеры для предварительной диагностики электрических параметров выбрасываемых твёрдых частиц пыли.

6- перепрограммируемого блока управления, реализующего интеллектуальный алгоритм управления.

Структурная схема разрабатываемого устройства комплексного питания ЭФ представлено на рис.16.

Рисунок 16 Структурная схема питания пыле- газоочистного комплекса

Источники, включённые в комплексное питание ЭФ должны содержать выпрямители и инверторы, обеспечивающие их ВЧС с сетью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы сводятся к следующему.

  1. Разработаны научно-технические основы конструирования импульсных высоковольтных ЭЛВ для использования в импульсных технологических устройствах пыле- и газоочистки
  2. На основе экспериментальных исследований на промышленных предприятиях, лабораторных стендах и теоретического анализа, получены новые данные о разрядных процессах, протекающих в ЭФ пылеочистки и РК газоочистки, позволяющие систематизировать характер электрической нагрузки высоковольтных пыле- и газоочистных  аппаратов. Установлено, что:

- для снижения уровня пылевых выбросов высокоомных пылей необходимо подавление обратной короны, что наиболее эффективно делается с помощью источника ЗПП при длительности импульса положительной полярности 1…2 сек и отрицательной 40…100 сек, длительности переднего и заднего фронтов 8…12 мс;

- ЗПП способствует автоматическому удалению слоя пыли с осадительных электродов ЭФ, без постоянного применения устройств механического или другого вида отряхивания;

- для дополнительного снижения уровня пылевых выбросов ЭФ для всего известного диапазона УЭС пыли наиболее эффективно применение источника приставки импульсного питания, накладываемого на основное той же полярности, при длительности импульсов 50…100 мкс колокольной формы, при напряжении равном 0,5 Uэф, частоте повторения 300…400 Гц;

- для снижения уровня газообразных выбросов оксидов (или уменьшения количества реагентов) и канцерогенных соединений наиболее эффективно питание РК стримерным разрядом при длительности импульсов 100…200 нс, особенно эффективно применение знакопеременной формы разряда содержащего 3 полпериода высокого напряжения амплитудой 50…100 кВ, следующих с частотой 100…1000 Гц.

  1. На основе анализа электрических режимом предложены основы создания конкурентоспособных электрических схем в источнике ЗПП с ВЧС связью с сетью на частоте более 12 кГц содержащих: высоковольтный высокочастотный трансформатор и схему управляемого высоковольтного удвоения, на основе высоковольтного диода и ЭЛВ, обеспечивающего получение выходного напряжения поочерёдно отрицательной и положительной полярности.
  2. На основе анализа электрических режимов питания ЭФ импульсами микросекундной длительности предложена основа создания электрических схем приставок к источникам униполярного или ЗПП, на основе двух включённых встречно-параллельно ЭЛВ, соединённых с ЭФ через высоковольтный разделительный конденсатор и силовую индуктивность.
  3. Предложена основа построения универсальной импульсно – знакопеременной схемы источника питания на основе ЭЛВ с ВЧС с сетью на частоте более 12 кГц. Устройство, собранное по такой схеме обладает минимально возможной себестоимостью, весогабаритными показателями, максимальной надёжностью и долговечностью. При этом устройство одновременно обладает всеми преимуществами знакопеременного и импульсного питания.
  4. На основе анализа электрических режимов импульсного питания РК импульсами наносекундной длительности предложена основа создания электрических схем, формирующих одиночные или пачки высоковольтных импульсов на основе подмодулятора на высоковольтном вакуумном приборе, обеспечивающем частичный разряд  емкостного накопителя для зарядки индуктивного накопителя, с последующим полным разрядом индуктивного накопителя, что способствует формированию на управляющем электроде высоковольтного выходного ЭЛВ пачки или одиночные импульсы положительной полярности высокого напряжения. В результате выходной ЭЛВ коммутирует на нагрузке (РК) и вспомогательной индуктивности импульс отрицательной полярности. После закрывания ЭЛВ вспомогательная индуктивности формирует на нагрузке импульс положительной полярности. В результате на нагрузке (РК) получается пачка знакопеременных высоковольтных импульсов длительностью 100…150 нс. Количество импульсов в пачке определяется подмодулятором. Расчётное значение электрического КПД схемы не менее 93%.
  5. На основе проведенных экспериментальных исследований и теоретического анализа предложена концепция создания универсального комплекса пыле- газоочистного оборудования состоящего их источников импульсного питания наносекундной длительности и РК, источника ЗПП секундной длительности и приставки ИП микросекундной длительности, все источники питаются от общего устройств ВЧС с сетью на частоте более 12 кГц, алгоритм управления в процессе работы комплекса оптимизируется по критерию минимального уровня выходной запылённости и загазованности благодаря использованию датчиков уровня выбросов твёрдых частиц и газоанализаторов.
  6. Разработаны принципы оптимизации всех рассмотренных в работе электрических схем подмодуляторов и модуляторов в секундном, микросекундном и наносекундном диапазоне длительностей импульсов при реальных значениях рабочих напряжений, с помощью компьютерных программ EWB работающих в режиме паузы. Разработана концепция построения компьютерных моделей обладающих пентодной вольтамперной характеристикой различных типов ЭЛВ на основе ключа, транзистора, диода, резистора и источника тока.
  7. Разработан многопроходный оптический пылемер на основе инфракрасного импульсного светодиода с передающим объективом, оптической схемой работающей как на просвет, так и на отражение; позволяющий работать на газоходах диаметром до 6 м и при любом уровне запылённости;
  8. Разработан переносной измеритель удельного электрического сопротивления пыли способный измерять в диапазоне от 102 до 1012 Ом*м, проведены испытания на ТЭЦ;
  9. Результаты работы использованы: а) на ТЭЦ 22 г.Дзержинский, Мосэнерго; б) при создании стенда газоочистки ВТИ им. Куйбышева г. Москва; в) на Ачинском глинозёмном комбинате; г) при создании стенда пылеочистки ФГУП ВЭИ г. Москва; д) при разработке курса лекций на тему: «Электровакуумные и газоразрядные приборы для высоковольтной импульсной техники.» на кафедре Электронные приборы МЭИ;

