-
等离子点火技术在超临界燃煤锅炉的应用及经济性分析
汪汪小飞侠原创出品
摘要
:
本文详细介绍了等离子点火装置的构成及其点火
机理，以某电厂超临界燃
煤锅炉等离子改造为例，阐述
了中速磨正压直吹制粉系统等离子点火装置的改造方式
及运行注意事项，对等离子装置改造后的节油效果进行
了经济性分析
。
关键字
:
等离子点火
;
超临界燃煤锅炉
;
节油
;
经济性
分析
plasma igniter of supercritical coal-
fired boiler for
example,
the
reform
of
plasma
ignition
and
the
points
for attention in positive pressure direct blow
milling
system
are
expatiated.
Furthermore,
economy
analysis
of
the
obvious
economization
effect on oil is described.
Keywords:
plasma
ignition;
Supercritical
Abstract:The
configuration
and
the
working
principles of plasma ignition system
are introduced
in
the
article.
In
this
paper,
take
the
reform
of
coal-
fired
boiler;
fuel
consumption
reduction;
economic benefits
1
前言
目前火力发电机组锅炉的启停及
低负荷
稳燃时耗费大量燃油，
全国每年电站锅炉
（不
包括工业锅炉）的点火和稳燃用油估计在
250<
/p>
万吨以上，直接费用每年超过
60
亿元人
民币，
大容量、超临界
参数机组建
设的
快速增
长，
启停及稳燃用油
将会骤增。
等离子点火
技术
对火力发电厂减
少燃油、降
低发电成本
具有
< br>十分重要的现实意义。
20
多
年前，国外就开始煤粉锅炉等离子
点火技术的研究
。近年来，<
/p>
等离子点火
技术
在国内受到重视
并实际应用
，取得了一
定的
效益。等离子点
火及稳燃技
术已成功的
应用
于贫煤、劣质烟
煤、烟煤和
褐
煤煤种；
应用
于
50MW
、
100MW
、
125MW
、
200MW
、
300MW
和
600MW
机组容量等
级；应用于切向燃烧直流燃烧器、
墙式燃烧旋流燃
烧器等燃烧<
/p>
方式；应用
于钢
1
球磨中储式、双
进双出钢球
磨直吹式、
中速
磨直吹式和风扇
磨直吹式制
粉系统。采
用等
离子燃烧技术实
现了燃煤锅
炉启停全过
程不
用燃烧油，为节
能降耗、建
设两型
企业
和提
高国家的能源安全作出贡献。
2
等离子点火装置简介
2.1
等离子点火机理
等离子点火装置是利用直流电流在介质
气压
0.01
～
0.03MPa
的条件下接触引弧，并在
强磁场控制下获
得
稳定功率
的直流空气
等离
子体，该等离
子
体在专门设
计的燃烧器
的中
心燃烧筒中形成温度
T
＞
50000K
、温度梯度极
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<
/p>
10
-3
秒内迅速释放出
挥发物，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<
/p>
能
量。
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
、
< br>H
2
、
O
2
）
、
离子（
O
2
-
、
H
2
-
、
OH<
/p>
-
、
O
-
、
H
+
）和电子等，
可加
速热化学转换，促进燃料完全燃烧。
2.2
等离子发生器的组成
以
DLZ-200
型等离子发生器为例，
该型为
磁稳、空气载体
等离子发生
器，它由线
圈、
阴极、阳极等组
< br>成。其中阴
、阳极材料
均采
用具
有高导电率
、高导热、
耐氧化的金
属材
料制成。阴、阳
极均采用水
冷方式冷却
，以
承受电弧高温冲击。线圈在高温
2
50
℃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。
(1)阳
极
(4)可<
/p>
更
换
阴
极
头
(3)线
圈
(5)
直
线
电
机
(2
)阴
极
(8)进
水
口
(9)出
水
口
< br>(7)压
缩
空
气
进
口
等
离
子
体
电
弧
放
电
腔
(6)电
源
图
2-1
等离子发生器的组成
2.3
等离子发生器的工作原理
等离子发生器的点火原理为：在冷却水
及压缩空气满足条件后，首先
设定电源
(6)
的
工作输出电流
(300
～
400A)
，在一定输出电流
条件下，当阴极
(2)
在直线电机
(5)
的推动下，
与阳
极
(1)
接触后，电源
(6)
按设定的工作电
流矢能工作，当输出电流达到工作电流后，
直线电机
(5)
推动阴极
(
2)
向后移动，当阴极
离开阳极的瞬间，电弧建立起来，当阴极
达
到规定的放电间距后，在空气动力和磁场的
2
作用下，装置产生稳定的电弧放电，生成等
离子体。
等离子点火装置的阴极进退执行机构的
控制、电弧电功率的控制，冷却风、冷却水
的监视均由计算机控制系
统完成。
2.4
等离子点火装置的附属系统
<
/p>
为保护等离子装置本身，
需用水冷却阴、
阳极和线圈。等离子冷却水系统水源取自闭
式冷却水，经升压泵后分别送至就地点火发<
/p>
生器内，再分三路分别送入线圈和阴、阳极。
< br>等离子发生器采用稳压、洁净、干燥的
空气作为等离子载体，一般采用高压离心风
机出口高压风系统为等离子发生器提供载
体，设计上还有压缩空
气作为备用气源。在
等离子点火器停止工作以后，高压离心风机
继续工作，为等离子点火器、图像火检探头
供冷却风。
为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
等离子点火
燃烧器上各安装一套图像火检装置，其视频
信号送至
集控室内大屏幕，运行人员可在点
火初期同时监视五个等离子点火燃烧器的火
焰，并可以随时切换至全炉膛火焰。图像火
检探头的冷却风取自等离子载体
系统的高压
离心风机出口。
2.5
煤粉的着火
特性与直接
点燃煤粉的
基本
条件
在低炉
膛温度下，含粉射流无法靠卷吸
炉内热烟气加热点燃，必须靠自身火焰传播
作用，促使射流全都着火。试验研究结果证
明，煤粉空气混合物的火焰传播速
度主要与
煤质、煤粉细度和煤粉浓度有关。
< br>图
2-2
是一种挥发分为
36.
