等离子燃烧技术在高水分褐煤机组上的应用
摘 要：现代工业煤粉锅炉点火和稳燃传统上采用燃烧重油或天然气，随着能源日益紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制，为了减少燃油耗量，电站锅炉均开始采用新工艺进行节油工作，等离子点火就是一种相对成熟的新工艺，但在实际应用中，它侧重于烟煤和贫煤的点火、助燃，而在高水分褐煤点火上的应用，则是近年来的新兴课题，通过大唐辽源电厂高水分褐煤使用等离子点火技术的成功，为我国节油工作提供了又一个成功案例。
关键词：等离子；高水分褐煤；锅炉点火
1等离子技术应用的背景
1.1项目简介
大唐辽源发电厂现有2*330MW机组，锅炉是武汉锅炉厂引进美国GE公司生产的燃用褐煤锅炉，选用霍林河煤和辽源矿的煤炭作为工程的煤源，设计煤种为霍林河煤，按照一定比例将混配作为校核煤种。在2014年6月和8月份，分别对3、4号炉进行了等离子系统的改造。
1.2燃烧系统
燃烧器采用美国CE公司引进技术设计制造，采用大风箱、大切角、四角切圆、直流摆动式燃烧器，并采取一系列优化与改进措施。每角燃烧器布置有16个喷口，其中11个二次风和5个一次风。燃烧器布置有SOFA风喷口，主燃烧器从上至下分为两组，其喷口布置形式为2-2，2-2-1-2-1-2，2-1-2-2-1-2-1-2，顶部二层二次风及中间一层二次风反切12ºC。一次风四周布置了周界风，背火侧周界风是向火侧的2倍多。
燃烧器喷口为摆动式，热态运行时一、二次风喷口可在±30°范围内摆动，以调整汽温。每个燃烧器设两套气动摆动机构，保证摆动灵活可靠。
1.3制粉系统
锅炉采用正压直吹式制粉系统，磨煤机采用MPS200HP－Ⅱ型碗式液压加载中速磨煤机。锅炉配五台磨煤机，四运一备，四台磨煤机可满足锅炉BMCR出力的要求，每台磨煤机对应燃烧器的一层四个一次风喷口，煤粉细度按R90=35%设计。改造过程中，将每台炉的A层燃烧器改为等离子燃烧器。
1.4燃用煤质的元素分析表
2等离子点火系统的工作原理
2.1产品介绍
大唐辽源发电厂采用的是龙源公司的DLZ-200型等离子煤粉点火装置，它主要是由等离子发生器、分级燃烧器、冷却水系统、载体风系统和一次风加热系统组成。
2.2发生器工作原理
发生器为磁稳空气载体等离子发生器（如图2.1所示），它由线圈、阴极、阳极组成。其中阴极材料采用高导电率的非金属材料制成。阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，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，当阴极前进同阳极接触后，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105W/cm2～106W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。
2.3燃烧器工作原理
等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。
如图2.2所示，等离子发生器产生稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的中心筒中形成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）。
根据有限的点火功率不可能直接点燃无限的煤粉量的问题，等离子燃烧器采用了多级燃烧结构，如图2.1所示，煤粉首先在中心筒中点燃，进入中心筒的粉量根据燃烧器的不同在500 ～ 800kg/h之间，这部分煤粉在中心筒中稳定燃烧，并在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉的点火源，并以次逐级放大，最大可点燃12T/H的粉量。
2.4冷却水系统
等离子电弧形成后，弧柱温度一般在5000K到10000K范围，因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极以及线圈必须通过水冷的方式来进行冷却，否则很快会被烧毁。因此需要保证等离子发生器前仪表组件处冷却水压差不低于0.2Mpa的压力。另外，冷却水温度不能高于40℃，否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，采用电厂的闭式水进行冷却。并在锅炉送风机附近自制冷却水箱、冷却水泵等独立换热设备，冷却水泵两台互为备用。
冷却水经母管分别送至等离子点火器，单个等离子点火器的冷却水用量约为10T/H，冷却水进入等离子装置后再分两路分别送入线圈和阳极，另一路进入阴极，等离子点火器回水经母管流经换热器冷却后返回。等离子装置来水管道上设有手动调节阀，用于调整等离子点火器冷却水流量。
2.5载体风系统
载体风是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，通过线圈形成的强磁场的作用压缩成为压缩电弧，需要载体风以一定的流速吹出阳极才能形成可利用的电弧。因此，等离子点火系统配备的载体风系统采用高压离心风机作为载体风气源。发生器前仪表组件处压力范围为5-8Kpa。
在等离子发生器前的载体风管道上设有压力表和压力开关，把压力满足信号送回本燃烧器电源柜，每台等离子装置的载体风流量约为1.0NM3/min -1.5NM3/min。载体风系统中同时设计有备用吹扫空气管路，吹扫空气取自图像火检探头冷却风机出口母管，用于保证在锅炉高负荷运行、等离子点火器停用时点火器不受煤粉污染。
2.6一次风加热系统