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

  1. А.С. 762059 СССР. Н 01J 63/06. Электронно-лучевой импульсный источник оптического излучения. Ерёмин В.И., Топчиев Г.М., Щербаков А.В. (СССР).- 2683425/24-07. Заявлено 09.11.1978. Зарегистрировано 16.05.1980. Опубл.07.09.1980. Бюл. 33, С.5.
  2. Ерёмин В.И., Горшков В.С., Щербаков А.В. Энергетическая эффективность светового канала с люминофорным источником света в системе управления высоковольтным аппаратом.// Электрическая промышленность. Сер.Аппараты высокого напряжения, трансф. Сил.конд.,1980, вып.5(109), С.7-9.
  3. А.С. 892699 СССР. Н 03 К 7/2. Импульсный модулятор; Щербаков А.В., (СССР). - 2915093/18-21.Заявлено 25.04.1980. Зарегистрировано 25.08.1981. Опубл. 23.12.1981. Бюл. 47. С.4.
  4. Щербаков А.В., Ерёмин В.И.  Импульсные модуляторы для систем светового управления аппаратами высокого напряжения.//Тезисы докл. на конф. Система управления и контроля электр. апп. выс. напр. Апрель. -М.: Информэлектро, 1981, С.35-36.,
  5. Щербаков А.В., Ерёмин В.И. Импульсные модуляторы для систем светового управления высоковольтными аппаратами.// Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции: Система управления и контроля электрических аппаратов высокого напряжения. Апрель. - М.: Информэлектро, 1981. - С. 58...59.
  6. Щербаков А.В., Импульсный модулятор.//        Инф. лист о научно техническом достижении. № 319-82,август 1982, С. 2.
  7. Воронков Е.П., Топчиев Г.М., Щербаков А.В. Высоковольтный импульсный электронно лучевой осциллограф.// ПТЭ, 1989, № 5, С.253.
  8. Щербаков А.В., Калинин В.Г. Оптический пылемер. // ПТЭ, 1994, N1, С.211-212
  9. Щербаков А.В., Калинин В.Г. Оптический измеритель концентрации твёрдых частиц пыли в газоходах. // Электрические станции, 1995, №7, с.11-17
  10. Perevodchikov V.I, Kalinin V.G., Lamin Y.A., Schapenko V.N., Scherbakov A.V. Studies of dust layer formation on electric precipitator electrodes at a alternating polarity power supply (APPS).// VI ISESP Conference, Technical University of Budapest , Budapest, Hungary, 1996, June 19-21.
  11. V.I. Perevodchikov, V.N. Shapenko, A. V. Scherbakov, V.N. Stuchenkov,  A.A. Savin,  V.G. Kalinin,  N.V. Matveyev,  L.P. Alexandrova. Combined pulse and alternating polarity power supply to increase the efficiency of dust cleaning.// Proc. 7th International Conference on Electrostatic Precipitation. Kyngbuk, Korea, 1998.
  12. V. Perevodchikov, V. Shapenko, A. Scherbakov, K. Ulyanov. Pulse power supply units based on electron-beam valves for Cleaning industrial effluents from oxides  and dust .// Конференция в Лос-Анджелесе, США, 12th IEEE International Pulsed Power Conference 1999, loliforma, Monterey, 1999. июнь-июль, PC065.
  13. Калинин В.Г., Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Щербаков А.В. Перспективные системы электропитания пылеулавливающих электрофильтров тепловых электростанций.// Электричество, 2000, № 8, С.50-55
  14. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Щербаков А.В., Калинин В.Г., Стученков В.М., Комплектное устройство для питания электрофильтра импульсно-знакопеременным напряжением.// Сборник научных трудов ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина под ред. В.Д. Ковалёва. Высоковольтная и преобразовательная техника. Москва 2001, С. 93-99.
  15. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Щербаков А.В., Калинин В.Г., Исследование особенностей работы пылеулавливающих электрофильтров при знакопеременном питания.// Сборник научных трудов ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина под ред. В.Д. Ковалёва. Высоковольтная и преобразовательная техника. Москва 2001, С. 108-122.
