电站煤粉等离子无油点火系统替代燃油系统设计
甘肃电力科学研究院 魏健鹏
摘要
1引言
等离子点火及稳燃技术是一项煤粉锅炉点火及稳燃过程中以煤代油的新技术，经过近几年的不断改进和应用技术已趋于成熟，已配套于国产各大炉型（哈锅、武锅、东锅、上锅1025t/h）,三大系列烟煤（华亭、哈密、靖远、窑街），不同种内型中速磨煤机及中储式之风系统，完成机组不同状态启动应用，从目前电站的应用中等离子无油点火系统已基本替代了锅炉燃油点火的主导作用。锅炉燃油系统已作为煤粉等离子点火的备用系统存在。 2 等离子点火煤粉燃烧器工作原理
等离子点火装置是利用直流电流在一定介质气压的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体。等离子发生器是以压缩空气作为等离子的载体，用直流接触引弧的方法，生成功率达50kW～150kW的空气等离子体，其能流密度高达105~106W/cm2，同时利用机械、电磁复合压缩的方法制造等离子体射流，将该射流等离子体输送至需要进行点火的部位，由于高温等离子体能量有限不可能点燃无限的煤粉量为了克服点火能量与实际应用中磨煤机最低煤粉量及媒质的多变性的匹配，引用了多级送粉燃烧技术。
等离子燃烧器采用内燃方式，为三级送粉，由等离子发生器、风粉管、外套管、喷口、浓淡块、主燃烧器等组成。在一级燃烧室内点燃少量煤粉，随火焰的传播和二次风的补给引燃剩余煤粉，逐级燃烧，完成持续稳定的点火和稳燃。煤粉按其燃烧过程可分为三个区域，即点火燃烧
区、混合燃烧区、强化燃烧区。由于燃烧器的壁面要承受高温，因此加入了气膜冷却风。燃烧器壁面采用气膜冷却技术，可冷却燃烧器壁面，防烧损、防结渣。
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3系统组成及设备结构
该系统主要由以下几部分组成： 等离子发生器：为磁稳空气载体等离子发生器，由线圈、阴极、阳极组成，产生电功率为50～150kW的空气等离子体。阴极材采用高导电率的金属材料或非金属材料制成，阳极由高导电率、高
导热率及抗氧化的金属材料制成，阴阳 图表 2等离子发生器工作原里 极均采用水冷方式承受电弧高温。
直流电源（含整流变压器）：将三相380VAC电源整流成460V、300A左右的直流电供给发生器，具有抗2000V的直流电压击穿能力，采用全波整流并具有短路状态下的恒流性能。
4 省内燃煤特性及等离子燃烧器的设计重点
全省电站锅炉燃用煤以设计烟煤为主，掺烧设计校核小窑煤，从多年燃煤的统计结果看，通常低位热值18000～25000kJ/kg，挥发份20～38%，灰份6～29%，全水份7-17%，长期运行煤粉细度范围10-28%，具有着火特性好、结焦性强、磨损性强的特点。 根据上述特点，等离子燃烧器的设计必须针对设计煤种特性解决煤粉在燃烧器内部结焦及燃烧器中心筒体的磨损问题。 省内煤质情况表 项 目 收到基低位发热值 Qnet.var 全水份Mt 空气干燥基基水份Mad 收到基灰份 Aar 干燥无灰基挥发Vdaf 可磨性系数 HGI 冲刷磨损指数 Ke
单位 MJ/kg (kcal/kg) % % % % — — 煤种 21.39 5109 15.2 6.46 12.24 37.95 72 3.80 校核煤种1 23.87 5701 8.5 1.57 13.39 32.90 61 4.68 校核煤种2 19.33 4617 16.4 7.10 17.07 35.82 64 1.48 1) 由于等离子燃烧器直接改在主燃烧器上，应保证等离子点火燃烧器出力
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在锅炉BMCR工况下与原主燃烧器设计出力基本一致，燃烧器喷口面积的基本相等，从而保证燃烧器改造后，炉膛的空气动力特性不发生改变，炉膛热负荷的分配等方面可以满足在锅炉最大负荷工况。
2）保证锅炉在冷态启动时在磨煤机最小点火出力下煤粉能比较容易地被点燃，燃烧器点火最大热工率可满足机组冷热态启动参数及相邻煤层启动所需点火能量，根据燃烧煤种特性，合理布置中心浓淡分离装置，采用分级点火、分级燃烧的原理，增加点火初期煤粉着火的稳定性和设计出力范围内防焦、防磨性能。
3）最大限度降低正常运行工况下，磨煤机入口一次风阻力，蒸汽加热器应满足机组MCR工况磨煤机最大出力下校核基本通风量时蒸汽加热器的阻力。同时满足磨煤机等离子点火出力下磨煤机热风温度要求
4）综合考虑现场布置空间及锅炉启动烟温控制及再热器壁温保护要求，结合发电厂锅炉的实际情况，通常将A层四支一次风主燃烧器改造为等离子煤粉点火燃烧器。
5）对原为摆动式燃烧器的布置方案时，燃烧器的摆动执行机构需做适当的改造，A层一次风主燃烧器及下二次风燃烧器改造后将不摆动。 5 等离子点火装置投运煤粉着火特性试验
结合电厂等离子点火装置的投运，在等离子点火装置投运情况下对影响煤粉着火的主要因素：等离子发生器功率、一次风速、磨煤机给煤量、一次风温、煤粉细度、周界二次风等六个方面，进行了现场试验。 a等离子发生器功率对煤粉着火的影响试验
