交流等離子點火技術在燃煤鍋爐上的應用

索玉明，秦成果，王 彪

(1.北方聯合電力海勃灣發電廠，內蒙古 烏海 016034；2.內蒙古電力科學研究院分公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

華能北方聯合電力海勃灣發電廠4號機組采用N210-12.75-535/535型、三缸、沖動式汽輪機，鍋爐為HG-670/13.7-YM11型、超高壓、一次中間再熱、自然循環、固態排渣煤粉爐，采用鋼球磨煤機中間儲倉式制粉系統，乏氣送粉，有16只煤粉燃燒器，配有16臺給粉機，四角切圓燃燒。8支氣動點火油槍分兩層布置在爐膛四角，單支油槍出力1.5 t/h。4號機組于2003年投產，統計歷次冷態啟動平均用油35 t左右。經交流等離子點火技術改造后，冷態點火用油在8 t以下，其中一次冷態啟動僅用油3.8 t，創造了電廠運行以來機組點火用油最少的記錄。

1 交流等離子點火技術原理

交流等離子點火的技術原理是，利用250～600 A交流電流在0.35～0.5 MPa介質氣壓的條件下無接觸引弧，并在強磁場下獲得穩定功率的交流空氣等離子體，該交流等離子槍在出口處形成離子火焰中心溫度大于4 000 K的、梯度極大的局部高溫區。煤粉顆粒通過該等離子“火核”時，受到高溫作用，可在3～10 s內迅速釋放出揮發物，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的，混合物組分的粒級發生了變化，從而加快了煤粉的燃燒速度。每個交流等離子燃燒器采用3支交流等離子槍對煤粉進行3次高溫加熱，使煤粉的加熱時間增加了3倍，從而加速了煤粉的燃燒，減少了煤粉燃燒所需的引燃能量。

交流等離子拉弧過程是：

(1) 在冷卻水壓滿足要求，且載體風高速切向進入電弧室內形成中心壓力低、外圍壓力高的動力場的情況下，啟動合閘；

(2) 合閘后，電壓經高頻引弧裝置轉換后在等離子槍前后極之間產生20 000 V、2 000 Hz的窄波電壓，此電壓擊穿前后極1.4 mm間距，形成穩定的工作電弧，溫度達到5 000～10 000 ℃；

(3) 工作電弧在電弧室內空氣動力場的作用下，向空氣壓力最低的管中心運動，從起弧時的前后電極端面位置移動到管狀電極的內壁，同時在壓縮空氣的強烈旋轉帶動下，電弧弧根隨著壓縮空氣一起旋轉，最終形成旋轉式管狀電弧；

(4) 作為載體風的壓縮空氣流經該高溫電弧時，發生電離，形成明亮的等離子氣體，從等離子槍前部噴出，見圖1。

2 應用情況

電廠4號鍋爐應用了交流等離子點火技術，將爐四角下層原燃燒器改造成交流等離子三級燃燒器，每個燃燒器配備3支等離子槍，每支槍有載體風系統、水冷系統、風冷系統。載體風系統使用儀用壓縮空氣，水冷系統用來冷卻等離子槍的前后極，風冷系統用來吹掃和冷卻等離子發生器。燃燒器前端裝有溫度測點，用來監視燃燒器的壁溫。每個燃燒器配置有火焰檢測探頭和火焰圖像監視探頭，火焰檢測探頭將燃燒器的火焰信號送入DCS參與鍋爐爐膛安全監控保護，圖像監視探頭將火焰圖像信號傳至主控室的監視器，供運行人員監視。

交流等離子裝置的額定工作電壓為380 VAC，頻率為50 Hz，經高頻引弧裝置處理后，加在等離子前后極的電壓可達20 000 V，頻率可達2 000 Hz。

交流等離子設備用DCS進行控制，具有點火和助燃2種運行模式。運行人員可根據實際需要在這2種模式間切換。

點火模式在鍋爐點火啟動時使用。在點火模式下，等離子火檢信號不參與鍋爐全爐膛滅火保護，全爐膛滅火保護用給粉機火檢信號進行邏輯判斷。機組在低負荷運行或停爐需穩燃時使用助燃模式。

