等离子燃烧器在百万机组中的应用

浅谈等离子燃烧器在百万机组中的应用

摘要：文章通过介绍等离子点火燃烧器的工作原理和皖能铜陵发电厂燃烧系统的构成，结合等离子燃烧器在皖能铜陵发电厂5号机组中的应用，从安装、调试角度出发，对等离子点火控制系统的设计进行分析，对今后等离子燃烧器设计的完善有一定的借鉴作用。

关键词：等离子；1000mw机组；安装；调试

前言

大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃，传统上都是采用燃烧重油、轻油或天然气等稀有燃料来实现的。近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制，因此锅炉点火和稳燃油被电力企业作为一项重要的指标来考核，为了减少燃油的耗量，除在传统上进行相应的改进，例如：提高入炉煤粉的细度，提高风粉混合物和二次风的预热温度，使用小油枪点火外，作为有别于传统的新工艺、新技术，等离子燃烧器逐渐被电力企业所接受，并得到广泛的使用和推广。为了实现锅炉的无油冷态启动，需要对等离子点火系统的设计进行更进一步的完善。

1 概述

铜陵发电厂六期“以大代小”改扩建1×1000mw机组工程，所配锅炉是上海锅炉厂有限公司引进alstom power公司boiler gmbh

的技术生产的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，锅炉形式为一次中间再热，单炉膛单切圆燃烧，平衡通风，露天布置、固态排

渣、全钢构架，全悬吊结构塔式布置燃煤锅炉。汽轮机为上海汽轮机有限公司和德国siemens公司联合设计制造的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、八级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机，型号为n1000-27/600/600（tc4f）的凝汽式汽轮机与

sg-3012/27.9-m540型超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉及thdf125/67百万千瓦级水氢氢发电机配套，锅炉与汽轮机热力系统采用单元布置。

为了降低锅炉启动及低负荷助燃用油，在四角燃烧器的b层制粉系统采用了安徽省新能电气科技有限公司开发研制的等离子煤粉点火及稳燃系统和点火油枪燃烧系统并存的方式，等离子点火系统是在不使用助燃油的状态下通过b磨煤机热一次风道上的暖风器加热一次风进行制粉，然后由安装在b层四角的8个燃烧器的等离子发生器点燃煤粉，实现锅炉的无油点火启动，在事故情况下也可以进行锅炉助燃。

2 等离子燃烧器的工作原理

2.1 点火机理

本装置利用直流电流（190～200a）在介质气压11kpa的条件下接触拉开引弧，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，很快受热，在0.001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，煤粉颗粒的受热速度加快，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）。同时，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。

2.2 燃烧机理

根据高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹

配的原则设计了多级燃烧器。它的意义在于应用多级放大的原理，使系统的风粉浓度、气流速度处于一个十分有利于点火的工况条件，从而完成一个持续稳定的点火、燃烧过程。实验证明运用这一原理及设计方法使单个燃烧器的出力可以从2t/h扩达到6t/h甚至更高。在建立一级点火燃烧过程中我们采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火炬中心区，10000℃的高温等离子体同浓煤粉的汇合及所伴随的物理化学过程使煤粉原挥发份的含量提高了80%，其点火延迟时间不大于1秒。点火燃烧器的性能决定了整个燃烧器运行的成败，在设计上该燃烧器出力约为500-800kg/h，其喷口温度不低于1200℃。另外我们利用了气膜冷却技术避免了煤粉的贴壁流动及挂焦，同时又解决了燃烧器的烧蚀问题。该区称为第一区。

第二区为混合燃烧区，在该区内一般采用“浓点浓”的原则，环形浓淡燃烧器的应用将淡粉流贴壁而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。

这样做的结果既利于混合段的点火，又冷却了混合段的壁面。如果在特大流量条件还可采用多级点火。

第三区为强化燃烧区，在一、二区内挥发分基本燃尽，为提高疏松炭的燃尽率采用提前补氧强化燃烧措施，提前补氧的原因在于提高该区的热焓进而提高喷管的初速达到加大火焰长度提高燃尽度

的目的，所采用的气膜冷却技术亦达到了避免结焦的目的。

第四区为燃尽区，疏松碳的燃尽率，决定于火焰的长度。随烟气的温升燃尽率逐渐加大。

2.3 等离子燃烧器的特点

等离子燃烧器最突出的优点是它使用的经济性，它的使用被称为电力节能的一场革命。因使用了等离子燃烧器，工程调试阶段实现锅炉冷态无油启动。同时，等离子燃烧器还具有环保、高效、简单、安全的优点，因为点火时不再燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，减少了排放大量烟尘对环境的污染。同时，等离子体的物理特性和化学特性，都能够更好的促进燃料的完全燃烧。另外，使用等离子点火燃烧器，可以省略复杂的炉前油系统和点火油系统，并简化了相应的控制，提高了运行水平和机组运行的安全性。正因为等离子点火燃烧器具有上述特点，则必然成为燃煤锅炉的首选设备，是目前燃油系统改造的最佳替代产品。

3 锅炉燃烧器系统的布局

皖能铜陵发电厂5号机组锅炉#1角（#2～#4角与#1角布置相同）燃烧器布置见下面的附图，炉膛四角布置有48只低 nox 切向燃烧

系统（lntfs）摆动燃烧器，在炉膛中呈四角切圆方式燃烧，b磨对应的燃烧器为等离子燃烧器。紧挨顶层燃烧器设置有ccofa，在燃烧器组上部设置有sofa，采用分级燃烧技术，减少了nox的排放。在每层燃烧器的两个煤粉喷嘴之间设置有油枪，燃用#0柴油，设计容量为15%bmcr。为了机组冷态启动时减少燃油量，在b层四角燃烧器中心装有 plcs-i-100 型的等离子煤粉点火装置，在相应的磨煤机b 进口热风母管上还装有提高风温的暖风器。机组冷态启动时可即启动磨煤机进行升温升压。锅炉制粉系统采用中速磨煤机正压直吹式，配备6台磨煤机，正常运行中5台磨可以带bmcr工况，1台磨备用。

4 等离子点火燃烧系统

皖能铜陵发电厂5号机组锅炉等离子点火燃烧系统由等离子发生器、燃烧器、直流供电系统、控制系统、冷却水系统、压缩空气系统、图像火检系统、风粉监测系统等构成。

4.1 等离子发生器

等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，其主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件三大部分组成，还有支撑托架配合现场安装。等离子发生器设计寿命为5～8年。阳极组件与阴极组件包括用来形成电弧的两个金属电极阳极与阴极，在两电极间加稳定的大电流，将电极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体，其中带正电的离子流向电源负极形成电弧的阴极，带负电的离子及电子流向电源的正极形成电弧的阳极。线圈通电产生强磁场，将等