石橫電廠等離子點火技術探討

馮宗田，曹 磊

（國電山東石橫發(fā)電廠，山東 肥城 271621）

0 引言

無油點火技術經過多年的試驗發(fā)展，逐步趨于成熟。近幾年，等離子點火技術在國內大中型鍋爐中得到了充分的利用，從50 MW到1 000 MW鍋爐都有成功的例子。在冷爐狀態(tài)下點燃煤粉，既要保證煤粉著火的可靠性和穩(wěn)定性，又要控制鍋爐升溫升壓率不超過啟動曲線的要求，這是等離子點火區(qū)別于傳統(tǒng)燃油點火的關鍵技術。

1 等離子點火設備簡介

等離子點火裝置包括等離子發(fā)生器和等離子燃燒器，電源系統(tǒng)（隔離變），控制系統(tǒng)等組成。圖1所示為等離子發(fā)生器外觀圖，圖2為原理圖。等離子發(fā)生器由線圈、陰極、陽極、電源等組成，等離子載體為壓縮空氣，陰極材料采用具有高導電率、高導熱率、耐氧化的金屬材料制成，陽極亦由高導電率、高導熱率及抗氧化的金屬材料制成，它們均采用水冷冷卻方式，以承受電弧的高溫沖擊。其拉弧原理為：首先設定輸出電流，當陰極3前進同陽極2接觸后，整個系統(tǒng)具有抗短路的能力且電流恒定不變，當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，為點燃不同的煤種創(chuàng)造了良好的條件。

圖1 等離子發(fā)生器外觀圖

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，并將火焰在燃燒器內逐級放大，屬內燃型燃燒器，可在爐膛內無火焰狀態(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。

圖2 等離子發(fā)生器原理圖

圖3 等離子燃燒器示意圖

如圖3所示，等離子發(fā)生器產生穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的中心筒中形成T＞5000K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。由于反應是在氣相中進行，使混合物的粒級發(fā)生了變化，因而使煤粉的燃燒速度加快，也有助于加速煤粉的燃燒，這樣就大大地減少促使煤粉燃燒所需要的引燃能量E（E等=1/6E油）。除此之外，等離子體有再造揮發(fā)分的效應，這對于點燃貧煤強化燃燒有特別的意義。

石橫電廠5號、6號爐等離子點火裝置僅設置在A層制粉系統(tǒng)，分正常點火和等離子點火兩種狀態(tài)。等離子控制方式又分為就地和遙控兩種方式，通常采用遙控方式。鍋爐點火前，投入A磨暖風器以提高熱一次風溫度，啟磨后要充分暖磨，磨煤機出口溫度升至85℃后啟動給煤機，給煤機啟動后盡快使磨煤機咬煤出粉。根據火檢情況適當調整給煤機煤量（一般控制在12～15 t），以維持較高的煤粉濃度，使煤粉更利于著火。同時要密切監(jiān)視鍋爐蒸汽升溫升壓率，及時調整煤量或旁路閥門開度。

3 等離子點火的操作步驟

滿足下列條件，允許投運等離子點火器：鍋爐吹掃已完成，MFT已復位；等離子點火裝置通訊正常；等離子圖象火檢冷卻風壓＞0.4 Mpa；等離子點火器冷卻水壓＞0.2 Mpa。

啟動順序：檢查等離子裝置冷卻水、冷卻風已投運正常；啟動A磨等離子試拉弧，檢查拉弧是否正常；啟動A磨，開始暖磨；啟動給煤機，調整煤量使磨煤機盡快咬煤；在盡可能短的時間內點火成功。

為保護等離子拉弧裝置，一次風速維持不低于15 m/s，推薦的風速為18～20 m/s，但風速也不能太高，否則對點火穩(wěn)定性不利，嚴重時甚至會將火焰吹滅。根據運行經驗，給煤機啟動前，應將A層周界風擋板切至手動方式關閉，AA層二次風擋板保留50%開度，待著火穩(wěn)定后再稍開A層周界風。在低負荷或煤質較差時，應適當降低二次風壓，增加二次風量，反之應減少二次風量。一般情況下最下層（AA層）二次風擋板擋板必須全開，以防止煤粉的分離下沉。

4 等離子點火的影響因素分析

從近一年的啟動點火情況分析，提高點火成功率的主要因素可歸納為五點：較高的揮發(fā)分、較高的出粉溫度、合適的煤粉細度、合理的煤粉濃度和穩(wěn)定的拉弧強度。具體可以從以下三方面進行分析：第一是煤的工業(yè)成分，其次是運行調整技術及運行經驗，第三是設備可靠性。

4.1 煤的工業(yè)成分的影響

石橫電廠5號、6號爐設計煤種的工業(yè)成分如表1所示。等離子點火由于是內燃，其燃燒組織較全爐膛燃燒組織難度更大，對煤質的要求也更高。表2、表3為近一年來5號、6號爐等離子點火時的入爐煤工業(yè)成分數(shù)據。

