等离子点火技术

王丽2015-3-18等离子点火技术2023/2/51

等离子点火技术目录一.概述二.等离子点火优点三.等离子点火原理四.等离子点火系统的组成六.等离子点火常见问题及处理办法CONTENTS五.等离子点火系统的运行2023/2/52等离子点火技术一.概述

大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧重油或天然气等稀有燃料来实现的，近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制。因此锅炉点火和稳燃用油被做为一项重要的指标来考核，为了减少重油（天然气）的耗量，传统的做法是提高煤粉的磨细度，提高风粉混合物和二次风的预热温度，采用预燃室燃烧器，选用小油枪点火等等。等离子煤粉点火装置，采用直流空气等离子体作为点火源，实现了锅炉的冷态启动不用一滴油的无油点火DLZ-200型等离子煤粉点火燃烧器，是未来火力发电厂点火和稳燃的首选设备。2023/2/53等离子点火技术二.等离子点火优点1)经济：采用等离子点火运行和技术维护费仅是使用重油点火时费用的15%～20%；2)环保：由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染；电厂采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了电厂的环境；3)高效：等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团、离子和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧；4)简单：电厂可以单一燃料运行，简化了运行方式；5)安全：取消炉前燃油系统，也自然避免了经常由于燃油系统造成的各种事故。因此等离子燃煤锅炉的首选设备，是目前燃油系统改造的最佳替代产品。2023/2/54等离子点火技术三.等离子点火原理利用直流电流（280---350A）在介质气压0.01-0.03Mpa的条件下接触引弧，在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成T＞5000K的梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在10-3秒内迅速释放出挥发物，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行，使混合物组分的粒级发生了变化。因而使煤粉的燃烧速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量E（E等=1/6E油）

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发生器为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极组成，它们均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。线圈在高温250℃情况下具有抗2000V的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。2023/2/56等离子点火技术等离子点火燃烧系统4.1适等离子点火器系统4.2监控系统4.3TableofContents四.内容大纲4.1.1燃烧系统4.1.2气膜风系统4.1.3一次风系统4.1.4其他系统4.2.1等离子发生器4.2.2等离子电气系统4.2.3等离子空气系统4.2.4等离子冷却水系统2023/2/57等离子点火技术等离子点火系统的组成4.1等离子点火燃烧系统4.1.1燃烧系统等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，与以往的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。

根据有限的点火功率不可能直接点燃无限的煤粉量的问题，等离子燃烧器采用了多级燃烧结构，如下图所示，煤粉首先在中心筒中点燃，进入中心筒的粉量根据燃烧器的不同在500-

800kg/h之间，这部分煤粉在中心筒中稳定燃烧，并在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉的点火源，并以次逐级放大，最大可点燃12T/H的粉量。

2023/2/58等离子点火技术图4.1等离子燃烧器示意图2023/2/59等离子点火技术4.1.2气膜风系统

等离子燃烧器属于内燃式燃烧器，运行时燃烧器内壁热负荷较高，为了保护燃烧器，同时提高燃尽度，需设置等离子燃烧器气膜冷却风。气膜冷却风可以从原二次风箱取，也可从送风机出口引取。通过燃烧器气膜风入口引入燃烧器。气膜冷却风控制，冷态一般在等离子燃烧器投入0-30min，开度尽量小，以提高初期燃烧效率，随着炉温升高，逐渐开大风门，防止烧损燃烧器，原则是以燃烧器壁温控制在500-600℃为宜。4.1.3一次风系统锅炉冷态启动初期，等离子燃烧器的一次风速保持在19m/s--22m/s为宜。热态或低负荷稳燃时，一次风速保持24--28m/s为宜。4.1.4其他系统

主要设备及系统还有还有给煤机、磨煤机、暖风器、二次风系统2023/2/510等离子点火技术4.2等离子点火器系统4.2.1等离子发生器

等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，其主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件三大部分组成，还有支撑托架配合现场安装。阳极组件由阳极、冷却水道、压缩空气通道及壳体等构成。阳极组件由阳极、冷却水道、压缩空气通道及壳体等构成。阴极组件由阴极头、外套管、内套管、驱动机构、进出水口、导电接头等构成。

