等離子點火技術(shù)在煙煤鍋爐上的應用

【摘要】本文在對等離子點火技術(shù)的基本原理和燃燒機理進行闡述后，以實例設(shè)計為基礎(chǔ)，介紹了等離子點火系統(tǒng)的典型設(shè)計方案，并在最后分析了采用等離子點火技術(shù)所帶來的經(jīng)濟和社會效益。

【關(guān)鍵詞】電廠；等離子點火；煤粉

當前，等離子點火技術(shù)在我國煙煤鍋爐行業(yè)發(fā)展迅速，使用范圍也越來越廣。而如何能充分發(fā)揮出電站鍋爐使用該技術(shù)后的整體科學性和經(jīng)濟性，已成為當下電站鍋爐行業(yè)綜合性的難題。本文對等離子點火系統(tǒng)的技術(shù)原理及燃燒機理進行了探討，并通過實例設(shè)計，為廣大行業(yè)人員提供一定的技術(shù)借鑒。

1、等離子點火基本原理及燃燒機理

1.1基本原理

等離子點火系統(tǒng)主要包含等離子發(fā)生器整流柜、等離子燃燒器、變壓器、高低壓開關(guān)柜。輔助系統(tǒng)由冷卻水、熱控系統(tǒng)、燃燒器壁溫監(jiān)測系統(tǒng)、圖像火檢及冷卻風系統(tǒng)組成。

該系統(tǒng)點火的基本原理就是用大功率的電弧將煤粉直接點燃。在大于0.01MPa氣壓的環(huán)境中，超過200A的直流電流，如果陽極和陰極接觸將會引發(fā)電弧，從而會在周圍產(chǎn)生功率穩(wěn)定的直流空氣等離子體。其中心的溫度約為6000℃，功率的可調(diào)范圍在50～150kW間。在等離子點火煤粉燃燒器中投入一次風粉，再經(jīng)過濃淡分離，濃相煤粉就會進入等離子火炬的中心區(qū)，0.1s內(nèi)便會著火，同時提供高溫熱源于淡相煤粉。淡相煤粉便在高溫熱源的作用下著火，從而形成一個穩(wěn)定的燃燒火炬。

1.2燃燒機理

高溫等離子體由于其自身能量存在局限性，而為了獲得良好的煤粉燃燒率和點火效果，等離子燃燒器要按照多級放大的基本原理，設(shè)計成四級式燃燒區(qū)域。第一區(qū)為等離子拉弧引燃揮發(fā)物區(qū)。整個多級燃燒器的運行效果，受該區(qū)引弧點火的性能影響。首先在中心筒內(nèi)點燃煤粉，投入中心筒的粉量通常在500～800kg/h，具體量要根據(jù)燃燒器容積而定。在中心筒內(nèi)，煤粉穩(wěn)定燃燒并在出口處生成穩(wěn)定的二級煤粉點火源，并按順序逐漸放大。此外，第一區(qū)的金屬壁面上還增加了氣膜冷卻系統(tǒng)，這不僅避免了燃燒器被燒蝕，還解決了煤粉掛焦和貼壁流動現(xiàn)象；等離子燃燒器的第二區(qū)是混合式燃燒區(qū)。應用環(huán)形濃淡燃燒器可將濃粉摻入到主點火燃燒器中燃燒，淡粉流則貼壁，即采用“濃點濃”的基本原則。采用這種方法，既可以對混合段壁面進行冷卻，又對混合段點火的效果有利；第三區(qū)是強化燃燒區(qū)。粉煤在第一、二區(qū)內(nèi)經(jīng)基本的燃燒后，第三區(qū)采取補氧以強化燃燒。通過增加熱焓來提升噴管的初始速度，從而保證火焰長度的加長，最終實現(xiàn)提升疏松炭燃燒率的目的。此區(qū)所采用的氣膜冷卻技術(shù)，也是為了避免結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生；最后是燃盡區(qū)。最后一級的煤粉可直接進入爐膛，而不需要在等離子燃燒器的燃燒室內(nèi)燃燒，這主要是為了增加燃燒器適應一次風速的能力，此時火焰長度由疏松碳的燃燒率決定，而燃燒率則隨著煙氣溫升的增加而增加。

2、等離子點火系統(tǒng)的實例設(shè)計

以某電廠典型的4×300MW機組等離子點火系統(tǒng)的設(shè)計方案為例，該等離子點火系統(tǒng)包括等離子燃燒器和發(fā)生器、控制系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)、圖像火檢系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等組成。

