低低溫和濕式電除塵器的絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用
2016-04-06 15:35:01
摘要：目前低低溫、濕式電除塵技術(shù)已成為燃煤電廠實(shí)現(xiàn)煙氣 “超低排放”的主流技術(shù)。低低溫、濕式電除塵器的絕緣水平在很大程度是由絕緣子的表面狀況，即表面電荷的積聚、帶電微粒的運(yùn)動(dòng)以及表面覆蓋物(酸露和水膜等介質(zhì))的影響程度和場(chǎng)強(qiáng)所決定。本文較為深入的研究和探討了影響高壓電場(chǎng)絕緣性能的因素，提出了低低溫和濕式電除塵器絕緣性能優(yōu)化方法，并介紹了低低溫電除塵器絕緣改造實(shí)例。
關(guān)鍵詞：低低溫電除塵器;濕式電除塵器;表面爬電;絕緣優(yōu)化;防露型絕緣子
0 引言
“節(jié)能減排”是目前我國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)基本國(guó)策，也是“十二五”工作計(jì)劃的重中之重。燃煤電廠為了實(shí)現(xiàn)煤耗下降8克標(biāo)準(zhǔn)煤/ kW?h的目標(biāo)，在鍋爐煙道設(shè)置熱交換器，將煙氣中的熱量置
換出來(lái)，進(jìn)行二次利用，以節(jié)約能耗。
隨著燃煤電廠煙氣“超低排放”呼聲的越演越烈，人們對(duì)實(shí)現(xiàn)“超低排放”技術(shù)的關(guān)注度也越來(lái)越高。為了實(shí)現(xiàn)“超低排放”要求，可利用SO3具有團(tuán)聚微小粉塵和容易荷電的特性來(lái)提高除塵
效率，低低溫(90℃以下)電除塵器便應(yīng)運(yùn)而生。此外，還可采用濕式電除塵技術(shù)。目前低低溫、濕式電除塵技術(shù)已成為燃煤電廠實(shí)現(xiàn)煙氣“超低排放”的主流技術(shù)。
在電除塵器中工作的直流絕緣子與交流絕緣子不同，應(yīng)重點(diǎn)考慮絕緣子表面的沿面放電，即表面爬電問(wèn)題。根據(jù)電除塵器多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其80%的故障是電氣故障，電氣故障的90%是絕緣故障，而絕緣故障絕大部分原因是絕緣子表面爬電引起的，這是電除塵絕緣子不可避免的核心問(wèn)題，而低低溫電除塵器入口煙氣溫度在酸露點(diǎn)以下，濕式電除塵器工作在飽和濕煙氣環(huán)境中，尤其需引起高度重視。
1 影響直流高壓電場(chǎng)絕緣性能的主要因素
1.1 表面電荷積聚影響絕緣子沿面放電
由于在絕緣子的表面存在電場(chǎng)的法向分量，當(dāng)施加一定時(shí)間(數(shù)分鐘至數(shù)天)的直流電壓后，絕緣子表面積聚的電荷使原電場(chǎng)發(fā)生了畸變，將可能發(fā)生沿面放電[1]。
圖1為日本三菱公司K.Nakanishi, A.Yoshioka[2]等人對(duì)中間實(shí)心的圓桶形絕緣子模型施加一系列直流電壓后，得到的絕緣子表面擊穿電壓隨電荷密度的關(guān)系
絕緣子長(zhǎng)時(shí)間處于直流電場(chǎng)中時(shí)，其表面電荷的積聚會(huì)使沿面放電電壓下降。例如，在0.44MPa的SF6氣體壓力下能承受600kV電壓的絕緣子經(jīng)幾小時(shí)直流電壓作用后，其放電電壓降低到300kV[3]?？梢钥闯?，絕緣子表面電荷積聚是影響直流絕緣性能的一個(gè)重要因素。