电极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体，其中带正电的离子流向电源负极形成电弧的阴极，带负电的离子及电子流向电源的正极形成电弧的阳极。线圈通电产生强磁场，将等离子体压缩，并由压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。2023/2/511等离子点火技术4.2.2等离子电气系统等离子发生器电源系统是用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置。其基本原理是通过三相全控桥式晶闸管整流电路将三相交流电源变为稳定的直流电源。其由隔离变压器和电源柜两大部分组成。电源柜内主要有由六组大功率晶闸管组成的三相全控整流桥、大功率直流调速器6RA70、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。2023/2/512等离子点火技术4.2.3等离子空气系统

压缩空气是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，通过线圈形成的强磁场的作用压缩成为压缩电弧，需要压缩空气以一定的流速吹出阳极才能形成可利用的电弧。因此，等离子点火系统的需要配备压缩空气系统，压缩空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。具体实现方案如下：1）压缩空气有空压机经过滤装置储气罐出口母管的管道分别送到等离子点火装置。2）等离子点火装置上的压缩空气管道上设有压力表和一个压力开关，把压力满足信号送回本燃烧器整流柜。3）等离子点火装置入口的压缩空气压力要求在0.02Mpa左右，每台等离子装置的压缩空气流量约为1.0NM3/min-1.5NM3/min。4）压缩空气系统中同时设计有备用吹扫空气管路，吹扫空气取自图像火检探头冷却风机出口母管，用于保证在锅炉高负荷运行、等离子点火器停用时点火器不受煤粉污染。2023/2/513等离子点火技术4.2.4等离子冷却水系统等离子电弧形成后，弧柱温度一般在5000K到10000K范围，因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极必须通过水冷的方式来进行冷却，否则很快会被烧毁。故需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极，因此需要保证冷却水不低于0.3MP的压力。另外，冷却水温度不能高于30℃，否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，要采用电厂的除盐化学水。具体设计方案如下：1）冷却水系统采用闭式循环系统，由冷却水箱、冷却水泵、换热器及阀门、压力表、管路组成，冷却水泵两台互为备用。系统材质均为不锈钢。2）冷却水经母管分别送至等离子点火器，冷却水进入等离子装置后再分两路分别送入线圈和阳极，另一路进入阴极等离子装置来水管道上设有手动调节阀。4）每台发生器来水管路装有压力开关，压力满足信号送至整流柜PLC，保证等离子点火燃烧器投入时冷却水不间断。2023/2/514等离子点火技术4.3监控系统一.壁温测量为了确保等离子燃烧器的安全运行，在燃烧器的相应位置安装了监视壁面温度的热电偶。二.风粉在线检测为了在等离子燃烧器运行时能够监测一次风速，控制一次风速在设计范围，在一次风管加装一次风速测量系统。三.图像火焰监视将煤粉燃烧器的火焰直观的显示给运行人员将对锅炉的安全运行及燃烧调整有极大的帮助。在DLZ-200等离子点火系统中为每个等离子点火燃烧器配置了一支高清晰图像火检探头。2023/2/515等离子点火技术2023/2/516等离子点火技术

