交流等離子點火燃燒器在660MW直流鍋爐上的應用

保立虎

（華北電力科學研究院（西安）有限公司，西安710068）

目前，我國火力發電機組的點火啟動過程需要消耗大量的燃料油，據統計，以煙煤為例，200MW機組啟動一次需要耗油50t，300MW機組啟動一次需要耗油70t，一臺600MW機組鍋爐點火用油超過100t［1］。而我國是貧油大國，能源結構為煤多油少，面對國際原油價格的上漲及國內電廠競價上網政策的即將出臺，減少鍋爐啟動及低負荷助燃用油，節油降耗，降低發電成本，提高競爭力，已成為發電企業迫在眉睫的問題［2］。交流等離子點火是在節能降耗的背景下產生的一項新型節油技術，針對燃煤鍋爐在啟動和穩燃時需要耗費大量燃料油的實際情況，通過對鍋爐燃燒器的改造，實現鍋爐啟動和穩燃期間無需投油，擺脫對燃油的依賴。交流等離子技術延續了直流等離子點火技術在點火溫度、燃燒穩定等方面的優勢，并具有一次性投資低、系統簡單、電極壽命長、檢修維護量小、煤種適應性范圍廣等優點［3－4］。因此，交流等離子點火技術在電廠上應用，具有非常重要的經濟效益和社會效益。

1 交流等離子工作原理

交流等離子發生器采用冷電極拉弧和旋氣穩弧原理，壓縮空氣進入電弧室，發生強烈地旋轉，在離心力的作用下，形成了穩定的管狀等離子電弧；同時由于箍縮效應的作用，密度較大的冷氣流包圍于弧柱的周圍，使弧柱位于通道的中心，降低了電極表面的溫度，起到了冷電極拉弧的作用，延長了電極使用壽命，一般可達到300h左右。交流等離子發生器采用高頻引弧技術，其引弧信號的頻率達到2 000Hz，解決了交流電過零斷弧的問題，確保了電弧的穩定性和連續性［5］。

交流等離子發生器一般在介質氣壓0．35～0．50MPa的條件下接觸引弧，在強磁場下獲得穩定功率的交流空氣等離子體，火焰中心溫度T＞104K的梯度極大的局部高溫區。煤粉顆粒通過該等離子“火核”受到高溫作用，迅速釋放出揮發分，使煤粉顆粒破裂粉碎，迅速燃燒。另外，等離子體中含有大量化學活性粒子，如原子（H、O）、原子團（OH）、離子（O2－、H＋、OH－）和電子等，可加速熱化學轉換，促進燃料完全燃燒［6］。由于高溫等離子體對于煤粉具有揮發分再造作用，使揮發分可以比通常情況下提高20%～80%［7－8］，這對于點燃煤粉有極大的意義。

圖1為一種新型的交流等離子點火燃燒器。該點火器采用3支點火槍在高溫燃燒筒中對煤粉進行三次高溫加熱，使煤粉的加熱功率增加了3倍，從而提高了煤粉在高溫區的停留時間，促進了揮發分的析出，進而加速煤粉的燃燒。從圖1中可以看出，整個燃燒器可以劃分為三個部分：I區為揮發分釋放區；Ⅱ區為混合燃燒區；Ⅲ區為強化燃燒區。

圖1 交流等離子煤粉點火燃燒器

2 交流等離子點火的應用

寧夏京能寧東發電廠2臺660MW超臨界表面式間接空冷燃煤機組鍋爐的型號為HG－2210／25．4－YM16。該鍋爐總體形式為 П 型，采用直流燃燒器、墻式切圓布置，切圓直徑d＝9 500mm，燃用煙煤、負壓燃燒固態排渣煤粉爐。制粉系統形式為中速磨正壓冷一次風機直吹式制粉系統，每爐配6臺中速磨煤機，5臺運行，1臺備用。

