大功率等離子點火裝置的應用

李 軍，范 雷（內蒙古包頭鋁業自備電廠，內蒙古 包頭 014000）

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大功率等離子點火裝置的應用

李 軍，范 雷
（內蒙古包頭鋁業自備電廠，內蒙古 包頭 014000）

〔摘 要〕介紹了等離子點火燃燒器的優點，從等離子點火燃燒器的工作原理、結構特征、煤質要求、配風調整以及安全監控事項等方面，全面論述了等離子點火及升溫控制的技術要領，總結了等離子點火裝置點火及升溫控制的技術經驗。

〔關鍵詞〕等離子點火裝置；燃燒器；磨煤機；拉弧

0 引言

某熱電廠1期2×330 MW機組鍋爐為東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司生產的DG1163/ 17.35-Ⅱ13型鍋爐。由于設計煤種水分高，應采用較高的干燥劑溫度，故預熱器先加熱一次風，以獲得較高的熱一次風溫，滿足爐內燃燒的需要。A，B 2層8只直流式燃燒器上裝有等離子點火裝置，采用徐州燃控科技股份有限公司生產的XPS-2-150/8 A型等離子點火燃燒器。

1 等離子點火燃燒器的優點

與傳統的燃油點火方式相比，采用等離子點火燃燒器點火和穩燃有以下幾大優點。

（1） 經濟。采用等離子點火的運行和技術維護費僅是使用重油點火費用的15 %-20 %，對新建電廠而言，可節約上千萬的初投資和試運行費用。

（2） 環保。由于點火時不燃用油品，電除塵裝置可以在點火初期投入，因此減少了點火初期排放大量煙塵對環境的污染。另外，電廠采用單一燃料后，減少了油品的運輸和儲存環節，亦改善了電廠的環境。

（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（OH，H2，O2）、離子（O2-，H2-，OH-，O-，H+）和電子等，可加速熱化學轉換，促進燃料完全燃燒。

（4） 簡單。電廠可以采用單一燃料運行，簡化了系統和運行方式。

（5） 安全。取消爐前燃油系統，也自然避免了因燃油系統造成的各種事故。

2 等離子點火燃燒機理

等離子點火燃燒器是借助等離子發生器的電弧來點燃煤粉的一種煤粉燃燒器。與以往使用的煤粉燃燒器相比，等離子燃燒器在煤粉進入燃燒器的初始階段就被等離子弧點燃，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燃。

等離子發生器產生穩定功率的空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的中心筒中形成大于5 000 K、梯度極大的局部高溫區。煤粉顆粒通過該等離子“火核”時受到高溫作用，并在0.001 s內迅速釋放出揮發物，且使煤粉顆粒破裂粉碎，從而迅速燃燒。由于此反應是在氣相中進行的，使混合物組分的粒級發生了變化，加快了煤粉的燃燒速度，極大地減少了促使煤粉燃燒所需要的引燃能量。除此之外，等離子體有再造揮發分的效應，這對于點燃煤粉、強化燃燒有特別的意義。

考慮到有限的點火功率不可能直接點燃無限量煤粉的問題，等離子燃燒器采用了多級燃燒結構。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500-800 kg/h之間，這部分煤粉在中心筒中穩定燃燒，并在中心筒的出口處形成穩定的二級煤粉的點火源，并依次逐級放大，最大可點燃15 t/h的煤粉量。

3 等離子點火裝置結構

等離子點火裝置由等離子發生器、等離子燃燒器、電源裝置和輔助系統組成。輔助系統包括冷卻水系統、載體風系統、圖像火檢系統、一次風風速測量系統和磨煤機冷爐制粉系統等。

等離子發生器是用來產生高溫等離子電弧的裝置，由陰極、陽極、前腔進氣環、后腔進氣環等組成，如圖1所示。其中陰極材料采用高導電率的金屬材料制成，連續工作時間大于150 h；陽極由高導電率、高導熱率及抗氧化的金屬材料制成，連續工作時間大于1 000 h。兩者均采用水冷方式，以承受電弧高溫沖擊。等離子發生器設計壽命為8-10年。在兩電極間加穩定的大電流，將電極之間的空氣電離，形成高溫導電特性的等離子體。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。

