等离子点火技术在火电机组上的应用.pdf

A而 篙 电 力 安 全 技 术 苏志鹏 广 东粤华 发电有 限责任公 司，广 东 广州 5 1 0 7 3 1 [ 摘要]介绍了等离子点火装置的结构组成、 系统工作原理、燃烧机理等内容，结合等离子点火技术 在新投产 3 0 0 MW 机组上的应 用情况，对等离子点火技术存在的磨煤机制粉 系统热风控制等问题进行 了总 结和 分析 。 [ 关键词]等离子点火；应 用；参考 等离子点火技术是利用相对廉价的电能产生等 离子去直接点燃煤粉 ，是 目前较理想的点火技术途 径。应用等离子点火技术 ，可在基建调试期间节约 大量的燃油，并且可以使 电除尘器及早投入 ，减少 粉尘的排放 ，避免环境污染，给 电厂带来显著的社 会效益和经济效益。 佛山南海发电厂二期工程装设 2台3 0 0 MW 亚 临界汽轮发电机组 ，锅炉型号为 HG-1 1 0 0 ／ 1 7 ． 5 一 Y M3 3 ， 为亚临界参数变压运行垂直管圈直流炉 ， 采 用四角切圆燃烧方式。 在基建调试期间，为了节约能源 ，减少新机组 调试过程燃油消耗量 ，南海电厂决定在原设计用轻 油点火的燃煤四角喷燃锅炉上增加等离子 火设备。 其主要设计方案是将锅炉最底层煤粉燃烧器改造为 等离子点火燃烧器。在锅炉点火和稳燃期间，等离 子点火燃烧器具有等离子点火和稳燃功能 ；在锅炉 正常运行时， 等离子点火燃烧器具有主燃烧器功能 ， 且其出力及燃烧工况与原来保持一致。燃烧器轴向 装有等离子点火器。 1 等离子点火技术概述 1 ． 1 等离子点火系统组成 等离子点火系统主要由以下几部分组成 1 等离子发生器。产生电功率为5 0 k W～1 5 0 k W 的空气等离子体。 2 直流电源柜 含整流变压器 。将三相 3 8 0 V 电源整流成直流电，用于产生电弧。 3 点火燃烧器。 与等离子发生器配套使用 ， 以 点燃 、燃烧煤粉。 4 控制系统。由P L C、C R T、通讯接口和数 据总线构成。 5 辅助系统。由冷却水、空气的供给系统组 成。 1 ． 2 等离子点火机理 等离子点火系统利用直流电流 大于2 0 0 A 在介 质气压大于 0 ． 1 MP a的条件下接触引弧，并在强磁 场下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子 体在燃烧器的一次燃烧筒中形成温度大于5 0 0 0 K 的 局部高温区。当煤粉颗粒通过该等离子 “ 火核”时， 受到高温作用， 在 0 ． 0 0 1 S 内释放 出挥发物，造成煤 粉颗粒破裂粉碎、加速燃烧。由于这个反应是在气 相中进行的，使混合物的粒级组成发生了变化 ，使 煤粉的点燃速度加快 ，也有助于加速煤粉的燃烧。 这样，等离子点火系统就大大地减少了煤粉燃烧所 需要的引燃能量 等离子体内含有大量化学活性粒子，可加速热 化学转换，促进燃料的完全燃烧 。除此之外，煤粉 在等离子体的作用下，可比通常情况下提高 2 0 ％～ 8 O ％的挥发份，即等离子体有再造挥发份的效应， 这对点燃贫煤、强化燃烧有特别的意义。 1 ． 3 等离子发生器工作原理 等离子发生器为磁稳空气载体等离子发生器 ， 由线圈、阴极、阳极组成。其中，阴极采用高 电导 率的金属材料或非金属材料制成， 阳极由高电导率、 高热导率及抗氧化的金属材料制成。阴极和阳极均 采用水冷方式，以减小电弧高温冲击。等离子发生 器的线圈在2 5 0℃高温下具有抗 2 0 0 0 V的直流电压 击穿的能力 ，电源采用全波整流并具有恒流性能。 等离子发生器的具体结构如图 1 所示。 等离子发生器的点火过程为 一 一 A丽 电 力 安 全 技 术 第 l 2 卷 2 0 1 0 年 第 1 0 期 1 设定输出电流； 2 阴极前进同阳极接触 ，整个系统具有抗短 路能力且保持 电流恒定不变 ； 3 阴极缓缓离开阳极，电弧在线圈磁力的作 用下拉出喷管 ； 4 压力为0 ． 0 3 MP a 左右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 l 0 5 w／ c m ～1 0 6 W／ c m ，为点燃不同的煤种创造了 良 好的条件。 