Научно-технические основы создания систем питания высоковольтных устройств пыле- и газоочистки на основе электронно-лучевых вентилей и газоразрядных приборов

Вид материала

Автореферат

Содержание Максимов борис константинович Акимов павел иванович Актуальность темы Цель работы Основные задачи исследования Методы исследования Научная новизна Достоверность результатов Практическая ценность работы На защиту выносятся Апробация работы Личный вклад автора выразился Публикации по теме диссертации Объём и структура работы Основное содержание работы 1 – обычный сеточный ВВП;2, 3 – ЭЛВ при различных потенциалах на уэ;А – анод;уэ – управляющий электрод;К – катод. Глава вторая. Научно-технические основы создания современных источников униполярного и знакопеременного питания электрофильтров. 1…4 – сигналы управления силовыми транзисторами; 5, 6 – сигналы управления подмодуляторами ЭЛВ; Др – драйвер управления; ПМ - по Uсв(0) – начальное напряжение на конденсаторе связи; р 1- источник высокого напряжения; 2 - подмодулятор для ЭЛВ 1/200; 3 - система управления; 4 - блок питания водородного генератора ... Полное содержание

Подобный материал:

• Программа государственного экзамена по направлению подготовки бакалавров 210100 "электроника, 44.26kb.
• Введение в курс промышленной пыле-, газоочистки и переработки отходов производств, 73.83kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности 05. 27. 06 «Технология и оборудование, 81.6kb.
• Опросный лист для заказа сушильного аппарата (установки) с системой пыле- газоочистки, 115.86kb.
• Программа стендовых докладов холл гостиничного комплекса «Беларусь» Секция Научно-технические, 126.43kb.
• Менение вакуумно-ламповой технологии, использование систем памяти на ртутных линиях, 240.38kb.
• Р. Х. Бахтеев (зао «Казанский Рецэн»), 190.97kb.
• Направления, 72.34kb.
• Программа стендовых докладов (постеров) I. Научно-технические основы новых и оборонных, 245.43kb.
• Гидротермальный синтез вискеров на основе, 47.99kb.

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;

2. 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.
   
3. 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.
   
4. 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 (ρ_v > 10⁹ Ом.м) в 2 раза и самоотряхивание осадительных электродов в широком диапазоне известного УЭС пыли (ρ_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. 7^th International Conference on Electrostatic Precipitation. Kyngbuk, Korea, Южная Корея (1998 г.);

- Международной конференции, 12^th 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.