淺議等離子點(diǎn)火技術(shù)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

趙晶宇

摘 要：火力發(fā)電廠鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃用油被作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)來(lái)考核，為了減少重油（天然氣）的耗量，傳統(tǒng)的做法是提高煤粉的磨細(xì)度，提高風(fēng)粉混合物和二次風(fēng)的預(yù)熱溫度，采用預(yù)燃室燃燒器，選用小油槍點(diǎn)火槍等等，但是這些方法已到了盡頭，必須采用同傳統(tǒng)上完全不同的全新工藝。直流空氣等離子體作為點(diǎn)火源，可點(diǎn)燃揮發(fā)份較低的（10%）貧煤，實(shí)現(xiàn)鍋爐的冷態(tài)啟動(dòng)而不用一滴油，是未來(lái)火力發(fā)電廠點(diǎn)火和穩(wěn)燃的首選設(shè)備。

關(guān)鍵詞： 等離子；小油槍；鍋爐點(diǎn)火

我國(guó)的石油資源并不豐富，但消耗量很大，原油還需要進(jìn)口，石油已經(jīng)成為影響我國(guó)能源安全的戰(zhàn)略物資，而電力行業(yè)燃油的消耗占了全國(guó)消耗總量的20%以上。近十幾年以來(lái)，“綠色施工、節(jié)能減排”的理念越來(lái)越成為現(xiàn)代大型燃煤火力發(fā)電廠的建設(shè)理念，加上由于世界原油及其價(jià)格的紛爭(zhēng)，和國(guó)家對(duì)燃煤火力發(fā)電企業(yè)環(huán)保節(jié)能的要求，燃煤火力發(fā)電廠鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)用的傳統(tǒng)燃料燃油的用量作為一項(xiàng)考核新建或改擴(kuò)建機(jī)組的性能指標(biāo)越來(lái)越受到重視，尋找一種如何少用或不用燃油來(lái)實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐的點(diǎn)火啟動(dòng)、穩(wěn)燃助燃的新技術(shù)作為一個(gè)新課題擺在了現(xiàn)代燃煤火力發(fā)電企業(yè)的面前。在以前的幾十年里，小油槍點(diǎn)火技術(shù)、微油點(diǎn)火技術(shù)逐步在燃煤火力發(fā)電廠鍋爐上得到應(yīng)用，但由于它們并不能實(shí)現(xiàn)百分之百的節(jié)油目標(biāo)，加上它們?cè)谕瑯狱c(diǎn)火能量的條件下，點(diǎn)火性能沒(méi)有等離子體好，按照我國(guó)節(jié)能中長(zhǎng)期規(guī)劃，將推廣應(yīng)用等離子微油點(diǎn)火技術(shù)，整體提高我國(guó)電力工業(yè)的資源利用效率。

一、等離子點(diǎn)火技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

2000年12月，等離子點(diǎn)火技術(shù)在佳木斯發(fā)電廠100MW中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)燃用煙煤的鍋爐中，成功的實(shí)現(xiàn)了冷態(tài)點(diǎn)火，是我國(guó)等離子點(diǎn)火技術(shù)在工程上的首次應(yīng)用。2001年3月以來(lái)，等離子點(diǎn)火技術(shù)有了明顯的發(fā)展。首先將直流主燃燒器改造為等離子燃燒器，然后將該技術(shù)應(yīng)用于直吹式雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)鍋爐的旋流燃燒器上。隨著技術(shù)發(fā)展，該技術(shù)逐漸應(yīng)用于200MW、300MW及600MW機(jī)組。2003年，等離子點(diǎn)火技術(shù)實(shí)現(xiàn)首臺(tái)褐煤600MW機(jī)組的點(diǎn)火，拓展了等離子點(diǎn)火技術(shù)煤種適應(yīng)范圍。2006年，等離子點(diǎn)火技術(shù)成功應(yīng)用于玉環(huán)電廠1000MW機(jī)組，是目前我國(guó)最大火電機(jī)組應(yīng)用此技術(shù)的典范。