  16. Попов С.Н., Щербаков А.В., Силовая схема источника импульсного питания электрофильтра.// Сборник научных трудов ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина под ред. В.Д. Ковалёва. Высоковольтная и преобразовательная техника. Москва 2001, С. 123-136.
  17. Щербаков А.В., Калинин В.Г., Стученков В.М. Импульсные источники микросекундной длительности импульсов для питания электрофильтров.// Электрические станции, 2002, № 12, С. 40-43.
  18. Щербаков А.В., Калинин В.Г., Стученков В.М. Оптимизация параметров импульсного источника для питания электрофильтров. //Электрические станции, 2002, №6, С. 75-77.
  19. Пат. 2212729 Россия. 7 Н 01 О 21/14, В 03 С 3/38. Коммутатор и устройство для питания нагрузки знакопеременным напряжением на его основе. Щербаков А.В. (Россия). 20022100494/09, Заявлено 08.01.2002. Приоритет от 08.01.2002. Опубл. 20.09.2003 Бюл.26. С. 42.
  20. Пат. 2183903 Россия. 7 Н 03 К 7/02, Н 03 С 1/16. Импульсный модулятор для питания емкостной нагрузки. Щербаков А.В., Калинин В.Г. (Россия), - 2000126372/09; Заявлено 19.10.2000. Приоритет от 19.10.2000. Опубл. 20.06.2002, Бюл. 17. С.10.
  21. Пат. 2207191 Россия. 7 В 03 С 3/38, Н 03 К 7/08. Способ питания электрофильтра и устройство для его реализации. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Щербаков А.В., Калинин В.Г., Стученков В.М. (Россия).  – 2001111389. Заявлено 24.04.2001. Приоритет от 24.04.2001, Опубл. 27.06.2003, Бюл. 18. С. 18.
  22. Пат. 2214040 Россия. 7 Н03 К 7/08, Н 02 М 7/12. Импульсный модулятор для питания емкостной нагрузки. Щербаков А.В., Калинин В.Г. (Россия), - 2000130850. Заявлено 08.12.2000. Приоритет от 08, 12,2000. Опубл. 10.10.2003. Бюл. 28. С.22.
  23. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Щербаков А.В., Калинин В.Г., Стученков В.М. Источники знакопеременного, импульсного и импульсно-знакопеременного питания электрофильтров. //Электрические станции, 2003, № 1, С. 56-60.
  24. Щербаков А.В., Калинин В.Г., Попов С.Н., Стученков В.М. Импульсные модуляторы на основе электронно-лучевого вентиля для питания реакторной камеры и других устройств импульсами микросекундной и наносекундной длительности.// Доклад на 7 Симпозиуме Травек Электротехника 2010, Московская обл. май 27…29, 2003. С.335-339.
  25. Панибратец А.Н, Покровский С.В., Кудретова О.В., Симакин В.В., Карлсен Г.Г., Абрамов О.И., Пелевин В.В., Щербаков А.В., Переводчиков В.И., Шлифер Э.Д. Экотехнологии и их организационно-финансовое обеспечение.// Доклад на Международном семинаре «Охрана окружающей среды в городе», Москва 29 июня – 1 июля 2004 г., С.101-120.
  26. Пат. 2234804 Россия. Н 03 К 7/08, Н 02 М 7/12. Импульсный модулятор (варианты). Щербаков А.В., Калинин В.Г. (Россия), - 2003109052. Заявлено 31.03.2003. Приоритет от 31,03,2003, Опубл. 20.08.2004, Бюл. 23. С.24.
  27. Щербаков А.В., Калинин В.Г., Стручков С.С. Исследование импульсных характеристик диодов.// Электричество, 2004, № 7, С.59-63.
  28. Калинин В.Г., Мурашов А.С., Щербаков А.В. Разработка и исследование прибора для оперативного измерения удельного электрического сопротивления золы.// Электрические станции, 2004, № 5, С.71-73.
  29. Щербаков А.В.,  Источники высоковольтного импульсного питания электрофильтров и реакторных камер на основе псевдоискрового разрядника и электронно-лучевого вентиля.// VIII симпозиум Травэк Электротехника 2010. Сборник тезисов. Московская область 24-26 мая 2005, С. 269.
