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1、等离子点火技术及应用,赵 峰华北电力科学研究院西安分公司,目 录,一、等离子点火技术的基本原理二、等离子系统设计与简介三、等离子的试投入四、等离子的初期着火五、等离子使用建议,一、等离子点火技术的基本原理,所谓等离子体，就电气技术而言，它指的是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质。等离子体包括有，几乎相同数量的自由电子和阳极电子。在一个等离子中，其中的粒子已从核心粒子中分离了出来。因此，当一个等离子包括大量的离子和电子，从而是电的最佳导体，而且它会受到磁场的影响，当温度高时，电子便会从核心粒子中分离出来了。等离子点火技术的基本原理是以大功率电弧直接点燃煤粉。该点火装置利用直流电流（
2、大于200 A）在介质气压大于0.01 MPa的条件下通过阴极和阳极接触引弧，并在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体。其连续可调功率范围为50150 kW，中心温度可达6 000。,一次风粉送入等离子点火煤粉燃烧器经浓淡分离后，使浓相煤粉进入等离子火炬中心区，在约0.1 s内迅速着火，并为淡相煤粉提供高温热源，使淡相煤粉也迅速着火，最终形成稳定的燃烧火炬。燃烧器壁面采用气膜冷却技术，可冷却燃烧器壁面，防烧损、防结渣，用除盐水对电极及线圈进行冷却。等离子引弧装置：阴阳极为银合金，用于产生高温电弧。一级燃烧室：浓相煤粉与高温等离子电弧发生强烈的电化学反应，煤粉裂解，产生大量挥发份并被点燃。二级
3、燃烧室：挥发份及煤粉燃烧。周界二次风：冷却二级燃烧室及补充二级燃烧室喷出的未燃尽固定碳在炉膛内燃烧需要的空气。,二、等离子系统设计与简介,等离子点火煤粉燃烧器 一般将下层四支煤粉燃烧器改造为等离子点火煤粉燃烧器，其侧面装有等离子点火器。在锅炉点火阶段，等离子点火器发出的等离子电弧可将通过燃烧器的煤粉直接点燃，从而实现不用油枪引燃而直接点燃煤粉；在锅炉高负荷运行阶段，此燃烧器可作为普通煤粉燃烧器使用，不会对锅炉其它性能造成影响。图1 等离子点火燃烧器结构示意图,图1 等离子点火燃烧器结构示意图,图2 燃烧器弯头内弯板示意图,中心筒点火区,最后一级煤粉,如上图所示，等离子点火煤粉燃烧器的各项外形尺
4、寸完全按照锅炉原有的煤粉燃烧器接口尺寸设计，将原煤粉燃烧器从后部拉出后，可将等离子点火煤粉燃烧器直接推进就位，燃烧器前端与锅炉水冷壁平齐，后端与一次风管道弯头及检修用隔断门通过法兰连接。等离子点火器是等离子点火系统的核心部件之一。它的作用是维持给定功率的电弧，并使之稳定、可靠。等离子点火器的功率调节范围为50150kw，采用直流低压空气等离子电弧，以确保设备及人员的安全。,如上图所示，它由以下三个主要部件组成：稳弧线圈：产生合适的磁场，保证空气等离子电弧的形状及稳定性。阳极：空气等离子电弧的一极，同时为空气等离子电弧形成带电粒子的通道。电子发射枪：空气等离子电弧的另一极，它为空气等离子电弧形成
