等離子點火技術

王麗2015-3-18等離子點火技術2023/2/51

等離子點火技術目錄一.概述二.等離子點火優(yōu)點三.等離子點火原理四.等離子點火系統(tǒng)的組成六.等離子點火常見問題及處理辦法CONTENTS五.等離子點火系統(tǒng)的運行2023/2/52等離子點火技術一.概述

大型工業(yè)煤粉鍋爐的點火和穩(wěn)燃傳統(tǒng)上都是采用燃燒重油或天然氣等稀有燃料來實現的，近年來，隨著世界性的能源緊張，原油價格不斷上漲，火力發(fā)電燃油愈來愈受到限制。因此鍋爐點火和穩(wěn)燃用油被做為一項重要的指標來考核，為了減少重油（天然氣）的耗量，傳統(tǒng)的做法是提高煤粉的磨細度，提高風粉混合物和二次風的預熱溫度，采用預燃室燃燒器，選用小油槍點火等等。等離子煤粉點火裝置，采用直流空氣等離子體作為點火源，實現了鍋爐的冷態(tài)啟動不用一滴油的無油點火DLZ-200型等離子煤粉點火燃燒器，是未來火力發(fā)電廠點火和穩(wěn)燃的首選設備。2023/2/53等離子點火技術二.等離子點火優(yōu)點1)經濟：采用等離子點火運行和技術維護費僅是使用重油點火時費用的15%～20%；2)環(huán)保：由于點火時不燃用油品，電除塵裝置可以在點火初期投入，減少了點火初期排放大量煙塵對環(huán)境的污染；電廠采用單一燃料后，減少了油品的運輸和儲存環(huán)節(jié)，亦改善了電廠的環(huán)境；3)高效：等離子體內含有大量化學活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子團、離子和電子等，可加速熱化學轉換，促進燃料完全燃燒；4)簡單：電廠可以單一燃料運行，簡化了運行方式；5)安全：取消爐前燃油系統(tǒng)，也自然避免了經常由于燃油系統(tǒng)造成的各種事故。因此等離子燃煤鍋爐的首選設備，是目前燃油系統(tǒng)改造的最佳替代產品。2023/2/54等離子點火技術三.等離子點火原理利用直流電流（280---350A）在介質氣壓0.01-0.03Mpa的條件下接觸引弧，在強磁場下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的一次燃燒筒中形成T＞5000K的梯度極大的局部高溫區(qū)，煤粉顆粒通過該等離子“火核”受到高溫作用，并在10-3秒內迅速釋放出揮發(fā)物，并使煤粉顆粒破裂粉碎，從而迅速燃燒。由于反應是在氣相中進行，使混合物組分的粒級發(fā)生了變化。因而使煤粉的燃燒速度加快，也有助于加速煤粉的燃燒，這樣就大大地減少促使煤粉燃燒所需要的引燃能量E（E等=1/6E油）

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發(fā)生器為磁穩(wěn)空氣載體等離子發(fā)生器，它由線圈、陰極、陽極組成，它們均采用水冷方式，以承受電弧高溫沖擊。線圈在高溫250℃情況下具有抗2000V的直流電壓擊穿能力，電源采用全波整流并具有恒流性能。2023/2/56等離子點火技術等離子點火燃燒系統(tǒng)4.1適等離子點火器系統(tǒng)4.2監(jiān)控系統(tǒng)4.3TableofContents四.內容大綱4.1.1燃燒系統(tǒng)4.1.2氣膜風系統(tǒng)4.1.3一次風系統(tǒng)4.1.4其他系統(tǒng)4.2.1等離子發(fā)生器4.2.2等離子電氣系統(tǒng)4.2.3等離子空氣系統(tǒng)4.2.4等離子冷卻水系統(tǒng)2023/2/57等離子點火技術等離子點火系統(tǒng)的組成4.1等離子點火燃燒系統(tǒng)4.1.1燃燒系統(tǒng)等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來點燃煤粉的煤粉燃燒器，與以往的煤粉燃燒器相比，等離子燃燒器在煤粉進入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點燃，并將火焰在燃燒器內逐級放大，屬內燃型燃燒器，可在爐膛內無火焰狀態(tài)下直接點燃煤粉，從而實現鍋爐的無油啟動和無油低負荷穩(wěn)燃。

