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1、目 录1 前言12 等离子点火技术工作原理1 2.1 点火机理1 2.2 等离子发生器工作原理2 2.3 燃烧机理23 等离子点火系统组成3 3.1 等离子燃烧器3 3.2 等离子发生器-4 3.3 等离子电气控制系统4 3.4 等离子压缩空气系统4 3.5 等离子冷却系统5 3.6 壁温检测系统6 3.7 风烟在线监测系统7 3.8 图像火焰监测74 影响等离子点火的燃烧因素8 4.1 煤粉浓度对燃烧特性的影响8 4.2 一次风对燃烧特性的影响84.3 二此风对燃烧特性的影响9 4.4 拉弧功率对燃烧特性的影响95 等离子燃烧器与传统油燃烧器对比的优点96 等离子点火的不足之处107 等离子
2、点火运行中出现的问题108 解决方法119 结论12参考文献13电站锅炉等离子点火系统李鑫 西安电力高等专科学校摘 要:本文介绍了等离子无油点火系统的工作原理和系统 构成,对该技术进行了应用性试验研究,考察了煤粉浓度、一次风速、二次风量、拉弧功率等因素对其点火性能的影响。通过对比等离点火和油点火的优缺点,并发现一些运行中的问题,并提出一些解决方法。关键词：等离子点火 等离子发生器 电站锅炉1 前言 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
3、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，但是，这些方法已到了尽头，若要进一步减少燃油到最终不用油，必须采用与传统上完全不同的全新工艺，这种工艺应既可保证提高燃烧过程的经济性，等离子煤粉点火燃烧器，采用直流空气等离子体作为点火源，实现锅炉的冷态启动而不用一滴油，是未来火力发电厂点火和稳燃的首选设备。2 等离子点火器的工作原理2.1 点火机理 装置利用直流电流（280-350A）在介质气压0.01-0.03Mpa的条件下接触引弧，并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
4、筒中形成T5000K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。 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（OH、H2、O2）、离子（O2、H2、OH、O、H）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧，除此之外，等离子体对于煤粉的作用，可比通常情况下提高20% 80%的挥发份，即等离子体有再造挥发份的效应，这对于点燃低挥发份煤粉强化燃烧有特别的意义。2.2 等离子发生器的工作原理等离子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。其中阴极材料采用高导电率的金属材料
5、或非金属材料制成。阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，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。其拉弧原理为：首先设定输出电流，当阴极2前进同阳极1阴极缓缓离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管外部。一定压力的空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体，其能量密度高达105 106W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。图（1）煤粉锅炉等离子发生器2.3 燃烧机理 据高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配的原则设计了多级燃烧器。它的意义在于应用多级放大的原理，使系统的风粉浓
6、度、气流速度处于一个十分有利于点火的工况条件，从而完成一个持续稳定的点火、燃烧过程。实验证明运用这一原理及设计方法使单个燃烧器的出力可以从2T/H扩达到10T/H。在建立一级点火燃烧过程中采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火炬中心区，10000的高温等离子体同浓煤粉的汇合及所伴随的物理化学过程使煤粉原挥发份的含量提高了80%，其点火延迟时间不大于1秒。3 等离子点火燃烧系统组成图（2）等离子点火系统3.1 等离子燃烧器 图（3）等离子燃烧器结构图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
7、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。 3.2 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、漩流环及支撑托架组成。等离子发生器设计寿命为810年。在两电极间加稳定的大电流，将电极之间的空 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。图(4)等离子发生器3.3 等离子电器控制系统 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
