电力电子与电力传动研究生毕业论文(编辑修改稿)

电力电子与电力传动研究生毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

月，世界上第一套工业示范装置处理 100MW电厂锅炉烟气的“电子束辐照法”由中日合作在成都热电厂建成投运，装置投资 亿元，实际脱硫率 80%、脱硝率 18%。 装置单位建设投资约 1000/元 KW1，每吨二氧化硫脱除费用约 1000 元。 该项目于 1998 年5 月通过国家验收，是目前世界上投入运行的处理烟气量最大（ 200，000Nm3/h）电子束脱硫装置。 电子束法与传统工艺相比，有以下优点：①脱硫脱硝同时进行，脱除效率较高；②工艺流程简单，操作容易；③干式方法，无排水和废渣的二次 污染；④处理过程中不用触媒，粉尘影响很小，且无老化、结垢、硕士论文 13 阻塞、腐蚀等问题；⑤干式方法，不影响原系统的热效率，烟气可不必再加热即从烟囱排放；⑥添加氨后，生成物可作肥料回收综合利用；⑦设备占地面积小，建造费比常规法低；⑧对锅炉运行无不良影响，能适应锅炉负荷的变化，对锅炉热效率无影响。 电子束法的关键设备是能长期稳定运行的大功率电子枪，大容量的电子加速器造价昂贵，技术要求高，且其功率难以满足应用于工业烟气量的需要；电子加速器产生电子束的同时也产生 X 射线，工业应用时必须建造混凝土防辐射装置来保护人的安全；电子束能 量很大一部分损失在离子的碰撞上（离子的热运动对形成有脱硫作用的活性自由基不起作用），故其电能的消耗较大，大约为电厂所发出电能的 3％。 脉冲电晕法 1986年 Masuda和 Mizuno根据电子束法的特点而提出用几万伏以上的脉冲电源代替电子加速器产生等离子体的脉冲电晕法。 19861987 年，在 Masuda 实验室访问的中国学者吴彦对脉冲电晕引起的等离子体化学方法（ Pulse corona induced plasma chemical process, PPCP）脱除烟气中的 NOX、 SOX和 Hg 蒸汽 做了大量的先期的实验工作，确定了该方法的可行性。 1990 年左右，意大利的 ENEL 公司在 Marghera 热电厂首次利用真实烟气进行了 1000Nm3/h 的小试试验，为进一步的工业试验提供了必要的数据。 1996 年，大连理工大学建造了 1000Nm3/h烟气脱硫装置，并进行了许多研究工作。 华中理工大学的李劲教授、北京理工大学的李瑞年教授对脉冲电晕法也做了许多试验和机理方面的研究。 脉冲电晕放电等离子体烟气脱硫法：给反应器放电极加上几万伏 ns 级脉冲电压，产生 5~20eV 的高能电子，而离子仍处于与气体平衡的状态，高能电子与中性电子碰撞，产生 O、 OH、 HO2和 O3等，这些活性物质引发的反应，硕士论文 14 在有氨加入的条件下，将 SO NOX转化为硫铵和硝铵。 脉冲电晕法的最大优点就是能起到电子束法同样的作用而又克服了电子束法的缺点，它省掉了大功率、需长期稳定工作的昂贵电子枪，避免了电子枪寿命和 X 射线屏蔽问题，而且具有以下优点：①具有用简便的方法集烟气脱硫脱硝和除尘为一体的潜力；②可能在发电厂现有的静电除尘设备基础上进一步改造发展而成，投资较小；③产生的最终产物易于处理和获得回收利用，避免了废液、废渣等二次污染问题。 目前是国内外广泛关注的技术 并最具有良好应用前景。 目前脉冲电源的问题在于：①有效电子的产生率不及电子束法高，能耗也高，这是因为脉冲电源输出特性较差；②用旋转火花隙开关使脉冲波形变坏；③用电容器组作初级储能，由于储能密度低、寿命短、性能价格比低等缺点，不适合用于处理大气流量和连续稳定运行的脉冲发生器；④利用火花隙作为开关产生脉冲，脉冲频率一般在几百 Hz，作为工业应用脱硫效率较低。 脉冲电源系统是实现脉冲电晕脱硫脱硝技术产业化的关键之一。 