1%
的煤粉在两
种煤粉细度下浓度与层流火焰传播速度的关
系，说明煤粉细度和浓度对火焰传播速度影
响很大，火焰传播速度最
大的区域是浓度为
0.3
～
0.5kg
/kg
的煤粉；细煤粉的火焰传播速
度高于粗煤粉。
平
均
粒
径
33
μ
m
< br>平
均
粒
径
9
μ
m
火
焰
传
播
速
度
（
c
m
/
s
）
煤
粉
浓
度
（
kg/kg）
图
3-1 一
种<
/p>
的煤粉在两种煤粉细度下浓度与层流火焰传播速度的关系
挥
发
分
为
36.1
%的
煤
粉
在
两
种
细
度
下
图
2-2
挥发分为
36.1%
浓
度
与
< br>火
焰
传
播
速
度
的
关
系
在煤质和煤粉细度一定的条件下，通过
热态试验结果表
明，一次风
粉温度和点
火区
域的一次风粉速
度对点火也
有很
大的影
响。
在常温条件下不
易点燃的贫
煤和褐煤需
用热
3
风送粉，一次风
温一般为
70
℃左右。点
火区
域
的速度随煤种而异，不宜过高。
试验证明，影响煤粉火焰传播
速度的主
要因素是煤粉的
挥发分含量
、
灰分含量
、细
度和浓度；同时
证明，在
较
难燃烧的煤
粉中
加入一部分易燃的燃
料，可改善其燃烧特性。
综上所述，直接
点燃煤粉的
基本条件为
：在
一定煤质的条件
< br>下，合适的
煤粉浓度、
煤粉
细度
、一次风温度和点火区域的风速度。
每台炉配
6
台
HP
中速磨机，采用中速
磨正压直
吹、冷一次风机
制粉系统；
采
用容克式
三分
仓回转空气预热
器，并配
置
双室五电场
静电
除尘器；两台炉
合用一座钢
筋混凝土烟
囱。
为了达到在机组
调试及生产
期间节约燃
油的
目的，将锅炉厂
生产的喷燃
器油枪改造
为等
离子点火设备。
<
/p>
锅炉采用的等离子点火系统由等离子点
火设备及其辅助
系统组成，
等离子点火
设备
由等离子发生器
、等离子燃
烧器、电源
控制
柜、隔离变压器
等组成，辅
助系
统由载
体空
气系统、冷却水
系统、图像
火检系统、
热控
系统、冷炉制粉系统等
组成。
3
等离子点火技术的实际应用
针对不同
锅炉的燃烧器，等离子点火装
置应有针对性的设计方案。某发电公司
#1
、
2
机组锅炉为哈尔
滨锅炉厂生
产的超临界
参数
变压直流炉，型
式为单炉膛
、一次再热
、平
衡通风、露天布
置、固态排
渣
煤粉炉。
每台
炉设
2
< br>台动叶可调轴流
式一次风机，
2
台
动叶
可调轴流式送风机以及
2
台静叶可调引风机；
表
1
锅炉煤质表
项
目
收到基全水份
M
ar
< br>
(
重量比
)
< br>固有水份
M
inh
干燥无灰基挥发份
V
daf
(
可燃基
)
< br>收到基灰份
A
ar
收到基低位发热值
Q
单位
%
%
%
%
kJ/kg
设计煤种
12
8.49
36.44
13
22760
校核煤种
10.45
2.85
28.00
25.09
20348
根据锅炉
LNASB
型燃烧器的结构特点，
基
于要求等离子改造对锅炉的性能影响最小同
时改造工作量最小的原则，为了最大限度地
保证原燃烧器的设计性能，改造方案为：拆
除前墙下层原燃烧器的中心风管及
其内部的
油枪（共
5
支）
，将其替换为可实现分级点火
的等离子点火燃烧器，在原一次风管上加装
分叉管，引出部分煤粉为等离子燃烧器供粉。
改造后的等离子点火燃
烧器具有在锅炉启动
初期点火的功能，并具有原煤粉燃烧器的全
4
部功能，不影响锅炉的安全和出力。
在锅炉点火启动阶段，一次风分叉管上
