石橫電廠等離子點(diǎn)火技術(shù)探討

馮宗田，曹 磊

（國(guó)電山東石橫發(fā)電廠，山東 肥城 271621）

0 引言

無(wú)油點(diǎn)火技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)發(fā)展，逐步趨于成熟。近幾年，等離子點(diǎn)火技術(shù)在國(guó)內(nèi)大中型鍋爐中得到了充分的利用，從50 MW到1 000 MW鍋爐都有成功的例子。在冷爐狀態(tài)下點(diǎn)燃煤粉，既要保證煤粉著火的可靠性和穩(wěn)定性，又要控制鍋爐升溫升壓率不超過(guò)啟動(dòng)曲線的要求，這是等離子點(diǎn)火區(qū)別于傳統(tǒng)燃油點(diǎn)火的關(guān)鍵技術(shù)。

1 等離子點(diǎn)火設(shè)備簡(jiǎn)介

等離子點(diǎn)火裝置包括等離子發(fā)生器和等離子燃燒器，電源系統(tǒng)（隔離變），控制系統(tǒng)等組成。圖1所示為等離子發(fā)生器外觀圖，圖2為原理圖。等離子發(fā)生器由線圈、陰極、陽(yáng)極、電源等組成，等離子載體為壓縮空氣，陰極材料采用具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率、耐氧化的金屬材料制成，陽(yáng)極亦由高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率及抗氧化的金屬材料制成，它們均采用水冷冷卻方式，以承受電弧的高溫沖擊。其拉弧原理為：首先設(shè)定輸出電流，當(dāng)陰極3前進(jìn)同陽(yáng)極2接觸后，整個(gè)系統(tǒng)具有抗短路的能力且電流恒定不變，當(dāng)陰極緩緩離開(kāi)陽(yáng)極時(shí)，電弧在線圈磁力的作用下拉出噴管外部。一定壓力的空氣在電弧的作用下，被電離為高溫等離子體，為點(diǎn)燃不同的煤種創(chuàng)造了良好的條件。

圖1 等離子發(fā)生器外觀圖

等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來(lái)點(diǎn)燃煤粉的煤粉燃燒器，與以往的煤粉燃燒相比，等離子燃燒器在煤粉進(jìn)入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點(diǎn)燃，并將火焰在燃燒器內(nèi)逐級(jí)放大，屬內(nèi)燃型燃燒器，可在爐膛內(nèi)無(wú)火焰狀態(tài)下直接點(diǎn)燃煤粉，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐的無(wú)油啟動(dòng)和無(wú)油低負(fù)荷穩(wěn)燃。

圖2 等離子發(fā)生器原理圖

圖3 等離子燃燒器示意圖

如圖3所示，等離子發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的中心筒中形成T＞5000K的梯度極大的局部高溫區(qū)，煤粉顆粒通過(guò)該等離子“火核”受到高溫作用，并在10-3秒內(nèi)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(yīng)是在氣相中進(jìn)行，使混合物的粒級(jí)發(fā)生了變化，因而使煤粉的燃燒速度加快，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）。除此之外，等離子體有再造揮發(fā)分的效應(yīng)，這對(duì)于點(diǎn)燃貧煤強(qiáng)化燃燒有特別的意義。

石橫電廠5號(hào)、6號(hào)爐等離子點(diǎn)火裝置僅設(shè)置在A層制粉系統(tǒng)，分正常點(diǎn)火和等離子點(diǎn)火兩種狀態(tài)。等離子控制方式又分為就地和遙控兩種方式，通常采用遙控方式。鍋爐點(diǎn)火前，投入A磨暖風(fēng)器以提高熱一次風(fēng)溫度，啟磨后要充分暖磨，磨煤機(jī)出口溫度升至85℃后啟動(dòng)給煤機(jī)，給煤機(jī)啟動(dòng)后盡快使磨煤機(jī)咬煤出粉。根據(jù)火檢情況適當(dāng)調(diào)整給煤機(jī)煤量（一般控制在12～15 t），以維持較高的煤粉濃度，使煤粉更利于著火。同時(shí)要密切監(jiān)視鍋爐蒸汽升溫升壓率，及時(shí)調(diào)整煤量或旁路閥門(mén)開(kāi)度。

3 等離子點(diǎn)火的操作步驟

滿足下列條件，允許投運(yùn)等離子點(diǎn)火器：鍋爐吹掃已完成，MFT已復(fù)位；等離子點(diǎn)火裝置通訊正常；等離子圖象火檢冷卻風(fēng)壓＞0.4 Mpa；等離子點(diǎn)火器冷卻水壓＞0.2 Mpa。