1.2自由導(dǎo)電微粒影響直流絕緣性能粉塵中導(dǎo)電微粒附著于絕緣子表面時(shí)，將直接成為絕緣子的閃絡(luò)路徑，縮短了沿面放電的距離，極大地降低了絕緣子的閃絡(luò)電壓。附著在絕緣子表面的這些導(dǎo)電微粒形狀多樣，尺寸不一，有幾至幾十微米的粉末，也有幾毫米團(tuán)粒。試驗(yàn)研究證實(shí)，這些導(dǎo)電微粒對(duì)絕緣子的閃絡(luò)電壓的影響與顆粒大小、形狀以及在絕緣子上的位置有關(guān)。位于支撐絕緣子的中間位置時(shí)，當(dāng)微粒由3mm長(zhǎng)增加至6mm時(shí)，閃絡(luò)電壓下降約25%[4];在絕緣子表面相同的位置上，若微粒長(zhǎng)度軸向與同軸電場(chǎng)方向一致，則絕緣水平明顯下降;若兩者相互垂直，其閃絡(luò)電壓不受影響[5]。當(dāng)進(jìn)入電除塵器的煙氣溫度較高(如以往燃煤電廠的煙氣溫度一般都控制在120℃以上)，這些導(dǎo)電微粒都呈孤立、分散的狀態(tài)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)附著于絕緣子表面時(shí)，呈隨機(jī)的雜亂無(wú)章分布，則絕緣水平下降不明顯;如果煙氣溫度下降至接近或低于酸露點(diǎn)溫度，SO3會(huì)冷凝并吸附在絕緣子表面，形成爬電通道。同樣，在濕式電除塵器中，如果絕緣子表面被水膜覆蓋，也會(huì)形成爬電通道。
由此可見，當(dāng)直流電場(chǎng)中的導(dǎo)電物質(zhì)附著于絕緣子表面時(shí)，將成為影響直流電場(chǎng)高壓絕緣性能的另一重大因素。
2低低溫和濕式電除塵器絕緣優(yōu)化方法
2.1 合理選擇足夠的爬電距離
低低溫和濕式電除塵器絕緣設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將沿面放電電壓提高到純氣體間隙擊穿電壓的水平，以使絕緣的擊穿發(fā)生在氣體介質(zhì)中，而不是沿絕緣子表面發(fā)生。因此選擇足夠的爬電距離是必須的。
設(shè)計(jì)絕緣子尺寸時(shí)必須注意高壓電極對(duì)地之間沿絕緣子表面的爬電距離。絕緣子表面狀況極為重要，干的表面與附著酸霧的表面，以及覆了水膜的表面大不相同。對(duì)有可能污染絕緣子表面的物質(zhì)(煙塵)，應(yīng)了解其粉塵比電阻值，作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。
運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在干煙氣狀態(tài)下，當(dāng)高、中比電阻粉塵時(shí)，單位電壓(單位為kV)的防爬電距離為0.3英寸～0.4英寸，即7.6mm～10.2mm[7]。按工作電壓72kV計(jì)，一般燃煤電廠電除塵器用絕緣子的表面爬電距離宜為500mm～700mm。
很顯然，在干煙氣狀態(tài)下的爬電距離不能滿足低低溫和濕式電除塵器的要求，尤其對(duì)濕煙氣狀態(tài)下的絕緣性能以及爬電距離的選擇。為確保絕緣性能，濕煙氣狀態(tài)下絕緣子的表面爬電距離宜取干煙氣狀態(tài)爬電距離的1.5倍～2倍，即單位電壓的防爬電距離取15mm/kV～20mm/kV，按工作電壓72kV計(jì)，一般濕式電除塵器用絕緣子的表面爬電距離宜為1000mm～1400mm，而工作電壓較低時(shí)，其爬電距離可減小。