根據有限的點火功率不可能直接點燃無限的煤粉量的問題，等離子燃燒器采用了多級燃燒結構，如下圖所示，煤粉首先在中心筒中點燃，進入中心筒的粉量根據燃燒器的不同在500-

800kg/h之間，這部分煤粉在中心筒中穩(wěn)定燃燒，并在中心筒的出口處形成穩(wěn)定的二級煤粉的點火源，并以次逐級放大，最大可點燃12T/H的粉量。

2023/2/58等離子點火技術圖4.1等離子燃燒器示意圖2023/2/59等離子點火技術4.1.2氣膜風系統(tǒng)

等離子燃燒器屬于內燃式燃燒器，運行時燃燒器內壁熱負荷較高，為了保護燃燒器，同時提高燃盡度，需設置等離子燃燒器氣膜冷卻風。氣膜冷卻風可以從原二次風箱取，也可從送風機出口引取。通過燃燒器氣膜風入口引入燃燒器。氣膜冷卻風控制，冷態(tài)一般在等離子燃燒器投入0-30min，開度盡量小，以提高初期燃燒效率，隨著爐溫升高，逐漸開大風門，防止燒損燃燒器，原則是以燃燒器壁溫控制在500-600℃為宜。4.1.3一次風系統(tǒng)鍋爐冷態(tài)啟動初期，等離子燃燒器的一次風速保持在19m/s--22m/s為宜。熱態(tài)或低負荷穩(wěn)燃時，一次風速保持24--28m/s為宜。4.1.4其他系統(tǒng)

主要設備及系統(tǒng)還有還有給煤機、磨煤機、暖風器、二次風系統(tǒng)2023/2/510等離子點火技術4.2等離子點火器系統(tǒng)4.2.1等離子發(fā)生器

等離子發(fā)生器是用來產生高溫等離子電弧的裝置，其主要由陽極組件、陰極組件、線圈組件三大部分組成，還有支撐托架配合現場安裝。陽極組件由陽極、冷卻水道、壓縮空氣通道及殼體等構成。陽極組件由陽極、冷卻水道、壓縮空氣通道及殼體等構成。陰極組件由陰極頭、外套管、內套管、驅動機構、進出水口、導電接頭等構成。

電極之間的空氣電離形成具有高溫導電特性等離子體，其中帶正電的離子流向電源負極形成電弧的陰極，帶負電的離子及電子流向電源的正極形成電弧的陽極。線圈通電產生強磁場，將等離子體壓縮，并由壓縮空氣吹出陽極，形成可以利用的高溫電弧。2023/2/511等離子點火技術4.2.2等離子電氣系統(tǒng)等離子發(fā)生器電源系統(tǒng)是用來產生維持等離子電弧穩(wěn)定的直流電源裝置。其基本原理是通過三相全控橋式晶閘管整流電路將三相交流電源變?yōu)榉€(wěn)定的直流電源。其由隔離變壓器和電源柜兩大部分組成。電源柜內主要有由六組大功率晶閘管組成的三相全控整流橋、大功率直流調速器6RA70、直流電抗器、交流接觸器、控制PLC等。2023/2/512等離子點火技術4.2.3等離子空氣系統(tǒng)