啟動(dòng)順序：檢查等離子裝置冷卻水、冷卻風(fēng)已投運(yùn)正常；啟動(dòng)A磨等離子試?yán)。瑱z查拉弧是否正常；啟動(dòng)A磨，開(kāi)始暖磨；啟動(dòng)給煤機(jī)，調(diào)整煤量使磨煤機(jī)盡快咬煤；在盡可能短的時(shí)間內(nèi)點(diǎn)火成功。

為保護(hù)等離子拉弧裝置，一次風(fēng)速維持不低于15 m/s，推薦的風(fēng)速為18～20 m/s，但風(fēng)速也不能太高，否則對(duì)點(diǎn)火穩(wěn)定性不利，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)⒒鹧娲禍?。根?jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給煤機(jī)啟動(dòng)前，應(yīng)將A層周界風(fēng)擋板切至手動(dòng)方式關(guān)閉，AA層二次風(fēng)擋板保留50%開(kāi)度，待著火穩(wěn)定后再稍開(kāi)A層周界風(fēng)。在低負(fù)荷或煤質(zhì)較差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低二次風(fēng)壓，增加二次風(fēng)量，反之應(yīng)減少二次風(fēng)量。一般情況下最下層（AA層）二次風(fēng)擋板擋板必須全開(kāi)，以防止煤粉的分離下沉。

4 等離子點(diǎn)火的影響因素分析

從近一年的啟動(dòng)點(diǎn)火情況分析，提高點(diǎn)火成功率的主要因素可歸納為五點(diǎn)：較高的揮發(fā)分、較高的出粉溫度、合適的煤粉細(xì)度、合理的煤粉濃度和穩(wěn)定的拉弧強(qiáng)度。具體可以從以下三方面進(jìn)行分析：第一是煤的工業(yè)成分，其次是運(yùn)行調(diào)整技術(shù)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，第三是設(shè)備可靠性。

4.1 煤的工業(yè)成分的影響

石橫電廠5號(hào)、6號(hào)爐設(shè)計(jì)煤種的工業(yè)成分如表1所示。等離子點(diǎn)火由于是內(nèi)燃，其燃燒組織較全爐膛燃燒組織難度更大，對(duì)煤質(zhì)的要求也更高。表2、表3為近一年來(lái)5號(hào)、6號(hào)爐等離子點(diǎn)火時(shí)的入爐煤工業(yè)成分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 設(shè)計(jì)煤種的工業(yè)成分

表2 5號(hào)爐啟動(dòng)時(shí)入爐煤質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)表（2008年）

表3 6號(hào)爐啟動(dòng)時(shí)入爐煤質(zhì)情況統(tǒng)計(jì)表（2008年）

由表2、表3可以看出：5號(hào)、6號(hào)爐在21次啟動(dòng)點(diǎn)火中，12次點(diǎn)火失敗（黑色部分），9次成功（紅色加粗部分），其主要原因是煤質(zhì)差，嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)用煤標(biāo)準(zhǔn)。在12次失敗的統(tǒng)計(jì)中，入爐煤的揮發(fā)分全部在34%以下，灰分在30%以上，低位熱值平均在18.52 Mj/kg。而在9次成功的統(tǒng)計(jì)中，有8次入爐煤揮發(fā)分超過(guò)了34%，有6次灰分在30%以下，低位熱值平均在20.68 Mj/kg，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)煤種標(biāo)準(zhǔn)。理論上講，煤的揮發(fā)分越高，其著火溫度越低，越易于點(diǎn)燃。因此對(duì)等離子點(diǎn)火鍋爐而言，要嚴(yán)格控制入爐煤的揮發(fā)分，以提高點(diǎn)火的成功率。

4.2 運(yùn)行調(diào)整技術(shù)的影響

控制好點(diǎn)火初期的煤粉濃度和風(fēng)量，對(duì)保證良好的著火至關(guān)重要。經(jīng)驗(yàn)表明，煙煤最佳點(diǎn)火濃度一般在0.3～0.35 kg/kg，對(duì)于劣質(zhì)煙煤，煤粉濃度將可能上升到0.5～0.6 kg/kg才能滿足穩(wěn)定點(diǎn)燃的要求，在為了滿足啟動(dòng)曲線而使磨煤機(jī)的最低出力降低以后，煤粉濃度往往會(huì)下降到0.2 kg/kg以下，對(duì)點(diǎn)燃和燃盡非常不利，煤粉點(diǎn)燃時(shí)間一般需要90～180 s（廠家推薦點(diǎn)火開(kāi)始時(shí)滅火保護(hù)的遲延動(dòng)作時(shí)間，對(duì)于直吹式制粉系統(tǒng)不應(yīng)低于180 s），兩個(gè)以上火檢看不到火焰，鍋爐滅火保護(hù)動(dòng)作。為了確保點(diǎn)火的成功率，在保證爐膛安全的情況下，可以適當(dāng)延長(zhǎng)滅火保護(hù)動(dòng)作的時(shí)限，在煤質(zhì)特別差的情況下，甚至可以增加到240 s。