在助燃模式下，等離子槍的火檢信號參于鍋爐爐膛滅火保護，以四角等離子火焰3/4無火作為滅火判斷條件。

交流等離子設備無論在何種模式下運行，如果等離子火檢檢測不到火焰，保護就會跳閘該等離子槍，同時跳閘對應的給粉機。當MFT發生時，跳閘全部等離子槍。

交流等離子設備適應煤種范圍廣且點火燃煤效果好。烏海地區煤質較差，電廠入爐煤發熱量一般在3 800大卡以下，灰分在37 %左右。這樣的燃煤經現場調整并把給煤量和風量合理配好，也可以順利點燃，且燃燒效果良好，能夠滿足鍋爐點火啟動升溫升壓的要求。電廠3號爐使用的是直流等離子設備，從現場使用情況看，其燃煤效果不如交流等離子設備，3號爐歷次冷態啟動最少用油量為16.5 t。表1示出電廠3號、4號爐(同類型670 t/h鍋爐)3次冷態啟動的用油情況。

3 常見問題分析及處理

目前交流等離子點火技術在我國是新型技術，在電廠中的應用時間不長，因而在現場應用中出現的問題較多。

表1 交、直流等離子設備的用油對比

3.1 交流等離子設備不能啟動

首先應檢查冷卻水壓、載體風壓是否滿足條件，水壓需0.3 MPa或以上，風壓需0.25 MPa或以上，再檢查電氣控制回路。

3.2 交流等離子設備不拉弧

(1) 與交流等離子設備對應的高頻引弧柜內的火花塞不打火或有眨眼現象。可用銼刀打磨火花塞鎢棒表面直至打磨出金屬光澤，或更換火花塞。

(2) 載體風壓力過高。如果載體風壓力超過0.6 MPa，應調整該角的壓縮空氣來氣門，將壓力降到0.30～0.40 MPa之間。

(3) 交流等離子發生器內漏，或前后電極間距過大，或電極燒損。如果交流等離子發生器內漏，只要仔細觀察就能看到有冷卻水從發生器內流出，這就需對漏水的地方進行處理，并拆下交流等離子槍前后極進行檢查。如前后電極的極間距大，則重新調整電極間距到1.4 mm。若電極燒損嚴重，則需更換電極。

3.3 交流等離子發生器漏水

(1) 如金屬軟管接頭漏水，可更換軟金屬墊(或四氟墊)或更換金屬軟管。

(2) 如冷卻水絕緣子燒壞或其接頭的O形圈漏水，可更換冷卻水管及O形圈。

(3) 如電極燒穿漏水，則更換電極。

交流等離子發生器漏水的原因多為前2種情況，因為交流等離子發生器在拉弧前后其本身的溫度變化大，易造成一些密封件變形或燒壞而漏水。

3.4 交流等離子設備發生斷弧

(1) 交流等離子設備載體風(壓縮空氣)壓力不穩定，波動大，會造成交流等離子設備斷弧。在一次鍋爐給煤機斷煤、用空氣炮往下振煤時，因空氣炮的壓縮空氣和交流等離子設備載體風用的是同一路氣源，在空氣炮動作時造成載體風壓力急劇下降，交流等離子設備頻繁斷弧。后將空氣炮與交流等離子設備的氣源分開，分別供氣，解決了交流等離子設備斷弧的問題。

