摘要：调研了国内200台套燃煤电厂电除尘器电耗，按机组容量的不同，将其划分为300MW、600MW和1000MW三个等级，分别从鼓励先进和淘汰落后两个角度研究了电除尘器电耗评价指标，确定了不同机组容量、不同煤种除尘难易性及不同出口烟尘浓度下的电除尘器能效限定值及节能评价值。以能效限定值来衡量电除尘器能耗是否超标，以节能评价值来衡量电除尘器是否节能运行，为强制性国家标准《电除尘器能效限定值及节能评价值》的研制提供理论基础。
1 前言
电除尘器具有处理烟气量大、除尘效率高、适应范围广、设备阻力低、使用简单可靠、运行维护费用低且无二次污染等优点，一直以来都是我国电力行业消烟除尘的主流设备，据不完全统计，目前我国燃煤电厂中电除尘器的使用装机容量比例为80%以上。《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)出台后，尤其是近年来随着燃煤电厂烟气污染物“超低排放”相关政策的实施，对我国电除尘技术的要求越来越高，同时对电除尘器的能耗也带来了挑战。尽管适应我国新排放要求的电除尘技术层出不穷，但总体上看，设备性能及能耗等仍参差不齐，且设备能耗评价缺乏统一标准。
电除尘器的主要能耗为设备电耗。为响应国家节能减排政策，挖掘电除尘技术潜力，规范、完善电除尘器电耗评价制度，本文基于国内200台套燃煤电厂电除尘器电耗调研数据和相关文献资料，分别从鼓励先进和淘汰落后两个角度对国内电除尘器电耗情况进行分析，研究了电除尘器电耗评价指标，为强制性国家标准《电除尘器能效限定值及节能评价值》的研制提供理论基础。
2 国内电除尘器电耗调研
电除尘器总电耗包括电除尘器电耗和设备压力降引起的引风机电耗。其中电除尘器电耗可分为高压供电设备电耗和低压用电设备电耗(包括振打电机、灰斗加热、绝缘子加热等电耗)。
电除尘器电耗数据通过调研得到。本文调研了国内主要的电除尘器本体厂家和电源厂家所生产的200台套燃煤电厂电除尘器的电耗，涵盖10家本体厂家和12家电源厂家，这些厂家的业绩占现役电除尘器总数的80%以上。机组容量涉及300MW~1050MW，其中300MW级机组电除尘器78台套，600MW级机组电除尘器102台套，1000级机组电除尘器20台套。
设备压力降引起的引风机电耗数据通过计算得到。不同机组的电除尘器本体压力降差别不大，本文中均按250Pa计。在实际运行过程中由于电动机发热、传动部件间摩擦等因素引起的能量损失不能被忽略。因此，在计算引风机电耗过程中，需要考虑引风机效率系数和传动效率系数，本文按0.85计。计算公式如下：
式中：
W阻——设备压力降引起的引风机单位时间的电耗，单位为千瓦时每小时，kW˙h/h;
Q——电除尘器处理烟气量，单位为立方米每小时，m3/h;
P——电除尘器压力降，单位为帕斯卡，Pa。
0.85——引风机效率系数与传动效率系数的乘积。
300MW级、600MW级和1000MW级机组电除尘器的工况烟气量分别按200×104m3/h、360×104m3/h、500×104m3/h计，根据公式(1)可得，其引风机电耗分别为163kW、294kW和408kW。
根据上述调研及计算数据，可得300MW级、600MW级和1000MW级机组电除尘器总电耗分别如图1、图2、图3所示。其中，300MW级机组电除尘器总电耗平均值为896kW，最大值为1600.7kW，最小值为445.5kW;600MW级机组电除尘器总电耗平均值为1341kW，最大值为2762kW，最小值为470.2kW;1000MW级机组电除尘器总电耗平均值为1683kW，最大值为2928kW，最小值为1039.8kW。
图1 300MW级机组电除尘器总电耗统计结果
图2 600MW级机组电除尘器总电耗统计结果
图3 1000MW级机组电除尘器总电耗统计结果
3 比电耗
3.1 “比电耗”的提出
为较客观、科学地表述电除尘器电耗情况，本文引入“比电耗”的概念对电除尘器的电耗水平进行评价。比电耗是指在工况条件下电除尘器处理单位含尘烟气量所需的总电耗，其单位为千瓦时每立方米，kW˙h/m³，计算公式如下：
式中：
C——比电耗，单位为千瓦时每立方米，kW˙h/m³;
W——电除尘器单位时间的总电耗，单位为千瓦时每小时，kW˙h/h;
Q——电除尘器单位时间处理的工况烟气量，单位为立方米每小时，m3/h。
3.2 比电耗的影响因素及修正
电除尘器比电耗的影响因素十分复杂，不仅与机组容量、电除尘器对煤种除尘难易性、出口烟气含尘浓度要求等有关，还与电除尘器的高压电源型式及控制方式、运行条件等有关，且不同的电除尘器制造厂家采用的结构型式和技术水平存有差异也将直接影响电除尘器的比电耗。电源型式、控制方式及运行条件等影响因素对电除尘器比电耗无需修正或无法修正，因此，本文中仅对机组容量、电除尘器对煤种除尘难易性以及出口烟气含尘浓度三方面因素进行修正，如公式(3)所示。
