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电厂锅炉等离子点火技术简介

发表时间：2021/6/29 来源：《科学教育前沿》2018年11期作者：林超

[导读] 【摘　要】锅炉启动及低负荷助燃用油是电厂发电成本的重要组成部分，开发新技术减少燃油、降低发电成本是广大科技工作者长期研究的课题。随着世界原油价格的上涨及国内电厂竞价上网政策的出台，节约电厂锅炉点火及助燃用油的呼声愈来愈高。在这种背景下，使等离子煤粉点火燃烧技术得到应用。通过对各种点火装置的比较，突出等离子点火的优点，并分析了等离子点火燃烧器的原理以及在电厂的实际应用情况，指出采用等离子点火燃烧器

        林超（张家口发电厂     河北张家口     075000）
      【摘　要】锅炉启动及低负荷助燃用油是电厂发电成本的重要组成部分，开发新技术减少燃油、降低发电成本是广大科技工作者长期研究的课题。随着世界原油价格的上涨及国内电厂竞价上网政策的出台，节约电厂锅炉点火及助燃用油的呼声愈来愈高。在这种背景下，使等离子煤粉点火燃烧技术得到应用。通过对各种点火装置的比较，突出等离子点火的优点，并分析了等离子点火燃烧器的原理以及在电厂的实际应用情况，指出采用等离子点火燃烧器是电厂节能降耗、减少投资的有效的良好途径。
      【关键词】等离子点火     燃烧器
        中图分类号：　　　TM6　　　文献标识码：　　　Ａ　　文章编号：ISSN1004-1621（2018）11-067-03
        1引言：
        随着我国火力发电事业的不断发展，燃煤电站锅炉每年耗油量越来越大。近年来燃煤机组装机容量的快速增长，其耗油量也随之大幅上升，为应对日益短缺的石油资源和不断上涨的油价，应该对燃煤电厂点火油系统进行改造，以降低燃油消耗，节约能源。因此锅炉点火和稳燃用油被作为一项重要的指标来考核，因此等离子点火技术应用而生。
        2等离子点火介绍：
        等离子点火技术的研究，始于上世纪70年代美国研制的等离子体煤粉点火器。最突出特点是无油、快速、简便、安全、经济。主要包括：等离子发生器结构的研究与设计；等离子发生器阴、阳极材质的试验研究；大功率等离子发生器的连续稳定运行技术；对自主开发的逐级点火、分级内燃、气膜冷却的等离子燃烧器结构进行试验，并不断改进；在不影响主燃烧器主要性能的条件下，主燃烧器兼有等离子点火的功能；研究等离子点火及稳燃系统在不同煤种、炉型、制粉方式条件下与锅炉燃烧系统的匹配。其点火机理是靠等离子体发生器发射的高温等离子体射流，直接点燃一次风煤粉，实现冷风点火。对于配有电除尘器的机组，由于不用燃油点火，因此点火期间就可投运电除尘器，有良好的环保效益，这是一套全新工艺，确保了点火过程的经济性。由此可见等离子点火可以实现无油点火，同时减少了对环境的污染。
        2.1等离子点火的基理
        等离子点火装置利用直流电流在介质气压约 0.02MPa的条件下接触引弧产生直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒破裂粉碎，迅速燃烧。此方式下煤粉燃烧所需引燃能量很小等离子体内含碳氢氧原子、原子团、离子和电子等大量化学活性的粒子，等离子体不仅可以促进燃料完全燃烧，还可以增强煤粉的挥发效应，使得低挥发煤粉在燃烧器内也能得到充分燃烧。电弧的电源由200KW的直流电源柜供给，在阴极和阳极间产生电弧。其功率在50～150KW间连续可调，中心温度可达6000℃。一次风粉送入等离子点火装置经浓淡分离后，使浓煤粉进入电弧核心，在约0.1s内迅速着火，并稳定燃烧；经浓淡分离后的淡煤粉在补入足够二次风的氧量支持下，借助于已燃烧的煤粉火焰接力燃烧，燃烧器向炉内喷出煤粉炬。在合理的风粉配比情况下，能良好地控制锅炉升温升压速度，在达到一定的炉膛温度下，投入其它燃烧器，安全可靠地启动锅炉。同时在锅炉低负荷情况下，可随时投入运行，起到良好的稳燃作用。该装置以压缩空气为载体，以约200mm的等离子体电弧点燃煤粉；燃烧器壁面以气膜包围火焰，起到冷却燃烧器壁面，防烧损、防结渣的作用，并用软化水对电极及线圈进行冷却。
        2.2等离子点火装置的组成
        2.2.1等离子煤粉燃烧器和等离子发生器。