流光电晕放电脱硫脱硝技术要求在有载条件下脉冲电源系统提供较陡上升前沿（数十纳秒级）的脉冲电流电压波形。 脉冲宽度应依据反应器放电空间的情况 (极间距及流光速度 )而定 ,以避免二次流光通过反应空间造成能量浪费。 同时 ,系统要具有一定的轻便灵活的特点 ,特别要求系统能长期 (3 千小时到 6 千小时 )有效连续工作 ,以适应电厂运行的要求。 对实验室研究而言 ,数百瓦乃至数千瓦的功率要求使得电源系统较易实现 ,而对一 30 万千瓦发电机组而言 ,要采用电晕放电技术有效地脱硫脱硝 ,需脉冲电源功率系统提供约 3600KW 的平均功率。 这将带来一系列的问题 ,如系统热效应 ,高功率开关预期寿命等。 采用传统的脉冲电源很难实现。 从长远来看，开拓突破传统的开关 方式的新型开关技术，是重复硕士论文 15 脉冲功率技术发展的关键所在。 交直流叠加电源流光放电等离子体发生技术 1998 年，阎克平教授等发布了采用交直流叠加电源（ AC/DC）电源发生流光电晕的台式试验结果，该电源与窄脉冲高压电源发生的流光在脱除 NOX 效果方面相同。 窄脉冲电源流光的发生是同步的，而 AC/DC的电源流光随机分布在较大的时间范围。 2020 年 40KW 交直流叠加电源的研制成功，并在烟气脱硫的工业试验装置上，成功发生了分布良好的流光电晕。 AC/DC 电源所用的故态开关器件寿命长，该电源造价仅为窄脉冲电源的 10～ 20％。 该电源采用新型电力电子开关器件代替火花隙，这样可以大大的提高开关的寿命以及电源工作的可靠性和稳定性。 电源利用谐振原理在反应器上产生的正弦波形的上升时间在微秒级，虽然达不到 ns 级，但开关频率可以提高至 50KHz，在单位时间内产生的流光数量大大增加，同样可以达到很好的脱硫效果。 该脱硫脱硝电源采用交直流电源叠加的方式，直流基压使放电增强，单脉冲注入能量增大，产生自由基增多，因而氧化脱除量增加。 同时直流基压驱使正离子和电子离开流光通道，在更大的范围内发生复合反应，自由基分布更广，与 SO2 等接触增加， 因而脱硫效果增加。 所叠加的高频交流电压作用和传统脉冲电源作用相同，主要用于流光电晕的产生。 有关反应器的研究综述 脉冲电晕反应器的结构一般为线筒式或线板式，工业实验一般为线板式，这主要是从处理烟气量方面的考虑。 例如意大利的 100Nm3/h 工业小试装置和大连理工大学的 300Nm3/h 工业小试装置都为线板式。 在硕士论文 16 大量的实验和理论研究的基础上，近年来人们在努力使脉冲电晕法去除有害气体的技术向实际应用转化，设计了各种各样的反应器处理的气体包括： NOX， SO2， Hg 蒸汽和易挥发性有机气体 VOCs（ Volatic anic pounds）。 Chang J S 概述了各种反应器，例如：点对板式、点对点式、线筒式和填充床式等，对放电特性、反应过程和脱除效率做了详细的描述。 日本的增田实验室设计了一种将除尘器和脉冲电晕反应器做成一体的反应器，处理垃圾焚烧后产生的有害气体 NOX， SO2， Hg 和 HCL。 Ohkubo、 Kanazawa 和 Chang J S 等人分别研究了自由基喷淋式脉冲电晕反应器，这种反应器的放电极上装有喷嘴，从喷嘴喷出的被处理气体经过喷嘴尖端的强电场区，被激发、分解和电离，以活性粒子的形式注入反应 器。 值得指出的是，反应器作为电源的负载对交直流叠加电源的设计，以及输出的波形有较大的影响。 反应器一般呈容性，在电源和反应器系统中流光电晕的产生不能脱离反应器，电源和反应器必须结合在一起研究，实现电源和反应器的最佳匹配。 167。 流光放电等离子体 烟气脱硫工艺流程介绍 流光放电 烟气脱硫的工艺流程如图 1－ 1 所示：是一套完整的设备，将它嵌入燃煤电厂烟气排放系统内，一端接受除尘器的尾气，另一端将脱硫脱硝的气体，送入烟囱。 