式中，
Cx ——不同条件下的比电耗，单位为千瓦时每立方米，kW˙h/m³;
C ——某一基准值下的比电耗，单位为千瓦时每立方米，kW˙h/m³;
K1——机组容量修正系数;
K2——煤种除尘难易性修正系数;
K3 ——出口烟尘浓度修正系数。
1)机组容量修正系数K1的确定
对机组容量而言，大容量机组单位耗煤量和排污量与小容量机组相比较小，处理单位烟气量所需的电耗也较低，因此，电除尘器机组容量越大，相对比电耗越小。根据国务院出台的《关于加快关停小火电机组若干意见的通知》中提出的“上大压小”要求，小容量机组应占被淘汰的高能耗机组的绝大多数，机组容量对应的比电耗系数不应修正，但考虑到目前我国300MW级小容量机组较多这一实际情况，本文中将此系数作出适当修正。300MW级、600MW级、1000MW级机组容量对应比电耗修正系数可分别定为1.05、1.0、0.97。
2)煤种除尘难易性修正系数K2的确定
电除尘器对煤种的除尘难易性是指在给定的煤、飞灰及烟气成分、烟气温度、飞灰粒度等条件下，电除尘器达到性能指标的难易程度。其评价可分为“容易”、“较容易”、“一般”、“较难”、“难”。为简单起见，本文按煤、飞灰成分将其划分为“较好”、“一般”、“较差”。
电除尘器的电耗水平与其性能密切相关，而影响电除尘器性能的因素很复杂，对燃煤电厂而言，大体上可分为三大类：工况条件，包括燃煤性质(成分、挥发分、发热量、灰熔融性等)、飞灰性质(成分、粒径、密度、比电阻、粘附性等)、烟气性质(温度、湿度、烟气成分等)等;电除尘器的技术状况和运行条件。在上述影响因素中工况条件为主要影响因素，其中煤、飞灰成分对电除尘器性能的影响最大。在达到相同除尘效率前提下，煤质越差，所需比集尘面积越大，即所需电除尘器容量越大，比电耗也越大。例如，当电除尘器出口烟气含尘浓度限值为30mg/m3时，对除尘难易性为“较好”的煤种，电除尘器所需比集尘面积约为130m2/(m3˙s-1);对除尘难易性为“一般”的煤种，电除尘器的容量约需增加10%，;对除尘难易性为“较差”的煤种，电除尘器所需比集尘面积还约需增加10%。结合多年的电除尘器选型设计经验及《电除尘器选型设计指导书》的相关内容，煤种除尘难易性为“较好”、“一般”、“较差”对应比电耗修正系数可分别定为0.9、1.0、1.1。
3)出口烟气含尘浓度修正系数K3的确定
对出口烟气含尘浓度而言，在其它条件相同的情况下，出口烟气含尘浓度限值越低，所需的电除尘器容量越大，电除尘器比电耗越大。例如，电除尘器对煤种除尘难易性为“较好”的煤种，当电除尘器出口烟气含尘浓度限值为30mg/m3时，所需比集尘面积约为130m2/(m3˙s-1);当电除尘器出口烟气含尘浓度限值20mg/m3时，电除尘器的容量约需增加20%;如果电除尘器出口烟气含尘浓度限值要达到15mg/m3时，电除尘器的容量还约需增加20%。根据多年的电除尘器选型设计经验，并结合《电除尘器选型设计指导书》的相关内容，出口烟尘浓度为30mg/m3、20mg/m3、15mg/m3对应比电耗修正系数可分别定为1.0、1.2、1.4。
4 电除尘器电耗评价指标
4.1 电除尘器能效限定指标
为淘汰落后产品，引入“能效限定值”的概念，即在规定标准测试条件下，且性能达到设计要求时，电除尘器所允许的最大比电耗，本文将其作为能耗限定指标。比电耗超过此指标的电除尘器属高能耗产品。
本文选取各机组容量在煤种除尘难易性为“一般”、出口烟气含尘浓度为30mg/m3时的能效限定值为主要分析对象。结合比电耗影响因素对应修正系数以及比电耗计算公式(2)，可得300MW级、600MW级、1000MW级机组电除尘器在该条件下的能效限定值分别为0.59×10-3kWh/m3、0.56×10-3kWh/m3、0.54×10- 3kWh/m3。300MW级、600MW级和1000MW级机组电除尘器的工况烟气量按200×104m3/h、360×104m3/h、500×104m3/h计，可得对应能效限定值的电耗分别为1176kW、2016kW、2716kW。根据K2、K3，可得不同煤种除尘难易性、不同出口烟气含尘浓度时电除尘器的能效限定值及对应的电耗值。
根据电除尘器电耗调研数据，在煤种除尘难易性为“一般”、出口烟气含尘浓度为30mg/m3的条件下，300MW级机组电除尘器能耗超标数量为14台，占该等级机组的17.9%;600MW级机组能耗超标数量为4台，占该等级机组的3.9%;1000MW机组能耗超标数量为1台，占该等级机组的5.0%。