        这是等离子点火装置的主体部分，通常可在主燃烧器上改型或单独设置点火燃烧器。其中等离子发生器是等离子点火装置的重要组成部分。由线圈、阴极、阳极组成。其中阴极材料采用高导电率的金属材料或非金属材料制成。阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。线圈在高温250℃情况下具有抗2 000 V的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。其发火原理为：首先设定输出电流，当阴极前进同阳极接触后，整个系统具有抗短路的能力，且电流恒定不变。当阴极缓缓离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管外部。具有0.03 MPa左右压力的空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体，其能量密度高达105～106 W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。
        2.2.2等离子冷却水系统
        等离子电弧形成后，弧柱温度一般在5000K到30000K范围，因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极必须通过水冷的方式来进行冷却，否则很快会被烧毁。为保证好的冷却效果，需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极，因此需要保证冷却水不低于0.3MP的压力。另外，冷却水温度不能高于30℃，否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，要采用电厂的除盐化学水。
        2.2.3载体风系统。
        等离子发生器要求采用稳压、洁净、干燥的空气作为等离子载体，一般可以在现场设2台罗茨风机为等离子发生器提供载体，2台风机1备1用；也可以直接从电厂的压缩空气系统接入。
        2.2.4等离子空气系统
        压缩空气是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，通过线圈形成的强磁场的作用压缩成为压缩电弧，需要压缩空气以一定的流速吹出阳极才能形成可利用的电弧。因此，等离子点火系统的需要配备压缩空气系统，压缩空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。
        2.2.5壁温测量
        在等离子燃烧器内设有壁温监测系统，在线监测燃烧器壁温，以防止燃烧器超温。每个燃烧器有两个壁温测量信号，壁温测量信号直接进入DCS系统，温度元件采用铠装E分度。
        2.2.6风粉在线检测
        为便于等离子煤粉燃烧器风速的控制，在用于等离子点火的5根一次风管上各安装一套风速在线监测装置，用于在线监测一次风速，方便运行人员进行燃烧调整。整个系统的显示和控制由DCS完成。一次风速测量系统中电磁阀、差压变送器过滤减压阀集中布置在一次风速测量柜中，只需接入吹扫压缩空气、差压信号管即可。
        2.2.7图像火焰监视
        将煤粉燃烧器的火焰直观地显示给运行人员，对锅炉的安全运行及燃烧调整有极大的帮助。在DLZ-200等离子点火系统中为每个等离子点火燃烧器配置了1支高清晰图像火检探头。该探头采用军用CCD直接摄取煤粉燃烧的火焰图像，图像清晰，不失真。为使CCD避开炉内高温，每只探头均采用长焦距监测镜头。探头外层加装了隔热机构，有效阻断二次风传导热及炉膛辐射热。探头前部采用特种耐温玻璃，能抗1500℃熔融灰渣对镜面的冲刷，镜面长期光滑无损。每只探头均需通入冷却风，一方面冷却CCD和镜头，另一方面冷却风通过探头前端通道风组合弧形冷却风喷射机构，可避免飞灰、焦块污染镜头。
        2.2.8控制系统与FSSS、DCS接口设计
        结合DCS的设计特点，参考其它直吹式制粉锅炉的特点，为保证机组安全，保护动作可靠，增加如下设计：
        A.在DCS设计磨煤机"正常运行模式"与"等离子运行模式"两种运行模式，并可相互切换，从而实现磨煤机FSSS逻辑切换功能；
        B."正常运行模式"运行时，A磨煤机维持原有的FSSS逻辑；
        C."等离子运行模式"运行时，增加：