线罔 阳极 阴极 图 1 等离子 发生器结构不总 1 ． 4 等离子燃烧机理 由于高温等离子体有限的能量，不可能同无限 的煤粉量和风速相匹配 ，因此设计了多级燃烧器。 多级燃烧器的意义在于应用多级放大的原理 ，使系 统的风粉浓度、气流速度处于十分有利于点火的工 况条件， 从而完成持续、 稳定的点火、 燃烧过程。实 验证明，运用这一原理 及设计方法使单个 燃烧器 的出力从 2 t ／ h提升到 1 0 t ／ h 。在建立一级点火燃 烧过程中，采用将经过浓缩的煤粉垂直送人等离子 火炬中心区，使 5 0 0 0℃～1 0 0 0 0℃的高温等离子 体同浓煤粉汇合，伴随的物理化学过程使煤粉原挥 发份的含量提高了 2 0 ％～8 0 ％，其点火延迟时间不 大于 l S 。 2 等离子点火技术的应用 2 ． 1 磨煤机制粉热风的运行控制 南海发电厂采用了直吹式制粉系统，应用等离 子点火技术的首要目的是解决锅炉启动时磨煤机的 干燥出力问题。如果锅炉没有热风，磨煤机就没有 足够的制粉条件 ， 就无法实现整个机组的无油启动。 在机组设计方案中，通过在磨煤机人 口热风道上增 加等离子暧风器 ，使磨煤机在锅炉冷态启动初期即 一 一 可投人运 行 。 在等离子暧风器实际运行中，经暖风器加热后 的一次风温实际只有 1 3 0℃左右 ，远达不到设计值 1 8 0℃。 由于暖风器蒸汽来源于电厂的辅汽联箱， 要 想通过提高暖风器入 口蒸汽压力、 温度来提高风温 ， 会受到辅汽系统允许压力的限制。通过多次试验 ， 南海发电厂采取在磨煤机启动前 1 h投入暖风器运 行 、 加大疏水、 提高辅汽压力到0 ． 8 MP a ～0 ． 9 MP a 等方法，使磨煤机入 口一次风温达到了 l 5 0℃。当 磨煤机给煤量为 l 5 t ／ h时，磨煤机出口风温达到 6 0℃～6 5℃， 基本满足磨煤机的干燥出力要求。在 磨煤机运行 2 h后 ， 空气预热器后一次风温即可达 到 l 7 0℃，暖风器可退出运行，这就解决了磨煤机 的冷炉制粉问题。 2 ． 2 点火初期煤粉燃尽率低 2 ． 2 ． 1 原因分析 等离子点火时产生的温度虽高 ，但热强度不 够 ，因此在冷启动初期容易造成煤粉燃尽率低。南 海发电厂第 1次运用等离子点火启动后，锅炉飞灰 含碳量达到 4 2％，其主要原因有 1 等离子点火只是把煤粉 中的挥发份迅速 电 离出来并点燃 ， 进而引燃部分煤粉， 而固定碳的完全 燃烧取决于炉膛温度水平。在点火初始阶段，由于 炉温较低，煤粉不能完全燃烧。 2 磨煤机刚启动时 ，为满足锅炉升温、升压 速率的要求及保护整个吹管阶段的再热器 ，炉膛烟 温比较低， 初始给煤量也 比较低 ， 因此煤粉浓度低， 着火情况不够理想。 为了防止飞灰可燃物浓度高造成的锅炉尾部烟 道再燃或预热器、除灰设备着火等重大事故，必须 采取措施尽可能提高等离子点火初期煤粉的燃尽率。 2 ． 2 ． 2 采取措施 1 调平一次风速 在等离子点火装置投入前，应对磨煤机各一次 风粉管的风速进行调平， 使风速偏差小于 5 ％。 同 时，在热态时对各管风速进行微调 ，确保各管煤粉 浓度基本一致。 2 降低煤粉细度 煤粉越细 ，升温越快 ，燃尽率越高。因此，在 点火试运期间进行了煤粉细度的调整试验，改变磨 煤机出口的分离器挡板开度和煤粉细度，将 E 磨煤 机分离器挡板开度从5 0 ％调到4 0 ％， 煤粉细度 R 9 0 从 3 2 ％降至 2 0 ％。调整后，煤粉着火稳定性明显提 第l 2 卷 2 0 1 0 年第 l 0 期 电力安全技术 高 ，炉膛燃烧状况良好。由于燃煤挥发份较高容易 发生结焦，并且分离器挡板关小后将导致磨煤机的 出力降低 ，因此不能继续减小挡板开度。 3 适当降低一次风速 一 次风速的合理选择对煤粉燃烧状况至关重 要。由于神华煤易于结渣 ，当一次风速较低时，将 产生燃烧器结焦、烧损甚至一次风管堵塞等 问题 。 因此，在试运初期应用等离子点火时，采用了较高 的一次风速 2 8 m／ s ～3 0 m／ s ，这样就导致了煤粉 经过等离子弧核区的时间相对较短，煤粉着火情况 较差 ，飞灰含碳量高。