高水分、低熱值褐煤大功率等離子點(diǎn)火試驗(yàn)研究

閆金山，張成銳，李建偉，徐榮田，張方煒，張 綺

（1.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074；2.神華勝利發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；3.神華國(guó)能寧夏煤電有限公司，寧夏 銀川 750011；4.華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100032；5.北京清遠(yuǎn)順合環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100043）

褐煤的典型特點(diǎn)是高水分、高揮發(fā)分、低熱值，長(zhǎng)途運(yùn)輸很不方便，目前采用褐煤作為燃燒燃料的發(fā)電廠，應(yīng)用常規(guī)等離子點(diǎn)火系統(tǒng)不能可靠點(diǎn)燃。為了在褐煤機(jī)組鍋爐上節(jié)約燃油消耗和減少污染物排放，迫切需要大功率等離子點(diǎn)火系統(tǒng)來(lái)可靠點(diǎn)燃高水分、低熱值的褐煤煤粉。神華勝利發(fā)電廠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市的東北郊，工程安裝2×660 MW高效超超臨界間接空冷機(jī)組，設(shè)計(jì)及校核煤種均為內(nèi)蒙古錫林浩特勝利煤田一號(hào)露天礦原煤，設(shè)計(jì)和校核煤種的煤質(zhì)及灰成分分析見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)煤種和校核煤種煤質(zhì)及灰成分分析

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備與運(yùn)行說(shuō)明

試驗(yàn)采用中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院擁有自主專(zhuān)利技術(shù)的“一種IGBT晶體管整流供電的等離子點(diǎn)火與穩(wěn)燃系統(tǒng)”，采用高精度的三相十二脈整流+IGBT調(diào)制直流整流電源、大功率管狀旋流等離子噴槍、帶駐定斜坡擾動(dòng)的分級(jí)燃燒煤粉燃燒器等設(shè)備。

試驗(yàn)臺(tái)以660 MW煤粉鍋爐單只燃燒器1∶1比例搭建，集制粉、給粉、輸粉、冷風(fēng)加熱、分級(jí)燃燒煤粉燃燒器、大功率等離子噴槍、直流整流電源、燃燒室和煙風(fēng)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)于一體。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備布置見(jiàn)圖1。

圖1 大功率等離子點(diǎn)火試驗(yàn)臺(tái)布置圖

2 試驗(yàn)評(píng)判方法及測(cè)試儀器

2.1 試驗(yàn)評(píng)判方法

以離煤粉燃燒器噴口不同距離的煤粉燃燒火焰溫度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，具體設(shè)置為以煤粉燃燒器噴口作為起始點(diǎn)，按照0.5 m長(zhǎng)度為步進(jìn)間隔，一共設(shè)置10個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，采用K型熱電偶作為溫度測(cè)量?jī)x器，記錄每個(gè)點(diǎn)的火焰溫度，同時(shí)采用視頻攝像機(jī)對(duì)燃燒火焰進(jìn)行拍照攝像，作為輔助評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試儀器

主要試驗(yàn)測(cè)試儀器見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)測(cè)試儀器

3 試驗(yàn)運(yùn)行工況及結(jié)果分析

3.1 煤粉濃度大小對(duì)點(diǎn)火的影響

煤粉濃度大小對(duì)點(diǎn)火的影響試驗(yàn)共進(jìn)行了三組。

（1）第一組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。兩個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖4 煤粉濃度0.17 kg/kg（T-02）試驗(yàn)畫(huà)面

表3 煤粉濃度大小對(duì)點(diǎn)火影響（第一組）

圖2 燃燒器噴口火焰溫度（第一組）變化趨勢(shì)圖

圖3 煤粉濃度0.11 kg/kg（T-01）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-01穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為361℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到300℃共用時(shí)26 s；工況T-02穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為693℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到300℃共用時(shí)26 s，升到630℃共用時(shí)54 s。

（2）第二組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。兩個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖6、圖7。

表4 煤粉濃度大小對(duì)點(diǎn)火影響（第二組）

圖5 燃燒器噴口火焰溫度（第二組）變化趨勢(shì)圖

圖6 煤粉濃度0.11 kg/kg（T-08）試驗(yàn)畫(huà)面

圖7 煤粉濃度0.17 kg/kg（T-07）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-08穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為368℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到260℃共用時(shí)22 s；工況T-07穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口最高溫度為725℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到260℃共用時(shí)12 s，升到450℃共用時(shí)28 s。

（3）第三組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表5，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8。三個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖9～圖11。

圖11 煤粉濃度0.17 kg/kg（T-11）試驗(yàn)畫(huà)面

表5 煤粉濃度大小對(duì)點(diǎn)火影響（第三組）

圖8 燃燒器噴口火焰溫度（第三組）變化趨勢(shì)圖

圖9 煤粉濃度0.08 kg/kg（T-10）試驗(yàn)畫(huà)面

圖10 煤粉濃度0.11 kg/kg（T-13）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-13穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為477℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到250℃共用時(shí)10 s；工況T-10穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為372℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到250℃共用時(shí)20 s，升到320℃共用時(shí)30 s；工況T-11穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為825℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到250℃共用時(shí)16 s，升到320℃共用時(shí)20 s，升到320℃共用時(shí)42 s。

3.2 一次風(fēng)速大小對(duì)點(diǎn)火的影響

一次風(fēng)速大小對(duì)點(diǎn)火的影響試驗(yàn)共進(jìn)行了兩個(gè)試驗(yàn)工況。實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，試驗(yàn)時(shí)主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表6，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖12。兩個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖13、圖14。