  30. Кудреватова О.В., Панибратец К.А., Покровский С.В., Симакин В.В., Щербаков А.В. Экобезопасность и возможности экоэлектротехнологий (системный поход).// Доклад на  VIII симпозиуме Травэк Электротехника 2010. Сборник тезисов. Московская область 24-26 мая 2005, С. 271.
  31. Кирюхин Ю.А., Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Щербаков А.В. Высоковольтные источники с высокочастотной связью для питания электростатических фильтров.// Доклад на VIII симпозиуме Травэк Электротехника 2010. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения энергии. Сборник тезисов. Московская область 24-26 мая 2005. С. 247.
  32. Щербаков А.В., Компьютерное моделирование силовых высоковольтных импульсных схем.// Доклад на Симпозиуме Травэк Электротехника 2010, Московская обл. 17…19 май 2006.
  33. Мавлянбеков Ю.У., Покровский С.В., Кудреватова О.В., Симакин В.В., Щербаков А.В., Шлифер Э.Д., Кузнецов В.М., Петров В.А., Абрамов О.И., Карлсен Г.Г., Пелевин В.В. Электротехническое оборудование для улучшения экологической обстановки.// Сборник научных трудов ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина под ред. В.Д. Ковалёва (к 85-летию ВЭИ) Москва 2006, С. 210-218.
  34. Щербаков А.В. Перспективные источники знакопеременного и импульсного питания электрофильтра и реакторной камеры.// Электро, 2006, №5, С. 16-20.
  35. Переводчиков. В.И., Щербаков А.В., Кирюхин Ю.А., Чернышев Е.В, Ефремиди А.Л. Источник питания электростатических фильтров.// Электрические станции, 2007, №2, С. 57-62
  36. Переводчиков В.И., Щербаков А.В., Гусев С.И, Шапенко В.Н., Белкин В.М.. Мустафа Г.М., Кирюхин Ю.А. Униполярный высоковольтный источник с высокочастотной связью для питания электростатических фильтров.// Сборник научных трудов ФГУП ВЭИ им. В.И. Ленина под ред. В.Д. Ковалёва, Москва 2007, С. 189-201.
  37. Пат. 2291000 Россия. В 03 С 3/68, В 03 С 3/38. Устройство для питания электрофильтра (варианты). Щербаков А.В. – 2005110714/09. Заявлено 04.12.2005. Приоритет от 12.04.2005. Опубл. 10.01.2007, Бюл. 1. С.10.
  38. Щербаков А. В., Трухачёв И.М. Работа электронно-лучевого вентиля в сильноточных устройствах генерирования УВЧ-колебаний.// Доклад на 1Х симпозиуме Травек Электротехника 2030, 29-31 мая 2007 г.
  39. Пат. на полезную модель 68819 Россия. Н 03 К 7/08, В 03 С 3/38. Устройство для питания электрофильтра. Переводчиков В.И., Щербаков А.В., Шапенко В.Н., Мустафа Г.М., Кирюхин Ю.А. (Россия), - 2007126243/22. Заявлено 09.07.2007. Приоритет от 09.07.2007. Зарегистрирован, опубл.  27.11.2007. Бюл. 33. С. 4.
  40. Щербаков А. В. Перспективы разработки источников знакопеременного питания пылеулавливающих электрофильтров с высокочастотным звеном.// Доклад на 1Х симпозиуме ТРАВЕК Электротехника 2030. 29-31 мая 2007 г.
  41. Щербаков А.В. Агрегаты питания электрофильтров и реакционных камер, на основе электронно-лучевых вентилей.// Доклад на второй международной конференции «Пылегазоочистка-2009», Москва, 29-30 сентября 2009 г., ГК «Измайлово». С.4.
  42. V. Perevodchikov, N. Korunov. P. Stalkov, V. Suhov, I. Truhatchev, V. Shapenko, A. Scherbakov. Research of vacuum switching tubes for converters of Static VAR Compensators //  Конференция в ИТАЛИИ 28-30 апреля 2009 г 2009 IEEE International Vacuum Electronics Conference 28-30 April 2009 Angelicum University Rome, Italy.
  43. Переводчиков В.И., Щербаков А.В. Новые эффективные методы повышения степени газоочистки электрофильтров с помощью энергосберегающих источников знакопеременного и импульсного питания // Доклад на международной конференции  «Russia power 2010» (Электроэнергетика России 2010), ЭКСПОЦЕНТР, Москва, 24-26 марта 2010 г..С.10.



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.