電廠智能化等離子體點火控制技術應用與研究

國家能源蓬萊發電有限公司 徐西俊 程孝峰 孫亞偉 張蓬亮 韓剛 煙臺龍源電力技術股份有限公司 李明 張治湖 王鵬

1 項目概況

該項目為2×300MW 機組，鍋爐采用常規的四角切圓燃燒方式，燃燒器為擺動燃燒器，共有6 層，磨煤機采用雙進雙出鋼球磨煤機，煤粉細度R90=18%。該鍋爐采用等離子體點火系統，目前存在智能化程度不高、調節手段不完善等問題。具體表現為低負荷穩燃時，等離子投入的時間節點不明確，不能進行有效地智能判斷和投入。等離子體點火系統載體風和冷卻水系統中調整介質的手段不完善，動態監測不完善。隨著電廠智能化的不斷提升，等離子體點火技術的智能化程度需要不斷提高，本文進行智能化等離子體點火控制技術研究與應用。

2 等離子體點火系統

等離子體點火系統如圖1所示。傳統的煤粉鍋爐啟動方式是在點火初期首先點燃數只大油槍，當爐膛內的溫度達到一定要求后再投入煤粉。這種點火方式將消耗大量燃油，經濟性較差，且有一定的環境污染。等離子體煤粉點火技術，利用超高溫的等離子體替代油槍，直接在燃燒器內部點燃煤粉，可以做到無油點火。

圖1 等離子體點火系統

2.1 等離子體燃燒器

等離子體煤粉燃燒器如圖2所示。

圖2 等離子體煤粉燃燒器

等離子體燃燒器是等離子體點火系統的重要組成部分，點火時，煤粉火焰在其內部燃燒，正常運行時，具有主燃燒器功能。等離子體燃燒器的噴口面積與原燃燒器基本一致，保證改造后噴口一次風速基本不變，不改變鍋爐的燃燒組織。等離子體燃燒器屬于濃淡分離煤粉燃燒器，其通過燃燒器后部的彎頭將煤粉濃縮到中心位置，濃淡燃燒有利于降低NOx 的生成，從原理上保證改造后鍋爐的NOx不升高。通過多次性能試驗表明，改造等離子體點火系統后，鍋爐的NOx沒有升高。

2.2 等離子體發生器

等離子體發生器是等離子體點火系統的核心部件，其安裝在燃燒器彎頭處，通過接觸引弧，在強磁場下可以獲得穩定的等離子體。等離子體溫度可達5000K 以上，通過特殊裝置可以將等離子體送到燃燒器的中心位置。當濃縮煤粉通過時被迅速點燃，劇烈燃燒，并形成穩定的火焰。大部分煤粉在燃燒器內部就被點燃，少部分進入爐膛繼續燃燒。等離子體煤粉點火設備對于適合的煤質在設計上可完全替代電廠的油槍點火設備。

本工程燃用的煤質為煙煤，燃燒性能很好，容易點燃，所使用的等離子體點火功率較小，為70～120kW。等離子體發生器如圖3所示。

圖3 等離子體發生器

2.3 電源系統

等離子體點火系統的電源部分一般由以下設備構成：電源柜、動力轉接箱、冷卻水泵電動機及其控制柜、冷卻風機電動機及其控制柜、動力電纜、測量和控制電纜等。

常規等離子體點火電氣系統需要的電源的容量（單臺機組）為如下。

一是整流柜進線電源為380VAC，300kVA每路。

二是冷卻水泵：380VAC，22kW每臺。

三是控制電源：220VAC，16A每路。

四是電動門電源：380VAC，5A每路。

2.4 冷卻水系統

等離子體電弧形成以后，弧柱溫度一般保持在5000K 以上，因此等離子體發生器必須進行冷卻，目前采用水冷方式。為了保證其良好的冷卻效果，冷卻水溫不能太高，一般不能高于40℃，冷卻水壓力0.4～0.8MPa，發生器的冷卻水進出口壓差應大于0.4MPa，單臺發生器冷卻水流量≥7t/h。一般情況下，等離子體點火冷卻水系統取自鍋爐閉式冷卻水系統，如果鍋爐閉式冷卻水水量不足，則需要采用水箱。

2.5 載體風系統

形成等離子體電弧需要有相應的介質，一般采用空氣作為介質。等離子體電弧形成以后，需要空氣以一定的流速吹出陽極，以形成可利用的電弧。電廠一般使用儀用壓縮空氣作為介質，要求壓縮空氣潔凈無油、壓力穩定、干燥，儀用壓縮空氣母管壓力較高，通過減壓閥對其進行減壓，以達到等離子體發生器使用要求。為了減少電廠壓縮空氣的消耗，在每臺等離子體發生器的儀表組件中都裝有切換閥門，當等離子體發生器停止工作后，通過切換閥將載體風切換到冷卻風進行持續吹掃，不再消耗儀用壓縮空氣。冷卻風可由火檢風機或鍋爐冷一次風提供。

2.6 冷爐制粉熱風加熱系統

鍋爐冷態點火啟動時，等離子體點火系統所對應的磨煤機要啟動、制粉，必須有熱風持續通過磨煤機，一般可以使用蒸汽加熱器或者燃油加熱器。本項目煤質為煙煤，水分較小，且風道布置空間較大，故采用的是冷風蒸汽加熱系統。其加熱汽源來自鍋爐輔助蒸汽聯箱，壓力為0.8MPa，溫度為300℃，通過布置多根雙金屬翅片管的蒸汽加熱器把冷風加熱到160℃，滿足磨煤機運行的要求。