如果采用防露型絕緣子或?qū)ζ胀ń^緣子采取加熱保溫和熱風(fēng)吹掃等措施，使絕緣子的表面始終保持干燥，則可采用干煙氣狀態(tài)下的表面爬電距離。實(shí)踐證明，防露型絕緣子可適用于低低溫電除塵器、濕式電除塵器以及電除霧器的工況條件。
2.2 優(yōu)化電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使場(chǎng)強(qiáng)分布均勻化
直流絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度的分布與交流不同，交流絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度按電容分布，而直流絕緣子的電場(chǎng)強(qiáng)度受絕緣子電阻的影響，隨著電阻的變化而變化。其中絕緣子表面電場(chǎng)隨表面電阻的變化比體積電阻的變化更明顯，且這種變化是非線性的。改變電場(chǎng)電阻和電極的分布可使絕緣子表面電場(chǎng)更為均勻，以降低絕緣子周圍的合場(chǎng)強(qiáng)。
圖2和圖3是為某燃煤電廠低低溫電除塵器設(shè)計(jì)的絕緣子等效電路和電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)示意圖。
改造前總場(chǎng)強(qiáng)E0全部加在支撐瓷套上，支撐瓷套高度600mm，額定電壓72kV，每千伏的爬電距離為8.3mm。如果降低煙氣溫度，使其低于酸露點(diǎn)，在瓷套內(nèi)壁凝露的話，明顯絕緣能力不足。
如圖3所示，改造時(shí)在瓷套的蓋板上加了1只穿墻套管，使最大爬電距離達(dá)到1050mm。而且總場(chǎng)強(qiáng)E0分別由瓷套承擔(dān)E1和穿墻承擔(dān)E2，大大減輕了瓷套的絕緣負(fù)擔(dān)。圖中瓷套與穿墻套管同軸布置，瓷套安裝在電除塵器頂棚大梁(地電極)上，瓷套的高壓端上蓋板與穿墻套管的法蘭同為等電位組成中間電極，穿過(guò)穿墻套管軸芯的陰極吊桿為高壓電極。
在瓷套內(nèi)壁與穿墻套管下部外壁之間的電場(chǎng)E套內(nèi)實(shí)際上是由E12和E22組成， E12與E22為同軸電場(chǎng)，且方向相反，即E套內(nèi)= E22-E12，可見，如此布置瓷套內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)由于E12和E22相互抵消而減小，使吸附在絕緣子表面的帶電微粒失去動(dòng)力，無(wú)法遷移，避免絕緣子表面出現(xiàn)沿面放電。
另外，在瓷套下部與陰極吊桿之間的電場(chǎng)中，由于E0的切向分量和E12的電場(chǎng)方向同時(shí)指向地電極，使地電極附近的電場(chǎng)得到加強(qiáng)，這樣就有可能阻止帶電微粒進(jìn)入瓷套內(nèi)，從而使絕緣條件得到改善。
2.3采用防露型絕緣子
2.3.1用于低低溫電除塵器的防露型絕緣子
對(duì)于低低溫電除塵器，為防止絕緣子結(jié)露爬電，可采用熱風(fēng)吹掃措施和防露型絕緣子兩種措施之一。絕緣子內(nèi)部裝有發(fā)熱體，也稱內(nèi)熱式防露型絕緣子。
1) 防露型支撐瓷套絕緣子
防露型支撐瓷套絕緣子的材料為95瓷，內(nèi)部裝有發(fā)熱體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。低低溫電除塵器一個(gè)供電分區(qū)的4個(gè)吊點(diǎn)安裝4只防露型支撐瓷套絕緣子。