因大唐辽源发电厂无启动锅炉，在整体改造过程中，考虑双机全停的情况下无法采用一次风暖风器对一次风进行加热，因此对一次风加热系统未进行改造，仍采用启磨油枪的方式对一次风温进行加热，启磨油枪的流量为300kg/h。
3逻辑关系修订
为保证等离子点火系统投产后，不会造成锅炉爆燃及其他不安全事件、我们又结合等离子系统改造工作对锅炉保护逻辑进行部分修改。
3.1等离子点火模式下，4角启弧成功，允许投入A磨煤机。
3.2启动A给煤机后180s内若等离子体燃烧器没有稳定着火，触发A磨煤机跳闸，A磨煤机跳闸联跳等离子燃烧器。
3.3为避免锅炉等离子点火启动过程中由于点火失败频繁吹扫导致炉膛温度下降，同时避免等离子燃烧器因缺少冷却风导致燃烧器烧损问题，（依据厂家说明书要求，无风条件下等离子燃烧器拉弧时间不得超过10分钟），将A磨煤机跳闸直接联跳等离子燃烧器逻辑，修改为A磨煤机跳闸后5分钟内，若A磨煤机入口冷风门全开或入口热风门全开，且A磨煤机出口一次风门（4台）全开，则等离子燃烧器不跳闸，否则等离子燃烧器跳闸。
3.4原FSSS逻辑无法满足等离子改造后的运行需求，因此参照少油点火逻辑在全炉膛无火保护逻辑中加入等离子燃烧器在点火模式下运行判据，引入任意磨煤机运行判据。
4实际应用案例
3号炉改造结束后，我们首先对等离子系统进行了整体调试，效果还比较满意，但通过三次预启动对等离子系统实际点火进行试验，均未能实现稳定燃烧，为整体的调试工作埋上了一层阴影，无论是厂家还是电厂，都不能接受这个现实，同时在设计之初已经进行了煤质试烧工作，效果比较好，而在实际工作中就不能稳定燃烧。
4.1不能稳定燃烧的原因分析：
4.1.1煤质因素影响，辽源厂主力煤种为霍林河地区600万煤，热值为13167kj/kg(低位发热量)，挥发份49.42%(空干基)，灰份20.38%(收到基)，水份29.4（全水），基本在设计值附近，且水份偏低2.6%。
4.1.2等离子系统影响因素，点火时，发生器电流保持在290A左右，虽然达到了稳定拉弧状态，但我们判断由于水份的增大，影响到煤粉的稳燃状态。
4.1.3制粉系统影响因素，磨煤机分离器挡板开度调整至30%，已属于褐煤制粉系统的最小出粉状态，化验煤粉细度仅为21%左右，鉴于褐煤挥发分较大，已可以满足等离子系统点火需求。
4.1.，调试过程中，厂家人员始终强调的保持一次风速在16m/s左右，但在实际操作过程中如始终保持此风速则不能保证煤粉的干燥出力，必然影响到煤粉的燃烧效果。
4.1.5干燥能力影响因素，启磨油枪是否存在点火能量不足的问题，启磨油枪为300kg/h，使A磨煤机入口风温仅能达到120℃左右，厂家工程人员认为启磨油枪的点火能量存在不足的实际情况，但在采用小油枪启动时，启磨油枪已能满足一次风需求，那么采用等离子系统启动时，则不应考虑启磨油枪点火能量不足的问题，同时在技术协议中，厂家并没有对此提出异议，因此说启磨油枪方面不应存在问题。
4.1.6人员影响因素，运行人员是否对等离子系统掌握不深入，在实际启动操作中存在不当的地方，影响到点火工作的顺利进行。
4.2完善的应对措施：
4.2.1因技术协议中设计的霍林河褐煤热值在13210kj/kg，因此根据我厂实际运行燃用的霍林河主力煤矿采购一列，专门用来进行此次点火启动工作，对煤质进行化验分析，数据为：热值为13127kj/kg(低位发热量)，挥发份49.12%(空干基)，灰份20.48%(收到基)，水份31.6（全水）。
4.2.2我们将等离子拉弧电流在启动后保持在250A运行，当准备投粉前，将电流调整至335A，这样进一步提高点火能量，保证煤粉能够正常点燃。
4.2.3给煤机启动后，要求给煤量保持在12t/h左右变化，控制磨煤机出口温度不低于55℃，同时配备专门的值班员进行分离器挡板的调整，在保证能够稳定燃烧的条件下，逐步开大分离器挡板，最终将挡板开度调整至75%。
4.2.4在进行投粉前，开启磨煤机热风调门和冷风调门，控制磨煤机出口温度保持在80℃左右变化，对磨煤机进行充分暖管，确保在投入煤粉后能够保证一次风出口温度在55℃以上运行。
4.2.5对锅炉值班员进行专门培训，提出等离子点火的操作方法，即当准备进行投粉前，应先将磨煤机磨辊放下，认真观察作用力和反作用力，确保磨煤机不发生振动，当作用力升高到2.5MPa时，立即启动给煤机运行，下煤量在12t/h左右，同时将热风调门开至35%，冷风调门全关，保持风速15m/s左右变化，确保煤粉能够点燃。当煤粉点燃后，一次风温逐渐降低时，逐步控制热风调节门开度，将一次风速逐渐提高至20m/s，确保制粉系统的干燥能力。
通过以上工作的进行，我们对等离子点火系统启动锅炉有了清晰的判断，确认锅炉能够实现一次启动成功，在2014年9月16日的3号机组预启动过程中，我们将应对措施逐步实施，最终取得了锅炉冷态工况下等离子点火系统一次启动成功的优秀成绩。
这是我们锅炉应用等离子点火启动的DCS截图和火检拍摄画面。
5、结论
通过双方的全力配合，辽源厂3号锅炉采用等离子系统点燃高水分褐煤取得成功，为辽源厂提供了一个节能增效的提升空间，为厂家提供了一个点燃31%以上高水分褐煤的成功案例，通过辽源的成功案例，我们可以看到在不远的将来，燃用高水分褐煤机组将开始大规模采用等离子点火系统，将为我国节约大量燃油，为电力企业创造出更高的经济效益。
来源：《第四届热电联产节能降耗新技术研讨会论文集》
第五届热电联产与煤电深度节能新技术研讨会
会议时间：2016年5月17日—18日（16日全天报到）
会议地点：江苏-南京
联系电话：010-56626626
传真：400-6981163转30174
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