表6 一次風(fēng)速大小對(duì)點(diǎn)火影響

圖13 一次風(fēng)速為16.0 m/s（T-02）試驗(yàn)畫(huà)面

圖14 一次風(fēng)速為17.5 m/s（T-03）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-02穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為693℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到230℃共用時(shí)22 s，升高到630℃共用時(shí)54 s；工況T-03穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度分別為391℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到230℃共用時(shí)24 s。

3.3 等離子功率大小對(duì)點(diǎn)火的影響

等離子功率大小對(duì)點(diǎn)火的影響試驗(yàn)共進(jìn)行了三組。

（1）第一組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表7，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖15。兩個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖16、圖17。

圖17 等離子功率339 kW（工況T-04）試驗(yàn)畫(huà)面

表7 等離子功率大小對(duì)點(diǎn)火影響（第一組）

圖15 燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)圖

圖16 等離子功率310 kW（工況T-03）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-03穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為391℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到230℃共用時(shí)24 s；工況T-04穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為423℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到260℃共用時(shí)24 s。

（2）第二組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表8，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖18。3個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖19～圖21。

圖21 等離子功率310 kW（T-06）試驗(yàn)畫(huà)面

表8 等離子功率大小對(duì)點(diǎn)火影響（第二組）

圖18 燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)圖

圖19 等離子功率249 kW（T-05）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-05穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為144℃，點(diǎn)火情況較差。工況T-07穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為725℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到450℃共用時(shí)28 s；工況T-06穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為809℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到450℃共用時(shí)28 s，升到520℃共用時(shí)32 s。

圖20 等離子功率278 kW（T-07）試驗(yàn)畫(huà)面

（3）第三組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表9，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖22。兩個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖23、圖24。

圖24 等離子功率315 kW（T-09）試驗(yàn)畫(huà)面

表9 等離子功率大小對(duì)點(diǎn)火影響（第三組）

圖22 燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)圖

圖23 等離子功率278 kW（T-08）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-08穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為368℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到260℃共用時(shí)22 s；工況T-09穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為286℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到260℃共用時(shí)30 s。

3.4 二次風(fēng)速大小對(duì)點(diǎn)火影響

二次風(fēng)速大小對(duì)點(diǎn)火的影響試驗(yàn)共進(jìn)行了兩組。

（1）第一組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表10，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖25。兩個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖26、圖27。

表10 二次風(fēng)速大小對(duì)點(diǎn)火影響（第一組）

圖25 燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)圖

圖26 二次風(fēng)速16 m/s（T-10）試驗(yàn)畫(huà)面

圖27 二次風(fēng)速21 m/s（T-09）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-10等離子功率為315 kW，穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為372℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到260℃時(shí)共用時(shí)24 s，升到320℃共用時(shí)32 s；工況T-09等離子功率為315 kW，穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為286℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到260℃時(shí)共用時(shí)30 s。

（2）第二組試驗(yàn)時(shí)，實(shí)際煤粉水分36.4%，煤粉細(xì)度R90（%）29.6，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表11，燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)見(jiàn)圖28。兩個(gè)試驗(yàn)工況截取點(diǎn)火視頻中的典型畫(huà)面分別見(jiàn)圖29、圖30。

圖30 二次風(fēng)速24 m/s（T-12）試驗(yàn)畫(huà)面

表11 二次風(fēng)速大小對(duì)點(diǎn)火影響（第二組）

圖28 燃燒器噴口火焰溫度變化趨勢(shì)圖

圖29 二次風(fēng)速16 m/s（T-11）試驗(yàn)畫(huà)面

工況T-11穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為825℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到700℃時(shí)共用時(shí)40 s；工況T-12穩(wěn)定著火期間燃燒器噴口溫度為840℃，從投粉到燃燒器噴口溫度升到700℃時(shí)共用時(shí)36 s。

4 試驗(yàn)研究總結(jié)

（1）煤粉濃度對(duì)等離子點(diǎn)火的影響較大。將粉管一次風(fēng)速控制在16.0 m/s，煤粉濃度為0.08 kg/kg時(shí)，燃燒器噴口溫度僅能達(dá)到370℃左右；當(dāng)煤粉濃度為0.11 kg/kg時(shí)，燃燒器噴口平均溫度能達(dá)到470℃；當(dāng)煤粉濃度為0.17 kg/kg時(shí)燃燒器噴口平均溫度能達(dá)到810℃。

（2）一次風(fēng)速大小對(duì)等離子點(diǎn)火的影響最為明顯。當(dāng)一次風(fēng)速控制在16.0 m/s左右，煤粉濃度在0.15 kg/kg時(shí)，點(diǎn)火情況較好，噴口火焰溫度可達(dá)690℃左右；將一次風(fēng)速提高至17.5 m/s后，點(diǎn)火情況明顯惡化，燃燒器噴口溫度僅能達(dá)到380℃左右。

（3）二次風(fēng)速增加時(shí)，燃燒器噴口中心平均溫度略有降低，點(diǎn)火效果變差，但總體變化幅度不大。

（4）隨著等離子功率的增加，燃燒器噴口中心平均溫度總體呈上升趨勢(shì)，等離子功率對(duì)點(diǎn)火的影響較大。等離子功率低于250 kW時(shí)，燃燒器噴口中心溫度較低，著火情況較差；當(dāng)?shù)入x子功率從250 kW增加至280 kW時(shí)，燃燒器噴口中心溫度大幅增加，著火情況改善明顯；進(jìn)一步將等離子功率增加至310 kW、340 kW時(shí)，雖然噴口溫度略有升高，但增幅不大。