等離子點火技術2

1、目錄1 前言12 等離子點火技術工作原理1 2.1 點火機理1 2.2 等離子發(fā)生器工作原理2 2.3 燃燒機理23 等離子點火系統(tǒng)組成3 3.1 等離子燃燒器3 3.2 等離子發(fā)生器-4 3.3 等離子電氣控制系統(tǒng)4 3.4 等離子壓縮空氣系統(tǒng)4 3.5 等離子冷卻系統(tǒng)5 3.6 壁溫檢測系統(tǒng)6 3.7 風煙在線監(jiān)測系統(tǒng)7 3.8 圖像火焰監(jiān)測74 影響等離子點火的燃燒因素8 4.1煤粉濃度對燃燒特性的影響8 4.2一次風對燃燒特性的影響84.3 二此風對燃燒特性的影響9 4.4 拉弧功率對燃燒特性的影響95 等離子燃燒器與傳統(tǒng)油燃燒器對比的優(yōu)點96 等離子點火的不足之處107 等離子點火運

2、行中出現(xiàn)的問題108 解決方法119 結論12參考文獻13電站鍋爐等離子點火系統(tǒng)李鑫 西安電力高等?？茖W校摘 要:本文介紹了等離子無油點火系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng) 構成,對該技術進行了應用性試驗研究,考察了煤粉濃度、一次風速、二次風量、拉弧功率等因素對其點火性能的影響。通過對比等離點火和油點火的優(yōu)缺點,并發(fā)現(xiàn)一些運行中的問題,并提出一些解決方法。關鍵詞：等離子點火 等離子發(fā)生器 電站鍋爐1 前言 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(xiàn)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，

3、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，但是，這些方法已到了盡頭，若要進一步減少燃油到最終不用油，必須采用與傳統(tǒng)上完全不同的全新工藝，這種工藝應既可保證提高燃燒過程的經(jīng)濟性，等離子煤粉點火燃燒器，采用直流空氣等離子體作為點火源，實現(xiàn)鍋爐的冷態(tài)啟動而不用一滴油，是未來火力發(fā)電廠點火和穩(wěn)燃的首選設備。2 等離子點火器的工作原理2.1 點火機理裝置利用直流電流（280-350A）在介質(zhì)氣壓0.01-0.03Mpa的條件下接觸引弧，并在強磁場下獲得穩(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

4、T5000K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(nèi)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。等離子體內(nèi)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(zhuǎn)換，促進燃料完全燃燒，除此之外，等離子體對于煤粉的作用，可比通常情況下提高20% 80%的揮發(fā)份，即等離子體有再造揮發(fā)份的效應，這對于點燃低揮發(fā)份煤粉強化燃燒有特別的意義。2.2 等離子發(fā)生器的工作原理等離子發(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。其中陰極材料采用高導電率的金屬材料或非金屬材

5、料制成。陽極由高導電率、高導熱率及抗氧化的金屬材料制成，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。其拉弧原理為：首先設定輸出電流，當陰極2前進同陽極1陰極緩緩離開陽極時，電弧在線圈磁力的作用下拉出噴管外部。一定壓力的空氣在電弧的作用下，被電離為高溫等離子體，其能量密度高達105 106W/cm2，為點燃不同的煤種創(chuàng)造了良好的條件。圖（1）煤粉鍋爐等離子發(fā)生器2.3 燃燒機理據(jù)高溫等離子體有限能量不可能同無限的煤粉量及風速相匹配的原則設計了多級燃燒器。它的意義在于應用多級放大的原理，使系統(tǒng)的風粉濃度、氣流速度

6、處于一個十分有利于點火的工況條件，從而完成一個持續(xù)穩(wěn)定的點火、燃燒過程。實驗證明運用這一原理及設計方法使單個燃燒器的出力可以從2T/H擴達到10T/H。在建立一級點火燃燒過程中采用了將經(jīng)過濃縮的煤粉垂直送入等離子火炬中心區(qū)，10000的高溫等離子體同濃煤粉的匯合及所伴隨的物理化學過程使煤粉原揮發(fā)份的含量提高了80%，其點火延遲時間不大于1秒。3 等離子點火燃燒系統(tǒng)組成圖（2）等離子點火系統(tǒng)3.1 等離子燃燒器圖（3）等離子燃燒器結構圖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