二、等離子點(diǎn)火工作原理

等離子點(diǎn)火裝置是利用高壓、高頻觸發(fā)起弧，并在強(qiáng)磁場(chǎng)控制下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體燃燒器中心燃燒筒中形成溫度高于5000K且溫度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10ms內(nèi)迅速釋放出揮發(fā)物，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，使混合物組分的粒級(jí)和成分發(fā)生變化，有助于加速煤粉的燃燒，大大地減少點(diǎn)燃煤粉所需要的引燃能量。氣化微油點(diǎn)火技術(shù)是利用壓縮空氣的高速射流將燃油直接擊碎，霧化成超細(xì)油滴進(jìn)行燃燒，同時(shí)用燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)燃料進(jìn)行初期加熱、擴(kuò)容和后期加熱，在極短的時(shí)問(wèn)內(nèi)完成油滴的蒸發(fā)氣化，使油槍在正常燃燒過(guò)程中直接燃燒氣體燃料，點(diǎn)火方式為二級(jí)點(diǎn)火三級(jí)燃燒，從而大大提高燃燒效率和火焰溫度。微油油槍燃燒形成的高溫火焰使進(jìn)人一次室的濃相煤粉顆粒破裂粉碎，并釋放出大量的揮發(fā)分而迅速著火燃燒，然后由已著火燃燒的濃相煤粉在二次室內(nèi)與稀相煤粉混合并點(diǎn)燃稀相煤粉。

三、等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的組成

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，與以往的煤粉燃燒器相比，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。

為了擴(kuò)大燃燒器對(duì)一次風(fēng)速的適應(yīng)范圍，等離子燃燒器的最后一級(jí)煤粉可不在燃燒室內(nèi)燃燒而直接進(jìn)入爐膛，因?yàn)槊悍廴紵蟮臒崃渴沟每諝怏w積迅速膨脹，受燃燒器內(nèi)空間的限制，燃燒室內(nèi)的風(fēng)速會(huì)成倍提高，造成火焰擴(kuò)散的速度小于煤粉的傳播速度而使燃燒不穩(wěn)，當(dāng)采取前面所述措施后，有利于減小燃燒室內(nèi)的風(fēng)速，使燃燒穩(wěn)定。

四、等離子點(diǎn)火的特性

等離子點(diǎn)火與微油點(diǎn)火初期的煤粉燃燒率低是必然的，這是由點(diǎn)火能量決定的。一方面，煤粉不可能在燃燒初期完成較充分的燃燒；另一方面，大量的煤粉在風(fēng)包粉后期混合燃燒，爐膛溫度水平?jīng)Q定了燃燒率的高低。因此，點(diǎn)火過(guò)程中燃燒率的變化隨著爐膛溫度水平的提升而由低到高發(fā)生變化，在鍋爐冷態(tài)工況下，投運(yùn)節(jié)油點(diǎn)火裝置前必須有相應(yīng)的冷爐啟動(dòng)系統(tǒng)以提高一次風(fēng)溫及爐膛溫度。一般點(diǎn)火初期過(guò)大的氣膜風(fēng)不利于燃燒器噴口著火穩(wěn)定，通常在點(diǎn)火期間盡可能不開(kāi)或者少開(kāi)燃燒器的周界風(fēng)。著火穩(wěn)定后氣膜風(fēng)逐步增加，對(duì)等離子燃燒器壁溫的改善較明顯，同時(shí)可提高燃燒器在點(diǎn)火初期的穩(wěn)燃特性。在鍋爐啟停初期，都可以投入電除塵運(yùn)行，滿足環(huán)保要求。