2.1等離子燃燒器和發(fā)生器

在結(jié)合該電廠鍋爐的實際情況后，可將處于A層的四支主燃燒器重新設(shè)計成點火燃燒器。改造后的等離子點火燃燒器包括第一、二級燃燒室、引弧裝置及氣膜冷卻系統(tǒng)等部分。第一級燃燒室內(nèi)設(shè)置濃淡系統(tǒng)，煤粉在燃燒室內(nèi)與等離子電弧產(chǎn)生劇烈的電化學裂解反應后，將產(chǎn)生大量的揮發(fā)份并迅速被點燃；在第二級燃燒室內(nèi)，揮發(fā)份和煤粉混合物劇烈燃燒，而氣膜冷卻系統(tǒng)則負責對二級燃燒室壁的冷卻，同時將固定碳噴出至爐膛內(nèi)并補充所需要的空氣。

2.2控制系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)

該電廠內(nèi)可供應4×250kVA的AC380V容量的電源及開關(guān)，并分成四路向四臺隔離變壓器分別輸送，再與整流柜相接。

2.3圖像火檢系統(tǒng)

在每個靠近等離子點火燃燒器的看火孔上分別安設(shè)一個火檢探頭，以保證對等離子點火裝置的正常運行情況進行實時監(jiān)視，其監(jiān)視視頻信號傳送至集控室內(nèi)的四畫面分割器中，后經(jīng)信號處理再傳送至工業(yè)電視中?；饳z冷卻風由新增的兩臺離心載體風機同時提供。

2.4壓縮空氣系統(tǒng)

此系統(tǒng)可直接由該廠兩臺新增的離心風機提供，壓力要大于0.3MPa，并確保壓力穩(wěn)定，空氣要干燥、潔凈、穩(wěn)壓。系統(tǒng)的壓力滿足信號傳送至整流柜，壓力的開關(guān)信號傳送至等離子發(fā)生器。

2.5冷卻水系統(tǒng)

為了對等離子發(fā)生器提供安全性保護，其線圈和陽、陰極要用水進行冷卻。冷卻水要經(jīng)過除鹽化處理，每臺設(shè)備的用水量在8t/H左右，系統(tǒng)的水溫要低于40℃，壓力要控制在0.2～0.4MPa，回水壓力為大氣壓力。

3、需注意的問題

在對該系統(tǒng)進行設(shè)計時，要對熱工保護進行分析，并充分考慮如下問題：冷卻系統(tǒng)中壓縮空氣的品質(zhì)必須潔凈，如果包含油或水，則等離子發(fā)生器的陽極就會被污染，導致斷弧或引拉弧失敗等事故，其點火系統(tǒng)的可靠性無法保障；在鍋爐處于冷態(tài)的點火初期，要對等離子點火裝置進行細致的調(diào)試，再投運并直接點燃煤粉，才能獲得高燃燒率；系統(tǒng)點火運行時，等離子燃燒器的電弧可能會發(fā)生熄火現(xiàn)象，部分煤粉未燃盡并被噴入爐膛，威脅爐膛的安全。

4、經(jīng)濟及社會效益分析

300MW機組在試運行期間，要經(jīng)歷汽輪機的沖轉(zhuǎn)、電氣試驗、大負荷運行等過程，而此時鍋爐無法完全斷油或投運磨煤機運行，需要消耗大量的燃油。按照以往試運行經(jīng)驗，第一、三臺機組試運行期間耗油為3500t左右，第二、四臺耗油為2000t左右。整套機組燃油消耗總量11000t，燃油費為3000元/t，則燃油總耗費為3300萬元。

如果初期試運行采用的是離子煤粉點火系統(tǒng)，總?cè)加拖牧繎陀?000t，燃油總耗費為600萬元；按照相等的發(fā)熱量，所需總原煤量為（設(shè)計煤種的低位發(fā)熱量21000kJ/kg，燃油低位發(fā)熱量4.18×104kJ/kg）：（11000-2000）×4.18×104/21000=17.9×103t。原煤價格為400元/t，則燃煤總費用：17.9×103×400=717萬元；系統(tǒng)點火器的材料消耗費約為10萬元；機組總耗電約為60萬元（電價0.23元/kW.h）。改造后總的費用消耗為：600+717+10+60=1387萬元，經(jīng)濟效果明顯。另外，該系統(tǒng)在鍋爐點火時，就可啟用電除塵裝置，避免煙塵對環(huán)境造成污染，有明顯的社會效益。

5、結(jié)束語

通過以上對等離子點火系統(tǒng)的探討，我們可以很直觀的了解到，該系統(tǒng)不僅能夠完全滿足鍋爐在啟動和低負荷助燃的功能，還具有相當?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會效益也非常明顯，應用及推廣前景巨大。

參考文獻

[1]姚文達等.電站鍋爐微油點火技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].華電技術(shù)，2008，30（1）：14-1 8.

[2]電站鍋爐等離子點火技術(shù)應用指南[N].國家電力公司，國電科[2002]650號.

作者簡介

郭守義（1983年03月）男，漢族，大學專科，助理工程師，從事電廠調(diào)試工作。

王國君（1986年07月）男，滿族，大學本科，助理工程師，從事電廠調(diào)試工作。