(2) 交流等離子設備使用一段時間后，前后極燒損，造成斷弧，這就需要更換電極。

3.5 交流等離子設備燃煤效果不好

交流等離子設備點火時，若從就地觀火孔或從交流等離子設備火檢圖像觀察，火焰不明亮，則說明燃煤效果不好。造成這種現象的原因很多，其中最重要的原因是煤質和一次風速有問題。電廠入爐煤一般發熱量在3 300～3 800大卡。對于這樣的煤質經現場反復調整試驗，確定一次風速為24～28 m/s、給粉機轉速為400～460 r/min、點火電流為390～460 A。在這些參數范圍內進行調整可使煤粉達到較好的燃燒效果，著火穩定，能夠滿足鍋爐點火的要求。如果煤質太差，無論怎么調整，燃煤效果都無法滿足要求。

4 日常維護中的注意事項

(1) 日常巡檢時要檢查后電極的限位環是否松動。每次檢修完必須將后電極的限位環擰緊，否則會造成后電極移位、前后極距離變大、交流等離子設備不能正常拉弧等現象。

(2) 交流等離子設備拉弧時必須將保護風門關閉，否則將可能造成交流等離子弧攜帶熱量向后流動，燒損相關設備。尤其是吹掃風的絕緣子，該部件采用尼龍材料制作，受熱后極易軟化變形，甚至斷裂。

(3) 交流等離子設備停運時必須打開保護風門，同時將載體風(壓縮空氣)的壓力調整門關閉。載體風采用旋流設計，在交流等離子槍出口可形成一個回流區，該回流區會導致煤粉回流并沉積在交流等離子槍出口，最終堵塞交流等離子槍。打開保護風門，可以有效防止煤粉聚積在交流等離子槍出口。

(4) 當交流等離子發生器有一支槍斷弧時，會造成三相電流不平衡，造成電氣設備(主要是變壓器)發熱，需及時停運該交流等離子設備，以防止電氣設備損壞。

(5) 交流等離子設備在拉弧過程中，應注意燃燒器壁溫不能超過500 ℃，否則會燒損燃燒器。如有超溫趨勢，應及時調整氣膜或周界冷卻風門開度，降低燃燒器壁溫。若調整無效，應立即停運該交流等離子設備，查清原因。

(6) 機組并網帶負荷后，應根據燃燒情況將交流等離子設備從點火狀態及時切換到助燃狀態。否則，鍋爐全爐膛滅火保護一直處于退出狀態。

(7) 發現交流等離子設備內漏應立即停運該交流等離子設備。因為漏出的水會通過交流等離子設備電弧室進入燃燒器，造成煤粉著水形成泥狀，最終沉積，堵塞煤粉管。

5 主要問題

目前存在的主要問題是：交流等離子設備對周圍的電氣設備帶來高頻干擾，而且干擾強度較大，影響設備較多。受電廠4號爐交流等離子設備干擾的設備有：油槍火檢、爐側部分溫度、四管泄漏裝置、甲二級減溫執行器等。當交流等離子設備啟動拉弧時，油槍火檢放大器就會故障溢出，造成油槍不能正常投入。如果4臺交流等離子設備同時拉弧，則干擾更大，最多時有5個火檢放大器發生故障；爐側的溫度，如主、再熱器溫度會發生大幅擺動，不能正常監視；四管泄漏裝置同時會有多通道泄漏報警；甲二級減溫執行器指令會不停擺動。

在目前條件下，從交流等離子設備本身無法解決干擾問題，只能對被干擾設備采取防護措施。采用隔離設備、加裝屏蔽罩和在電纜上套防干擾磁環的辦法，可以很大程度降低高頻干擾的影響，但不能徹底消除。經過現場處理，交流等離子設備高頻干擾問題已不再影響交流等離子設備本身和上述設備的正常運行。

6 結束語

在我國大力推進節能減排、淘汰落后產能的形勢下，電廠引進了交流等離子設備點火技術，并成功應用在4號鍋爐上，使鍋爐點火、穩燃用油大幅減少，節油效果明顯，達到了節能的目的。但由于交流等離子點火技術是新技術，在現場應用中出現的問題較多。針對不同的問題，逐一分析處理，積累現場檢修和維護經驗，以期提高交流等離子點火技術的應用與維護水平。