等离子点火

目录

摘要.............................................................. I Abstract ...........................................................II 1绪论 (1)

1.1 项目意义 (1)

1.2 国内外应用情况及存在问题 (1)

1.3 本技术的优越性 (2)

1.4 项目目标 (3)

2 系统的方案设计 (4)

2.1 等离子点火系统结构 (4)

2.2 等离子点火工作原理 (5)

3等离子点火系统组成及设备选型 (8)

3.1 等离子点火燃烧系统 (8)

3.2 等离子点火燃烧器系统的运行模式 (12)

3.3 等离子点火器及控制系统设备选型 (13)

3.4 监控系统 (24)

3.5保护逻辑 (27)

4主电路与控制电路设计 (28)

4.1 主电路设计 (28)

4.2 控制电路设计 (29)

5总结 (30)

致谢 (31)

参考文献 (32)

一章绪论

1.1 项目意义

我国火力发电厂动力基本上都来自煤粉锅炉，它们的启动点火和低负荷助燃每年要用去大量的燃油。如田家庵电厂1997年用油为7188吨，费用约为1797万元，1999年又用油近10000吨，的确是一笔可观的经济支出。而对于燃烧贫煤的火电厂，启动点火和低负荷助燃的用油则更多，费用则更大。

1997年“中国能源”白皮书公布，95年电力系统燃油为1120万吨，96年为1300万吨。近年来，我国对煤粉锅炉点火和助燃稳燃进行了大量的研究与改进，比较典型的是采用了小油枪煤粉直接点火的燃烧器，其节油率可达50%左右，但用油量仍然较大。1998年和1999年电站锅炉的启动和稳燃计划用油为280万吨和320万吨，而大量的计划外用油难以统计。

由于我国石油资源的贫乏，大量的石油需要进口，即使对于南方电厂可用重油，也是市场紧缺的化工原料。因此，开发新的技术和产品，用低级能源燃油用于锅炉的稳燃、助燃和点火，可以取消用油、节省大量资金和外汇，并且使煤粉锅炉可燃烧低质煤，其经济意义是很大的，市场效益是明显的[1]。

等离子体直燃煤粉装置，就是利用发电厂低价（厂用）电能产生等离子体，其温度在6000K以上，等离子体的高温及化学活性不仅可快速点燃煤粉，而且增加煤粉的挥发份，在等离子体燃烧器内被点燃的少量煤粉随同部分可燃气体喷入炉内形成中心火焰区、代替燃油，并点燃主燃烧器的喷出煤粉，代替油枪点燃煤粉燃，达到节油节能的目的；同时在做到保证发电机组安全运行的前提下，低负荷工况下寻求最佳经济效益，挖掘潜力，降低成本；从而可使燃煤火电站取得可观的经济效益。本点火技术可用于火力发电厂，大型锅炉、高炉冶金等行业。

1.2 国内外应用情况及存在问题

等离子体煤粉点火的研究开发起于70年代，80年代中后期得到推广应用，如在美国、加拿大、独联体等国家，日本、西欧近年来也在开展这方面的研究。我国于80

年代末开始这方面的研究开发，并在合肥、田家庵、淮北、潍坊电厂进行过试验，最近几年国内少数电厂也曾引进几套国外类似装置，如韶关、宝鸡电厂等。目前这些装置还存在许多应用问题，尤其是不适合我国国情。所以，引进装置基本上都未达到预期效果。存在的普遍问题是：

(1) 国外装置大多基于较好的媒质（挥发份较高），煤成份一致性好，在等离子体枪功率相对较大的情况下能达到实用效果；

(2) 国外电网调峰幅度小，火电厂启动次数较少，低负荷助燃稳燃机会不多，相应对等离子体枪的寿命要求低，维护工作量也同样减少很多，维修问题不突出；

(3) 独联体国家在电力电子技术方面相对落后，又由于经济、管理方面等原因致使引进设备质量暴露问题较多，不能稳定运行；

(4) 国内在80年代也做了不少工作，但由于设备元器件不配套，工艺方面未解决煤粉燃烧完全与燃烧器内结渣之间的矛盾问题，浅尝辄止，故只有在相对困难的条件下搁浅；

(5) 等离子体发生器寿命有待进一步提高，设备需要简化，运行稳定性需要提高，结渣问题需要解决。

1.3 本技术的优越性

(1) 等离子体发生器和燃烧器结构：目前在用于煤粉点火的等离子体发生器结构基本上都采用非转移弧形式的同轴电极结构，这种发生器结构复杂，需要复杂的水（冷却）、气（压缩空气或高压惰性保护气体），电极寿命相对较短；在等离子体发生器和燃烧器结合的结构上虽然略有不同，但为了使等离子体稳定，都采用等离子体与煤粉流相对非紊流燃烧，这就使得点燃效率大大降低，且煤粉温度非常不均匀，易产生结渣和煤粉点燃不完全。我们研制了新型等离子体发生器，设备有很大的简化，电极寿命有很大提高，降低了运行维护量、提高了等离子体效率，从而降低电耗，有必要进行简化。

(2) 煤粉的完全点燃条件（高温）和避免结渣的条件（低温）是相互矛盾的，本项目采用新技术使两者得到统一，消除结渣从而降低运行维护量。

1.4 项目目标

了解等离子各个系统及设备选型。完成一套等离子体辅助煤粉直燃装置样机开发，使等离子体辅助煤粉直燃技术实用化、产品化。

第二章系统的方案设计

2.1 等离子点火系统结构

等离子点火系统主要由以下几部分组成见图2-1[2]：

(1)等离子发生器——产生功率为60-130KW的等离子体；

(2) 电源柜及供电系统——将三相380V电源整流成直流，用于产生等离子体。由直流电源柜（含整流变压器）、冷却风机、直流平波电搞器组成；

(3)燃烧器——与等离子发生器配套使用点燃煤粉；

(4) 辅助系统——由冷却水、空气的供给系统组成；

(5)控制系统——由PLC、CRT、通讯接口和数据总线构成；

(6) 风粉系统——煤粉由新增小粉斗通过给粉机、混合器进入一次风管，由热风送入等离子燃烧器。

2.2 等离子点火工作原理

2.2.1 点火机理

本装置利用直流电流（280---350A）在介质气压0.01-0.03Mpa的条件下接触引弧，并在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成T＞5000K的梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在10-3秒内迅速释放出挥发物，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行，使混合物组分的粒级发生了变化。因而使煤粉的燃烧速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量E（E等=1/6E油）。

等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团(OH、H2、O2)、离子(O2－、H2－、OH－、O－、H＋)和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧，除此之外，等离子体对于煤粉的作用，可比通常情况下提高20%～80%的挥发份，即等离子体有再造挥发份的效应，这对于点燃低挥发份煤粉强化燃烧有特别的意义。

2.2.2 等离子发生器工作原理

本发生器为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极组成。（如图2-2）。其中阴极材料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，它们均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。线圈在高温250℃情况下具有抗2000V的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。其拉弧原理为：首先设定输出电流，当阴极3前进同阳极2接触后，整个系统具有抗短路的能力且电流恒定不变，当阴极缓缓离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管外部。一定压力的空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体，其能量密度高达105 ～106W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件[3]。