等离子发生器功率的大小是等离子点火装置中很主要的参数，虽然从设计的角度，在50-150KW的功率范围内，通过调整等离子发生器的电流可以实现功率的调节，当功率过小，煤粉着火性能变差，功率过大，一方面无味地浪费电能，另一方面大大加快了阴极寿命耗损的时间，并容易引起燃烧器结焦等事故。所以最佳的等离子发生器功率是保证等离子点火装置长期稳定投入的重要参数。
试验推荐的等离子发生器电流、功率
序号 1 2 工况 等离子发生器启动时 锅炉冷态点火初期 电流（A） 280－290 300 功率（KW） 85-100 100-110 3
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磨煤机出口风温＞60℃ 280-300 90－100 b一次风速对等离子点火燃烧器着火的影响试验 点火初期一次风速对煤粉的
着火影响很大，当风速太高，提高了点火初期的着火能量，致使着火推迟，
燃烧不稳，太低则会造成等离子点火装置一级燃烧器结焦，甚至造成一次粉管积粉、磨煤机
入口积煤燃烧等事故，对于中速磨煤机直吹式制粉系统而言，为保证等离子点火装置投运、磨煤机启动后四个燃烧器同时着火，又要求磨煤机出口四根一次粉管的风速相同，所以对一次风速调平的要求较高，特别是在低风速工况下一次风速分配的的是否均匀至关重要。
通过大量的调整试验，确定的一次风速如下： 序号 1 2 工况 冷态点火过程 着火稳定后 一次风管风速（m/s） 18-20 23-27 由于中速磨煤机在冷态启动初期，磨煤机出口的煤粉量较给煤量滞后，合格地煤粉不能及时生产，煤粉浓度很低，燃烧率较低，这一时期也是等离子点火最易出现炉膛爆燃的阶段，所以在实际运行中，在磨煤机启动初期，磨煤机入口风量可适当控制在较低的水平非常的重要。根据炉内燃烧情况炉膛内火焰明亮状况，再逐渐调整加大风煤比。
c煤粉浓度对等离子点火燃烧器着火的影响试验
煤粉浓度高有利于煤粉的点燃着火，但太高致使点火初期氧量补充不足，不完全燃烧增加，控制不当也容易造成一次粉管或一级燃烧器积粉并烧损，因此合理的煤粉浓度是等离子点火装置长期安全稳定投运的前提。
对于中速磨煤机直吹式制粉系统而言，在锅炉热负荷要求较低给煤量一定的情况下，控制煤粉浓度，只有通过控制合理的磨煤机入口风量来实现。
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试验中多次等离子方式启动A磨煤机锅炉点火发现，锅炉冷态工况下投运等离子点火装置，在A磨煤机给煤量11-13t/h，相应的磨煤机入口一次风量45-50t/h，点火初期由于炉膛温度较低，炉膛火焰充满度不够，煤粉着火火炬较短，火焰中心明亮度不够，炉膛火焰TV不能充分看清炉膛内的着火情况，参照等离子图像火检调整燃烧，应尽快提高炉膛烟气温度，当烟气温度大于400℃时，炉膛火焰充满度，火焰中心明亮度，燃烧器喷口火焰稳定且分布比较均匀，煤粉稳燃特性较好。等离子燃烧器在锅炉点火初期，煤粉浓度较好的适用范围：给煤量15-20t/h,通风量力45-50t/h,煤粉浓度.31-0.42kg/kg。d磨煤机出口一次风温对等离子点火燃烧器着火的影响试验
一次风温在等离子点火装置投运的情况下，对煤粉的着火特性没有一次风速、煤粉浓度那样依赖性较强。对于中速磨煤机，较高的一次风温，煤粉着火所需要的着火热相对较少，煤粉点燃比较容易，磨煤机干燥出力满足。反之亦然。
在甘谷#1机组多次点火启动的过程中，有机会在等离子点火装置投运的情况下，对一次风温对着火特性的影响进行了试验。试验中一次风温的变化范围在60-85℃之间，在相同的磨煤机入口一次风量下，磨煤机出口一次风温低（60℃以下），煤粉着火有轻微闪烁现象。磨煤机出口一次风温高（70℃以上），煤粉着火的稳定性明显改善，所以在实际运行中，建议运行人员根据实际燃烧状况、煤种水分、给煤量变化，通过调整一次风量和蒸汽加热器来汽的压力的大小（在冷态运行中，建议蒸汽加热器来汽的压力维持在0.6MPa以上。）来保证磨煤机出力及磨煤机出口一次风温能维持较高水平，从而保证煤粉着火容易、燃烧稳定。 e煤粉细度10%≤R90≤20%，对等离子点火过程着火燃烧率的影响试验
从等离子点火装置在其它工程的应用情况分析，在一定范围煤粉细度下，等离子点火装置投运情况下煤粉，试验结果说明如下：
随磨煤机分离器挡板开度的关小，煤粉细度的总体变细，初点火燃烧器出口煤粉着火稳定性提高。对大矿烟煤种，当煤粉细度R90≤20%的范围内煤粉着火燃尽特性的主要影响因素取决于点火时炉膛温度。冷炉启动，在点火开始的0.5～1.0h内,由于炉膛温度低,燃尽率较低,飞灰可燃物可能达到20%左右,甚至更高。但是随着炉膛热负荷的增加，飞灰可燃物将较快降低。
6）周界二次风对等离子点火燃烧器着火的影响试验
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