1、 等離子點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)可行性方案 一、前言鍋爐啟動、停爐及低負(fù)荷助燃用油是構(gòu)成電廠發(fā)電成本的重要組成部分。隨著電力市場的開放，峰谷差加大使得機(jī)組啟停調(diào)峰頻繁，使用油量進(jìn)一步增加。國家計委在中國能源白皮書中號召“研究、開發(fā)、應(yīng)用以煤代油的技術(shù)和產(chǎn)品是正在執(zhí)行的長期能源戰(zhàn)略的一部分，鼓勵全社會開展以煤代油的工作?！?國外等離子無油點(diǎn)火技術(shù)的研究開發(fā)已有20多年的歷史，美國CE、B&W和西屋公司都做了不少的工作，前蘇聯(lián)和澳大利亞已初步掌握了等離子體點(diǎn)火技術(shù)。但在裝置的可靠性、可控性、投資及設(shè)備壽命方面還存在著許多問題，尤其在點(diǎn)燃揮發(fā)分較低的貧煤更是一籌莫展。迄今國外許多大公司仍對該項課題進(jìn)行著

2、大量的研究，以期達(dá)到直接點(diǎn)燃煤粉的目的。2離離子點(diǎn)火技術(shù)基本原理2.1 等離子點(diǎn)火機(jī)理DLZ-200型等離子點(diǎn)火裝置是利用直流電流在介質(zhì)氣壓0.010.03MPa的條件下接觸引弧，并在強(qiáng)磁場控制下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在專門設(shè)計的燃燒器的中心燃燒筒中形成溫度T5000K的，溫度梯度極大的局部高溫區(qū)，煤粉顆粒通過該等離子“火核”受到高溫作用，并在10-3秒內(nèi)迅速釋放出揮發(fā)物，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。等離子體內(nèi)含有大量化

3、學(xué)活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子團(tuán)（OH、H2、O2）、離子（O2、H2、OH、O、H）和電子等，可加速熱化學(xué)轉(zhuǎn)換，促進(jìn)燃料完全燃燒。2.2等離子點(diǎn)火系統(tǒng)等離子點(diǎn)火系統(tǒng)由等離子燃燒器及其輸粉系統(tǒng)，直流供電及控制系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)和熱工監(jiān)控系統(tǒng)組成。隔離變壓器電源整流柜控制系統(tǒng)壓縮空氣冷卻水等離子點(diǎn)火燃燒器等離子發(fā)生器數(shù)據(jù)總線控制柜#1CRT一次風(fēng)火焰2.3等離子發(fā)生器及工作原理采用集開放式磁穩(wěn)與機(jī)械、電磁壓縮于一體復(fù)合結(jié)構(gòu)的等離子發(fā)生器，其功率為50150kW連續(xù)可調(diào).采用雙拉伐爾噴管復(fù)式陽極，避免煤粉對其污染，其材料為具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電和不易氧化的特殊合金，壽命在500小時以上； 陰極為

4、高速噴嘴、強(qiáng)化冷卻結(jié)構(gòu)，材料由特殊合金與銅質(zhì)材料組合而成，壽命在50小時以上，且更換方便。陰、陽極的磁穩(wěn)線圈均為水冷結(jié)構(gòu)。突破了前人所用的等離子發(fā)生器電極結(jié)構(gòu)與材料，成功的付諸工程應(yīng)用。采用了抗氧化特殊合金的陰、陽極，實現(xiàn)了以空氣作為等離子載體，不需專供惰性氣體保護(hù)電極，既簡化了系統(tǒng)，又大幅度的降低了運(yùn)行費(fèi)用。該等離子發(fā)生器和各型等離子燃燒器相配合已成功地點(diǎn)燃劣質(zhì)煙煤、煙煤和褐煤。DLZ-200型等離子發(fā)生器為磁穩(wěn)，空氣載體等離子發(fā)生器，它由線圈、陰極、陽極等組成。其中陰極材料采用具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱、耐氧化的金屬材料制成。陽極亦由高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率及抗氧化的金屬材料制成，它們均采用水冷方式冷