五、等離子點(diǎn)火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

為了減少重油（天然氣）的耗量，傳統(tǒng)的做法是提高煤粉的磨細(xì)度，提高風(fēng)粉混合物和二次風(fēng)的預(yù)熱溫度，采用預(yù)燃室燃燒器，選用小油槍點(diǎn)火等等，但是，這些方法已到了盡頭，若要進(jìn)一步減少燃油到最終不用油，必須采用與傳統(tǒng)上完全不同的全新工藝，這種工藝既可保證提高燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，又可以改善火電廠的生態(tài)條件。等離子煤粉點(diǎn)火燃燒器，采用直流空氣等離子體作為點(diǎn)火源，可點(diǎn)燃揮發(fā)份較低的（10%）貧煤，實(shí)現(xiàn)鍋爐的冷態(tài)啟動(dòng)而不用一滴油，是未來(lái)火力發(fā)電廠點(diǎn)火和穩(wěn)燃的首選設(shè)備，采用等離子點(diǎn)火燃燒器，點(diǎn)火和穩(wěn)燃與傳統(tǒng)的燃油相比有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效、簡(jiǎn)單、安全幾大優(yōu)點(diǎn)，等離子點(diǎn)火是燃煤鍋爐的首選設(shè)備，是目前燃油系統(tǒng)改造的最佳替代產(chǎn)品。

六、等離子點(diǎn)火技術(shù)存在的問(wèn)題

1. 陰極頭使用壽命較短問(wèn)題

等離子設(shè)備的陰極頭使用時(shí)間較短，為保證其工作時(shí)的穩(wěn)定性，日常的維護(hù)量比較大，一般情況下，僅是依據(jù)使用時(shí)間來(lái)確定檢查周期。影響陰極和陽(yáng)極的壽命的因素還是比較多的，比如載體風(fēng)壓、一次風(fēng)風(fēng)壓、安裝角度的細(xì)微偏差、工作電壓、電流細(xì)微調(diào)整、環(huán)境溫度、陰極、陽(yáng)極本身質(zhì)量原因等多方面因素，都有可能縮短陰極、陽(yáng)極的使用壽命，從而發(fā)生斷弧現(xiàn)象。陰極、陽(yáng)極的使用壽命提高，是等離子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展需要進(jìn)一步突破的“瓶頸”。在目前技術(shù)條件下，生產(chǎn)使用時(shí)，對(duì)于等離子燃燒參數(shù)調(diào)整是有利于提高使用時(shí)間的，另一方面要通過(guò)加大維護(hù)力度來(lái)保證使用過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題。

2. 等離子斷弧滅火問(wèn)題

等離子點(diǎn)火系統(tǒng)在基建調(diào)試期間容易出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)角先后斷弧現(xiàn)象。因此一般的等離子點(diǎn)火系統(tǒng)為了保證鍋爐運(yùn)行安全，其熱工邏輯為當(dāng)某一角斷弧時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)出口關(guān)斷門，磨煤機(jī)繼續(xù)運(yùn)行；當(dāng)兩個(gè)角同時(shí)斷弧時(shí)，磨煤機(jī)由于點(diǎn)火能量不滿足運(yùn)行條件，磨煤機(jī)跳閘。由于鍋爐等離子點(diǎn)火初期只有一套制粉系統(tǒng)投運(yùn)，當(dāng)磨煤機(jī)跳閘時(shí)必然造成鍋爐失去全部燃料而滅火，因此運(yùn)行中如何減少甚至杜絕兩個(gè)角斷弧是至關(guān)重要的問(wèn)題。為了防止此等現(xiàn)象的發(fā)生，運(yùn)行人員監(jiān)盤時(shí)應(yīng)時(shí)刻注意DCS“等離子畫面”中各個(gè)角的運(yùn)行電壓、電流及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；特別是某個(gè)角的運(yùn)行電流大幅擺動(dòng)或明顯增大時(shí)，須及時(shí)調(diào)整該角的運(yùn)行參數(shù)，使其恢復(fù)正常運(yùn)行值；另一方面，等離子陰極使用壽命只有80-100小時(shí)，當(dāng)某個(gè)角的陰極材料已運(yùn)行超過(guò)60小時(shí)時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)整此角的燃燒狀態(tài)仍然不穩(wěn)定，要考慮盡早更換陰極材料。

七、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)等離子點(diǎn)火技術(shù)的了解，可發(fā)現(xiàn)等離子技術(shù)確實(shí)在節(jié)約能源、環(huán)保、提高機(jī)組效益上具有顯著優(yōu)勢(shì)，隨著等離子點(diǎn)火技術(shù)的發(fā)展，等離子設(shè)備的可靠運(yùn)行，簡(jiǎn)單易行的操作與維護(hù)，無(wú)燃油電廠必然是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)?！?