5、带电粒子的通道，同时也是电弧启动、控制电弧功率的具体执行部件。,冷却水系统,为保护等离子装置本身，需用水冷却阴极、阳极和线圈。为防止冷却水管路内部结垢，冷却水要求采用除盐化学水，单个燃烧器用水量为8T/H。现场的冷却水水源一般取自锅炉0m的除盐水补水箱，在锅炉固定端0m安装2台冷却水泵，冷却水经母管和支管分别送至炉膛各角的等离子点火器，再分三路分别送入线圈和阴、阳极。冷却水支管上安装有压力表、压力开关和手动调节阀，用于控制冷却水压力，压力满足信号送回主控室内的PLC。冷却水回水经母管返回除盐水箱。冷却水系统的所有管道及阀门均选用不锈钢材料，所以不会对锅炉除盐水补水箱的水质造成影响。,图像火检系
6、统,为方便观察等离子燃烧器的着火情况，在A层4支煤粉燃烧器侧面的看火孔上各安装了1支图像火检探头，探头传回的图像信号通过四画面分割器传至设在主控室的全炉膛火焰电视上，这样运行人员就可以在主控室观察到4支等离子点火燃烧器喷口的燃烧情况。主控室触摸屏上设有切换开关，运行人员可根据需要在图像火检画面和全炉膛火焰画面之间进行切换。由于现场原有的火检冷却风容量有限，现场增加了2台7.5kw火检冷却风机为4支图像火检探头提供冷却风。,一次风速在线监测系统,在等离子点火系统运行期间，为方便运行人员进行燃烧调整，在#3磨煤机的A层出口的四根一次风管道上各增加了一套风速在监测系统，其测速元件为BS-III型测速
7、管，可在主控室的CRT上实时显示各角的一次风速。为防止测速管堵塞，在系统中加装了压缩空气反吹扫系统，当发现测速管堵塞时可手动进行吹扫，也可以设置为周期性自动吹扫。,冷炉制粉系统,采用直吹式制粉系统的锅炉在安装等离子点火系统时所要解决的首要问题就是锅炉启动时煤粉的来源问题。在本设计方案中通过在A磨煤机入口热风道上增加蒸汽加热器，将磨煤机入口风温加热至启磨温度（本设计中为170），从而使A磨煤机具备了在锅炉冷态启动初期即可投入运行的能力。蒸汽加热器布置在主联络风道至A磨第一道热风门之间，汽源取自厂用辅助蒸汽联箱，设计的为蒸汽参数320、1.2MPa。,与等离子点火系统相关的锅炉FSSS逻辑修改,在
8、FSSS中设计A磨煤机“正常运行模式”与“等离子运行模式”两种运行模式，并可相互切换，从而实现磨煤机FSSS逻辑切换功能；“正常运行模式”运行时，#3磨煤机维持原有的FSSS逻辑；“等离子运行模式”运行时，#3磨煤机FSSS启动条件中增加由等离子装置可编程控制器S7-300送来的等离子发生器工作正常信号，同时略去点火能量满足的条件；在主控室光子牌上增加“等离子点火装置故障”信号，任一角等离子点火装置异常时，S7-300送信号至光字牌发声光报警；由S7-300送4个接点信号给锅炉DCS系统，分别代表4个角的等离子点火器断弧，当A磨在“等离子运行模式”下运行时，任意两角等离子装置工作故障时，保护停
9、A磨煤机；“等离子运行模式”#3磨运行时，#3磨煤机停运，则等离子点火器跳闸；锅炉MFT时，等离子点火器跳闸，并禁启。,三、等离子的试投入,前期调试工作：等离子点火系统设备安装完毕，进行暖风器蒸汽管道吹扫、压缩空气管道吹扫、火检冷却风管道吹扫、冷却水管道冲洗，同时进行了热工信号传动及各项联锁保护试验。上述调试工作完成后，进行了各角等离子点火器的冷态拉弧试验。磨煤机出口一次风管风速20m/s左右，将磨煤机出力调整到2325t/h，保持磨煤机出口风温73左右，燃烧器喷口大约在1.5min后开始稳定燃烧。点火初期要化验飞灰含炭量，等离子初期投入阶段飞灰含碳量在13%左右证明燃烧良好。,等离子点火器的
