淺談等離子燃燒器在百萬機組中的應用

摘 要：文章通過介紹等離子點火燃燒器的工作原理和皖能銅陵發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)的構成，結合等離子燃燒器在皖能銅陵發(fā)電廠5號機組中的應用，從安裝、調試角度出發(fā)，對等離子點火控制系統(tǒng)的設計進行分析，對今后等離子燃燒器設計的完善有一定的借鑒作用。

關鍵詞：等離子；1000MW機組；安裝；調試

前言

大型工業(yè)煤粉鍋爐的點火和穩(wěn)燃，傳統(tǒng)上都是采用燃燒重油、輕油或天然氣等稀有燃料來實現(xiàn)的。近年來，隨著世界性的能源緊張，原油價格不斷上漲，火力發(fā)電燃油愈來愈受到限制，因此鍋爐點火和穩(wěn)燃油被電力企業(yè)作為一項重要的指標來考核，為了減少燃油的耗量，除在傳統(tǒng)上進行相應的改進，例如：提高入爐煤粉的細度，提高風粉混合物和二次風的預熱溫度，使用小油槍點火外，作為有別于傳統(tǒng)的新工藝、新技術，等離子燃燒器逐漸被電力企業(yè)所接受，并得到廣泛的使用和推廣。為了實現(xiàn)鍋爐的無油冷態(tài)啟動，需要對等離子點火系統(tǒng)的設計進行更進一步的完善。

1 概述

銅陵發(fā)電廠六期“以大代小”改擴建1×1000MW機組工程，所配鍋爐是上海鍋爐廠有限公司引進Alstom Power公司Boiler Gmbh的技術生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，鍋爐形式為一次中間再熱，單爐膛單切圓燃燒，平衡通風，露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架，全懸吊結構塔式布置燃煤鍋爐。汽輪機為上海汽輪機有限公司和德國SIEMENS公司聯(lián)合設計制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、八級回熱抽汽、反動凝汽式汽輪機，型號為N1000-27/600/600（TC4F）的凝汽式汽輪機與SG-3012/27.9-M540型超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐及THDF125/67百萬千瓦級水氫氫發(fā)電機配套，鍋爐與汽輪機熱力系統(tǒng)采用單元布置。

為了降低鍋爐啟動及低負荷助燃用油，在四角燃燒器的B層制粉系統(tǒng)采用了安徽省新能電氣科技有限公司開發(fā)研制的等離子煤粉點火及穩(wěn)燃系統(tǒng)和點火油槍燃燒系統(tǒng)并存的方式，等離子點火系統(tǒng)是在不使用助燃油的狀態(tài)下通過B磨煤機熱一次風道上的暖風器加熱一次風進行制粉，然后由安裝在B層四角的8個燃燒器的等離子發(fā)生器點燃煤粉，實現(xiàn)鍋爐的無油點火啟動，在事故情況下也可以進行鍋爐助燃。

2 等離子燃燒器的工作原理

2.1 點火機理

本裝置利用直流電流（190～200A）在介質氣壓11kpa的條件下接觸拉開引弧，并在強磁場下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的一次燃燒筒中形成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，很快受熱，在0.001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， 使混合物組分的粒級發(fā)生了變化。因而使煤粉的燃燒速度加快，煤粉顆粒的受熱速度加快，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）。同時，等離子體內含有大量化學活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子團（OH、H2、O2）、離子（O2-、H2-、OH-、O-、H+）和電子等，可加速化學轉換，促進燃料完全燃燒，除此之外，等離子體對于煤粉的作用，可比通常情況下提高20%-80%的揮發(fā)份，即等離子體有再造揮發(fā)份的效應。

2.2 燃燒機理

根據(jù)高溫等離子體有限能量不可能同無限的煤粉量及風速相匹配的原則設計了多級燃燒器。它的意義在于應用多級放大的原理，使系統(tǒng)的風粉濃度、氣流速度處于一個十分有利于點火的工況條件，從而完成一個持續(xù)穩(wěn)定的點火、燃燒過程。實驗證明運用這一原理及設計方法使單個燃燒器的出力可以從2T/H擴達到6T/H甚至更高。在建立一級點火燃燒過程中我們采用了將經(jīng)過濃縮的煤粉垂直送入等離子火炬中心區(qū)，10000℃的高溫等離子體同濃煤粉的匯合及所伴隨的物理化學過程使煤粉原揮發(fā)份的含量提高了80%，其點火延遲時間不大于1秒。點火燃燒器的性能決定了整個燃燒器運行的成敗，在設計上該燃燒器出力約為500-800kg/h，其噴口溫度不低于1200℃。另外我們利用了氣膜冷卻技術避免了煤粉的貼壁流動及掛焦，同時又解決了燃燒器的燒蝕問題。該區(qū)稱為第一區(qū)。