防露型支撐瓷套絕緣子可以直接裸露在煙氣中，獨(dú)到的防露效果和緊湊的絕緣結(jié)構(gòu)，可顯著提高電除塵器內(nèi)部高壓絕緣的可靠性。防露型絕緣瓷套由上部的圓錐段和下部的圓柱段組成，有抗壓強(qiáng)度高(>2000MPa)、高溫絕緣性能好，500℃時(shí)體積電阻率仍能保持在4×1010Ω˙cm2/cm、抗熱震性的溫度范圍寬(>700℃)、耐腐蝕、抗衰老等優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)熱體直接安裝在防露型絕緣瓷套下部的溝槽內(nèi)，發(fā)熱體所發(fā)出的熱量絕大部分被防露型絕緣瓷套直接吸收，并迅速傳遞到防露型絕緣瓷套的內(nèi)、外表面，使其表面保持一定的溫度。發(fā)熱體功率和電壓：1200W、220V。在常溫環(huán)境中，當(dāng)接通電源3小時(shí)后，瓷套的內(nèi)壁溫度可達(dá)并保持在120℃±30℃。如果在80℃～90℃的熱煙氣中，瓷套的內(nèi)壁溫度可達(dá)并保持在150℃以上。當(dāng)潮濕的煙氣中的水分或酸露還未接觸到瓷套，便被其表面散發(fā)出來(lái)的熱量所蒸發(fā)，使其表面始終保持干燥的絕緣環(huán)境。
2) 防露型拉棒絕緣子
防露型拉棒絕緣子由外部的防露型絕緣拉棒和內(nèi)部的發(fā)熱體組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。可直接裸露在煙氣中。具有抗拉伸強(qiáng)度高(額定拉伸負(fù)荷100kN)，高溫絕緣性能好，抗熱震性的溫
度范圍寬(>700℃)，耐腐蝕，抗衰老等優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)熱體直接安裝在防露型絕緣拉棒內(nèi)部的溝槽內(nèi)，發(fā)熱體所發(fā)出的熱量絕大部分被防露型絕緣拉棒直接吸收，并迅速傳遞到絕緣拉棒的內(nèi)、外表面，使其表面保持一定的溫度。發(fā)熱體功率和電壓：250W、36V。接通電源3小時(shí)后，防露型絕緣拉棒內(nèi)發(fā)熱體的升溫效果及作用與防露型絕緣瓷套的發(fā)熱體相同。
防露型拉棒絕緣子可用于懸吊總重為10噸的陰極框架，低低溫電除塵器一個(gè)供電分區(qū)的4個(gè)吊點(diǎn)的絕緣分別安裝3只防露型絕緣拉棒和1只防露型支撐瓷套絕緣子，其安裝如圖6所示。防露型拉
棒絕緣子也可用于陰極框架側(cè)部的防擺支撐。
2.3.2用于濕式電除塵器的防露型絕緣子
對(duì)于濕式電除塵器，可采用防露型支撐瓷套絕緣子和防露型拉棒絕緣子來(lái)防止絕緣子結(jié)露爬電，但其結(jié)構(gòu)和安裝方式與低低溫電除塵器略有差異。另外，還可采用防露型支柱絕緣子和防露型防擺絕緣子。
1)防露型支柱絕緣子
防露型支柱絕緣子由外部的絕緣支柱和內(nèi)部的發(fā)熱體組成，可直接裸露在煙氣中。具有抗壓強(qiáng)度高、高溫絕緣性能好、抗熱震性的溫度范圍寬(>700℃)、耐腐蝕、抗衰老等優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)熱體直接安裝在絕緣支柱底部的溝槽內(nèi)，發(fā)熱體所發(fā)出的熱量絕大部分被絕緣支柱直接吸收，并迅速傳遞到絕緣支柱的內(nèi)、外表面，使其表面保持一定的溫度。發(fā)熱體功率和電壓：250 W～300W、36V。接通電源3小時(shí)后，防露型絕緣支柱發(fā)熱體的升溫效果及作用與低低溫電除塵器防露型絕緣瓷套的發(fā)熱體相同。