的插板门打开，原一次风管内的部分煤粉通
过分叉管被引至等离子点火燃烧器，在这里
煤粉被等离子电弧点燃并喷
入炉膛；一次风
管内剩余的煤粉继续沿一次风管进入原燃烧
器的
一次风室，并向前喷入炉膛后被等离子
燃烧器所产生的煤粉火焰点燃。
< br>
在锅炉高负荷运行阶段，一次风分叉管
上的气动插板门
关闭，所有煤粉仍按原设计
路径进入燃烧器的一次风室，燃烧器完全按
< br>原设计方式运行。
等离子点火燃烧器的外形尺寸完全按
照
原燃烧器的中心风管设计，现场改造只需将
前墙下层燃烧器中
心风管从燃烧器后端抽
出，将等离子燃烧器插入即可，安装工作量
很小。由于未对原燃烧器的一次风、二次风
部分做任何改造，所以燃烧器在正常运行时
性能与原设计基本相同，不会对锅炉性能造
成任何不良影响。<
/p>
采用直吹式制粉系统的锅炉在安装等离
子点火系统时所要解决的首要问题就是在锅
炉冷态启动条件下使磨煤机具备启动条件，<
/p>
并磨制出合格的煤粉。根据锅炉燃用煤种的
情况，在
A
磨煤机入口热风管道加装蒸汽加热
器，在锅炉冷态
启动时利用蒸汽将磨入口热
风温度加热到制粉需要的温度。蒸汽加热器
< br>的汽源取自厂用高压辅助蒸汽，参数为
1.3MPa(a)
、
320
℃；加热器进口空气温度为
30
℃，出口可加热至
160
～
170
℃，满足磨煤
机需要的入口温度，暖风
器疏水经疏水阀后
排至启动疏水扩容器。
等离子点火装置改造后的运行注意事
项：
1
）
由于等离子煤粉点火装置首次应用于
超临界直流锅炉，等离子煤粉点火首次投入
前，油枪带负荷在
15% BMCR
以上，根据调试
情况，等离子煤粉点
火投入前油枪投入负荷
可适当降低。
2
）考虑锅炉水冷壁螺旋管圈、张力板温
差因素，运行中相邻水
冷壁与张力板壁温差
应严格控制在
40
℃以内。
3
）
在锅炉启动过程中投入等离子煤粉点
火装置时应注意升温升
压速率，按机组启动
曲线进行。
4<
/p>
）
运行中应重视燃烧器可能产生的烧损
或
结焦，在调试运行中加强监控。
4
经济性分析
该发电公司超临界燃煤发
电机组锅炉等
离子燃烧器改造后运行稳定，经调试后基本
实现了
无油点火启动，在基建、生产期间节
约了大量燃油。
#1
机组在启动前调节级缸温度
270
℃，
温
态启动共耗油
5
6
吨。在整个机组启动过程中，
等离子制粉系统一直拉弧助燃运
行直至锅炉
断油，运行时间为
10
小时
，节省燃油
1.3
×
5
×
10=65
吨，其节油效果非常明显。
等离子点火系统用电量很小，一台等离
子制粉系
统点火装置每小时耗电量约
830kWh
，等离子冷却水泵
30kWh
、冷却风机
11kWwh
，共
870kWh
，按
0.6
元
/kWh
计算每小时
电费
522
元；如果投入油枪，按每小时消耗
燃
油
6.5
吨测算，每小时耗油费用是
6.5
×
5500=35750
元，一次温态启动共节省燃油费
用
35.2<
/p>
万元，经济效益明显。
#1
机组调试期间共耗油
1118
吨，
#2
机组
调试期间共耗油
53
3
吨，若没有等离子系统，
大致单机应该耗油
< br>5000
吨左右，核减等离子
系统使用的电费后按每吨油
5000
元计算，共
节省燃油费用为<
/p>
4715
万元，扣去油折煤应消
耗的对应
燃煤的费用，初步估算两台机组调
试期间共节省
3900
多万元，经济效益非常可
5
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