10、调整试验,锅炉点火吹管初期，为保证锅炉及等离子系统安全、正常投运，一般控制阴极头的平均使用时间为25小时，即等离子电弧连续工作1昼夜后更换四只新阴极头。通过对点火器各项参数的调整试验，阴极寿命可以达到80100小时。电流、电压、阴阳极间距的调整：在等离子发生器启动拉弧的过程中，阴极向前推进与阳级接触，启弧后向后退，自动维持电弧电流在设定值。等离子点火初期，一般设定电弧功率在100kw即可保证正常点火，相应电流的设定值在330A左右。电弧运行一段时间后，随着阴极材料的烧损，阴阳极间距加大，会造成电压上升，此时应及时调整阴阳极间距，维持电弧电压在310330V，如果电压超过350V，则有断弧的危险
11、。,压缩空气压力：压缩空气压力是影响等离子发生器启弧的主要参数，在试运中经过反复试验摸索，确定在启弧前将压缩空气压力调整为0.015MPa，（等离子发生器前压力表显示值），可以保证等离子发生器启弧的稳定性。压缩空气压力过高会使等离子电弧长度缩短，导致点火效果变差，煤粉燃烧器出口火焰不稳，所以应注意控制压缩空气压力在较低值。冷却水压力：保护并延长阴极、阳级和线圈的寿命，必须保证足够的冷却水流量。等离子发生器前的冷却水压力开关的定值为0.15MPa，低于此值点火器自动断弧，运行中应维持点火器前的冷却水压力在0.3 MPa以上，冷却水泵出口压力应在0.6Mpa以上。如果冷却水压力下降，应及时清理滤网
12、。,四、等离子的初期着火,利用厂用蒸汽将磨煤机入口风温加热到启磨温度，即磨煤机入口风温能够满足磨煤机干燥出力的要求。试运期间维持厂用汽压力0.8MPa1.0MPa时，投入蒸汽加热器，保证磨煤机入口一次风温可加热至150左右，在磨煤机给煤量2025t/h时，磨煤机出口风温可以达到65左右，基本能够满足磨煤机的干燥出力；试运期间维持厂用汽压力0.8MPa1.0MPa时，投入蒸汽加热器，A磨煤机入口一次风温可加热至150左右，在A磨煤机给煤量2530t/h时，磨煤机出口风温可以达到65左右，基本能够满足磨煤机的干燥出力；,等离子点火系统投运后一段时间后，空预器后热一次风温度即可达到170左右，此时A
13、磨入口的蒸汽暖风器已失去加热作用，运行人员可及时切断暖风器供汽手动阀，退出暖风器的运行。等离子点火系统投入运行后，对影响燃烧器着火性能的一次风速和煤粉浓度进行了调整试验，试验结果表明，等离子点火煤粉燃烧器对风速、煤粉浓度等参数的适应范围较宽，运行过程中着火稳定，燃烧效率较高。等离子燃烧器稳定着火以后，其对一次风速、煤粉浓度的适应范围较宽，实际运行风速2430m/s，煤量2045t/h范围内均可保证稳定着火。为测试等离子点火燃烧器运行期间锅炉的燃烧效率，一般在锅炉尾部电除尘器1电场的下灰管提取了飞灰进行化验。,等离子点火燃烧器在点火状态下运行时，煤粉在燃烧器内部就已经开始着火，所以在设计时必须考
14、虑对燃烧器本体进行充分的冷却，以防止燃烧器结焦或烧损。本设计方案中燃烧器的内层套筒是通过外层的一次风进行冷态，同时燃烧器内的风速较高，使得燃烧器具备了自吹扫功能，以防止燃烧器本体结焦或烧损。为了监视点火过程中燃烧器的壁温，在本燃烧器的中心筒电弧侧和外套筒喷口侧各装有一只K分度热电偶，点火过程中应详细记录各角的温度值。,五、等离子使用建议,等离子直接点煤粉系统的设计应遵循保证机组安全、可靠，满足机组升温，升压曲线的要求的原则。等离子点火装置稳弧功率应控制在80KW150KW范围内。等离子燃烧器的热功率选取应与原配置的点火油枪的热功率基本相当。等离子燃烧器出口截面积的选取，从提高冷炉点火初期燃烧效