壓縮空氣是等離子電弧的介質，等離子電弧形成后，通過線圈形成的強磁場的作用壓縮成為壓縮電弧，需要壓縮空氣以一定的流速吹出陽極才能形成可利用的電弧。因此，等離子點火系統(tǒng)的需要配備壓縮空氣系統(tǒng)，壓縮空氣的要求是潔凈的而且是壓力穩(wěn)定的。具體實現方案如下：1）壓縮空氣有空壓機經過濾裝置儲氣罐出口母管的管道分別送到等離子點火裝置。2）等離子點火裝置上的壓縮空氣管道上設有壓力表和一個壓力開關，把壓力滿足信號送回本燃燒器整流柜。3）等離子點火裝置入口的壓縮空氣壓力要求在0.02Mpa左右，每臺等離子裝置的壓縮空氣流量約為1.0NM3/min-1.5NM3/min。4）壓縮空氣系統(tǒng)中同時設計有備用吹掃空氣管路，吹掃空氣取自圖像火檢探頭冷卻風機出口母管，用于保證在鍋爐高負荷運行、等離子點火器停用時點火器不受煤粉污染。2023/2/513等離子點火技術4.2.4等離子冷卻水系統(tǒng)等離子電弧形成后，弧柱溫度一般在5000K到10000K范圍，因此對于形成電弧的等離子發(fā)生器的陰極和陽極必須通過水冷的方式來進行冷卻，否則很快會被燒毀。故需要冷卻水以高的流速沖刷陽極和陰極，因此需要保證冷卻水不低于0.3MP的壓力。另外，冷卻水溫度不能高于30℃，否則冷卻效果差。為減少冷卻水對陽極和陰極的腐蝕，要采用電廠的除鹽化學水。具體設計方案如下：1）冷卻水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，由冷卻水箱、冷卻水泵、換熱器及閥門、壓力表、管路組成，冷卻水泵兩臺互為備用。系統(tǒng)材質均為不銹鋼。2）冷卻水經母管分別送至等離子點火器，冷卻水進入等離子裝置后再分兩路分別送入線圈和陽極，另一路進入陰極等離子裝置來水管道上設有手動調節(jié)閥。4）每臺發(fā)生器來水管路裝有壓力開關，壓力滿足信號送至整流柜PLC，保證等離子點火燃燒器投入時冷卻水不間斷。2023/2/514等離子點火技術4.3監(jiān)控系統(tǒng)一.壁溫測量為了確保等離子燃燒器的安全運行，在燃燒器的相應位置安裝了監(jiān)視壁面溫度的熱電偶。二.風粉在線檢測為了在等離子燃燒器運行時能夠監(jiān)測一次風速，控制一次風速在設計范圍，在一次風管加裝一次風速測量系統(tǒng)。三.圖像火焰監(jiān)視將煤粉燃燒器的火焰直觀的顯示給運行人員將對鍋爐的安全運行及燃燒調整有極大的幫助。在DLZ-200等離子點火系統(tǒng)中為每個等離子點火燃燒器配置了一支高清晰圖像火檢探頭。2023/2/515等離子點火技術2023/2/516等離子點火技術