等离子点火系统的运行五2023/2/517等离子点火技术等离子体燃烧器设计方案根据本工程锅炉的实际情况，将A层四个角的煤粉燃烧器置换成等离子体点火燃烧器。等离子体点火煤粉燃烧器的各项外形尺寸完全按照锅炉原有的煤粉燃烧器接口尺寸设计。弯头内有耐磨陶瓷，可以经受煤粉气流的长期冲刷，等离子体燃烧器前端位置与原燃烧器喷口相同，后端与原一次风管道通过法兰连接。燃烧器轴向装有等离子体发生器，内部由一级燃烧室、二级燃烧室、喷口等部分组成。2023/2/518等离子点火技术一般A煤层4台等离子点火装置逻辑相同，在启动允许条件满足后，运行人员可手动操作启动等离子点火装置，启动成功后，可手动增/减等离子点火装置电流、进/退等离子点火装置阴极、增/减等离子点火装置间隙。下面以A1为例说明：启动允许条件（a）等离子点火条件满足；（b）A磨点火能量满足；（c）A磨快速停条件不存在；（d）A磨紧急停条件不存在；（e）A1等离子体整流柜遥控位；（f）A1等离子体发生器风压满足；（g）A1等离子体发生器水压满足；（h）A1等离子体发生器允许启动；（i）无等离子体发生器跳闸条件。联锁跳闸条件（a）MFT动作；（b）A磨煤机跳闸（脉冲信号）；（c）A1等离子体发生器风压满足信号消失，延时2秒；（d）A1等离子体发生器水压满足信号消失，延时2秒2023/2/519等离子点火技术等离子体燃烧器的启动试运1)检查煤仓煤位，如不足，应先补足。2)检查锅炉具备启动点火条件：锅炉汽包水位正常、引、送风机启动、炉膛吹扫完成，一次风机启动。3)调节一次风风量，维持磨出口一次风管风速在16~26m/s。4)调节等离子体燃烧器周界风，维持此层周界风门在15％开度。5)按等离子体点火装置的启动程序顺序依次启动1~4角等离子体发生器，调节电弧功率在110～200KW。6)在磨煤机满足启动条件的情况下，启动磨煤机，磨煤机运行稳定后启动给煤机，初始给煤量长稍高于最小给煤量运行（单个燃烧器出力3t/h），并逐步加大给煤量。2023/2/520等离子点火技术7)就地观察等离子体燃烧器的燃烧情况，测量燃烧器出口火焰温度；并测量飞灰及灰渣含碳量，根据含碳量换算出燃尽率；在点火后5分钟燃尽率>70%，在点火30分钟后燃尽率>85%8)调整一次风量、周界风门开度，确定合理的一次风速及二次小风门开度。9)调整等离子体发生器功率，确定等离子装置的最低稳燃功率。在保证燃烧效果的条件下适当降低电弧功率，以尽量延长阴极的使用寿命。10)根据机组试运要求增大或减小磨煤机的出力，试验等离子体燃烧器配合磨煤机的出力范围,同时根据火焰燃烧情况对一、二次风进行调整，逐步摸索运行经验。11)在等离子体点火装置投运过程中，注意观察过热器蒸汽温度，根据锅炉吹管工作安排确定等离子体点火装置的投运、切停。2023/2/521等离子点火技术2023/2/522等离子点火技术系统启动操作1）请对照上图完成系统启动前的检查工作；2）如果以上条件均已满足，请操作如下画面图：3）点击按钮，则该角发生器启动，启动正常后，在1#燃烧器的喷口处将看到火焰的标识；4）看到火焰后，请观察实际的电流以及电压反馈；5）点击按钮，让发生器在初始值和终止值之间完成自动调节；6）当运行需要停止时，请点击停止即可。2023/2/523等离子点火技术

运行主要参数1、电源：三相电源380-5％V频率：50±2%Hz最大消耗功率：250kVA负荷电流工作范围：（200~375）±2%A电弧电压调节范围：（250~400）±5%V2、压缩空气：最低气压：0.1MPa最高气压：0.4MPa空气压力调节范围：0.012~0.05MPa3、冷却水：最小压力：0.3MPa正常压力：0.4MPa最大压力：0.5MPa最大流量：10t/h4、水质要求：除盐水，温度≤40℃2023/2/524等离子点火技术5、输粉管内风速（一次风）：最低风速：18m/s最高风速：26m/s最低风温：60℃6、气膜冷却风风速：45—60m/s7、等离子发生器功率范围正常运行80—120kW8、阴极寿命设计工况下不低于80h(易更换)9、阳极寿命设计工况下不低于1000h10、等离子燃烧器出力设计最低出力的100%—200%范围11、投粉后的着火时间中储式系统：投粉后不大于30秒直吹式系统：投粉后不大于180秒12、燃烧器壁温控制温度小于600℃2023/2/525等离子点火技术2023/2/526等离子系统的保护定值：冷却水泵出口保护定值为：0.45MPa燃烧器壁温的一级报警温度定值为：400℃燃烧器壁温的二级报警温度定值为：500℃隔离变柜冷却风扇启动温度定值为：80℃电抗器柜冷却风扇启动温度定值为：50℃