8、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、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。3.4 等离子压缩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，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）压缩空气母管的压力要求为0.5Mpa左右，每台等
9、离子装置的压缩空气流量约为80NM3/h。 图（4） 等离子压缩空气系统3.5 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。通过大量实验总结出为保证好的冷却效果，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
10、均为不锈钢。 2）冷却水箱、水泵安装保证不振动。3）冷却水经母管分别送至等离子点火器，单个等离子点火器的冷却水用量约为10T/H，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。回水采用无压回水（出口为大气压），等离子点火器回水经母管流经换热器冷却后返回冷却水箱。等离子装置来水管道上设有手动调节阀，用于调整等离子点火器冷却水流量，同时安装有冷却水压力表，过滤器及压力开关（CCS），压力满足信号送回本等离子整流柜。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。5）冷却水采用除盐化学水，通过补水管路为冷却水箱供水。6）对
11、于两台炉公用冷却水系统，回水分管道加装截止阀图（5）等离子冷却水系统3.6 壁温监测系统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。热电偶的安装位置是根据数台等离子燃烧器的工业应用情况和燃烧器工作状态下的温度场确定的。安装位置如下图所示。热电偶的型号主要为K分度或铠装热电偶。图（6）壁温检测热电偶3.7 风粉在线监测系统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。一次风在线测速装置的组成图（6） 一次风在线测速装置的组成3.8图像火焰监视 监视等离子点火燃烧器的火焰情况，方便运行人员进行燃烧调整，在经过改造
12、的等离子点火燃烧器上方二次风道内各安装1套图像火检装置。探头套管的前端内部安装有CCD探头，视频信号送至工业电视系统。通过切换器进行切换。运行人员可在点火初期同时监视等离子点火燃烧器的火焰。4 影响等离子点火燃烧性能的因素4.1 煤粉浓度对着火性能的影响煤粉浓度高可降低煤粉的着火热,有利于煤粉的点燃,但煤粉浓度过高会使点火初期氧量补充不足, 增加煤粉不完全燃烧热损失。 图(7)煤粉浓度对着火性能影响的线性图由此可以看出该等离子点火装置的煤粉浓度适用范围为0.36 0.52m3/kg。4.2 一次风速对着火性能的影响一次风速的高低对煤粉的着火影响较大,一次风速过高,将导致煤粉着火推迟, 燃烧不稳
13、;一次风速偏低, 则容易烧损燃烧器并在一次风管内造成积粉以致堵管。因此,点火一次风速的合理选择对等离子点火燃烧器的煤粉稳定燃烧至关重要。图（8）一次风速对着火性能影响线性图冷态启动及温态启动时,一次风速为2224m/s和2426m/s ,煤粉燃烧稳定,火焰明亮,可以定为最佳风速。4.3 二次风量对着火特性的影响在等离子燃烧器中,二次风主要作用是冷却一次室、二次室壁面以及提供煤粉燃烧的氧量, 但二次风速过高或过低都可能破坏气流的正常混合扰动,从而降低燃烧的稳定性。图（9）二次风量对着火性能影响的线性图冷态启动和温态启动时, 增加二次风量将使喷口火焰温度升高,二次风量减少后火焰刚性降低,同时伴有焦
14、块喷出。因此在运行中,为防止一、二次室结焦,不宜将二次风关小。4.4 拉弧功率对着火特性的影响图（10）拉弧功率对着火特性影响线性图 拉弧功率的变化对火焰温度影响不大, 煤粉一旦被点燃,燃烧情况的优劣主要取决于风粉参数的配比。5 等离子点火燃烧器，点火和稳燃与传统的燃油相比有以下几大优点：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%，对于新建电厂，可以节约上千万的初投资和试运行费用；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，因此，减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染；另外，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
15、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（OH、H2、O2）、离子（O2、H2、OH、O、H）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，简化了系统，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。6 等离子点火系统的不足之处尽管等离子点火能节油而产生很大的经济效益,但是作为一种新型的点火技术，和油点火技术相比较还是有许多不成熟的地方。主要集中在以下几方面：1)等离子点火技术目前难以真正达到冷态锅炉冷粉点火，不能做到真正无油点火，需要保留锅炉的燃油系统。点火时需要对一次风预热，煤粉