等離子燃燒器的高溫部分采用耐熱鑄鋼，其余和煤粉接觸部位采用高耐磨鑄鋼，和現場管路連接時須正確選用焊條型號。

電源裝置采用全波整流技術并具有恒流性能。其拉弧原理為：首先建立空載電壓，設定好輸出電流；啟動后，高頻引弧器工作，將陰極和陽極之間的間隙擊穿，由于有空載電壓，電弧就建立起來了，從而形成等離子體。

圖1 等離子發生器結構

4 等離子點火裝置的應用

4.1 燃燒器管理系統設定

為保證機組的安全及等離子點火系統的正常運行，需對燃燒器管理系統（BMS）邏輯進行以下設定。

（1） 在BMS中設定磨煤機“正常運行模式”與“等離子運行模式”2種運行模式，并可相互切換，從而實現磨煤機BMS邏輯切換功能。

（2） 以“正常運行模式”運行時，磨煤機維持原有的BMS邏輯。

（3） 以“等離子運行模式”運行時，磨煤機BMS啟動條件中增加等離子啟動成功信號，同時略去點火能量需滿足的條件。

（4） 在主控室光字牌上增加“等離子點火裝置故障”信號，當任一角等離子點火裝置異常時，送信號至光字牌，發聲光報警。

（5） 以“等離子運行模式”運行時，任意2個角等離子點火裝置工作故障時，等離子控制器送信號至BMS，保護停磨煤機。

（6） 以“等離子運行模式”運行時，磨跳閘信號與鍋爐MFT 2個信號“或”后送至等離子控制器，實現磨煤機跳閘，等離子點火器跳閘；鍋爐MFT時，等離子點火器跳閘，并禁止啟動。

（7） 磨煤機運行時，等離子燃燒器的火焰保護仍采用鍋爐原有的火檢裝置，保護邏輯為“四取三”，圖像火檢僅用來幫助運行人員觀察等離子燃燒器內火焰的燃燒情況。

4.2 調試磨煤機系統

（1） 磨煤機變加載系統調試。調試好磨煤機加載壓力系統，確保A，B磨煤機加載壓力系統特性滿足等離子點火燒燒器啟動要求。

（2） 煤粉細度調整。啟動A磨煤機前，將分離器折向擋板調至25 %，確保煤粉細度滿足等離子點火要求。待第2臺磨煤機啟動后再將分離器折向擋板調至正常位置。

（3） 風粉在線系統調試。啟動前全面檢查風粉在線系統，防止風速在線測量設備及濃度測量設備堵塞，確保檢測系統能夠正常運行。

（4） 等離子拉弧試驗。點火前進行等離子拉弧試驗，電流設定為290-320 A，功率設置為100 kW，確保等離子拉弧穩定。準備好等離子陰陽極頭備件，并做好陰極頭壽命計算，防止突然斷弧；若發生斷弧，維護人員應立即組織處理。

4.3 等離子點火初期安全監控

（1） 在啟動時將爐膛安全監控系統（FSSS）切至“離子模式”，直到啟動第3臺磨煤機后再切回“正常模式”。

（2） 啟動A磨煤機后，當任一角在180 s內未點燃時，應立即手動停運磨煤機，經充分通風、查明原因后再重新投入。

（3） 點火啟動后應加強爐內燃燒監視，就地觀察燃燒狀況，確保爐內燃燒良好。

（4） 根據升溫、升壓速度，逐步調整煤量，調整二次風小風門配風，以適應燃燒需要。維持二次風箱與爐膛差壓400-460 kPa。

5 結束語

等離子點火技術是火廠電一種有效的節能技術。燃煤機組采用等離子冷態無油啟動，一次可節省燃油40 t以上，全年4次冷態啟動可節約燃油高達160 t。如果需要對機組進行大修后啟動、安全門定砣試驗、機組熱態試驗等，節省的燃油量將會更多。

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收稿日期：2015-09-05；修回日期：2015-11-12。

作者簡介：

李 軍（1978-），男，助理工程師，主要從事電廠鍋爐運行技術及節能新技術管理工作，email：yi_fan0524@163.com。

范 雷（1984-），男，助理工程師，主要從事發電廠集控運行工作。