為保證改造效果，使鍋爐在改造后能長期、安全、穩定運行，將鍋爐下層一次風煤粉燃燒器拆除，改造為裝有交流等離子槍的內濃外淡的內風膜式穩燃型燃燒器。

2011年1月15日進行交流等離子冷態點火試驗。鍋爐首次點火用煤特性見表1。

表1 燃煤特性

2．1 煤粉質量分數對燃燒的影響

煤粉質量分數高可以降低煤粉的著火熱，有利于煤粉的點燃，但煤粉質量分數過大會使點火初期氧量不足，增加煤粉不完全燃燒熱損失。為了確定等離子點火燃燒器的煤粉質量分數最佳適用范圍，在調試過程中進行了此項試驗。改造后的鍋爐爐膛內每個等離子燃燒器由3個交流等離子發生器組成。試驗在1號鍋爐的交流等離子點火燃燒器上進行，4個等離子燃燒器的電壓和電流見表2。

表2 交流等離子發生器電壓電流

保持一次風速20m／s，周界風開度20%，輔助風開度40%，其余各風門開度為5%，總風量750～800t／h。磨煤機一次風量75t／h。在以上條件下，用給煤機給煤量（27t／h、30t／h、33t／h、36t／h、39t／h、42t／h）實現煤粉質量分數的變化，煤粉質量分數分別為 26．47%、28．57%、30．56%、32．43%、34．21%和35．90%。

圖2給出了不同煤粉質量分數下的火焰溫度。

圖2 不同煤粉質量分數下的火焰溫度

從圖2可以看出：在煤粉質量分數從26．47%增加到32．43% 時，火焰溫度從780℃升到900℃，通過火焰監視看到爐膛變亮，這是由于隨著煤粉質量分數的增加，有效地降低了煤粉的著火熱，增大了燃燒的強度，進而較大幅度地提高了火焰的溫度，達120K。但是當煤粉質量分數從32．43%增加到35．90%時，火焰溫度從900℃降到850℃，爐膛也明顯變暗，這是由于當煤粉質量分數過大時，由于助燃空氣過少，導致了揮發分析出后沒有足夠多的氧氣與之反應，進而導致煤粉燃燒強度減弱，火焰溫度降低。因此，只有當給煤機給煤量在30～34t／h時，可以認為達到了等離子點火燃燒器的煤粉質量分數最佳范圍。

2．2 一次風量對燃燒的影響

一次風量的高低對煤粉的著火影響很大，當一次風量過高，煤粉著火將被推遲，燃燒不穩定；當一次風量偏低時，有可能燒壞燃燒器，并且引起煤粉管道積粉堵管，因此合適的一次風量對等離子著火穩定至關重要。

周界風開度20%，輔助風開度45%，其余各風門開度為5%，磨煤機煤量33t／h，在以上條件下，用磨煤機入口風量（65t／h、70t／h、75t／h、80t／h、85t／h、90t／h）實現一次風量的變化。

圖3為測量火焰溫度隨一次風量的變化。

圖3 不同一次風量下的火焰溫度變化

從圖3可以看出：在一次風量從65t／h增加到75t／h時，火焰溫度從789℃升到902℃，通過火焰電視看到爐膛明顯變亮，這是由于隨著一次風量的增加，過量空氣系數增大，促進了揮發分與氧氣接觸，進而促進煤粉燃燒，使得火焰溫度升高；但是當一次風量從75t／h增加到90t／h時，火焰溫度從902℃降到829℃，爐膛也明顯變暗，這是由于一次風量過大導致了煤粉與空氣混合物著火后的溫度相對于適當一次風量下的燃燒溫度有所降低，降低了反應速度，并且由于助燃空氣過多，沒有足夠的揮發分和煤粉與之反應，使得點火延時增大，火焰向后推移，進而導致了火焰溫度的降低。因此，只有當一次風量在70～80t／h時，可以認為達到了等離子點火燃燒器的一次風量最佳范圍。