第二區(qū)為混合燃燒區(qū)，在該區(qū)內一般采用“濃點濃”的原則，環(huán)形濃淡燃燒器的應用將淡粉流貼壁而濃粉摻入主點火燃燒器燃燒。這樣做的結果既利于混合段的點火，又冷卻了混合段的壁面。如果在特大流量條件還可采用多級點火。

第三區(qū)為強化燃燒區(qū)，在一、二區(qū)內揮發(fā)分基本燃盡，為提高疏松炭的燃盡率采用提前補氧強化燃燒措施，提前補氧的原因在于提高該區(qū)的熱焓進而提高噴管的初速達到加大火焰長度提高燃盡度的目的，所采用的氣膜冷卻技術亦達到了避免結焦的目的。

第四區(qū)為燃盡區(qū)，疏松碳的燃盡率，決定于火焰的長度。隨煙氣的溫升燃盡率逐漸加大。

2.3 等離子燃燒器的特點

等離子燃燒器最突出的優(yōu)點是它使用的經(jīng)濟性，它的使用被稱為電力節(jié)能的一場革命。因使用了等離子燃燒器，工程調試階段實現(xiàn)鍋爐冷態(tài)無油啟動。同時，等離子燃燒器還具有環(huán)保、高效、簡單、安全的優(yōu)點，因為點火時不再燃用油品，電除塵裝置可以在點火初期投入，減少了排放大量煙塵對環(huán)境的污染。同時，等離子體的物理特性和化學特性，都能夠更好的促進燃料的完全燃燒。另外，使用等離子點火燃燒器，可以省略復雜的爐前油系統(tǒng)和點火油系統(tǒng)，并簡化了相應的控制，提高了運行水平和機組運行的安全性。正因為等離子點火燃燒器具有上述特點，則必然成為燃煤鍋爐的首選設備，是目前燃油系統(tǒng)改造的最佳替代產(chǎn)品。

3 鍋爐燃燒器系統(tǒng)的布局

皖能銅陵發(fā)電廠5號機組鍋爐#1角（#2～#4角與#1角布置相同）燃燒器布置見下面的附圖，爐膛四角布置有48只低 NOx 切向燃燒系統(tǒng)（LNTFS）擺動燃燒器，在爐膛中呈四角切圓方式燃燒，B磨對應的燃燒器為等離子燃燒器。緊挨頂層燃燒器設置有CCOFA，在燃燒器組上部設置有SOFA，采用分級燃燒技術，減少了NOx的排放。在每層燃燒器的兩個煤粉噴嘴之間設置有油槍，燃用#0柴油，設計容量為15%BMCR。為了機組冷態(tài)啟動時減少燃油量，在B層四角燃燒器中心裝有 PLCS-I-100 型的等離子煤粉點火裝置，在相應的磨煤機B 進口熱風母管上還裝有提高風溫的暖風器。機組冷態(tài)啟動時可即啟動磨煤機進行升溫升壓。鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機正壓直吹式，配備6臺磨煤機，正常運行中5臺磨可以帶BMCR工況，1臺磨備用。

4 等離子點火燃燒系統(tǒng)

皖能銅陵發(fā)電廠5號機組鍋爐等離子點火燃燒系統(tǒng)由等離子發(fā)生器、燃燒器、直流供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、圖像火檢系統(tǒng)、風粉監(jiān)測系統(tǒng)等構成。

4.1 等離子發(fā)生器

等離子發(fā)生器是用來產(chǎn)生高溫等離子電弧的裝置，其主要由陽極組件、陰極組件、線圈組件三大部分組成，還有支撐托架配合現(xiàn)場安裝。等離子發(fā)生器設計壽命為5～8年。陽極組件與陰極組件包括用來形成電弧的兩個金屬電極陽極與陰極，在兩電極間加穩(wěn)定的大電流，將電極之間的空氣電離形成具有高溫導電特性等離子體，其中帶正電的離子流向電源負極形成電弧的陰極，帶負電的離子及電子流向電源的正極形成電弧的陽極。線圈通電產(chǎn)生強磁場，將等離子體壓縮，并由壓縮空氣吹出陽極，形成可以利用的高溫電弧。陽極組件由陽極、冷卻水道、壓縮空氣通道及殼體等構成。陽極導電面為具有高導電性的金屬材料鑄成，采用水冷的方式冷卻，連續(xù)工作時間大于500小時。為確保電弧能夠盡可能多的拉出陽極以外，在陽極上加裝壓弧套。陰極組件由陰極頭、外套管、內套管、驅動機構、進出水口、導電接頭等構成，陰極為旋轉結構的等離子發(fā)生器還需要加裝一套旋轉驅動機構。陰極頭為損耗件，導電面為具有高導電性的金屬材料鑄成，采用水冷的方式冷卻，連續(xù)工作時間大于50小時，更換方便，成本低廉。線圈組件由導電管繞成的線圈、絕緣材料、進出水接頭、導電接頭、殼體等構成。