7、內(nèi)逐級放大，屬內(nèi)燃型燃燒器，可在爐膛內(nèi)無火焰狀態(tài)下直接點燃煤粉，從而實現(xiàn)鍋爐的無油啟動和無油低負荷穩(wěn)燃。 3.2 等離子發(fā)生器等離子發(fā)生器是用來產(chǎn)生高溫等離子電弧的裝置，其主要由陽極組件、陰極組件、漩流環(huán)及支撐托架組成。等離子發(fā)生器設計壽命為810年。在兩電極間加穩(wěn)定的大電流，將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。圖(4)等離子發(fā)生器3.3 等離子電器控制系統(tǒng)等離子發(fā)生器電源系統(tǒng)是用來產(chǎn)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

8、電源。其由隔離變壓器和電源柜兩大部分組成。電源柜內(nèi)主要有由六組大功率晶閘管組成的三相全控整流橋、直流電抗器、交流接觸器、控制PLC等。3.4 等離子壓縮空氣系統(tǒng)壓縮空氣是等離子電弧的介質(zhì)，等離子電弧形成后，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(xiàn)方案如下：1）壓縮空氣有空壓機經(jīng)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）壓縮空氣母管的壓力要求為0.5Mpa左右，每臺等離子裝置的壓縮空氣流

9、量約為80NM3/h。圖（4） 等離子壓縮空氣系統(tǒng)3.5 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。通過大量實驗總結出為保證好的冷卻效果，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(zhì)均為不銹鋼。 2）冷卻

10、水箱、水泵安裝保證不振動。3）冷卻水經(jīng)母管分別送至等離子點火器，單個等離子點火器的冷卻水用量約為10T/H，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?；厮捎脽o壓回水（出口為大氣壓），等離子點火器回水經(jīng)母管流經(jīng)換熱器冷卻后返回冷卻水箱。等離子裝置來水管道上設有手動調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)整等離子點火器冷卻水流量，同時安裝有冷卻水壓力表，過濾器及壓力開關（CCS），壓力滿足信號送回本等離子整流柜。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。5）冷卻水采用除鹽化學水，通過補水管路為冷卻水箱供水。6）對于兩臺爐公用冷卻水系統(tǒng)

11、，回水分管道加裝截止閥圖（5）等離子冷卻水系統(tǒng)3.6 壁溫監(jiān)測系統(tǒng)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。熱電偶的安裝位置是根據(jù)數(shù)臺等離子燃燒器的工業(yè)應用情況和燃燒器工作狀態(tài)下的溫度場確定的。安裝位置如下圖所示。熱電偶的型號主要為K分度或鎧裝熱電偶。圖（6）壁溫檢測熱電偶3.7 風粉在線監(jiān)測系統(tǒng)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)。一次風在線測速裝置的組成圖（6） 一次風在線測速裝置的組成3.8圖像火焰監(jiān)視 監(jiān)視等離子點火燃燒器的火焰情況，方便運行人員進行燃燒調(diào)整，在經(jīng)過改造的等離子點火燃燒器上方

12、二次風道內(nèi)各安裝1套圖像火檢裝置。探頭套管的前端內(nèi)部安裝有CCD探頭，視頻信號送至工業(yè)電視系統(tǒng)。通過切換器進行切換。運行人員可在點火初期同時監(jiān)視等離子點火燃燒器的火焰。4 影響等離子點火燃燒性能的因素4.1 煤粉濃度對著火性能的影響煤粉濃度高可降低煤粉的著火熱,有利于煤粉的點燃,但煤粉濃度過高會使點火初期氧量補充不足, 增加煤粉不完全燃燒熱損失。圖(7)煤粉濃度對著火性能影響的線性圖由此可以看出該等離子點火裝置的煤粉濃度適用范圍為0.36 0.52m3/kg。4.2 一次風速對著火性能的影響一次風速的高低對煤粉的著火影響較大,一次風速過高,將導致煤粉著火推遲, 燃燒不穩(wěn);一次風速偏低, 則容易