煤粉細(xì)度對(duì)著火和燃盡也有較大的影響，對(duì)于煙煤，煤粉細(xì)度控制在25～30%，對(duì)點(diǎn)燃和燃盡影響都不大，但是對(duì)于劣質(zhì)煙煤，煤粉細(xì)度對(duì)點(diǎn)燃和燃盡影響較大，根據(jù)燃用煤種的不同，可以對(duì)煤粉細(xì)度做出適當(dāng)調(diào)整。石橫電廠5號(hào)、6號(hào)爐A磨的煤粉細(xì)度在11%左右，而其他磨的煤粉細(xì)度都在15%以上，這就使點(diǎn)火變得容易一些。等離子點(diǎn)火時(shí)磨煤機(jī)風(fēng)量的控制，太高或太低都不利于燃燒；5號(hào)、6號(hào)爐HP-823型中速磨煤機(jī)要求的最小空氣流量為45.7 t/h，A磨等離子點(diǎn)火時(shí)的風(fēng)量一般在45～48 t/h，能夠滿足磨煤機(jī)的運(yùn)行要求。

鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，保證初期點(diǎn)火的穩(wěn)定性和連續(xù)性是非常重要的，隨著燃燒過(guò)程的延長(zhǎng)，爐膛內(nèi)部溫度場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，高溫?zé)煔鈱?duì)煤粉的著火和燃燒起到了強(qiáng)化作用，這是一個(gè)良性的循環(huán)，當(dāng)爐膛溫度場(chǎng)達(dá)到較高強(qiáng)度后，鍋爐燃燒將逐漸趨于穩(wěn)定。

穩(wěn)定的著火狀態(tài)應(yīng)為光亮的金黃色，在著火較差時(shí)火焰呈現(xiàn)暗紅色或淺藍(lán)火焰。圖4和圖5為鍋爐著火穩(wěn)定與不穩(wěn)定時(shí)的對(duì)比。依據(jù)火焰圖像可以比較直觀的判斷燃燒效果，進(jìn)而做出燃燒調(diào)整。

圖4 鍋爐著火穩(wěn)定

圖5 鍋爐著火不穩(wěn)定

4.3 等離子設(shè)備的影響

在等離子點(diǎn)火裝置中，陰極頭是容易損壞的部件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其壽命大約在60～80 h，當(dāng)發(fā)現(xiàn)陰極頭出現(xiàn)故障時(shí)，必須立即進(jìn)行更換。因此，做好等離子裝置的日常維護(hù)是必不可少的工作，另外要準(zhǔn)備充足的陰極頭備品。為了提高等離子點(diǎn)火裝置的良好備用，需要定期進(jìn)行等離子拉弧試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷及時(shí)處理。

5 結(jié)語(yǔ)

等離子點(diǎn)火技術(shù)有著燃油點(diǎn)火技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性，近五年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，燃油點(diǎn)火鍋爐每年約用油300 t。尤其是在機(jī)組調(diào)試階段，其節(jié)省燃油的優(yōu)勢(shì)更加明顯。等離子點(diǎn)火鍋爐從點(diǎn)火初期即可投入電除塵裝置，避免了燃油點(diǎn)火鍋爐啟動(dòng)初期的污染。

電網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)調(diào)峰機(jī)組要求越來(lái)越苛刻，采用等離子助燃方式，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍增加，300 MW機(jī)組最低負(fù)荷甚至可以減到60 MW，調(diào)峰能力大大增強(qiáng)，不僅節(jié)約了大量燃油，而且提高了全廠機(jī)組方式的靈活性。因此等離子點(diǎn)火鍋爐是調(diào)峰的首選。

等離子點(diǎn)火是一種系統(tǒng)工程，涉及到燃燒理論、傳熱理論，而且受煤質(zhì)煤種影響較大，設(shè)備易損部件壽命過(guò)短，需要生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)都要把好關(guān)。作為一種新技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)出其強(qiáng)大的生命力和優(yōu)越性，但目前仍有需要改進(jìn)的地方，需要在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)一步摸索，使其技術(shù)更加完善。