15、率角度考虑，风粉燃烧膨胀后的火炬喷出速度控制在35m/s左右为宜。与等离子燃烧器相匹配的一次风管选取，其截面积与燃烧器出口截面比应在1:2.41:2.6之间。对等离子燃烧器兼主燃烧器使用的结构设计，除遵循1.4原则外，还应遵循在等离子停用作主燃烧器使用时，燃烧器出口速度不低于20m/s（可考虑从等离子燃烧器的气膜冷却二次风量的设计上来满足）。,等离子点火装置的冷态点火煤粉浓度较好的适用范围在0.360.52kg/kg，最低不得低于0.3kg/kg。为便于运行操作监控，防止燃烧器烧损和提高燃烧效率，以及防止堵管，应设计等离子燃烧器壁温侧点，一次风速在线直观显示。等离子煤粉燃烧器二次风气膜冷却结构
16、是以套筒方式形成，设计上应采取防止套筒受热变形，造成周界间隙不均的措施。等离子体发生器的供电电源的选取，应避免同段上大型设备（如给水泵送、吸风机等）启动时，低电压保护动作，造成断弧，电源应取自负荷小的电源段或从高厂变单独取等离子点火专用段。用于作等离子体介质的压缩空气应选用压力稳定，洁净无油、干燥的压缩空气，气源压力在0.20.8Mpa。用于作等离子体介质的压缩空气应选用压力稳定，洁净无油、干燥的压缩空气，气源压力在0.20.8Mpa。,提供给阳极，稳弧线圈等设备的冷却水，应为清洁的除盐水，管路原则上应选用不锈钢，当选用其它管材时，应酸洗清除氧化皮等杂物，焊接时，采取氩弧焊打底。水箱应采取防腐
17、措施并清扫干净。在控制系统设计时，应充分考虑与FSSS、DCS系统的接口，以确保锅炉安全，与机组的DCS系统的对接，采用硬连接方式为宜。投运等离子无油点火燃烧系统，运行操作上应遵循保证机组安全，防爆防止产生尾部二次燃烧，满足机组升温升压曲线要求的原则。冷炉采用等离子直接点煤粉，关键是需进行合理的燃烧调整，运行人员在操作上应尽快使炉膛燃烧稳定，火焰明亮，防止爆燃。,在投入等离子燃烧器前，确认压缩空气、冷却风、冷却水等各项参数正常。冷态点火等离子拉弧功率调至110KW130KW之间，稳定5分钟后，再启动磨煤机，热态点火或低负荷稳燃，拉弧功率可调至90KW110KW，以利节能和延长阴极使用寿命。给粉
18、量的调整，应迅速把给粉机转速调至最佳煤粉浓度，一般在300500转/分，即保证着火稳定，减少不完全燃烧损失，又不使升温升压速度太快。冷态启动，初期一次风速保持在19米/秒22米/秒为宜，热态或低负荷稳燃时，一次风速保持2426米/秒为宜。,气膜冷却风控制，冷态一般在等离子投入030分钟，开度尽量小，以提高初期燃烧效率，随着炉温升高，逐渐开大风门，防止烧损燃烧器，原则是以燃烧器壁温控制在500600为准。投入等离子燃烧器后，为防止可燃气体沉积在未投燃烧器的邻角，产生爆燃，应适当开启邻角下二次风，使可燃气体及时排出炉膛。加强炉内燃烧状况监视，不单凭火焰监视器判断，应实地观察炉膛燃烧，发现炉内燃烧恶劣，炉膛负压波动大，应立即采取相应调整措施，必要时可停运等离子燃烧器，经充分通风，查明原因后重新再投。在满足升温升压曲线的前提下，尽早投入第二只等离子燃烧器，有利于提高燃烧效率。阴极的使用应根据阴极寿命周期和实际使用时数，及时更换阴极，尽量避免在启机、并网过程中更换阴极，以利机组启动安全。,华北电力科学研究院有限责任公司西安分公司,谢谢观看2005.7,