等離子點火系統(tǒng)的運行五2023/2/517等離子點火技術等離子體燃燒器設計方案根據本工程鍋爐的實際情況，將A層四個角的煤粉燃燒器置換成等離子體點火燃燒器。等離子體點火煤粉燃燒器的各項外形尺寸完全按照鍋爐原有的煤粉燃燒器接口尺寸設計。彎頭內有耐磨陶瓷，可以經受煤粉氣流的長期沖刷，等離子體燃燒器前端位置與原燃燒器噴口相同，后端與原一次風管道通過法蘭連接。燃燒器軸向裝有等離子體發(fā)生器，內部由一級燃燒室、二級燃燒室、噴口等部分組成。2023/2/518等離子點火技術一般A煤層4臺等離子點火裝置邏輯相同，在啟動允許條件滿足后，運行人員可手動操作啟動等離子點火裝置，啟動成功后，可手動增/減等離子點火裝置電流、進/退等離子點火裝置陰極、增/減等離子點火裝置間隙。下面以A1為例說明：啟動允許條件（a）等離子點火條件滿足；（b）A磨點火能量滿足；（c）A磨快速停條件不存在；（d）A磨緊急停條件不存在；（e）A1等離子體整流柜遙控位；（f）A1等離子體發(fā)生器風壓滿足；（g）A1等離子體發(fā)生器水壓滿足；（h）A1等離子體發(fā)生器允許啟動；（i）無等離子體發(fā)生器跳閘條件。聯鎖跳閘條件（a）MFT動作；（b）A磨煤機跳閘（脈沖信號）；（c）A1等離子體發(fā)生器風壓滿足信號消失，延時2秒；（d）A1等離子體發(fā)生器水壓滿足信號消失，延時2秒2023/2/519等離子點火技術等離子體燃燒器的啟動試運1)檢查煤倉煤位，如不足，應先補足。2)檢查鍋爐具備啟動點火條件：鍋爐汽包水位正常、引、送風機啟動、爐膛吹掃完成，一次風機啟動。3)調節(jié)一次風風量，維持磨出口一次風管風速在16~26m/s。4)調節(jié)等離子體燃燒器周界風，維持此層周界風門在15％開度。5)按等離子體點火裝置的啟動程序順序依次啟動1~4角等離子體發(fā)生器，調節(jié)電弧功率在110～200KW。6)在磨煤機滿足啟動條件的情況下，啟動磨煤機，磨煤機運行穩(wěn)定后啟動給煤機，初始給煤量長稍高于最小給煤量運行（單個燃燒器出力3t/h），并逐步加大給煤量。2023/2/520等離子點火技術7)就地觀察等離子體燃燒器的燃燒情況，測量燃燒器出口火焰溫度；并測量飛灰及灰渣含碳量，根據含碳量換算出燃盡率；在點火后5分鐘燃盡率>70%，在點火30分鐘后燃盡率>85%8)調整一次風量、周界風門開度，確定合理的一次風速及二次小風門開度。9)調整等離子體發(fā)生器功率，確定等離子裝置的最低穩(wěn)燃功率。在保證燃燒效果的條件下適當降低電弧功率，以盡量延長陰極的使用壽命。10)根據機組試運要求增大或減小磨煤機的出力，試驗等離子體燃燒器配合磨煤機的出力范圍,同時根據火焰燃燒情況對一、二次風進行調整，逐步摸索運行經驗。11)在等離子體點火裝置投運過程中，注意觀察過熱器蒸汽溫度，根據鍋爐吹管工作安排確定等離子體點火裝置的投運、切停。2023/2/521等離子點火技術2023/2/522等離子點火技術系統(tǒng)啟動操作1）請對照上圖完成系統(tǒng)啟動前的檢查工作；2）如果以上條件均已滿足，請操作如下畫面圖：3）點擊按鈕，則該角發(fā)生器啟動，啟動正常后，在1#燃燒器的噴口處將看到火焰的標識；4）看到火焰后，請觀察實際的電流以及電壓反饋；5）點擊按鈕，讓發(fā)生器在初始值和終止值之間完成自動調節(jié)；6）當運行需要停止時，請點擊停止即可。2023/2/523等離子點火技術

運行主要參數1、電源：三相電源380-5％V頻率：50±2%Hz最大消耗功率：250kVA負荷電流工作范圍：（200~375）±2%A電弧電壓調節(jié)范圍：（250~400）±5%V2、壓縮空氣：最低氣壓：0.1MPa最高氣壓：0.4MPa空氣壓力調節(jié)范圍：0.012~0.05MPa3、冷卻水：最小壓力：0.3MPa正常壓力：0.4MPa最大壓力：0.5MPa最大流量：10t/h4、水質要求：除鹽水，溫度≤40℃2023/2/524等離子點火技術5、輸粉管內風速（一次風）：最低風速：18m/s最高風速：26m/s最低風溫：60℃6、氣膜冷卻風風速：45—60m/s7、等離子發(fā)生器功率范圍正常運行80—120kW8、陰極壽命設計工況下不低于80h(易更換)9、陽極壽命設計工況下不低于1000h10、等離子燃燒器出力設計最低出力的100%—200%范圍11、投粉后的著火時間中儲式系統(tǒng)：投粉后不大于30秒直吹式系統(tǒng)：投粉后不大于180秒12、燃燒器壁溫控制溫度小于600℃2023/2/525等離子點火技術2023/2/526等離子系統(tǒng)的保護定值：冷卻水泵出口保護定值為：0.45MPa燃燒器壁溫的一級報警溫度定值為：400℃燃燒器壁溫的二級報警溫度定值為：500℃隔離變柜冷卻風扇啟動溫度定值為：80℃電抗器柜冷卻風扇啟動溫度定值為：50℃