防露型支柱絕緣子一般采用2只一組，安裝在電除塵器的頂部抬著陰極吊桿，也可從陰極框架的側(cè)部伸出懸臂梁，將4只防露型支柱安裝在電除塵器本體兩側(cè)外的框架上，抬著陰極框架。防露
型支柱絕緣子安裝示意圖如圖7所示，其局部放大圖如圖8所示。
為了更好地防濕，防露型支柱絕緣子的外表面設(shè)計(jì)成下掠式傘裙(翅)，如圖9所示。傘翅下方45°虛線范圍內(nèi)的表面為雨淋遮蔽面，設(shè)計(jì)時(shí)其展開長(zhǎng)度不應(yīng)小于絕緣子干狀態(tài)下的爬電距離。
2)防露型防擺絕緣子
濕式電除塵器的陰極框架全部被噴淋水籠罩，防擺絕緣子又是水平安裝，防濕尤為重要。防擺絕緣子安裝如圖10所示。
絕緣子室外應(yīng)加裝防水罩，以防噴淋水直接噴灑在絕緣子表面。
濕式電除塵器所用的絕緣子金屬附件應(yīng)全部采用防腐不銹鋼，以延長(zhǎng)使用壽命。
3優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)在低低溫電除塵器改造中的實(shí)際應(yīng)用
3.1改造方案
華能南京電廠#2爐300MW機(jī)組經(jīng)低低溫電除塵器改造后，電除塵入口煙氣溫度在露點(diǎn)以下。由于煙氣溫度的下降，電除塵器內(nèi)的絕緣子表面出現(xiàn)凝露，導(dǎo)致表面爬電，絕緣失效，為保證安全運(yùn)行，瓷瓶加熱將連續(xù)投用，會(huì)面臨如下問(wèn)題：一是單純連續(xù)投用加熱器能否有效避免爬電現(xiàn)象的發(fā)生，還有待于運(yùn)行的實(shí)踐檢驗(yàn);二是電耗大，瓷瓶加熱方式采用電加熱，總功率150kW，如果連續(xù)投用，功耗很大;三是瓷瓶修理費(fèi)用勢(shì)必增加(電加熱器和瓷瓶連續(xù)投用容易損壞，需要更換);四是機(jī)組在線運(yùn)行，更換損壞瓷瓶和加熱器既不安全，也不方便。因此有必要對(duì)瓷瓶絕緣水平進(jìn)行提升改造。
因電除塵器后面溫度更低，為更好檢驗(yàn)實(shí)際效果，選取其中的一個(gè)供電分區(qū)進(jìn)行絕緣改造，并作為試驗(yàn)電場(chǎng)。電除塵器每個(gè)電場(chǎng)陰極框架除了通過(guò)4個(gè)瓷瓶來(lái)懸吊并實(shí)現(xiàn)絕緣，還要對(duì)陰極振打軸進(jìn)行絕緣，四、五電場(chǎng)還在陰極框架的下部安裝了防擺絕緣子。因此，此次試驗(yàn)除了對(duì)電除塵器懸吊方式進(jìn)行改造外，還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)軸絕緣子和防擺絕緣子同步進(jìn)行改進(jìn)。
改造方案如下：
(1)在原普通工業(yè)電瓷絕緣及支撐的基礎(chǔ)上，每只工業(yè)電瓷套管加裝防露型穿墻套管，使絕緣子的總爬電距離達(dá)1000mm，用增加爬電距離方法來(lái)避免和解決瓷瓶?jī)?nèi)壁爬電問(wèn)題。
具體改造步驟為：
1)安裝施工前應(yīng)測(cè)量陰陽(yáng)極框架間相互位置和空間距離，并做好記錄;
2)用提升工具鉤住陰極框架的大梁，旋緊螺母，將陰極框架提升1~5mm;
3)拆除原上蓋板，將加長(zhǎng)短接與陰極吊桿旋緊，并用電焊燒牢。注意燒電焊時(shí)，必須對(duì)絕緣瓷套做好防護(hù)，焊渣、火花等不得飛濺到瓷表面，以免對(duì)絕緣瓷套造成損傷;
4)然后按順序?qū)⑸仙w板、石棉密封墊、穿墻套管、緩沖墊、壓蓋和螺帽等零部件安裝;