5、卻，以承受電弧高溫沖擊。線圈在高溫250情況下具有抗2000V的直流電壓擊穿能力，電源采用全波整流并具有恒流性能。在冷卻水及壓縮空氣滿足條件后，首先設(shè)定電源(6)的工作輸出電流(300400A)，當(dāng)陰極(2)在直線電機(jī)(5)的推動下，與陽極(1)接觸后，電源(6)按設(shè)定的工作電流工作，當(dāng)輸出電流達(dá)到工作電流后，直線電機(jī)(5)推動陰極(2)向后移動，當(dāng)陰極離開陽極的瞬間，電弧建立起來，當(dāng)陰極達(dá)到規(guī)定的放電間距后，在空氣動力和磁場的作用下，裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧放電，生成等離子體。 圖2-1 等離子發(fā)生器工作原理圖2.4 等離子燃燒器1）穩(wěn)定可靠地點(diǎn)燃，確保點(diǎn)火過程中不爆燃、不二次燃燒；點(diǎn)火過程燃燒器

6、不結(jié)渣、不燒壞。2）不影響主燃燒器的主要性能。首先是燃燒器出口氣流的動量矩基本不變和燃燒器出口流場不變，否則在正常運(yùn)行中可能引起結(jié)渣、超溫、燃燒效率下降等問題；第二是燃燒器結(jié)構(gòu)必須簡單，阻力不能太大，以滿足各燃燒器之間阻力匹配的要求；第三是燃燒器必須耐燒、耐磨，滿足運(yùn)行檢修維護(hù)的要求。3）燃燒器的出力可以在一定的范圍內(nèi)變動，以滿足啟動曲線的要求，同時滿足作為主燃燒器時出力的要求。從最大限度的節(jié)約燃油的角度考慮，在設(shè)計上該燃燒器希望能滿足在鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火時投入，鍋爐升溫升壓速率能滿足電廠運(yùn)行規(guī)程的要求。4）燃燒器的外形主要尺寸與原燃燒器相同，便于燃燒器的布置和與系統(tǒng)的接口。該型燃燒器應(yīng)用于豐城電廠

7、等多臺切向燃燒鍋爐，壁溫一般可以穩(wěn)定地控制在6000C以下，最高不超過8000C，可以保證燃燒器的安全；投入運(yùn)行后原主燃燒器的性能基本得到保證，未發(fā)現(xiàn)超溫、結(jié)渣、燃燒不良等現(xiàn)象。 等離子點(diǎn)火燃燒器主要設(shè)計參數(shù)如表21。表2-1 等離子點(diǎn)火燃燒器主要設(shè)計參數(shù)（根據(jù)試驗后得出）序號名稱單位結(jié)果備注1一次風(fēng)管風(fēng)速m/s等離子點(diǎn)火器投運(yùn)狀態(tài)2一次風(fēng)溫等離子點(diǎn)火器投運(yùn)狀態(tài)3一次風(fēng)量t/h4煤粉量t/h5煤粉濃度kg/kg6噴口風(fēng)速m/s噴口溫度按10007燃燒器阻力Pa含濃縮裝置二、 鍋爐設(shè)備概況2.1 鍋爐2X220TH上海鍋爐廠生產(chǎn)的四角切圓煤粉爐。該鍋爐為單爐膛型布置、負(fù)壓燃燒。2.2 制粉系統(tǒng)2

8、X220TH制粉系統(tǒng)為鋼球磨中儲式，鍋爐間有絞龍輸粉。燃用煤質(zhì)1全水分 Mt(%)38.05水分 Mad5.6灰分 Ad14.46揮發(fā)分 Vdaf46.122.3 燃燒器燃燒器為直流燃燒器，共兩層，每層4臺。三、等離子點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計方案 鍋爐采用的點(diǎn)火系統(tǒng)由等離子發(fā)生器及燃燒器，直流供電系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)，載體風(fēng)系統(tǒng)，圖像火檢系統(tǒng)等構(gòu)成。3.1 等離子發(fā)生器及燃燒器等離子點(diǎn)火燃燒裝置結(jié)構(gòu)由等離子發(fā)生器、一級燃燒室、二級燃燒室、周界二次風(fēng)等組成，每只燃燒器裝2只壁溫測點(diǎn)，共4點(diǎn)，送入DCS系統(tǒng)。等離子發(fā)生器用于產(chǎn)生50150KW的等離子體電弧來點(diǎn)燃煤粉，由陰極 、陽極和線圈等組成。一級燃燒

