等離子點火裝置的原理及應用

張秀忠

摘 要：一直以來，關于鍋爐的耗油問題就長期困擾著大家，特別是鍋爐的燃燒啟動，停止和低負荷的時候。而且根據相關部門統計燃料油消耗非常大，尤其是在2000年的時候，消耗竟然達到了1 217.2萬噸[1]。面對如此嚴重的消耗問題，近年來為了節油也采取了一定的方法。目前來看，我國每年的耗油量達到了250萬噸以上，每年的直接成本超過60億人民幣，這還是不包括工業鍋爐的情況下。隨著能源的越來越緊缺，電站鍋爐啟動時燃油的成本也越來越高，如何降低啟動和低負荷穩燃的燃油量的工作迫在眉睫。該文介紹等離子點火裝置的原理及調試維護要求，等離子點火裝置在闞山電廠燃煤鍋爐機組中的運行情況，及采用等離子點火裝置帶來的節能效果和經濟效益。

關鍵詞：鍋爐燃燒 等離子 點火裝置 等離子應用 節油

中圖分類號：TKl7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04

（a）-0033-03

該廠有2臺600 MW超超臨界機組鍋爐，這2臺機器都是由哈爾濱鍋爐廠來進行制造的，這2臺鍋爐為超臨界參數變壓直流爐、具有以下特點：一次再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、半露天安置、全懸吊構造Π型鍋爐等特點。在參考了兄弟單位采用等離子點火裝置后的情況，該廠在A層布置了煙臺龍源電力技術有限公司的DLZ-200型等離子點火裝置，最大限度降低了鍋爐用油量。下面簡單談談等離子點火的原理以及在該廠應用的情況。

1 離子點火技術基本原理

1.1 等離子點火機理

DLZ-200等離子體點火裝置是在中壓0.01～0.03 mpa接觸弧的條件下使用直流電流，并在強磁場控制下獲得穩定的直流電源空氣等離子體，等離子體在焚燒爐的特殊規劃中構成溫度T> 5 000 k，溫度梯度大部分高溫區，煤顆粒在高溫等離子體“火核”效應，揮發物在10-3 s內釋放，煤顆粒破裂，很快燃燒。因為這種反應是在氣相中進行的，混合成分顆粒度發生變化，然后加速煤粉的燃燒。并大大減少燃燒粉煤燃燒所需的量。

等離子體內富含很多化學活性的粒子，如：原子（C、H、O）、原子團（OH、H2、O2）、離子（O2-、H2-、OH-、O-、H+）和電子等，這些粒子能使燃料徹底，因為這些粒子是化學反映加快的原因。

1.2 等離子發生器及工作原理

選用集開放式磁穩與機械、電磁緊縮于一體復合結構的等離子發生器，這種機器功率在50～150 kW之間接連可調。并且使用的是雙拉伐爾噴管復式陽極，雙拉伐爾噴管復式陽極這種可以避免煤粉的污染，并且這種制造的材料具有以下幾種特色：高導熱、高導電和不易氧化，使用時間在500 h以上。

陰極的高速噴嘴，加強冷卻結構，資料從特殊合金和銅材料的結合，使用時間在50 h以上，容易更換。磁線圈和穩定的陽極與陽極是水冷式結構。打破了以前人們用于等離子發生器電極結構和信息，而且還成功投入使用。使用抗氧化離子的特殊合金，陽極，實現空氣等離子體載體，不是專門為惰性氣體維護電極，簡化系統，還大大降低了運營成本的起伏。

DLZ-200型等離子發生器，空氣載體等離子發生器，它的組成由線圈、陰極、陽極。陰極材料是由金屬材料與高導電性、熱導率高，抗氧化性能。陽極是由金屬材料具有高導電率，高的熱導率和抗氧化性能，而且都經過水冷冷卻的。線圈有能力抵制分解的直流電壓2 000 V在250 ℃的溫度下。（如圖1）

在滿足冷卻水和壓縮空氣這兩種條件之后，設定（6）的電壓為（300～400 A），當通過（5）使（2）與（1）接觸時，（6）按原先設定的電流工作，當輸出電流達到工作電流后，（5）推動（2）向后移動，當陰極離開陽極的剎那，電弧建立，當陰極達到指定水平時，空氣動力和磁場的作用下產生穩定的電弧放電，產生等離子體。

2 等離子燃燒器的安裝布置

使用等離子體點火功能主燃燒器，下層（A層）四個主燃燒器功能等離子體點火燃燒器。燃燒器在鍋爐點火和穩定燃燒期間具有等離子體點火和燃燒穩定性，在鍋爐的正常操作期間，燃燒器具有主燃燒器的功能。

根據原主燃燒器的結構，確定等離子發生器采用軸向插入（如圖2）。

3 等離子系統的運行

3.1 啟動運行方式設計

等離子燃燒器只是整個鍋爐的一部分，它的使用必須滿足鍋爐的整體需要，而且還要由鍋爐，以及整個機組及其系統的約束。為此產生以下需求。

（1）安全穩定點火，燃燒效率高，無爆燃，沒有二次燃燒發生。

（2）適用于機組啟動曲線，保證機組安全。

（3）不強制要求在沒有油的情況下進行啟動，不排除在某些情況下少量燃燒油，以滿足啟動曲線。

（4）準備試驗，定量而不是定性確認控制參數，確保安全啟動。

3.2 冷態啟動

（1）建立適當的啟動壓力和啟動流量，啟動引風機、送風機、一臺一次風機，投入A磨蒸汽加熱器，A磨煤機暖磨。

（2）順序啟動4臺等離子發生器，并調整電壓、電流至最佳值。

（3）啟動A磨煤機，給煤量維持18～20 t/h，等離子燃燒器投入運行，根據著火情況，調整各參數至最佳值，著火穩定后，調整給煤量至適當出力運行。

（4）根據鍋爐溫度，壓力曲線，增加磨煤機的煤量，觀察爐出口煙氣溫度在爐內燃燒條件下的燃燒情況，如燃燒穩定性，判斷可以繼續增加軋機出力，看爐出口煙氣溫度超速，調整上部燃燒器噴入冷空氣量，完成渦輪機轉速，恒速和發電機并網等工作。