分区湿式反应器包含热化学反应区和等离子体反应区，烟气先经过热化学反应区，由液态吸收剂吸收大部分 SO2，得到浓度达到摩尔量级的亚硫酸盐溶液 ；进入等离子体反应区时，经受脱硫脱硝处理，同时也将热化学反应区的生成液雾化喷入，使生成液中的亚盐氧化为正盐。 由于初始氧化速度提高千百倍，使反应器能耗降低 硕士论文 17 30％ ～ 50％。 燃煤烟气 150 ℃除尘器100 mg / m 3 换热器 干燥器分区湿式反应器换热器烟囱 140 ℃ 70 ℃硫酸盐50 ~ 60 ℃AC / DC水 吸收剂 图 1－ 1 流光放电等离子体烟气脱硫工艺流程图 Figure11 Technical flow chart of streamer discharge plasma FGD 在此工艺流程中，烟气脱硫率 90％以上，脱硝率 10～ 50％（根 据需要选择）；利用来气的热量，将等离子体反应器生成的正硫酸盐溶液脱水，产生副产物干粉。 此工艺流程实现物料平衡和能量平衡，水耗仅为烟气增湿用水；总耗电不超过厂用电 2％，并将显著降低占地面积。 氨泄漏 5ppm（ 85mg/Nm3）。 167。 本课题的主要研究内容 本文就当今世界上主要的集中烟气脱硫的方法进行了分析和比较，说明了脉冲电晕法的优点和现存技术上的缺点。 为了改进这些缺点，本文在分析了脉冲电晕流光放电脱硫方法机理的基础上，分析了高压直流电晕和高压交直流叠加电晕放电的形式，说明了交直流叠加流光放电脱硫 技术是一种新型可行的具有大规模工业应用前景的技术。 根据流光放电脱硫的要求，论文主要讨论高压直流电源，高频高压交流电源，交直流叠加电路，以及控制和保护电路的设计。 在校内的中型实验平台上进行了实验，结果表明装置具有很好的脱硫效果。 硕士论文 18 第一章绪论，首先讨论了烟气脱硫技术应用的必要性、紧迫性和课题背景。 比较了世界上正在应用和研究的几种等离子体烟气脱硫技术，说明脉冲电晕法是其中一种具有良好应用前景的烟气脱硫技术，介绍了一种采用交直流叠加电源流光放电等离子体发生技术，以及在此基础上的流光放电等离子体烟气脱硫的工艺流程。 第二章流光放电等离子体反应器的初步研究，分析了流光放电等离子体反应器的负载特性，利用镜像法，计算了线板结构反应器的静态电容。 比较了不同供电方式：脉冲供电、直流供电、 AC+DC 供电下流光分布的不同形式，说明 AC+DC 供电方式下，产生的流光放电有效、持续稳定且范围很宽，适合工业化应用。 研究了反应器电极配置形式对 交直流叠加电源 伏安特性的影响，确定板电极的宽度、放电极之间的距离等电极参数，为反应器设计提供必要的理论和实验依据。 第三章交直流叠加电源的工作原理分析，详细论述了高压直流电源、高频高压交流电源和交直流叠 加电路的工作原理。 并介绍了功率母线技术。 第四章交直流叠加电源参数设计和实现，详细说明了电路主电路参数的设计和控制电路的设计，以及在抗电磁干扰方面所做的接地、屏蔽等电磁兼容设计。 并分析了交、直流电源的相关的实验波形。 第五章流光放电等离子体烟气脱硫反应器的设计和试验研究，以12020Nm3/h 为设计目标，确定反应器的通道宽度、电场区域长度和高度。 验证流光放电对脱除 SO2 ， NOx 的作用，分析烟气温度、烟气含水量、烟气停留时间等工业运行参数对脱除率的影响，为以后大规模工业应用提供设计依据。 第六章总结，简要总 结论文的主要研究工作，展望流光放电等离子体烟气脱硫的发展前景。 硕士论文 19 167。 2 流光放电等离子体烟气脱硫反应器的初步研究 167。 反应器负载特性分析 脉冲电晕放电反应器的结构一般为线筒式或线板式，在工业性实验中一般为线板式结构。 反应器作为电源的负载，对放电有很大的影响，所以将反应器和电源结合起来研究，实现两者的优化匹配。 