通过分析认为 ，由于点火初 期含粉气流浓度较低，一般为2 0 ％左右，燃烧器结 焦、风管堵粉的可能性极小。因此在后续点火时控 制一次风速小于 1 9 m／ s ，并适当提高点火功率 ，待 燃烧稳定后再适当提高一次风速 。从实际燃烧情况 看 ，将一次风速调整为 1 9 m／ s 后 ，煤粉着火稳定、 火焰中心变亮，未出现结焦现象，既保证了煤粉着 火稳定、燃尽率高，又保证了燃烧设备安全、稳定 运行。点火稳燃后，一次风速不宜高于 2 8 m／ s ，否 则将使燃烧效率下降，飞灰可燃物大幅度增加。 4 提高磨煤机出口温度 磨煤机出口温度对等离子煤粉点火燃烧器的着 火特性有很大影响。一次风温度越高 ，煤粉所需的 着火热量就越少 ，煤粉越容易燃尽。因此等离子点 火装置投运时，应尽量提高磨煤机出口风粉} 昆 合物 的温度。但为了防止磨煤机着火，磨煤机出口温度 设定为小于等于 9 0℃。在磨煤机实际启动过程 中， 由于磨煤机入 口冷风容量设计偏小，因此在开热风 门暖磨过程中，出口温度上升较快，在 1 0 mi n内已 接近 9 0℃。为了使磨煤机出口温度不超过允许温 度 ，及早投入了给煤机，但在给煤后磨煤机出口温 度迅速降至5 3℃以下 ， 炉内火焰发暗 ， 闪烁频繁 ， 煤 粉燃烧状况不佳。经过摸索和试验 ，采取了以下措 施解决这一问题 在磨煤机启动前全开冷风门，微 开热风门，以增加暖磨时间，将磨煤机及一次风管 充分暧透， 同时将磨煤机出口温度上限修改为 1 1 0℃。 在采取上述措施后，投入给煤机后 ，磨煤机出口温 度降至6 3℃，炉内火焰明亮、无闪烁，煤粉燃烧状 况良好。 5 尽快提高炉膛温度 在满足冷态启动的升温、升压 曲线的前提下， 应尽早投入其他燃烧器，尽快提高炉膛温度。随着 热风温度及炉膛温度的升高 ，喷口火焰明显变长、 A丽 变亮 ，煤粉燃尽率得到显著提高。 采取上述各种措施后，锅炉飞灰可燃物含量大 幅下降 ，点火初期只为 2 5 ％左右，投入第 2台磨煤 机后，飞灰含碳量低于 l 5 ％，进一步减少了因飞灰 积聚而导致的锅炉尾部烟道二次燃烧 、预热器和除 灰设备着火等事故的发生。 2 ． 3阴极使用寿命 等离子发生器在应用过程中普遍存在着阴极头 使用寿命短的问题， 阴极头设计使用寿命为5 0 h 。 根 据实际经验 ，在阴极头累计使用超过 3 0 h后，应加 强监视等离子发生器运行状况，加强阴阳极和线圈 的温度监视 ，以便及时更换阴极头，防止因阴极寿 命 问题引起突然断弧，造成系统的意外扰动。 对于等离子点火装置，启弧时高温区在阴极头 上 ，在等离子拉弧运行过程中，阴极材料会逐渐烧 损，因此要保证阴极的寿命就必须很好地冷却阴极 头。 在南海发电厂中设置了2 台等离子冷却水泵， 并 互为备用 ，以确保能充分冷却阴极头。同时，为防 止冷却水管路内部结垢 ，冷却水采用除盐水。为了 进一步提高阴极的使用寿命，对等离子点火器冷却 水压力和空气压力进行了优化调整试验。原设计冷 却水压力为 0 ． 4 MP a 、空气压力为 1 ． 5 k P a～4 ． 5 k P a ， 在实践中将冷却水压力提高到0 ． 5 MP a ， 空气 压力调整到 8 k P a 。 改进后运行情况表明， 阴极耗损 速度减小 ，点火器阴极寿命可以达到 8 0 h～1 0 0 h， 充分保证了等离子燃烧器的长时间安全稳定运行。 3 结束语 佛山南海发电厂应用等离子点火系统后，在整 个基建调试过程中实现了吹管、冲转 并网、带满 负荷全过程无油点火，经济效益显著，达到并超过 了预期要求。在使用等离子点火装置期问，未发生 锅炉尾部出现二次燃烧及炉内灭火打炮现象，等离 子点火燃烧器没有结焦现象。在锅炉启动过程中， 等离子点火燃烧器投切 自如、迅速 ，满足机组启动 的各项要求。 参考文献 l赵家瑞 ．空气等离子弧切割机的原理和设计．北京 机械工业出 版社 ，1 9 9 6 ． 2冀光 ．等离子点火器燃烧流场数值与实验研究[ 学位论文】 ．哈 尔滨哈尔滨工程大学 ， 2 0 0 6 ． 收稿 日期 2 0 1 0 一 4 一 o 6 一 一