（5）逐步調整煤炭磨煤，單位負荷。

（6）及時啟動B磨煤機，提升載荷。

（7）實現無油穩定負荷，連續試驗停止一層等離子體發生器。

（8）啟動C＼D＼E＼F煤機或負荷。

3.3 停爐

（1）A、B、C磨煤機運轉的時候機組要降負荷。

（2）發動4臺等離子發生器的時候，要發動A層等離子燃燒器投入運轉。

（3）停止運行C磨煤機。

（4）停止運行B磨煤機。

（5）機組降負荷時，A磨煤機逐漸減少使用煤量。

4 系統維護

等離子發生器具有很重要的位置，相當于這個系統的心臟。它的穩定性是否直接影響著鍋爐點火質量的好壞，所以點火要小心保養。在維護工作的時候，電源必須要進行切斷，因為是在三高（高電流、高電壓、高熱量）的狀態下進行的。

要在維護的時候注意保護和小心陰極的基礎性傷害，特別是在換陰極頭的時候，因為使用時間一旦過長，0#紗布導線表面就會進行氧化，以減少電源的接觸電阻。每次檢修時都要檢查冷卻水導管是否暢通，如生銹結垢嚴重，應更換。

陽極是主要導電元件，如果工作使用的環境不好，就會容易受到污染，在電弧過程中，陰極和陽極處于短路狀態的時候，陽極喉部就容易發生燃燒和漏水的現象，因此，在每次更換陰極頭時應進行維護和檢修。 如果損失嚴重，漏水，電弧啟動很困難，經常斷弧，不順暢，使用時間大大降低，觀察用陰極支撐管中心的燒喉和是否有漏水現象等問題。

5 經濟效益分析

5.1 直接經濟效益

在鍋爐測驗運轉的這個期間，要通過一系列的階段，例如：鍋爐吹管、整定安全閥、汽機沖車、電氣實驗、機組帶大負荷以及機組并網運轉等。這期間因為鍋爐不能徹底擺脫節油的運用，所以就會消耗很多的燃料。依據電力部近來發布交通指引的規則，9 000 t是600 MW這個機組運用的規范量在測驗運轉期間，如果在此刻運用等離子無油點火系統的話，按估量，可以將全部試運期間的燃油消耗控制在1 000 t以內（等離子點火調試比以往燃油方法節油5 000 t計），那么對廠里來說將會產生巨大經濟效益。

闞山電廠600 MW機組鍋爐在168 h試運行階段節油費用：

現在燃油報價：0.48萬元/t。

節油費用：0.48×5000=2400（萬元）。

機組采用等離子無油點火裝置進行試運行期間所需費用：

燃油的低位發熱量為41 800 kJ/kg，規劃煤種低位發熱量為23 000 kJ/kg，原煤報價為560元/t，則按發熱量相等的原則所需的原煤費用為：

5000 t柴油相當的原煤量： t。

（1）燃煤使用的費用：9086 t×560元/t=5 088 160元=509萬元。

（2）使用等離子耗電使用的費用。

等離子燃燒器煤粉規劃流量8 t/h，運用等離子耗時：

=1136 h

每臺等離子運轉耗電為120 kWh，合計耗電：

120×1136=136 320 kWh

廠用電價格以0.2元/kWh計

耗電費用：136 320×0.2 =2.8萬元

（3）應用等離子陰極消耗費用：14元/h×1136 h=15904元 =1.6萬元

（4）應用等離子運行總費用：509+2.8+1.6=513.4萬元。

新建機組等離子點火裝置投資：450萬元。

節約投資：2 400萬元-513.4萬元-450萬元=1436.6萬元。

由上述計算可得出，在嘗試運行階段的經濟效益是十分顯著的。因為除了能收回裝置的投資外，每臺還能節省1 436.6萬元多為廠里。

5.2 間接經濟效益和社會效益

如果按照一般的方法來進行嘗試運行試驗，必須在這個時期堅持長時間的低負荷狀況運轉，由于在這個時期鍋爐焚燒時，為了防止沒有焚燒完的油滴到電極上弄臟，電除塵器就沒有辦法正常運用投入，因此，就會導入燃燒后產生的很多煙塵直接進入到空氣中，對環境造成了很嚴重污染。不但如此，同時燃燒后產生的粉塵也會對引風機上的葉片造成一定程度的損害，這些都會對廠里產生間接的經濟損失。

如果在這一期間使用等離子無油點火系統，那么即使是在長期低負荷的狀態下也能使用電除塵器，電除塵器一旦使用，就會在很大程度上減少煙塵和粉塵的排放，也不會污染環境和損害廠里經濟損失的同時還會創造經濟和社會效益。

參考文獻

[1] 中國電力聯合會.2000年電力工業統計資料匯編[M].北京：中國電力出版社，2014.