雾 化 喷 头电 晕 线高 压 输 入反 应 器外 壳 图 2－ 1 反应器的截面图 Figure21 The figure of reactor section 在实验的脱硫平台上，反应器的结构为 箱体式线板结构。 反应器的截面图如上图 21 所示，电晕线间距可以调节为 100mm 和 200mm。 硕士论文 20 正极棒状电晕线上焊有规则的放电尖端。 电晕线是悬挂式结构，依靠重力竖直均匀的分布在接地极板的中间。 电晕线上端装有雾化喷嘴，工作时在反应器内形成水雾，增大溶液粒子的反应表面积。 反应器在流光放电前后负载情况有较大的变化。 可以假设反应器负载的电路模型由一个电容和一个电阻并联而成，如图 22 所示，发生流光放电前，电阻呈无穷大，电容为反应器的静态电容；当反应器上的电压升高至一定值时，发生流光电晕放电，此时反应器的电阻阻抗呈 指数下降，电容减小容抗增大，能量通过电阻泻放；在持续一段时间后当电压不足以维持流光放电时，反应器恢复至最初的状态。 图 2－ 2 反应器等效电路 Figure22 Equivalent circuit of the reactor 167。 线板电极结构静态电容的计算 线板电极结构的俯视图如图 所示：所有电极放置在线框上，线框悬挂在两块板电极之间。 线板电极结构静态时（即不放电时）可等效成电容，放电时可等效成静态电容同非线性电阻并联的模型。 hrb板电极 （ 接地 ）r ： 放电极半径h ： 线板间距b ： 放电极邻距放电极 （ 接高压电源 ）图 线板放电极结构俯视图 Figure23 The figure of lineplane reactor planform C R硕士论文 21 + q q qU 0 = 0U 0 = 0放电极 接电极图 连续镜像法线板放电极结构图 Figure24 The figure of lineplane reactor by the method of series enantiomorphy 设放电极上的电荷为＋ q，采用连续镜像法，如图 所示。 忽略边缘效应，由于对称性，只计算下半部的情况，并选择中间的一根放电极为 1号导体，则 1 号导体同地之间的电位差为： 1002 2 2 2 2 2 2 222 4 4 2 4l n 2 l n l n . . . l n2qUlh h b h b h k br b b k b      () 上式中 l 为放电极长度， k 为 1 号放电极右侧的放电极根树，中括号前面的系数 2 是加上了 1 号放电极左侧放电极的作用。 上式可简写为： 1002 2 2k 1224l n 2 l niqU l h h i br ib   () 因所有放电极都放置在线框上，每根放电极具有相同的电位，带电荷量相同，固有： 2 2 2k 101010 224l n 2 l niqCU h h i br ibl   () 硕士论文 22 式中 C10 为每根放电极的对地电容，如果忽略边缘效应，并且假设放电极的 根数足够多，则每根放电极的对地电容相同。 总电容为： 2 2 2 2 2 2k k 1100( 2 1 ) 2 4( 2 1 )2 4 2 4l n 2 l n l n 2 l n2iikkCh h i b h h i br ib r ibll    () 式中（ 2k＋ 1）表示放电极的总根数，这样给出放电半径 r，板电极距离2h，放电极之间距离 b，放电极长度 l 和放电极的根数，即可计算出放电间隙的静态电容。 2h＝ 200mm， r＝ 1mm， l＝ 1mm，改变放电极相邻距离。 放电极和板电极之间总电容的测量值和计算值如表 所示（电容的测量采用 LCR 数字表）结果符合的很好。 表 总电容的测量值和计算值对比 b(mm) C 的测量值（ nF） C 的计算值 （ nF）。