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(jù)相關部門統(tǒng)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(jié)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(yè)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(wěn)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(jié)能效果和經(jīng)濟效益。

關鍵詞：鍋爐燃燒 等離子 點火裝置 等離子應用 節(jié)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(shù)變壓直流爐、具有以下特點：一次再熱、平衡通風、固態(tài)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(wěn)定的直流電源空氣等離子體，等離子體在焚燒爐的特殊規(guī)劃中構成溫度T> 5 000 k，溫度梯度大部分高溫區(qū)，煤顆粒在高溫等離子體“火核”效應，揮發(fā)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(fā)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(fā)生器及工作原理

選用集開放式磁穩(wěn)與機械、電磁緊縮于一體復合結構的等離子發(fā)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(wěn)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)，還大大降低了運營成本的起伏。

DLZ-200型等離子發(fā)生器，空氣載體等離子發(fā)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(jīng)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(wěn)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(wěn)定燃燒期間具有等離子體點火和燃燒穩(wěn)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(jù)原主燃燒器的結構，確定等離子發(fā)生器采用軸向插入（如圖2）。

3 等離子系統(tǒng)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(tǒng)的約束。為此產生以下需求。

（1）安全穩(wěn)定點火，燃燒效率高，無爆燃，沒有二次燃燒發(fā)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(shù)，確保安全啟動。

3.2 冷態(tài)啟動

（1）建立適當?shù)膯訅毫蛦恿髁?，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(fā)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(jù)著火情況，調整各參數(shù)至最佳值，著火穩(wěn)定后，調整給煤量至適當出力運行。

（4）根據(jù)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(wěn)定性，判斷可以繼續(xù)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(fā)電機并網(wǎng)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(xiàn)無油穩(wěn)定負荷，連續(xù)試驗停止一層等離子體發(fā)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(fā)動4臺等離子發(fā)生器的時候，要發(fā)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(tǒng)維護

等離子發(fā)生器具有很重要的位置，相當于這個系統(tǒng)的心臟。它的穩(wěn)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(yǎng)。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(tài)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(huán)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(tài)的時候，陽極喉部就容易發(fā)生燃燒和漏水的現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)象等問題。

5 經(jīng)濟效益分析

5.1 直接經(jīng)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(wǎng)運轉等。這期間因為鍋爐不能徹底擺脫節(jié)油的運用，所以就會消耗很多的燃料。依據(jù)電力部近來發(fā)布交通指引的規(guī)則，9 000 t是600 MW這個機組運用的規(guī)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(tǒng)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(jié)油5 000 t計），那么對廠里來說將會產生巨大經(jīng)濟效益。

闞山電廠600 MW機組鍋爐在168 h試運行階段節(jié)油費用：

現(xiàn)在燃油報價：0.48萬元/t。

節(jié)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(fā)熱量為41 800 kJ/kg，規(guī)劃煤種低位發(fā)熱量為23 000 kJ/kg，原煤報價為560元/t，則按發(fā)熱量相等的原則所需的原煤費用為：

5000 t柴油相當?shù)脑毫浚?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(guī)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(jié)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(jīng)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(jié)省1 436.6萬元多為廠里。

5.2 間接經(jīng)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(huán)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(jīng)濟損失。

如果在這一期間使用等離子無油點火系統(tǒng)，那么即使是在長期低負荷的狀態(tài)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(huán)境和損害廠里經(jīng)濟損失的同時還會創(chuàng)造經(jīng)濟和社會效益。

參考文獻

[1] 中國電力聯(lián)合會.2000年電力工業(yè)統(tǒng)計資料匯編[M].北京：中國電力出版社，2014.