16、进行加热。同时等离子点火前需要用小油枪预热锅炉12h。2)等离子点火技术并不是什么煤种都适用。主要有烟煤、贫煤、褐煤和劣质贫煤。但是都要求煤粉挥发分含量不能低于18%。煤粉挥发分含量偏低，在锅炉点火时就要更多的燃油，这就会降低等离子点火的经济性。3)等离子点火系统的可靠性稳定性需要提高。由于锅炉的结构不同、等离子点火系统的结构不同、煤质的不同、点火过程中的操作方法的不同，会导致点火效果的不同。问题主要有：等离子枪出口结焦或烧毁、风管内煤粉结焦、等离子拉弧及运行是出现断弧的情况。4)等离子枪阴极的使用时间太短。目前制作阴极材料有碳棒和金属材料。设计使用寿命一般100110小时，但实际使用中，70
17、小时左右就要更换阴极。工作超过30小时后就要加强监视等离子燃烧器阴极运行情况，防止因为阴极使用寿命造成燃烧器断弧，对锅炉的正常运转造成影响。7 等离子点火运行中存在的问题： 1)等离子点火器均存在不同程度的断弧现象，冷态启动更加明显。阴极头烧损严重，机组启动及低负荷助燃不稳定，不能达到设计连续工作时间。 2)点火器阴极控制电机受硬件本身及阴、阳极接触时间的影响，电机经常烧损，阴极进退轨道及电机传动齿不同程度出现磨损，不能有效地保证阴极正常进退。 3)空气加热器小炉膛的打火设备电极采用两极式，无法调整极间距，点火过程中不能可靠打火；打火变压器设计不合理，易烧毁、造成其它控制设备损坏。 4)空气加
18、热器小炉膛的油枪打火变压器控制存在缺陷，造成打火时间继电器损坏，影响等离子进行锅炉冷态启动。 5）等离子阴极水箱的连接件安装结构不合理，存在不同程度的漏水现象。8 解决方法 1）在试验中发现电流、功率不稳是造成断弧的主要原因.通过调整引弧间距、增大拉弧电流、重新整定压缩空气压力、更换阴极头、清洁阳极，将压缩空气压力限制在0015002 MPa，更换喉口比原来小的阳极，解决了断弧问题。 等离子点火器自投入以来，阴极头烧损严重，频繁断弧和阴极头烧损有关，而阴极头烧损速度与压缩空气流量有关。等离子点火器阴极最初安装的压缩空气旋流环为乙烯材质，出现过变形。对此在乙烯旋流环内部加了不锈钢衬，支撑旋流环不
19、产生形变。但新的旋流环的旋流孔过大，造成压缩空气压力降低，不能满足点火需要，又对旋流环进行改进，阴极头烧损的现象有所改善。但引弧成功率仍较低，即使引弧成功、燃烧时间也不能达到设计要求，电压、电流、功率曲线变化区间较大，稳定性不高。加大压缩空气截门开度后有所改变。压缩空气压力调整在等离子点火过程中有重要的作用，阳极的喉口大小、拉弧内膛粗细、阴、阳极的拉弧距离、冷却水的温度高低均限制了压力的调整。根据试验数据，对等离子点火阳极结构进行了改进，将阳极喉口缩小，增大阻力，填充拉弧内膛，减少电弧在拉弧内膛的滞留数量和滞留时间。将阳极全部更换成小喉口结构后，进行了长达10 h的引弧试验。10 h内电流和功
20、率变化很小，压缩空气风压调整范围变宽，阴极银质导电面损耗较小。根据其损耗程度可以推断阴极在当前条件下可以工作70 h左右。 2) 两级延时时间内，电机处于堵转状态，对传动齿损坏较严重。通过调节两级结合延时时间，从而解决了传动齿损坏及电机经常烧损的问题。 3) 针对等离子点火空气加热器油枪打火设备存在的缺陷，电极使用一体化电极，避免了极间距难以固定的问题，同时设计电极正交方向可调，使打火点可以调整在轻油喷入的边缘，着火点可控，满足了燃油点火的要求。 4) 打火时间继电器频繁烧毁的问题。经检查分析发现，电极变压器打火电流通过时间继电器触点导通，大大超过继电器接点额定电流。通过完善控制回路解决了问题
21、。 5）更换等离子点火器水箱和冷却风箱后，解决了冷却风、冷却水泄漏问题。9 结 论 通过对等离子点火技术的简单分析和说明,能够初步对电站锅炉等离子技术有一定认识和理解,得出以下结论: 1)等离子点火燃烧系统能够直接点燃烟煤, 燃烧稳定、燃烧器不结焦、不烧损,达到锅炉冷态无油启动并列的目的。从而节省了电厂重油使用费用,节约了成本,减少了环境污染.。2)等离子点火装置的煤粉浓度适用范围为0. 36 0. 52kg/ kg。冷态启动及温态启动时,一次风速为22 24m/ s和24 26m/ s。冷态启动和温态启动时, 增加二次风量将使喷口火焰温度升高。3)等离子点火技术使用要求煤粉挥发分含量不能低于
22、18%。这样对煤种的选择性选择变小。挥发性大的煤粉燃烧效率变低，这就会降低等离子点火的经济性。4)等离子无油点火系统在冷态点火前期时,燃烧效率较低,因此如何提高前期燃烧效率应作为今后研究重点。 5)等离子点火器均存在不同程度的断弧现象，冷态启动更加明显。阴极头烧损严重，机组启动及低负荷助燃不稳定，不能达到设计连续工作时间。因此在以后应用中应该提高阴极的材料耐久度并改进阴极结构，防止问题持续出现虽说等离子技术还存在一些问题,但等离子技术在节约能源、环保、提高经济性方面有着重要的应用意义，电厂可以单一燃料运行，简化了系统，简化了运行方式，是一项值得推广的技术。其中的问题还有待相关专家一起研究解决，
23、我相信等离子点火技术必然在工业生产领域中有着广阔的发展前景。参考文献1. 韩振东.曹宇等离子点火断弧原因分析及措施 20042. 金国根.JIN Guo-gen 燃煤锅炉等离子点火装置的调试及启动 -电力建设2006,27(12)3. 马中杰等离子点火器的应用研究20094. 于国良,李瑞扬,董利电站锅炉等离子点火技术应用研究20105. 郑璐，薛立宗，齐伦等离子点火系统应用研究20106. 田永强等离子点火设备介绍20097. 李明堂等离子点火系统介绍20118. 杨圣春火电厂等离子点火装置存在的问题与对策20119. 黄锏,叶玲,牛涛,苗雨旺等离子点火燃烧装置200210.张孝勇,陈学渊,罗泽斌,徐海康,李春岩,鞠胤宏等离子点火技术在烟煤锅炉上的应用J;中国电力;200211.徐程宏，刘庆鑫，温智勇燃煤锅炉应用等离子点火技术的起动特性分析J；广东电力;2006