2．3 二次配風方式對燃燒的影響

當煤粉氣流著火后，二次配風對燃燒穩定性和燃盡過程起著重要作用，尤其是在鍋爐剛啟動階段，投入燃料少，二次風量不足時，煤粉燃燒不充分；風量過大時，帶走大量熱量，不利鍋爐升溫，降低燃燒的穩定性。

在保持二次風和爐膛壓差380～400Pa內，進行以下幾個工況試驗：

（1）周界風開度10%，輔助風開度20%；

（2）周界風開度20%，輔助風開度30%；

（3）周界風開度20%，輔助風開度40%；

（4）周界風開度20%，輔助風開度50%；

（5）周界風開度25%，輔助風開度60%；

（6）周界風開度30%，輔助風開度60%。

其余各風門開度為5%，磨煤機給煤量33t／h，觀察二次配風對鍋爐燃燒的影響。

圖4為不同配風方式下測量的火焰溫度。

圖4 不同配風方式下的火焰溫度變化

從圖4可以看出：周界風門的開度為20%時，火焰溫度最高，可以達到約900℃，遠大于周界風門的開度為10%、25%和30%時，因此在鍋爐冷態點火初期，應將周界風門開度設計為20%。另外，當周界風門的開度為20%時，輔助風開度為40%，可以獲得最高的火焰溫度，因此可以認為，當周界風門的開度為20%，輔助風開度為40%時，可以得到最好的配風效果。

2．4 點火過程中煤粉燃燒效率的變化

在交流等離子點火燃燒器試運過程中，對煤粉燃燒效率進行測試。在點火30min內，由于一次、二次風溫較低，爐膛溫度偏低，煤粉燃盡率65%左右，90min后煤粉燃盡率約81%，180min后煤粉燃盡率約90%。具體的飛灰可燃物的質量分數和爐渣中碳的質量分數見表3。

表3 飛灰可燃物質量分數和爐渣中碳質量分數隨時間的變化

3 結語

通過對交流等離子點火燃燒器在啟動和穩定燃燒過程進行的各種試驗，得出如下結論：

（1）交流等離子點火燃燒器能夠很好地應用到660MW直流墻式切圓燃燒鍋爐，燃燒穩定，達到鍋爐冷態無油點火的目的。

（2）冷態啟動時，給煤機給煤量控制在30～34t／h為宜。

（3）一次風量在70～80t／h，煤粉燃燒最穩定。

（4）在冷態啟動初期，應將周界風門的開度控制在約20%，輔助風開度約40%，用以增強燃燒強度。

通過采取一系列措施，鍋爐啟動初期燃燒效率有所提高，但仍偏低，因此如何提高前期燃燒效率是今后研究工作的重點。

［1］孫公鋼，方毅波，曲成剛，等．600MW超臨界鍋爐微油點火試驗研究［J］．電站系統工程，2012，28（3）：1－4．

［2］池作和，孫公鋼．微油點火燃燒器一級燃燒室結構數值模擬研究［J］．熱力發電，2007（11）：20－24．

［3］于國良，李瑞揚，董利．電站鍋爐等離子點火技術應用研究［J］．節能技術，2004，22（1）：30－32，44．

［4］周淵，周巖，齊玉勝，等．交流等離子點火技術在四角切圓鍋爐上的可行性研究［J］．中國電力教育，2010（S2）：503－505．

［5］龔鵬，毛永清．等離子點火技術在超超臨界機組中的應用［J］．電站系統工程，2011，27（5）：31－34．

［6］張賢忠，王琰清．交流等離子點火裝置在海勃灣發電廠330 MW 鍋爐中的應用［J］．科技創新導報，2011（29）：83．

［7］張永彩，張孝勇，劉鵬，等．電廠鍋爐應用等離子點火的技術經濟分析［J］．中國電力，2004，37（3）：42－45．

［8］張孝勇，陳學淵，羅澤斌，等．等離子點火技術在煙煤鍋爐上的應用［J］．中國電力，2002，35（12）：18－21．