4.2 等離子點火燃燒器

皖能銅陵發(fā)電廠5號機組鍋爐8只等離子點火燃燒器分別安裝在1#～4#角BI、BII煤粉燃燒器上，直接由相應的一次風管進行送粉。在燃燒器的設計時重點考慮了如下幾個問題：

4.2.1 由于直接裝在主燃燒器上，等離子點火燃燒器設計出力在高負荷工況下與原主燃燒器設計出力基本一致。從運行的調整、爐膛熱負荷的分配、防止超溫等方面考慮，滿足在高負荷工況和等離子發(fā)生器不投運的情況下，等離子燃燒器的出力與原燃燒器的出力基本一致，保證鍋爐在冷態(tài)啟動時煤粉能比較容易地被點燃。

4.2.2 根據(jù)現(xiàn)場燃燒器的位置及等離子點火燃燒器在其它工程應用經(jīng)驗，在距燃燒器噴口一定位置處，以12°的傾角，等離子發(fā)生器斜插入燃燒器內。確保燃燒器噴口不結焦。燃燒器采用多級燃燒方式，確保煤粉的充分燃燒，燃燒器內有氣膜冷卻，預防結焦和燒損。

等離子點火系統(tǒng)在皖能銅陵發(fā)電廠5號機組的良好應用，用實際證明了等離子點火燃燒器的設計是成功的。

4.3 直流供電及控制系統(tǒng)

4.3.1 直流供電

從400V低壓配電柜取來的電源，經(jīng)過4臺隔離變壓器、整流柜，輸出的直流電送至就地等離子發(fā)生器，以產(chǎn)生等離子電弧。

4.3.2 控制系統(tǒng)

等離子系統(tǒng)直接納入DCS系統(tǒng)控制，整流柜、風機、水泵的控制采用硬接線進入DCS系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。

按等離子發(fā)生器工作的特點和要求匯編的邏輯程序保證了點火過程的順利進行，并對點火過程的各裝置提供了有效的實時監(jiān)控和保護，也使得設計、調試過程的邏輯修改更加便捷。

啟動等離子點火裝置擁有遠控/就地兩種運行方式，等離子體點火系統(tǒng)的就地運行主要用于設備調試，而遠控模式則用于正常設備運行。

4.4 冷卻水系統(tǒng)

為保護等離子發(fā)生器本身，需用水冷卻陰、陽極、線圈及電源電纜，冷卻水利用廠閉式冷卻水供水母管作為水源，通過管道水泵（流量100m3/h、揚程50m）升壓至等離子發(fā)生器，回水至閉式冷卻水回水母管，每臺發(fā)生器來水管路裝有壓力開關，壓力滿足信號送至DCS，保證等離子點火燃燒器投入時冷卻水不間斷。

4.5 載體空氣系統(tǒng)

載體空氣是等離子電弧的介質，等離子電弧形成后，通過線圈形成的強磁場的作用壓縮成為壓縮電弧，需要載體空氣以一定的流速吹出陽極才能形成可利用的電弧。因此，等離子點火系統(tǒng)的需要配備載體空氣系統(tǒng)，載體空氣的要求是潔凈的而且是壓力穩(wěn)定的。皖能銅陵發(fā)電廠5號機組的載體空氣采用的是全廠儀用壓縮空氣。

4.6 一、二次風系統(tǒng)

一次風系統(tǒng)連續(xù)、均勻地給等離子點火燃燒器提供煤粉，風速在18-22m/s之間連續(xù)可調，風粉比為1∶0.25（空氣∶煤粉）。

等離子燃燒器在二次風箱內，作為其周界風。周界風的目的是既保證煤粉燃燒充分，又保護燃燒器不被燒壞。

4.7 圖像火檢系統(tǒng)

采用圖像火檢系統(tǒng)監(jiān)視等離子點火燃燒器的火焰。8套點火燃燒器分別安裝一只帶CCD攝像機的火檢探頭，其視頻信號送至集控室內的畫面分割器，經(jīng)處理后再送至集控室大屏幕，集控室大屏幕可同時監(jiān)視8套等離子點火燃燒器的火焰。

