交流等离子无油点火装置在200MW机组的应用.pdf

全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 328 交流等离子无油点火装置 在 200mw 机组的应用 周 渊 1 黄 魁1 王 璐2 闫高程2 （1 海勃湾发电厂 内蒙乌海；2 北京光耀环境工程有限公司 北京） 【摘 要】本文介绍了一种交流等离子无油点火装置，重点阐述了该装置的引弧原理和燃烧器设计原理，并 结合在海勃湾发电厂#4 机组（200mw）的应用情况，从煤粉浓度和一次风速以及锅炉冷态启动升温升压速率及煤粉燃 烬率等方面，分析了该技术的实际应用情况，总结了相关操作原则，为同类型机组应用该技术积累了经验。 【关键词】交流等离子 无油点火 管状等离子弧 电站锅炉 1 前言 我国的能源结构中石油资源短缺，每年大量依靠进口。每年电站锅炉（不包括其它工业锅炉） 点火、稳燃和新机组调试用油，约在 300 万吨左右 1 ，耗资近百亿元，属我国用油大户。因此，开 发新技术，减少电厂燃油耗量，降低发电成本是广大电力科技工作者长期研究的课题。 交流等离子点火装置是一种可以用于电站锅炉冷态无油启动和低负荷稳燃的新型节能技术，与 其它类型的等离子点火装置有着不同的引弧原理和应用特性，体现出了一定的特点和优势。 2 交流等离子发生器的引弧原理 交流等离子点火技术的原理是将载体风通过等离子发生器加热到温度可达到 600010000 2 、的超高温等离子弧，进而引燃煤粉，实现无油启动。其核心设备是交流等离子发生器，该发生器 采用了一种不同于其它等离子点火技术的引弧原理，如图 1 所示。 等离子弧前电极电弧室后电极 冷却水来 冷却水来 冷却水回 载体风来 载体风来 冷却水回 图 1 交流等离子发生器引弧原理示意图 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 329 交流等离子发生器的引弧原理表述如下： 1）通过一个高频引弧装置，在间距为 1mm 的前后电极间加载一个有效值达到了 20000v 窄波电 压，成功击穿两个电极之间的空间间距，在建立起引弧电弧；与此同时，加在前后电极间的工作主 电压（380v）在此引弧电弧的引导下建立起工作电弧；值得一提的是此窄波电压的的输出频率达到 了 2000hz，当交流电过零时，可迅速再次引弧，避免了电弧的“眨眼”现象，提高了等离子弧的稳 定性和连续性。 2）载体风压缩空气通过 6 个0.8mm 的圆孔切向高速进入电弧室，发生强烈的旋转，形成中心 压力低、外围压力高的动力场；同时在电极放电所产生的热量的作用下，载体风压缩空气发生电离， 形成管状等离子弧，吹出发生器外，如图 1 所示； 本引弧原理与其它等离子点火装置的主要区别在于通以旋转气流时，由于离心力的作用，气流 的旋转造成了指向通道中心的径向压力梯度，由此同时引起密度梯度，弧柱中间的密度大大低于周 围的密度，在压力梯度的作用下弧柱有处于低压区的趋势，这就是所谓的箍缩效应 3 。由于箍缩效 应的作用密度较大的冷气流包围于弧柱的周围，使弧柱位于通道的中心，降低了电极表面的温度， 延长了使用寿命。实际使用时通常在在管道上开切向的孔，通过管子的切线方向送入气流时，气流 在管道中形成旋涡。这是种十分有效的稳定电弧的措施。 3 交流等离子燃烧器的设计 图 2 交流等离子点火燃烧器原理示意图 燃烧器是等离子点火系统中的一个关键部件。燃烧器中的温度通常达到几千度，已经超过了煤 灰的熔点，因此，燃烧器不仅要耐高温、耐磨，还要做防结焦处理。为了达到燃烧器的设计要求， 目前国内外的实际应用中都采取材料和结构并重的措施。除了选择耐高温、耐磨的材料以外，还设 计了在燃烧器壁内形成风膜冷却的燃烧器结构。另外，为了使煤粉在燃烧器内充分燃烧，通常燃烧 器都设计为分级燃烧的方式 4，如图 2 所示。 燃烧器一级筒的筒长，是进行燃烧器设计的一个重要环节。