        a)A磨煤机FSSS启动条件增加等离子S7-300送来的各角等离子工作正常信号；
        b)任一角等离子工作故障10s未恢复时，保护停A磨煤机；
        c)A磨煤机煤火检保护条件改为2/4；
        d)A磨煤机跳闸，等离子点火器跳闸；
        D.锅炉MFT时，等离子点火器跳闸，并禁启；
        E.等离子点火装置异常，S7-300送声光报警信号至主控光字牌。
        F.各角等离子运行正常信号送至FSSS；
        G.各角等离子运行故障信号送至FSSS；
        H.A磨煤机跳闸信号与锅炉MFT两个信号"或"后送至等离子控制S7-300。"正常运行模式"运行时，A磨煤机维持原有的FSSS逻辑。
        2.2.9冷炉制粉系统。
        为了满足在冷炉启动时磨煤机对热一次风温度的要求，应配备冷炉制粉系统。一般采用蒸汽加热器对空气进行加热，加热器布置在磨煤机入口风门另设旁路上，加热器进口设1个电动隔绝风门，加热器出口设1个电动调节风门，电动隔绝风门、电动调节风门在DCS上控制。
        2.3等离子点火系统
        应用等离子点火技术需要对锅炉下层燃烧器改为等离子燃烧器，既可以用作等离子燃烧器，同时也可以用作锅炉主燃烧器，但该燃烧器摆角不能摆动，不参与锅炉再热汽温的调节。整个燃烧器应用多级燃烧原理，将高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配，使系统的风粉浓度、气流速度处于一个十分有利于点火的工况条件，从而完成一个持续稳定的点火、燃烧过程。
        2.3.1等离子点火燃烧系统
       如图2.1，等离子点火燃烧系统包括等离子燃烧器和风粉系统。等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。等离子点火风粉系统包括给粉机、磨煤机、暖风器、一次风、二次风、冷却风等。

        2.3.2等离子点火系统
        等离子点火系统包括等离子发生器、电气系统、产生等离子电弧的空气系统以及等离子冷却水系统等。等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，煤粉颗粒通过该等离子受到高温作用而迅速燃烧。等离子发生器电源系统是用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置。其中大部分等离子发生器电源系统主要有6组大功率晶闸管组成的三相全控整流桥、大功率直流调速器、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。压缩空气是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，需要压缩空气以一定的流速冲击阳极才能形成可利用的电弧。因此，等离子点火系统需要配备压缩空气系统，并要求压缩空气是洁净的而且是压力稳定的。
        2.3.3监控系统
        监控系统包括等离子燃烧器壁温监测、风粉在线监测及图像火检监测等。为了确保等离子燃烧器的安全运行，在燃烧器的相应位置安装了监视壁面温度的热电偶。为控制一次风速在设计范围，在一次风管还加装了一次风速测量系统。在等离子点火系统中可以为每个等离子点火燃烧器配置一支高清晰图像火检探头，以将煤粉燃烧器的火焰直观地显示
        2.3.4等离子燃烧器结构
        对于配置直吹式制粉系统的锅炉采用将主燃烧器改造成既能用等离子点火又能作主燃烧器的方式，用该方案改造时将需要改造的主燃烧器拆下，更换成特殊设计的主燃烧器，该燃烧器在点火、稳燃期间当点火器用，正常运行时作主燃烧器用。因此等离子燃烧器的结构随被改造的主燃烧器的具体型式、结构和布置不同而不同。
        2.4等离子系统的调式与投用
        2.4.1等离子点火系统主要调试工作
        等离子调试工作主要有等离子燃烧器一、二次风标定，电气系统调试，控制系统调试，等离子辅助系统调试，冷却水泵，载体风机的试转，确认其冷却水量，风压满足系统要求。联锁保护试验。等离子冷态拉弧试验，等离子热态投用。
        2.4.2等离子发生器的启弧、稳弧试验
