電站煤粉等離子點火過程應用安全性

歐陽凱

蘭州電力學校，甘肅蘭州 730070

0 引言

等離子點火及穩燃技術是一項煤粉鍋爐點火及穩燃過程中以煤代油的新技術，經過近幾年的不斷改進和應用技術已趨于成熟，已配套于國產各大爐型，省內三大系列煙煤（華亭、哈密、靖遠、窯街），不同種內型中速磨煤機及中儲式制粉系統，完成機組不同狀態啟動應用，從目前電站的應用中等離子無油點火系統已基本替代了鍋爐燃油點火的主導作用。

1 等離子點火煤粉燃燒器工作原理

等離子點火裝置是利用直流電流在一定介質氣壓的條件下接觸引弧，并在強磁場控制下獲得穩定功率的定向流動空氣等離子體。等離子發生器是以壓縮空氣作為等離子的載體，用直流接觸引弧的方法，生成功率達50kW～200kW的空氣等離子體，其能流密度高達105W/cm2～106W/cm2，同時利用機械、電磁復合壓縮的方法制造等離子體射流，將該射流等離子體輸送至需要進行點火的部位，由于高溫等離子體能量有限不可能點燃無限的煤粉量為了克服點火能量與實際應用中磨煤機最低煤粉量及媒質的多變性的匹配，引用了多級送粉燃燒技術。

等離子燃燒器采用內燃方式，為三級送粉，由等離子發生器、風粉管、外套管、噴口、濃淡塊、主燃燒器等組成。在一級燃燒室內點燃少量煤粉，隨火焰的傳播和二次風的補給引燃剩余煤粉，逐級燃燒，完成持續穩定的點火和穩燃。

2 等離子發生器功率的煤粉點火能量及煤種適應性設計

從點火燃燒理論分析，一定量的煤粉氣流進入等離子體后，被點燃的煤粉首先是揮發分的著火，進而使碳著火燃燒。也只有碳著火燃燒后，才可能形成穩定的燃燒。等離子發生器功率的大小是等離子點火裝置中很主要的參數，從設計的角度，在50kW～200kW的功率范圍內，電源最大消耗功率250kVA，電流工作范圍200A～375A，電壓工作范圍250V～400V，等離子發生器電源460VDC。單支發生器200kW功率相當于約18kg/h輕柴油的熱功率，煤粉著火能量約是主燃燒器熱功率的1.5%左右， 但由于等離子體溫度高；有熱沖擊作用和電離反應；煤粉中揮發分析出快；提高了等離子體點火性能。從等離子系統設計中提高煤種適應性主要途徑有兩個方面：一是發生器點火功率的提高；二是分級燃燒器著火能量的提高（等離子燃燒器設計）。

目前煤質對等離子點火適應性，主要表現在煤質的發熱量、原煤水份、原煤揮發份，對等離子點火系統設計中等離子發生器、燃燒器、暖風器的設計。在實際運行中50kW～100kW功率等離子點火系統的應用情況看，電站設計煤種范圍內（Qnet.ar:>19MJ/kg,Wt:<13%,Vdaf:>34%），可滿足對點火能量的要求，由于等離子燃燒器的設計對煤種有針對性，應避免選擇煤質中（Qnet.ar,Wt,Vdaf）偏離設計煤種變化較大的原煤作為等離子點火用煤。在制吹式制粉系統中等離子點火過程中給煤量的限制有3個方面：1）等離子點火能量；2）磨煤機最小出力；3）鍋爐升溫升壓曲線，從點火安全性考慮直吹式系統易采用獨立的點火原煤。由于等離子發生器在50kW～100kW連續可調的功率范圍內，等離子體的形狀基本固定。

3 等離子點火燃燒器燃燒率

爐膛溫度水平的建立是等離子點火裝置燃燒率變化的前提。在鍋爐冷態工況下投運等離子點火裝置，從點火初期爐膛溫度水平100℃提高到400℃，在通常的點火煤量下需要3h～4h，當爐膛出口煙氣溫度大于400℃時，爐膛火焰充滿度，火焰中心逐漸明亮度，燃燒器噴口火焰穩定，煤粉燃燒較好。這時等離子點火燃燒率逐步提高到較高的水平85%以上。等離子燃燒器在鍋爐點火初期，一次風管道煤粉濃度變化較好的適用范圍：煤粉濃度0.31kg/kg～0.38kg/kg。等離子冷態點火過程煤粉的燃燒率的變化以點火后3h～4h為分界點：煤粉粒徑中分布越是趨于一致，而且平均粒徑越小，爐膛溫度水平越高，煤質中揮發份越大，煤粉燃燒率越高。

4 點火過程煤粉爆燃性

鍋爐等離子點火過程中爐膛內部煤粉積存易引起爆燃，爆燃使煙氣容積突然增大，爐膛來不及排出這部分煙氣容積而使爐膛壓力突升，通常等離子點火爐膛壓力的變化小于0.5kPa，當爆燃造成爐壓保護動作（大于2.5kPa）時，爐膛的尖峰壓力通常大于4kPa，甚至更高。在煤粉爆燃濃度方面分析，磨煤機初始出力15t/h左右（250kg/min=4.17kg/s），初步估算，假定120s之內煤粉沒有點燃，而進入爐膛的煤粉沒能被引風機排出。由于爐膛容積為8156m3，此時按全爐膛可燃混合物積存容積的爐膛內煤粉濃度為（120×4.17）/8156=0.061。即使將爐膛有效容積按爐膛容積的一半可燃混合物積存容積計算，爐膛內煤粉濃度為0.122，即使將爐膛有效容積按爐膛容積的1/3可燃混合物積存容積計算，爐膛內煤粉濃度為0.18，當爐膛煤粉空氣混合物的濃度在0.3kg/m3～0.6kg/m3，（煙煤），我們稱其濃度為易發生爆燃濃度；安全的煤粉濃度為0.1kg/m3～0.2 kg/m3，爐膛負壓、點火煤量、點火成功時間、爐膛溫度水平是構成煤粉爆炸的主要因素。假定爆燃過程是定容絕熱過程，我們可以根據以下公式：

p1：爐膛出壓，p2：爐膛爆燃后壓力，QT：原煤發熱量，T1：爐膛溫度，Cv：爐內介質定容比熱。可估算爆燃之后的爐膛壓力。

5 結論

煙煤性燃燒器對省內主要煤種點火試驗，著火性能較好，DLZ-200系列功率發生器完全可滿足鍋爐啟動點火要求，但考慮到電站煤質的多變性及鍋冷態點火和低負荷穩燃的可靠性，等離子點火系統采用相對獨立的原煤或相對穩定可靠煤源。

煤粉在爐膛的爆燃性，依靠FSSS邏輯設計及圖象火檢是完全可控，鍋爐低負荷穩燃作用可完全替代燃油；對煤粉的助燃作用相對燃油弱，其前提是等離子點火燃燒穩定，間接穩定因素爐內燃燒工況穩定 ，而燃油穩燃具有直接性且有燃料的替代作用，穩定燃燒作用較等離子可靠性較高。

[1]岑可法，等.鍋爐和熱交換器的積灰、結渣、磨損和腐蝕的原理與計算，1994，6.

[2]黃少鶚，等.國外電站鍋爐運用煤粉無油點火燃燒系統的技術特點，2005，3.