合理的一级长度必须能够保证被等 离子高温射点燃的煤粉流有充分的燃烧时间，如果一级燃烧器的长度不够，则一级燃烧器内的煤粉 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 330 在煤粉着火燃烧的初始阶段就混入二级燃烧器内的煤粉气流，这样比较低的一级燃烧器出口温度必 然影响其他煤粉的燃烧。但是如果燃烧器的一级筒的长度过长，对于挥发分含量高、发热量高的煤 粉，则煤粉在一级筒内完全燃烧会导致一级筒壁而温度过高，超过金属耐热温度，甚至出现结渣现 象。因此，燃烧器的一级筒长度也不能过长 5。 4 交流等离子点火装置在海电#4 炉的应用研究 2010 年 1 月 26 日，本交流等离子点火装置内蒙古蒙华海勃湾发电有限责任公司#4 炉进行了冷 态点火启动，该锅炉生产厂家为哈尔滨锅炉厂 hg670/13.7ym11 型超高压、一次中间再热、自然 循环、固态排渣煤粉炉，单炉膛、平衡通风、微负压燃烧，锅炉呈“”型布置。本炉采用钢球磨 煤机中间储仓式制粉系统，乏气送粉。16 只煤粉燃烧器，分四层布置在炉膛四角。燃烧器为单切圆， 切圆直经949mm。每台炉装八只气动点火油枪分两层布置在炉膛四角。 本次启动燃煤特性见表 1 所示，等离子点火装置参数见表 2 所示。 表 1 应用煤种特性 项目名称 符号 单位 设计值 项目名称 符号 单位 设计值 收到基水分 mar % 6.74 收到基挥发分 var % 30 收到基灰分 aar % 26.24 收到基低位发热量 qnet.ar mj/kg 20.055 收到基碳 car % 51.95 哈氏可磨性系数 hgi - 70 收到基氢 har % 3.14 灰渣初始变形温度 dt 1500 收到基氧 oar % 6.38 灰渣软化温度 st 1500 收到基氮 nar % 0.89 灰流动温度 ft 1500 收到基硫 sar % 0.79 表 2 交流等离子点火装置性能参数 电功率 （kw） 电流调节范围 (a) 一次风速 (m/s) 给粉机转速 (r/min) 载体风压力 (mpa) 冷却水压力 (mpa) 150300 300500 2228 350600 35 5 3.1 煤粉浓度对着火性能的影响 煤粉浓度高可降低煤粉的着火热，有利于煤粉的点燃，但煤粉浓度过高会使点火初期氧量补充 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 331 不足，增加煤粉不完全燃烧热损失。为了确定等离子点火燃烧器的煤粉浓度适用范围，进行了此项 试验。 试验 在 1 号角点火燃烧器上进行。在保持一次风速 24m/s、二次风挡板开度为 45%，电功率 200kw 的条件下，改变给粉机转速(350r/min，400r/min，450r/min，500r/min，600r/min)来实现 煤粉浓度的变化。在给粉机转速由 350r/min 提高到 450r/min 时，火焰亮度（火检棒图模拟量值） 由 25 增加到 57，继续提高给粉机转速到 600r/min 时，火焰亮度（火检棒图模拟量值）由 57 下降 到 38，由此可以看出该等离子点火装置适用的给粉机最佳转速为 45050r/min 之间，如图 3 所示。 3.2 一次风速对着火性能的影响 一次风速的高低对煤粉的着火影响较大，一次风速过高，将导致煤粉着火推迟，燃烧不稳;一次 风速偏低，则容易烧损燃烧器并在一次风管内造成积粉以致堵管。因此，点火一次风速的合理选择 对等离子点火燃烧器的煤粉稳定燃烧至关重要。本项试验就是为确定合理的一次风速变化范围。 在保持给粉机转速为 450r/min、二次风挡板开度为 45%，电功率 200kw 的条件下，改变一次风 速（18m/s,20 m/s，22m/s，24m/s，26m/s，28 m/s，30m/s） ，记录火焰亮度。试验数据见图 4。从 试验结果可以看出，一次风速低于 26m/s 时，煤粉燃烧稳定，火焰明亮，为了确保不堵管，将 22 24m/s 时可以定为最佳风速为宜。 