冷風蒸汽加熱器按布置方式為在改造層對應的磨煤機入口熱風管道隔絕門和調節門的旁路上，安裝一臺冷風蒸汽加熱器，前后分別設熱風隔絕門和熱風調節門。此方案的優點是在鍋爐冷態等離子體點火啟動時，任意側熱一次風母管都能供磨煤機一次風，可靠性高，鍋爐正常運行時，原風道側運行，旁路側沒有風通過加熱器，不會因為加熱器增加磨煤機一次風阻力。但旁路風道的安裝尺寸較大，需要兩臺風門，要求有足夠的安裝空間。

2.7 火焰監視系統

為了可以在等離子體點火過程中實時監測火焰燃燒情況，方便運行人員進行燃燒調整，需要設置一套火焰監視系統，該系統包含圖像火焰監視探頭、冷卻風管道、畫面分割器、全爐膛火焰電視燈等。其中圖像火焰監視探頭安裝在煤粉燃燒器外二次風箱內，其觀測角度達到90°，每支圖像火焰監視探頭連接一路冷卻風為其冷卻，防止探頭燒損。探頭內部有CCD攝像機，通過鏡頭觀測到的視頻信號經過視頻電纜送到控制室的畫面分割器，經處理后送到全爐膛火焰電視或大屏中顯示。圖像火焰監視探頭冷卻風一般取自專用冷卻風機，其母管風壓一般高于3500Pa，保證有足夠的風冷卻鏡頭，保護鏡頭不被燒損。停爐后，必須等到爐膛溫度降到其耐熱溫度后，才可以停運冷卻風機。圖像火焰監視系統如圖4所示。

圖4 圖像火焰監視系統

本項目增加了火檢鏡組，同時對火檢柜進行了升級改造，更換了視頻分配器和下位機，升級了火檢的邏輯判斷模型，增加了對煤粉火焰判斷的準確性。

2.8 一次風速測量系統

對于等離子體點火技術，為了穩定地點燃煤粉，適合的一次風速是相當關鍵的因素。如果點火時一次風速過高，煤粉不易點燃，容易造成脫火，火檢檢測不到火焰會引起磨煤機跳閘；一次風速太低，則可能造成煤粉管道堵塞，還可能造成燃燒器噴口燒損，所以必須對一次風速進行監測。一次風速測量裝置安裝在改造磨出口一次風煤粉管道上，采用耐磨靠背管進行測量，可輸出4～20mA信號，并帶自動清灰功能。

2.9 控制系統

等離子體點火系統可以實現自動化運行，所有操作基本都可以在控制室DCS畫面上完成。并且對鍋爐原邏輯系統進行修改，設有點火模式和穩燃模式，保證使用等離子體點火時的安全性。

使用等離子體點火系統進行鍋爐啟動前需要進行試運行，試運行主要分兩個階段：一是在鍋爐啟動時進行等離子體燃燒器的點火性能試驗，驗證其對實際入爐煤粉的點燃能力、發生器斷弧后復燃的能力、煤粉量加大后火焰亮度及煤粉燃盡情況、燃燒器壁溫升高的幅度速率情況、磨煤機的出力范圍試驗及各項聯鎖和保護的工作情況。二是進行穩定燃燒后的第二臺磨煤機的投運試驗、鍋爐低負荷時的穩燃試驗、鍋爐溫升試驗等。檢驗第二層煤粉是否被引燃，點火過程是否滿足機組啟動曲線。

3 項目實施內容

圖像火檢系統具有采集信息豐富、判斷準確、適應性強等特點。通過與等離子體點火技術相結合，實現節油點火系統智能閉環控制，對圖像火檢系統技術也是一次質的飛躍。智能化點火技術在提升產品性能的同時，提高了火電機組智能化程度。本項目利用圖像火檢技術判斷鍋爐燃燒狀態，結合鍋爐燃燒相關參數進行閉環控制等離子體點火系統，并進行點火和穩燃智能優化調整[1]。本項目主要內容為如下，一是采用全新的圖像火焰檢測技術，該技術對等離子體點火初期燃燒不穩定的過程優化火焰燃燒判斷判據，可以保證等離子體點火全過程火檢的投入，準確判斷鍋爐等離子體燃燒器燃燒狀態。二是對等離子體點火冷卻水、載體風系統進行改造升級，增加控制閥門、儀表和變送器，具備風量和水量的參數反饋、自動調節和控制。三是通過采集鍋爐一次風、燃燒器壁溫、整流柜電流等多路輸入參數，在DCS系統邏輯組態進行控制，達到等離子體點火的控制、等離子體發生器功率的自動調整。

4 項目實施效果

經調試，各設備運行正常，通過全新的圖像火焰檢測技術和等離子點火系統相結合，可以實現智能化判斷。可以實現等離子體點火系統的智能化控制啟動、調整。同時通過系統優化，配合火電廠靈活性改造，提高鍋爐運行的智能化水平，并提高機組運行的安全性。

5 結論

全新圖像火焰檢測技術運行穩定、檢測準確，智能化等離子體點火技術成為技術亮點，系統性能明顯提升，達到智能化啟動及穩燃需求，可以根據鍋爐燃燒實際情況實現智能化燃燒調節，提高火電機組智能化程度。