9、室：煤粉與高溫等離子電弧發(fā)生強(qiáng)烈的電化學(xué)反應(yīng)，煤粉裂解，產(chǎn)生大量揮發(fā)份并被點(diǎn)燃，約占煤粉總量的五分之一。二級燃燒室：揮發(fā)份及煤粉燃燒。周界二次風(fēng)：冷卻二級燃燒室及補(bǔ)充二級燃燒室噴出的未燃盡固定碳在爐膛內(nèi)燃燒所需的空氣。撫順望花熱電廠等離子點(diǎn)火單爐改造將2只等離子點(diǎn)火燃燒器分別安裝在下層對角的2只煤粉主燃燒器上，直接由相應(yīng)的主一次風(fēng)管來粉。在燃燒器的設(shè)計時重點(diǎn)考慮了如下幾個問題：A:由于直接改造主燃燒器，應(yīng)保證等離子點(diǎn)火燃燒器出力在高負(fù)荷工況下與原主燃燒器設(shè)計出力基本一致。從運(yùn)行的調(diào)整、爐膛熱負(fù)荷的分配、防止超溫等方面考慮，可以滿足在高負(fù)荷工況，等離子點(diǎn)火裝置不投運(yùn)的情況下，等離子燃燒器的出力與

10、原燃燒器的出力基本一致。 B:保證鍋爐在冷態(tài)啟動時煤粉能比較容易地被點(diǎn)燃。 C:確保燃燒器噴口不結(jié)焦。燃燒器采用多級燃燒方式，確保煤粉的充分燃燒；燃燒器內(nèi)有氣膜冷卻，預(yù)防結(jié)焦和燒損。 表1 等離子點(diǎn)火燃燒器主要設(shè)計參數(shù)名稱單位結(jié)果備注一次風(fēng)管風(fēng)速 m/s16-22一次風(fēng)溫 20一次風(fēng)量 m3/h煤粉量t/h煤粉濃度kg/kg0.3-0.5噴口風(fēng)速m/s噴口溫度按1100燃燒器阻力Pa1000二次風(fēng)管風(fēng)速m/s燃燒器改造示意圖3.2 直流供電及控制系統(tǒng)電廠在6000V工作段提供容量為400KVA的AC 380V電源，分二路分別送至二臺隔離變壓器，再接至整流柜，輸出的直流電送至就地等離子發(fā)生器以產(chǎn)

11、生等離子電弧。兩臺載體冷卻風(fēng)機(jī)，其中一路須取自380VAC保安段。二路冷卻水泵電源。 本系統(tǒng)控制主機(jī)可采用PLC控制方式,在控制室內(nèi)加裝觸摸屏，利用觸摸屏對等離子啟、?；∵M(jìn)行控制，另外，亦可根據(jù)電廠要求，將等離子點(diǎn)火控制系統(tǒng)以硬接線的方式或通訊的方式直接進(jìn)入電廠DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。等離子點(diǎn)火系統(tǒng)電源的容量（單臺機(jī)組）如下：1) 隔離變進(jìn)線電源： 380VAC 200kVA/每路 (共2路，分別取自兩段)2) 整流柜控制電源（UPS）： 220VAC 10A/每路 (共2路)3) 等離子冷卻水泵： 380VAC kW/每臺 (共2臺，取自兩段)4) 等離子冷卻風(fēng)機(jī)： 380VAC kW/每臺

12、 (共2臺，一路取自保安段)5) 控制電源1（UPS送至火檢柜分配）： 220VAC 25A/每路 (共1路)6) 控制電源2（送至火檢柜分配）： 220VAC 25 A/每路 (共1路)3.3 冷卻水系統(tǒng) 為保護(hù)等離子發(fā)生器本身，需用水冷卻陰、陽極及線圈，；冷卻水為除鹽化學(xué)水，系統(tǒng)壓力保持在0.30.4MPa之間，水溫40，單臺發(fā)生器用水量約8t/h?；厮捎脽o壓回水（出口為大氣壓）。 冷卻水采用單獨(dú)的閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)，由冷卻水泵、冷卻器（安裝于冷卻水箱回水入口，水源取自現(xiàn)場工業(yè)水，換熱面積約30m2；如未設(shè)水箱該冷卻器可取消）及閥門、管路組成，冷卻水泵一用一備，運(yùn)行泵跳，備用泵自啟，冷卻