13、燒損燃燒器并在一次風管內(nèi)造成積粉以致堵管。因此,點火一次風速的合理選擇對等離子點火燃燒器的煤粉穩(wěn)定燃燒至關重要。圖（8）一次風速對著火性能影響線性圖冷態(tài)啟動及溫態(tài)啟動時,一次風速為2224m/s和2426m/s ,煤粉燃燒穩(wěn)定,火焰明亮,可以定為最佳風速。4.3 二次風量對著火特性的影響在等離子燃燒器中,二次風主要作用是冷卻一次室、二次室壁面以及提供煤粉燃燒的氧量, 但二次風速過高或過低都可能破壞氣流的正?；旌蠑_動,從而降低燃燒的穩(wěn)定性。圖（9）二次風量對著火性能影響的線性圖冷態(tài)啟動和溫態(tài)啟動時, 增加二次風量將使噴口火焰溫度升高,二次風量減少后火焰剛性降低,同時伴有焦塊噴出。因此在運行中,為

14、防止一、二次室結焦,不宜將二次風關小。4.4 拉弧功率對著火特性的影響圖（10）拉弧功率對著火特性影響線性圖拉弧功率的變化對火焰溫度影響不大, 煤粉一旦被點燃,燃燒情況的優(yōu)劣主要取決于風粉參數(shù)的配比。5 等離子點火燃燒器，點火和穩(wěn)燃與傳統(tǒng)的燃油相比有以下幾大優(yōu)點：1) 經(jīng)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%，對于新建電廠，可以節(jié)約上千萬的初投資和試運行費用；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，因此，減少了點火初期排放大量煙塵對環(huán)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(huán)節(jié)，亦改善了電廠的環(huán)境；3) 高效：等離子體內(nèi)

15、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(zhuǎn)換，促進燃料完全燃燒；4) 簡單：電廠可以單一燃料運行，簡化了系統(tǒng)，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(jīng)常由于燃油系統(tǒng)造成的各種事故。6 等離子點火系統(tǒng)的不足之處盡管等離子點火能節(jié)油而產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益,但是作為一種新型的點火技術，和油點火技術相比較還是有許多不成熟的地方。主要集中在以下幾方面：1)等離子點火技術目前難以真正達到冷態(tài)鍋爐冷粉點火，不能做到真正無油點火，需要保留鍋爐的燃油系統(tǒng)。點火時需要對一次風預熱，煤粉進行加熱。同時等離子點火前

16、需要用小油槍預熱鍋爐12h。2)等離子點火技術并不是什么煤種都適用。主要有煙煤、貧煤、褐煤和劣質(zhì)貧煤。但是都要求煤粉揮發(fā)分含量不能低于18%。煤粉揮發(fā)分含量偏低，在鍋爐點火時就要更多的燃油，這就會降低等離子點火的經(jīng)濟性。3)等離子點火系統(tǒng)的可靠性穩(wěn)定性需要提高。由于鍋爐的結構不同、等離子點火系統(tǒng)的結構不同、煤質(zhì)的不同、點火過程中的操作方法的不同，會導致點火效果的不同。問題主要有：等離子槍出口結焦或燒毀、風管內(nèi)煤粉結焦、等離子拉弧及運行是出現(xiàn)斷弧的情況。4)等離子槍陰極的使用時間太短。目前制作陰極材料有碳棒和金屬材料。設計使用壽命一般100110小時，但實際使用中，70小時左右就要更換陰極。工作

17、超過30小時后就要加強監(jiān)視等離子燃燒器陰極運行情況，防止因為陰極使用壽命造成燃燒器斷弧，對鍋爐的正常運轉(zhuǎn)造成影響。7等離子點火運行中存在的問題：1)等離子點火器均存在不同程度的斷弧現(xiàn)象，冷態(tài)啟動更加明顯。陰極頭燒損嚴重，機組啟動及低負荷助燃不穩(wěn)定，不能達到設計連續(xù)工作時間。2)點火器陰極控制電機受硬件本身及陰、陽極接觸時間的影響，電機經(jīng)常燒損，陰極進退軌道及電機傳動齒不同程度出現(xiàn)磨損，不能有效地保證陰極正常進退。3)空氣加熱器小爐膛的打火設備電極采用兩極式，無法調(diào)整極間距，點火過程中不能可靠打火；打火變壓器設計不合理，易燒毀、造成其它控制設備損壞。4)空氣加熱器小爐膛的油槍打火變壓器控制存在缺