表1 設計煤種的工業(yè)成分

表2 5號爐啟動時入爐煤質情況統(tǒng)計表（2008年）

表3 6號爐啟動時入爐煤質情況統(tǒng)計表（2008年）

由表2、表3可以看出：5號、6號爐在21次啟動點火中，12次點火失敗（黑色部分），9次成功（紅色加粗部分），其主要原因是煤質差，嚴重偏離設計用煤標準。在12次失敗的統(tǒng)計中，入爐煤的揮發(fā)分全部在34%以下，灰分在30%以上，低位熱值平均在18.52 Mj/kg。而在9次成功的統(tǒng)計中，有8次入爐煤揮發(fā)分超過了34%，有6次灰分在30%以下，低位熱值平均在20.68 Mj/kg，各項指標均達到設計煤種標準。理論上講，煤的揮發(fā)分越高，其著火溫度越低，越易于點燃。因此對等離子點火鍋爐而言，要嚴格控制入爐煤的揮發(fā)分，以提高點火的成功率。

4.2 運行調整技術的影響

控制好點火初期的煤粉濃度和風量，對保證良好的著火至關重要。經驗表明，煙煤最佳點火濃度一般在0.3～0.35 kg/kg，對于劣質煙煤，煤粉濃度將可能上升到0.5～0.6 kg/kg才能滿足穩(wěn)定點燃的要求，在為了滿足啟動曲線而使磨煤機的最低出力降低以后，煤粉濃度往往會下降到0.2 kg/kg以下，對點燃和燃盡非常不利，煤粉點燃時間一般需要90～180 s（廠家推薦點火開始時滅火保護的遲延動作時間，對于直吹式制粉系統(tǒng)不應低于180 s），兩個以上火檢看不到火焰，鍋爐滅火保護動作。為了確保點火的成功率，在保證爐膛安全的情況下，可以適當延長滅火保護動作的時限，在煤質特別差的情況下，甚至可以增加到240 s。

煤粉細度對著火和燃盡也有較大的影響，對于煙煤，煤粉細度控制在25～30%，對點燃和燃盡影響都不大，但是對于劣質煙煤，煤粉細度對點燃和燃盡影響較大，根據燃用煤種的不同，可以對煤粉細度做出適當調整。石橫電廠5號、6號爐A磨的煤粉細度在11%左右，而其他磨的煤粉細度都在15%以上，這就使點火變得容易一些。等離子點火時磨煤機風量的控制，太高或太低都不利于燃燒；5號、6號爐HP-823型中速磨煤機要求的最小空氣流量為45.7 t/h，A磨等離子點火時的風量一般在45～48 t/h，能夠滿足磨煤機的運行要求。

鍋爐啟動過程中，保證初期點火的穩(wěn)定性和連續(xù)性是非常重要的，隨著燃燒過程的延長，爐膛內部溫度場逐漸增強，高溫煙氣對煤粉的著火和燃燒起到了強化作用，這是一個良性的循環(huán)，當爐膛溫度場達到較高強度后，鍋爐燃燒將逐漸趨于穩(wěn)定。

穩(wěn)定的著火狀態(tài)應為光亮的金黃色，在著火較差時火焰呈現(xiàn)暗紅色或淺藍火焰。圖4和圖5為鍋爐著火穩(wěn)定與不穩(wěn)定時的對比。依據火焰圖像可以比較直觀的判斷燃燒效果，進而做出燃燒調整。

圖4 鍋爐著火穩(wěn)定

圖5 鍋爐著火不穩(wěn)定

4.3 等離子設備的影響

在等離子點火裝置中，陰極頭是容易損壞的部件，據統(tǒng)計，其壽命大約在60～80 h，當發(fā)現(xiàn)陰極頭出現(xiàn)故障時，必須立即進行更換。因此，做好等離子裝置的日常維護是必不可少的工作，另外要準備充足的陰極頭備品。為了提高等離子點火裝置的良好備用，需要定期進行等離子拉弧試驗，發(fā)現(xiàn)設備缺陷及時處理。

5 結語

等離子點火技術有著燃油點火技術不可比擬的優(yōu)越性，近五年的統(tǒng)計數(shù)據表明，燃油點火鍋爐每年約用油300 t。尤其是在機組調試階段，其節(jié)省燃油的優(yōu)勢更加明顯。等離子點火鍋爐從點火初期即可投入電除塵裝置，避免了燃油點火鍋爐啟動初期的污染。

電網的發(fā)展，對調峰機組要求越來越苛刻，采用等離子助燃方式，機組負荷調節(jié)范圍增加，300 MW機組最低負荷甚至可以減到60 MW，調峰能力大大增強，不僅節(jié)約了大量燃油，而且提高了全廠機組方式的靈活性。因此等離子點火鍋爐是調峰的首選。

等離子點火是一種系統(tǒng)工程，涉及到燃燒理論、傳熱理論，而且受煤質煤種影響較大，設備易損部件壽命過短，需要生產系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)都要把好關。作為一種新技術，已經開始顯現(xiàn)出其強大的生命力和優(yōu)越性，但目前仍有需要改進的地方，需要在生產實踐中進一步摸索，使其技術更加完善。