        等离子发生器主要由阳级、阴极和稳弧线圈三部分组成，是等离子点火装置的核心部件，电源的稳定性、抗冲击负载的能力及控制系统的调节品质都对启弧、稳弧起着至关重要的作用。试运中多次投运等离子点火装置，对等离子发生器进行启弧试验、并对电弧的稳定性进行了考核。
        2.4.3等离子点火系统联锁保护
        制粉系统联锁与没有等离子点火系统的锅炉有所区别。锅炉点火作为等离子点火允许条件。等离子点火系统有等离子模式和非等离子模式两种运行方式，非等离子模式下的联锁和普通锅炉没有区别，在等离子模式下，2/4断弧或1/4断弧且相应该角煤火检无时跳磨煤机，等离子4角拉弧成功作为点火能量允许条件。等离子点火系统有专门的火检探头，可以在集控室监视煤粉喷嘴燃烧情况。
        2.4.4等离子点火系统热态投用与运行
        (1)等离子点火的投用
        在锅炉吹管，整套启动调试各个阶段投用等离子煤粉燃烧器，可以起到用油点火相同的作用，可以不投用油枪，节约燃油。吹管时投用制粉系统，由于磨煤机最低煤量的要求，燃烧燃料量较大，吹管时蒸汽温度容易偏高，能达到410℃。应采取合适调整方法，避免蒸汽温度过高，或者提高吹管临时系统的金属允许温度，消除安全隐患。投用等离子点火后应及时进行空预器吹灰，避免尾部烟道再燃。在锅炉启动过程中，能满足锅炉升温升压曲线的要求。
        (2)等离子系统的运行
        锅炉采用等离子系统无油启动的一般步序是：启动图像冷却风系统，启动冷却水系统，投入压缩空气系统，启动炉膛吹扫，切换磨煤机为等离子运行方式，投入磨煤机的暖风器，#1～#4角等离子拉弧，启动制粉系统。
        采用直吹式制粉系统的锅炉在安装等离子点火系统时所要解决的首要问题就是煤粉的来源问题。在反复论证的基础上，采用了蒸汽加热器解决冷炉制粉问题，即在磨煤机入口的热一次风管上，安装一套蒸汽加热器，汽源由厂用汽提供，以实现在锅炉点火初期，磨煤机入口温度能够满足磨煤机一定煤量干燥出力的要求。试运中，对蒸汽加热器系统进行了吹扫，系统严密性较好，疏水通畅，未发生水击现象。
        3等离子点火技术的缺点
        综上所述，应用等离子点火系统一方面能节约大量燃油，维护费用低，产生经济效益；另一方面，投资在调试投运阶段从节约的燃油费用中就可以全部收回。在煤质稳定且达到或接近设计煤种的情况下，经济效益会更明显。等离子点火系统的投用虽能节约点火升温阶段的燃油，但因煤质的影响，其助燃用油会增加，造成生产成本的上升，因而在实际应用过程中电厂应考虑在点火启动阶段和低负荷阶段尽量采用品质较好的原煤，以提高经济性和锅炉的燃烧稳定性。但是等离子点火器阴极寿命较短且性能不稳定，大电机启动造成等离子点火电源电压下降，导致等离子断弧。等离子点火系统复杂，日常维护量也比较大。同时还存在下面的问题：
        (1)等离子装置断弧，检查阴极头是否烧损。而在正常运行中，等离子装置所在的磨煤机不再运行时要确保有冷却风，通有适量的冷风，监视等离子装置的壁温不超过600℃。防止烧坏等离子装置。
        (2)等离子暖风器的停运维护，检查供汽电动门是否严密，有蒸汽漏入暖风器中发生爆炸或可燃气体积存时间较长而发生爆燃。需要采取一定的措施。
        (3)由相邻磨煤机风道提供风源这种方式，在切换时要操作仔细，一般要求预热器出口热风温度达到160℃左右可停止暖风器运行。
        (4)等离子发生器可以在80kW～120kW范围内启弧、稳弧，煤粉的点燃、稳燃都能得到保证，具有较强的调节性能。
        4结论
        通过对等离子点火燃烧器的工作原理和系统组成的介绍，分析了等离子点火系统在锅炉启动调试中的主要工作，指出其存在问题并提出解决措施。通过对其优缺点的分析得出结论：
        （1）燃煤电厂采用等离子点火装置是可行的，在试运和运行中可带来良好的经济效益和社会效益，也完全符合国家的节约能源战略。
        （2）近年来，等离子点火装置的实践已积累了丰富的经验，安全性和可靠性不断提高。阴极头的使用寿命已接近80h，等离子发生器稳定可靠，等离子燃烧器性能稳定、燃烧效率提高，有效保证了启动过程的安全。
        （3）监控系统已纳入DCS，系统的可调性、可控性、可靠性不断提高。
        （4）简便易行的冷炉制粉技术，高效、低阻、耐磨损的管道浓缩技术以及有效、可靠地降低磨煤机出力。

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