火檢探頭采用CCD直接攝取煤粉燃燒的火焰圖像，圖像清晰，不失真。為使CCD避開爐內高溫，每只探頭均采用長工作距監(jiān)測鏡頭。探頭外層加裝了隔熱機構，有效組斷二次風傳導熱及爐膛輻射熱。探頭前部采用特種耐溫玻璃能抗1500℃熔融灰渣對鏡面的沖刷，鏡面長期光滑無損。每只探頭均需通入冷卻風（冷卻風來自FSSS火檢冷卻風機，冷卻風流量：70m3/h，冷卻風壓力：≥3kpa），一方面冷卻CCD和鏡頭，另一方面冷卻風通過探頭組合弧形冷卻風噴射機構，可避免飛灰、焦塊污染鏡頭。火檢探頭與信號變送器之間通過柔性的光纖連接的設計，滿足了火檢探頭跟隨燃燒器火嘴同時擺動的要求。皖能銅陵發(fā)電廠5號機組在火檢探頭安裝過程中，出現(xiàn)了火檢探頭變送器安裝位置距離高溫燃燒器較近，存在火檢探頭變送器使用壽命縮短的風險。

原因分析：由于火檢探頭的保護套管直徑為Φ50，為了滿足跟隨燃燒器火嘴大角度擺動的要求，只能增加二次風箱內保護套管的長度，來增大套管的彎曲角度。更由于火檢探頭所配光纖為配套設備，無法加長，套管也隨之無法加長，最終只能導致二次風箱外火檢探頭保護套管的長度變短，火檢變送器距離高溫的燃燒器距離變近，進而造成火檢變送器使用壽命縮短風險的存在。

改造方案：使用更為先進的火檢圖像探頭設備，使得火檢探頭保護套管的直徑減小到Φ25，以便以最短的長度滿足燃燒火嘴最大的擺動角度。同時，增加光纖的長度，使火檢探頭保護套管的長度進一步加長，最終達到變送器遠離高溫區(qū)，延長使用壽的目的。

4.8 風粉監(jiān)測系統(tǒng)

對于煤粉鍋爐，均衡各燃燒器的出力，合理配置燃燒器噴口的煤粉濃度和出口速度是鍋爐安全、經(jīng)濟運行的重要條件和保證。安裝在燒器入口的風粉在線測量系統(tǒng)，為運行中及時有效地進行燃燒調整提供條件和依據(jù)。皖能銅陵發(fā)電廠5號機組風粉在線測量系統(tǒng)在運行過程中，測量儀表管路經(jīng)常被堵，造成測量失真，無法實現(xiàn)粉濃度和出口速度的實時監(jiān)測。

原因分析：風粉在線測量系統(tǒng)未設計測量儀表管路在線實時吹掃的裝置，造成風粉流量不穩(wěn)定時，儀表管路經(jīng)常被煤粉堵住。

改造方案：增加測量儀表管路定時吹掃電磁閥，取儀用壓縮空氣作為吹掃氣源，實現(xiàn)定時在線對儀表管路進行吹掃。

4.9 燃燒器壁溫測量

為了確保等離子燃燒器的安全運行，在燃燒器上安裝了2支雙支K分度鎧裝熱電偶，分別測量燃燒器中心筒和燃燒器前端的壁溫來監(jiān)視燃燒器。皖能銅陵發(fā)電廠5號機組采用的熱電偶為直徑Φ3的K分度鎧裝熱電偶，鍋爐啟動過程中的大幅度振動，及其容易造成熱電偶的損壞，降低了其施工壽命。同時，熱電偶的保護套管的內徑過小，彎曲半徑不足，造成了熱電偶如在運行過程中折斷，將無法及時進行更換。

原因分析：直徑Φ3的K分度鎧裝熱電偶，鍋爐運行過程中的振動，及其容易造成熱電偶的損壞。同時，熱電偶的保護套管的內徑過小，彎曲半徑不足，是造成了熱電偶在運行過程中折斷，無法及時進行更換的原因所在。

改造方案：改用直徑為Φ8的雙支K分度鎧裝熱電偶，將保護套管的內徑增大至DN20，彎曲半徑增大至150°。

5 結束語

等離子點火技術在皖能銅陵發(fā)電廠#5鍋爐得以較好的應用，能確保鍋爐快速、安全的點火成功，縮短了機組的啟動時間，實現(xiàn)電廠鍋爐冷態(tài)無油啟動，并且極大的減少了昂貴的燃油和運行成本。隨著等離子設計的日趨成熟和完善，降低安裝、調試、維護的難度，提高測量的精確度，等離子點火技術將會得到普遍的應用，替代火力發(fā)電廠現(xiàn)有的燃油系統(tǒng)。進一步降低電廠的運行成本，提高電廠機組的運行水平。

參考文獻

[1]《PLCS-I-100型等離子發(fā)生器使用及維護說明書》

[2]《皖能銅陵發(fā)電有限公司企業(yè)標準5號機組BTG運行規(guī)程》