同一只发生器连续拉弧不能超过4次，再不启弧就应停止拉弧。进行以下检查：首先检查电源是否完好，再检查控制系统是否正常，在上述两项检查正常的前提下检查发生器本体（此项检查必须由制造公司专业人员进行）。等离子点火技术2023/2/527等离子体燃烧器的整套启动试运过程中的注意事项1)严格按照运行规程要求的上水温度、上水时间对锅炉进行上水。2)等离子体点火燃烧器投入运行的初期，要注意观察火焰的燃烧情况、电源功率的波动情况，做好事故预想，发现异常，及时处理。3)等离子体点火燃烧器投入运行的初期，为控制温升，上部二次风门要适当开大，注意观察、记录烟温探针的温度，防止吹管临时系统、再热器系统超温。4)在锅炉启动的过程中，对锅炉的膨胀加强检查、记录。5)在点火前，要根据给煤量与一次风速等参数，做好风粉速度、煤粉浓度等重要参数的预想，并在点火的过程中，根据煤粉着火情况，有根据的加以调整。6)在“等离子方式”下运行，等离子体发生器中的1个断弧时，控制系统会在规定的时间内自动关闭相应的风管一次风气动快关门，光子牌将发出声光报警，此时运行人员应及时检查断弧原因，尽快恢复等离子体发生器的运行。7)在“等离子方式”下运行，当任意4个以上等离子体发生器都断弧时，在规定时间内控制系统自动保护停将A磨煤机，并进行炉膛吹扫，并仔细检查断弧原因，待问题解决后再继续进行试运。8)当锅炉负荷升至断油负荷以上且等离子体点火器在运行状态时，应及时将磨煤机运行方式切至正常运行方式，防止因等离子体点火器断弧造成磨煤机跳闸。等离子点火技术等离子点火常见问题及处理办法六2023/2/528等离子点火技术一.等离子断弧从应用等离子点火的实际情况看,等离子在拉弧及运行过程中易出现断弧现象,从而造成大量未燃煤粉进入炉膛。断弧的主要原因是作为等离子载体的空气含水、含油及压力波动大,因为杂用压缩空气一般不经油、水分离和干燥,同时由于用气点较多,压力扰动较大。二.阴极使用寿命短等离子发生器在应用中存在阴极头使用寿命短的问题,阴极头设计使用寿命为50h。根据实际经验,在阴极头累计使用超过30h后,应加强监视等离子运行状况,加强阴阳极和线圈的温度监视,以便及时更换阴极头,防止因阴极寿命问题引起突然断弧,造成系统的意外扰动。对于等离子点火装置,启弧时高温区在阴极头上,在等离子拉弧运行过程中,阴极材料会逐渐烧损,因此要保证阴极的寿命就必须很好地冷却阴极头。2023/2/529等离子点火技术三.等离子燃烧器结焦

等离子点火时核心温度高达7000℃,煤粉在燃烧器内部就已经开始着火,并且着火温度很高,极易造成等离子燃烧器中心筒超温、结焦。通过合理控制一、二次风速,等离子电弧功率及燃烧器的出力,并加强等离子燃烧器金属壁温的监控,基本可避免等离子燃烧器结焦现象。等离子燃烧器的内、外套筒主要是通过一次风和周界二次风进行冷却,为了防止燃烧器本体结焦或烧损,宜采取较高的一、二次风速,但高风速易导致着火稳定性低,炉膛燃烧不好,煤粉燃尽率低。从锅炉实际运行情况看,初期一次风速控制在18～20m/s,正常运行时一次风速控制在25～27m/s,煤粉燃烧状况良好,而周界二次风开度初期为20～30%左右,以提高初期燃烧效率,随着炉温升高,逐渐开大风门,以防止结焦,利于煤粉的稳燃和燃尽。2023/2/530等离子点火技术四.等离子冷态启动点火初期煤粉燃尽率低等离子点火时产生的温度虽高,但热强度不够,因此会造成煤粉燃尽率低，锅炉飞灰含碳量达到42%。等离子点火只是把煤粉中的挥发分迅速电离出来并点燃,进而引燃部分煤粉,而固定