需要说明的是，一般情况下，机组容量越大能耗超标机组百分比越小，但1000MW级机组能耗超标机组所占比例为5.0%,，略高于600MW级机组的3.9%，这是调研数据中1000MW级样品数量偏少仅为20台所致。实际上，1000MW级机组能耗超标机组数量只有1台。
4.2电除尘器节能评价指标
为鼓励先进产品，引入“节能评价值”的概念，即在规定标准测试条件下，且性能达到设计要求时，节能型电除尘器所允许的最大比电耗，本文将其作为节能评价指标。比电耗低于此指标的电除尘器属节能型产品。
本文选取各机组容量在煤种除尘难易性为“一般”、出口烟气含尘浓度为30mg/m3时的节能评价值作为主要分析对象。结合比电耗影响因素对应修正系数以及比电耗计算公式(2)，可得300MW级、600MW级、1000MW级机组电除尘器在该条件下的节能评价值分别为0.28×10-3kWh/m3、0.27×10-3kWh/m3、0.26×10-3kWh/m3，其对应节能评价值的总电耗分别为567kW、972kW、1310kW。根据K2、K3，可得不同煤种除尘难易性、不同出口烟气含尘浓度时电除尘器的节能评价值及对应的电耗值。
根据电除尘器电耗调研数据，在煤种除尘难易性为“一般”、出口烟气含尘浓度为30mg/m3的条件下，300MW机组电除尘器节能达标数量为10台，占该等级机组的12.8%;600MW级机组电除尘器节能达标数量为31台，占该等级机组的30.4%;1000MW机组电除尘器节能达标数量为8台，占该等级机组的40.0%。
5 电除尘器电耗评价指标分析
根据本文的电除尘器电耗指标，调研样本中电除尘器能耗超标数量为19台，占所有机组的9.5%;节能达标数量为49台，占所有机组的24.5%。
调研样本中电源厂家提供的样本占了较大比例，电除尘器处于节能模式下运行的比例也较大，据国内外相关资料介绍，在一定条件下电除尘器节电效果可达30%~50%0，调研也表明，电除尘器在不同的的不同电源型式及运行方式下其电耗差距在50%以上;且出口烟气含尘浓度值可能达不到30mg/m3的要求，实际节能达标的电除尘器比例会小于上述数据。
2011年3月中国华能集团发布的企业标准《优秀节约环保型燃煤发电厂标准》(试行)规定在不考虑引风机电耗时对于优秀的节约环保型600MW级以上超临界机组，电除尘器厂用电率≤0.20%，其它机组≤0.25%0。随着环保产业发展，各大发电集团对发电相关设备用电率提出了更高的指标，要求优秀节能型电除尘器在不考虑引风机电耗时的厂用电率应低于0.1%，一般规定，300MW级、600MW级、1000MW级机组的优秀节能电耗分别不高于350kW、600kW、900kW，即考虑引风机电耗时其对应的节能总电耗分别为513kW、894kW、1308kW。本文中在煤种除尘难易性为“一般”、出口烟气含尘浓度为30mg/m3的条件下300MW级、600MW级、1000MW级机组考虑引风机电耗时电除尘器节能评价值对应的总电耗分别为567kW、972kW、1310kW，其值略大于各大发电集团提出的优秀节能电耗。本文确定的电除尘器节能评价值基本符合各大发电集团提出的用电率要求。
目前我国电除尘器供电电源技术的发展取得很大进展，机组采用普通供电方式时的电耗较节能运行方式高出几倍的情况比比皆是，这也是形成电除尘器电耗水平参差不齐的主要原因之一。电除尘器不同的电控技术也会对电耗产生重大影响，我国数以千计的现役电除尘器中，采用普通形式的电源或采用普通运行方式的产品不占少数。调研样本表明，不同级别机组总电耗差异较大，即使相同等级机组配套电除尘器总电耗差距也达4倍以上。因此，不能对能效限定值提出过高的要求。根据我国国情，本文确定的能效限定值是合理的，电除尘器能效限定值与节能评价值相差较大也是符合实际情况的。
6 结论
1)通过调研国内200台套燃煤电厂电除尘器电耗，发现其电耗水平参差不齐，相同等级机组配套电除尘器总电耗差距达4倍以上，表明我国电除尘器有很大的“节能”空间，急需出台相关标准予以规范。
2)本文通过比电耗来分析电除尘器的电耗水平，确定了合理的电耗评价指标。以能效限定值来衡量电除尘器能耗是否超标，以节能评价值来衡量电除尘器是否节能运行，为国家相关标准的研制提供了理论基础。
3)强制性国家标准《电除尘器能效限定值及节能评价值》即将出台，拟定现役20%左右的机组电除尘器为节能型产品，将予以鼓励，现役10%左右的机组电除尘器为高能耗产品，将予以淘汰。这给我国电除尘技术带来了挑战，同时也将给电控技术带来机遇。