13、水壓低，備用泵自啟。冷卻水箱、水泵安裝于鍋爐零米兩爐之間。（如廠用閉式水可以的話，可考慮取消冷卻水箱）等離子點(diǎn)火器前來水管路加裝手動閥門、壓力表和壓力開關(guān)；水壓低信號送至整流柜。冷卻水泵設(shè)備規(guī)范:型號：流量：50 m3揚(yáng)程：80 m電機(jī)功率：22 kw3.4載體冷卻風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計儀用壓縮空氣母管壓力0.40.8MPa，在等離子壓縮空氣每層母管上安裝進(jìn)口減壓閥組，對儀用壓縮空氣進(jìn)行減壓和進(jìn)一步穩(wěn)定壓力。等離子發(fā)生器前有載體風(fēng)儀表組件，組件上安裝手動閥、壓力表和壓力開關(guān)用來控制載體風(fēng)壓力，經(jīng)過儀表組件后，進(jìn)入等離子發(fā)生器的壓縮空氣壓力為510kPa，壓力滿足信號送到控制系統(tǒng)，單臺發(fā)生器壓縮空氣流量為

14、60Nm3/h。單臺爐等離子發(fā)生器總載體風(fēng)量為120 Nm3/h。在每層等離子壓縮空氣母管上設(shè)氣動閥門，在每臺等離子發(fā)生器儀表組件前裝氣動閥門，等離子發(fā)生器停止工作后，可在DSC中操作切換到火檢冷卻風(fēng)進(jìn)行吹掃和冷卻，不再消耗儀用壓縮空氣。冷卻風(fēng)壓力為4kPa，單臺發(fā)生器冷卻風(fēng)耗量為50m3/h，單臺爐等離子發(fā)生器總冷卻風(fēng)量為100m3/h。3.5圖像火檢監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計為監(jiān)視等離子點(diǎn)火燃燒器的火焰情況，方便運(yùn)行人員進(jìn)行燃燒調(diào)整，在經(jīng)過改造的等離子點(diǎn)火燃燒器上各安裝1套圖像火檢裝置。具體方案為在燃燒器后端面的窺視孔位置安裝一支圖像火檢探頭，探頭套管沿外旋流二次風(fēng)風(fēng)室一直向前延伸到燃燒器前端面。探頭

15、套管的前端內(nèi)部安裝有CCD攝像機(jī)，其視頻信號送至集控室內(nèi)四畫面分割器，經(jīng)處理后送到工業(yè)電視，運(yùn)行人員可在點(diǎn)火初期同時監(jiān)視兩個等離子點(diǎn)火燃燒器的火焰，并可以隨時切換至全爐膛火焰。圖像火檢探頭的冷卻風(fēng)取自儀用壓縮空氣。 四、經(jīng)濟(jì)效益分析4.1預(yù)期達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)4、1、1安全可靠：新建機(jī)組實施等離子點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)的設(shè)計，將最大限度地利用機(jī)組的原設(shè)計已有資源，盡可能減少對原配套設(shè)備（主要是鍋爐）和系統(tǒng)的改變，以簡化系統(tǒng)、減少投資、方便運(yùn)行維護(hù)，減少對原設(shè)計的干擾。對鍋爐本體只需將下層2只燃燒器改為等離子燃燒器，并配以相應(yīng)的輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)即可完成改造。由于采取了一系列技術(shù)措施，根據(jù)已投產(chǎn)的多臺機(jī)組

16、的實踐經(jīng)驗，該改造安全可靠，也不會影響主燃燒器的基本性能。工程投資（單爐）：等離子體設(shè)備投資 120萬元工程建設(shè)投資 40萬元合計 160萬元4、1、2 經(jīng)濟(jì)效益2X220TH鍋爐，根據(jù)以往經(jīng)驗?zāi)挈c(diǎn)火及穩(wěn)燃期間燃用油約700噸，綜合價位按0.5萬元/T，折合人民幣 350 萬元。安裝等離子體點(diǎn)火設(shè)備的投資及建設(shè)投資約為320萬元，等離子體設(shè)備使用的電力和燃煤費(fèi)用為80萬，等離子體設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用與燃油系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用基本持平，因此設(shè)備安裝的頭一年半中，節(jié)省的燃用燃油費(fèi)用與安裝等離子體設(shè)備的總投資的費(fèi)用基本持平，第二年開始，按照節(jié)油80%計算，可節(jié)省燃油費(fèi)用240萬元，等離子體設(shè)備的維護(hù)及使用費(fèi)用約為80萬元，因此全年可以節(jié)約200萬元以上。項目的投資回報