5)旋緊大螺帽后，將提升工具拆除。最后通過(guò)大螺帽調(diào)整陰極框架的高度，將陰極框架恢復(fù)原狀。陰極吊桿的頂端與絕緣子室頂蓋的空間高度必須大于200mm;
6)最后接入高壓電源。將焊接在壓蓋上的接線端子接上高壓電源線排,電源接頭必須接觸良好，可用螺栓并牢壓緊，也可用電焊焊接。但如果用電焊焊接時(shí)，同樣應(yīng)注意保護(hù)好瓷絕緣子。
改造后的結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。
(2)將振打旋轉(zhuǎn)軸絕緣子換成大爬距絕緣子，爬電距離增加到1000mm以上。
(3)將陰極框架下部絕緣板的8根金屬夾持臂換成95瓷絕緣臂，使下部防擺絕緣子的爬電距離也增加到1000mm以上。
3.2 效果
改造工作于2014年10初完成，經(jīng)過(guò)絕緣改造后的電場(chǎng)的二次電壓明顯升高，與相鄰的電場(chǎng)比較，其運(yùn)行電壓也較高，說(shuō)明該電場(chǎng)絕緣良好。經(jīng)過(guò)半年來(lái)實(shí)際運(yùn)行，證實(shí)改造效果良好。
由此可見，這種絕緣結(jié)構(gòu)完全能夠勝任在低低溫電除塵器的濕煙氣環(huán)境下工作。甚至不必投運(yùn)電加熱器，絕緣子也能維持正常運(yùn)行，節(jié)能效果顯著。據(jù)估算，對(duì)于300MW機(jī)組的電除塵器來(lái)講，每年可節(jié)約電能110萬(wàn)度。
4 結(jié)論
本文較為深入的研究和探討了影響高壓電場(chǎng)絕緣性能的因素，提出了低低溫和濕式電除塵器絕緣性能優(yōu)化方法，并介紹了低低溫電除塵器絕緣改造實(shí)例。主要結(jié)論為：
(1)低低溫、濕式電除塵器的絕緣水平在很大程度是由絕緣子的表面狀況，即表面電荷的積聚、帶電微粒的運(yùn)動(dòng)以及表面覆蓋物(酸露和水膜等介質(zhì))的影響程度和場(chǎng)強(qiáng)所決定。
(2)為確保低低溫和濕式電除塵器的絕緣性能，需加大絕緣子的爬電距離，濕煙氣狀態(tài)下絕緣子的表面爬電距離宜取干煙氣狀態(tài)爬電距離的1.5倍～2倍，即單位電壓的防爬電距離取15mm/kV～20mm/kV。可根據(jù)工作電壓選取絕緣子的表面爬電距離。
(3)通過(guò)改變電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，合理布置電阻和電極可使絕緣子表面電場(chǎng)更為均勻，以降低絕緣子周圍的合場(chǎng)強(qiáng)。
(4)防露型絕緣子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，可靠性好。對(duì)于低低溫電除塵器，可采用防露型支撐瓷套絕緣子、防露型拉棒絕緣子和防露型穿墻套管絕緣子來(lái)防止絕緣子結(jié)露爬電，濕式電除塵器還可采用防露型支柱絕緣子和防露型防擺絕緣子即絕緣拉棒。
(5)防露型絕緣子已在華能南京電廠#2爐300MW機(jī)組低低溫電除塵器改造項(xiàng)目中得到應(yīng)用驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)絕緣改造后的電場(chǎng)二次電壓明顯升高，效果良好。
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(轉(zhuǎn)載自《北極星節(jié)能環(huán)保網(wǎng)》）