同一只發(fā)生器連續(xù)拉弧不能超過4次，再不啟弧就應停止拉弧。進行以下檢查：首先檢查電源是否完好，再檢查控制系統(tǒng)是否正常，在上述兩項檢查正常的前提下檢查發(fā)生器本體（此項檢查必須由制造公司專業(yè)人員進行）。等離子點火技術2023/2/527等離子體燃燒器的整套啟動試運過程中的注意事項1)嚴格按照運行規(guī)程要求的上水溫度、上水時間對鍋爐進行上水。2)等離子體點火燃燒器投入運行的初期，要注意觀察火焰的燃燒情況、電源功率的波動情況，做好事故預想，發(fā)現異常，及時處理。3)等離子體點火燃燒器投入運行的初期，為控制溫升，上部二次風門要適當開大，注意觀察、記錄煙溫探針的溫度，防止吹管臨時系統(tǒng)、再熱器系統(tǒng)超溫。4)在鍋爐啟動的過程中，對鍋爐的膨脹加強檢查、記錄。5)在點火前，要根據給煤量與一次風速等參數，做好風粉速度、煤粉濃度等重要參數的預想，并在點火的過程中，根據煤粉著火情況，有根據的加以調整。6)在“等離子方式”下運行，等離子體發(fā)生器中的1個斷弧時，控制系統(tǒng)會在規(guī)定的時間內自動關閉相應的風管一次風氣動快關門，光子牌將發(fā)出聲光報警，此時運行人員應及時檢查斷弧原因，盡快恢復等離子體發(fā)生器的運行。7)在“等離子方式”下運行，當任意4個以上等離子體發(fā)生器都斷弧時，在規(guī)定時間內控制系統(tǒng)自動保護停將A磨煤機，并進行爐膛吹掃，并仔細檢查斷弧原因，待問題解決后再繼續(xù)進行試運。8)當鍋爐負荷升至斷油負荷以上且等離子體點火器在運行狀態(tài)時，應及時將磨煤機運行方式切至正常運行方式，防止因等離子體點火器斷弧造成磨煤機跳閘。等離子點火技術等離子點火常見問題及處理辦法六2023/2/528等離子點火技術一.等離子斷弧從應用等離子點火的實際情況看,等離子在拉弧及運行過程中易出現斷弧現象,從而造成大量未燃煤粉進入爐膛。斷弧的主要原因是作為等離子載體的空氣含水、含油及壓力波動大,因為雜用壓縮空氣一般不經油、水分離和干燥,同時由于用氣點較多,壓力擾動較大。二.陰極使用壽命短等離子發(fā)生器在應用中存在陰極頭使用壽命短的問題,陰極頭設計使用壽命為50h。根據實際經驗,在陰極頭累計使用超過30h后,應加強監(jiān)視等離子運行狀況,加強陰陽極和線圈的溫度監(jiān)視,以便及時更換陰極頭,防止因陰極壽命問題引起突然斷弧,造成系統(tǒng)的意外擾動。對于等離子點火裝置,啟弧時高溫區(qū)在陰極頭上,在等離子拉弧運行過程中,陰極材料會逐漸燒損,因此要保證陰極的壽命就必須很好地冷卻陰極頭。2023/2/529等離子點火技術三.等離子燃燒器結焦

等離子點火時核心溫度高達7000℃,煤粉在燃燒器內部就已經開始著火,并且著火溫度很高,極易造成等離子燃燒器中心筒超溫、結焦。通過合理控制一、二次風速,等離子電弧功率及燃燒器的出力,并加強等離子燃燒器金屬壁溫的監(jiān)控,基本可避免等離子燃燒器結焦現象。等離子燃燒器的內、外套筒主要是通過一次風和周界二次風進行冷卻,為了防止燃燒器本體結焦或燒損,宜采取較高的一、二次風速,但高風速易導致著火穩(wěn)定性低,爐膛燃燒不好,煤粉燃盡率低。從鍋爐實際運行情況看,初期一次風速控制在18～20m/s,正常運行時一次風速控制在25～27m/s,煤粉燃燒狀況良好,而周界二次風開度初期為20～30%左右,以提高初期燃燒效率,隨著爐溫升高,逐漸開大風門,以防止結焦,利于煤粉的穩(wěn)燃和燃盡。2023/2/530等離子點火技術四.等離子冷態(tài)啟動點火初期煤粉燃盡率低等離子點火時產生的溫度雖高,但熱強度不夠,因此會造成煤粉燃盡率低，鍋爐飛灰含碳量達到42%。等離子點火只是把煤粉中的揮發(fā)分迅速電離出來并點燃,進而引燃部分煤粉,而固定