大功率等离子点火装置的应用

李 军，范 雷（内蒙古包头铝业自备电厂，内蒙古 包头 014000）



大功率等离子点火装置的应用

李 军，范 雷
（内蒙古包头铝业自备电厂，内蒙古 包头 014000）

〔摘 要〕介绍了等离子点火燃烧器的优点，从等离子点火燃烧器的工作原理、结构特征、煤质要求、配风调整以及安全监控事项等方面，全面论述了等离子点火及升温控制的技术要领，总结了等离子点火装置点火及升温控制的技术经验。

〔关键词〕等离子点火装置；燃烧器；磨煤机；拉弧

0 引言

某热电厂1期2×330 MW机组锅炉为东方电气集团东方锅炉股份有限公司生产的DG1163/ 17.35-Ⅱ13型锅炉。由于设计煤种水分高，应采用较高的干燥剂温度，故预热器先加热一次风，以获得较高的热一次风温，满足炉内燃烧的需要。A，B 2层8只直流式燃烧器上装有等离子点火装置，采用徐州燃控科技股份有限公司生产的XPS-2-150/8 A型等离子点火燃烧器。

1 等离子点火燃烧器的优点

与传统的燃油点火方式相比，采用等离子点火燃烧器点火和稳燃有以下几大优点。

（1） 经济。采用等离子点火的运行和技术维护费仅是使用重油点火费用的15 %-20 %，对新建电厂而言，可节约上千万的初投资和试运行费用。

（2） 环保。由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，因此减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染。另外，电厂采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了电厂的环境。

（3） 高效。等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C，H，O）、原子团（OH，H2，O2）、离子（O2-，H2-，OH-，O-，H+）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧。

（4） 简单。电厂可以采用单一燃料运行，简化了系统和运行方式。

（5） 安全。取消炉前燃油系统，也自然避免了因燃油系统造成的各种事故。

2 等离子点火燃烧机理

等离子点火燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的一种煤粉燃烧器。与以往使用的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就被等离子弧点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，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。

等离子发生器产生稳定功率的空气等离子体，该等离子体在燃烧器的中心筒中形成大于5 000 K、梯度极大的局部高温区。煤粉颗粒通过该等离子“火核”时受到高温作用，并在0.001 s内迅速释放出挥发物，且使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于此反应是在气相中进行的，使混合物组分的粒级发生了变化，加快了煤粉的燃烧速度，极大地减少了促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。除此之外，等离子体有再造挥发分的效应，这对于点燃煤粉、强化燃烧有特别的意义。

考虑到有限的点火功率不可能直接点燃无限量煤粉的问题，等离子燃烧器采用了多级燃烧结构。煤粉首先在中心筒中点燃，进入中心筒的粉量根据燃烧器的不同在500-800 kg/h之间，这部分煤粉在中心筒中稳定燃烧，并在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉的点火源，并依次逐级放大，最大可点燃15 t/h的煤粉量。

3 等离子点火装置结构

等离子点火装置由等离子发生器、等离子燃烧器、电源装置和辅助系统组成。辅助系统包括冷却水系统、载体风系统、图像火检系统、一次风风速测量系统和磨煤机冷炉制粉系统等。

等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，由阴极、阳极、前腔进气环、后腔进气环等组成，如图1所示。其中阴极材料采用高导电率的金属材料制成，连续工作时间大于150 h；阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，连续工作时间大于1 000 h。两者均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。等离子发生器设计寿命为8-10年。在两电极间加稳定的大电流，将电极之间的空气电离，形成高温导电特性的等离子体。带正电的离子流向电源负极，形成电弧的阴极；带负电的离子及电子流向电源的正极，形成电弧的阳极。

等离子燃烧器的高温部分采用耐热铸钢，其余和煤粉接触部位采用高耐磨铸钢，和现场管路连接时须正确选用焊条型号。

电源装置采用全波整流技术并具有恒流性能。其拉弧原理为：首先建立空载电压，设定好输出电流；启动后，高频引弧器工作，将阴极和阳极之间的间隙击穿，由于有空载电压，电弧就建立起来了，从而形成等离子体。

图1 等离子发生器结构

4 等离子点火装置的应用

4.1 燃烧器管理系统设定

为保证机组的安全及等离子点火系统的正常运行，需对燃烧器管理系统（BMS）逻辑进行以下设定。

（1） 在BMS中设定磨煤机“正常运行模式”与“等离子运行模式”2种运行模式，并可相互切换，从而实现磨煤机BMS逻辑切换功能。

（2） 以“正常运行模式”运行时，磨煤机维持原有的BMS逻辑。

（3） 以“等离子运行模式”运行时，磨煤机BMS启动条件中增加等离子启动成功信号，同时略去点火能量需满足的条件。

（4） 在主控室光字牌上增加“等离子点火装置故障”信号，当任一角等离子点火装置异常时，送信号至光字牌，发声光报警。

（5） 以“等离子运行模式”运行时，任意2个角等离子点火装置工作故障时，等离子控制器送信号至BMS，保护停磨煤机。

（6） 以“等离子运行模式”运行时，磨跳闸信号与锅炉MFT 2个信号“或”后送至等离子控制器，实现磨煤机跳闸，等离子点火器跳闸；锅炉MFT时，等离子点火器跳闸，并禁止启动。

（7） 磨煤机运行时，等离子燃烧器的火焰保护仍采用锅炉原有的火检装置，保护逻辑为“四取三”，图像火检仅用来帮助运行人员观察等离子燃烧器内火焰的燃烧情况。

4.2 调试磨煤机系统

（1） 磨煤机变加载系统调试。调试好磨煤机加载压力系统，确保A，B磨煤机加载压力系统特性满足等离子点火烧烧器启动要求。

（2） 煤粉细度调整。启动A磨煤机前，将分离器折向挡板调至25 %，确保煤粉细度满足等离子点火要求。待第2台磨煤机启动后再将分离器折向挡板调至正常位置。

（3） 风粉在线系统调试。启动前全面检查风粉在线系统，防止风速在线测量设备及浓度测量设备堵塞，确保检测系统能够正常运行。

（4） 等离子拉弧试验。点火前进行等离子拉弧试验，电流设定为290-320 A，功率设置为100 kW，确保等离子拉弧稳定。准备好等离子阴阳极头备件，并做好阴极头寿命计算，防止突然断弧；若发生断弧，维护人员应立即组织处理。

4.3 等离子点火初期安全监控

（1） 在启动时将炉膛安全监控系统（FSSS）切至“离子模式”，直到启动第3台磨煤机后再切回“正常模式”。

（2） 启动A磨煤机后，当任一角在180 s内未点燃时，应立即手动停运磨煤机，经充分通风、查明原因后再重新投入。

（3） 点火启动后应加强炉内燃烧监视，就地观察燃烧状况，确保炉内燃烧良好。

（4） 根据升温、升压速度，逐步调整煤量，调整二次风小风门配风，以适应燃烧需要。维持二次风箱与炉膛差压400-460 kPa。

5 结束语

等离子点火技术是火厂电一种有效的节能技术。燃煤机组采用等离子冷态无油启动，一次可节省燃油40 t以上，全年4次冷态启动可节约燃油高达160 t。如果需要对机组进行大修后启动、安全门定砣试验、机组热态试验等，节省的燃油量将会更多。

参考文献：

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收稿日期：2015-09-05；修回日期：2015-11-12。

作者简介：

李 军（1978-），男，助理工程师，主要从事电厂锅炉运行技术及节能新技术管理工作，email：yi_fan0524@163.com。

范 雷（1984-），男，助理工程师，主要从事发电厂集控运行工作。