图3 煤粉浓度对着火性能的影响 15 25 35 45 55 65 75 350400450500550600 给粉机转速（r/min) 火焰亮度（火检感应值） 图4 一次风速对着火性能的影响 15 25 35 45 55 65 75 18202224262830 一次风速（m/s) 火焰亮度（火检感应值） 3.3 锅炉冷态启动升温升压曲线的测定 机组 于 1 月 26 日晚进行冷态启动。22: 50 分投人#1,# 3 号等离子燃烧器，23:40 分投人#2,#4 号等离子燃烧器，01：30 开始汽机冲转，04：00 机组并网。升温升压曲线如图 5 和图 6 所示，从图 中可以看出，在点火初期，温升速率约为 1/min,冲转期间温度基本保持平衡，并网后温升速率达 到了约 1.5/min,均在规程要求的范围之内；升压速率在冲转前平均约为 0.015mpa/min,在冲转期 间基本保持稳定，并网后升压速率为 0.05 mpa/min,符合规程要求，所以等离子点火燃烧器可以满 足锅炉冷态情况下升温升压要求。 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 332 图5 锅炉冷态启动升温曲线 100 200 300 400 500 4080120 160 200 240 280 320 360 400 时间/min 主蒸汽温度 图6 锅炉冷态启动升压曲线 0 2 4 6 8 10 4080120 160 200 240 280 320 360 400 时间/min 主蒸汽压力mpa 3.4 锅炉启动过程中煤粉燃烧效率实验 在 1 月 26 日至 1 月 27 日的交流等离子点火过程中， 同时进行煤粉燃烧效率试验， 在点火 30min 以内，由于炉膛温度较低，一、二次风温度较低，煤粉的燃烬率比较低，约为 62.8%，60min 以后煤 粉的燃烬率上升到 77.6%，150min 后，炉膛温度和热风温度有了大幅度的提高，此时煤粉的燃烬率 上升到了 90%以上，试验数据如表 1 所示。 表 3 煤粉燃烧效率试验数据 项目 收到基 水分 收到基 灰分 挥发分 发热量 煤粉 细度 电功 率 飞灰 可燃物 炉渣 可燃物 机械 损失 燃烧 效率 符号 mad aar vad qnet. r90 w cfh clz q4 单位 % % % mj/kg % kw % % % % 30min 6.74 26.2434 16.752 90 200 39.9 43.38 37.1 62.8 60min 6.74 26.2434 16.752 90 200 32.61 37.78 22.2 77.6 90min 6.74 26.2434 16.752 90 200 25.78 28.5 17.1 82.8 120min 6.74 26.2434 16.752 90 200 18.94 22.19 14.7 85.2 150min 6.74 26.2434 16.752 90 200 8.21 18.72 9.6 90.3 全国火电 300mwe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 锅炉 333 5 结束语 通过对等离子点火燃烧系统进行性能试验，得出如下结论: 5.1 交流等离子点火燃烧装置能够直接点燃劣质烟煤，燃烧稳定、燃烧器不结焦、不烧损，达到锅 炉冷态无油启动并列的目的。 5.2 冷态启动时，给粉机的转速控制在 45050r/min 之间为宜。 5.3 冷态启动时，一次风速在 1826m/s 的风速范围内，煤粉燃烧稳定。为了保证不堵塞煤粉管， 可将 2224m/s 定为最佳一次风速。 5.4 锅炉冷态时，煤粉的燃烧效率随着炉膛温度和一、二次风温的提高而显著提高。 5.5 交流等离子无油点火装置在冷态点火前期时，燃烧效率较低，因此如何提