18、陷，造成打火時間繼電器損壞，影響等離子進行鍋爐冷態(tài)啟動。5）等離子陰極水箱的連接件安裝結構不合理，存在不同程度的漏水現(xiàn)象。8解決方法 1）在試驗中發(fā)現(xiàn)電流、功率不穩(wěn)是造成斷弧的主要原因.通過調(diào)整引弧間距、增大拉弧電流、重新整定壓縮空氣壓力、更換陰極頭、清潔陽極，將壓縮空氣壓力限制在0015002 MPa，更換喉口比原來小的陽極，解決了斷弧問題。 等離子點火器自投入以來，陰極頭燒損嚴重，頻繁斷弧和陰極頭燒損有關，而陰極頭燒損速度與壓縮空氣流量有關。等離子點火器陰極最初安裝的壓縮空氣旋流環(huán)為乙烯材質(zhì)，出現(xiàn)過變形。對此在乙烯旋流環(huán)內(nèi)部加了不銹鋼襯，支撐旋流環(huán)不產(chǎn)生形變。但新的旋流環(huán)的旋流孔過大，造成

19、壓縮空氣壓力降低，不能滿足點火需要，又對旋流環(huán)進行改進，陰極頭燒損的現(xiàn)象有所改善。但引弧成功率仍較低，即使引弧成功、燃燒時間也不能達到設計要求，電壓、電流、功率曲線變化區(qū)間較大，穩(wěn)定性不高。加大壓縮空氣截門開度后有所改變。壓縮空氣壓力調(diào)整在等離子點火過程中有重要的作用，陽極的喉口大小、拉弧內(nèi)膛粗細、陰、陽極的拉弧距離、冷卻水的溫度高低均限制了壓力的調(diào)整。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對等離子點火陽極結構進行了改進，將陽極喉口縮小，增大阻力，填充拉弧內(nèi)膛，減少電弧在拉弧內(nèi)膛的滯留數(shù)量和滯留時間。將陽極全部更換成小喉口結構后，進行了長達10 h的引弧試驗。10 h內(nèi)電流和功率變化很小，壓縮空氣風壓調(diào)整范圍變寬，陰

20、極銀質(zhì)導電面損耗較小。根據(jù)其損耗程度可以推斷陰極在當前條件下可以工作70 h左右。 2) 兩級延時時間內(nèi)，電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，對傳動齒損壞較嚴重。通過調(diào)節(jié)兩級結合延時時間，從而解決了傳動齒損壞及電機經(jīng)常燒損的問題。 3) 針對等離子點火空氣加熱器油槍打火設備存在的缺陷，電極使用一體化電極，避免了極間距難以固定的問題，同時設計電極正交方向可調(diào)，使打火點可以調(diào)整在輕油噴入的邊緣，著火點可控，滿足了燃油點火的要求。 4) 打火時間繼電器頻繁燒毀的問題。經(jīng)檢查分析發(fā)現(xiàn)，電極變壓器打火電流通過時間繼電器觸點導通，大大超過繼電器接點額定電流。通過完善控制回路解決了問題。5）更換等離子點火器水箱和冷卻風箱后，解決了冷卻風、冷卻水泄漏問題。9 結 論通過對等離子點火技術的簡單分析和說明,能夠初步對電站鍋爐等離子技術有一定認識和理解,得出以下結論: 1)等離子點火燃燒系統(tǒng)能夠直接點燃煙煤, 燃燒穩(wěn)定、燃燒器不結焦、不燒損,達到鍋爐冷態(tài)無油啟動并列的目的。從而節(jié)省了電廠重油使用費用,節(jié)約了成本,減少了環(huán)境污染.。2)等離子點火裝置的煤粉濃度適用范圍為0. 36 0. 52kg/ kg。冷態(tài)啟動及溫態(tài)啟動時,一次風速為22 24m/ s和24 26m/ s。冷態(tài)啟動和溫態(tài)啟動時, 增加二次風量將使噴口火焰溫度升高。3)等離子點火技術使用要求煤