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1  引言

    大型工業(yè)煤粉鍋爐的點(diǎn)火和穩(wěn)燃傳統(tǒng)上都是采用燃燒重油或天然氣等稀有燃料來實現(xiàn)的，近年來，隨著世界性的能源緊張，原油價格不斷上漲，火力發(fā)電燃油愈來愈受到限制。因此鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃用油被做為一項重要的指標(biāo)來考核。為了減少重油（天然氣）的耗量，傳統(tǒng)的做法是提高煤粉的磨細(xì)度，提高風(fēng)粉混合物和二次風(fēng)的預(yù)熱溫度，采用預(yù)燃室燃燒器，選用小油槍點(diǎn)火等。但是，這些方法已到了盡頭，若要進(jìn)一步減少燃油到最終不用油，必須采用與傳統(tǒng)上完全不同的全新工藝―等離子煤粉點(diǎn)火燃燒器，這種工藝既可保證提高燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性，又可以改善火電廠的生態(tài)條件，它采用直流空氣等離子體作為點(diǎn)火源，可點(diǎn)燃揮發(fā)份較低的貧煤，實現(xiàn)鍋爐的冷態(tài)啟動而不用一滴油，是未來火力發(fā)電廠點(diǎn)火和穩(wěn)燃的首選設(shè)備，采用等離子點(diǎn)火燃燒器，點(diǎn)火和穩(wěn)燃與傳統(tǒng)的燃油相比有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：

    (1)  經(jīng)濟(jì)：采用等離子點(diǎn)火運(yùn)行和技術(shù)維護(hù)費(fèi)僅是使用重油點(diǎn)火時費(fèi)用的15%～20%，對于新建電廠，可以節(jié)約數(shù)千萬元的初投資和試運(yùn)行費(fèi)用。

    (2)  環(huán)保：由于點(diǎn)火時不燃用油品，電除塵裝置可以在點(diǎn)火初期投入，因此，減少了點(diǎn)火初期排放大量煙塵對環(huán)境的污染；另外，電廠采用單一燃料后，減少了油品的運(yùn)輸和儲存環(huán)節(jié)，亦改善了電廠的環(huán)境。

    (3)  高效：等離子體內(nèi)含有大量化學(xué)活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子團(tuán)（OH、H2、O2）、離子（O2－、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。

    (4)  簡單：電廠可以單一燃料運(yùn)行，簡化了系統(tǒng)，簡化了運(yùn)行方式。

2  等離子燃燒器工作原理

2.1  點(diǎn)火機(jī)理

    本裝置利用直流電流在介質(zhì)氣壓滿足的條件下接觸引弧，并在強(qiáng)磁場下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的一次燃燒筒中形成的局部高溫區(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，并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)含有大量化學(xué)活性的粒子，可加速熱化學(xué)轉(zhuǎn)換，促進(jìn)燃料完全燃燒，除此之外，等離子體對于煤粉的作用，可比通常情況下提高20%～80%的揮發(fā)份，即等離子體有再造揮發(fā)份的效應(yīng)，這對于點(diǎn)燃低揮發(fā)份煤粉強(qiáng)化燃燒有特別的意義。

2.2  等離子發(fā)生器工作原理

    本發(fā)生器為磁穩(wěn)空氣載體等離子發(fā)生器，它由線圈、陰極、陽極組成。其中陰極材料采用高導(dǎo)電率的金屬材料或非金屬材料制成。陽極由高導(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，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。其拉弧原理為：首先設(shè)定輸出電流，當(dāng)陰極前進(jìn)同陽極接觸后，整個系統(tǒng)具有抗短路的能力且電流恒定不變，當(dāng)陰極緩緩離開陽極時，電弧在線圈磁力的作用下拉出噴管外部。一定壓力的空氣在電弧的作用下，被電離為高溫等離子體，為點(diǎn)燃不同的煤種創(chuàng)造了良好的條件。

2.3  燃燒機(jī)理

    根據(jù)高溫等離子體有限能量不可能同無限的煤粉量及風(fēng)速相匹配的原則設(shè)計了多級燃燒器。它的意義在于應(yīng)用多級放大的原理，使系統(tǒng)的風(fēng)粉濃度、氣流速度處于一個十分有利于點(diǎn)火的工況條件，從而完成一個持續(xù)穩(wěn)定的點(diǎn)火、燃燒過程。實驗證明運(yùn)用這一原理及設(shè)計方法使單個燃燒器的出力可以從2t/h擴(kuò)大到10t/h。在建立一級點(diǎn)火燃燒過程中采用了將經(jīng)過濃縮的煤粉垂直送入等離子火炬中心區(qū)，10 000℃的高溫等離子體同濃煤粉的匯合及所伴隨的物理化學(xué)過程使煤粉原揮發(fā)份的含量提高了80%，其點(diǎn)火延遲時間不大于1秒。點(diǎn)火燃燒器的性能決定了整個燃燒器運(yùn)行的成敗，其噴口溫度不低于1 200℃。另外加設(shè)了第一級氣膜冷卻技術(shù)避免了煤粉的貼壁流動及掛焦，同時又解決了燃燒器的燒蝕問題。該區(qū)稱為第一區(qū)。第二區(qū)為混合燃燒區(qū)，在該區(qū)內(nèi)一般采用“濃點(diǎn)濃”的原則，環(huán)形濃淡燃燒器的應(yīng)用將淡粉流貼壁而濃粉摻入主點(diǎn)火燃燒器燃燒。這樣做的結(jié)果既利于混合段的點(diǎn)火，又冷卻了混合段的壁面。如果在特大流量條件還可采用多級點(diǎn)火。第三區(qū)為強(qiáng)化燃燒區(qū)，在一、二區(qū)內(nèi)揮發(fā)份基本燃盡，為提高疏松炭的燃盡率采用提前補(bǔ)氧強(qiáng)化燃燒措施，提前補(bǔ)氧的原因在于提高該區(qū)的熱焓進(jìn)而提高噴管的初速達(dá)到加大火焰長度提高燃盡度的目的，所采用的氣膜冷卻技術(shù)亦達(dá)到了避免結(jié)焦的目的。第四區(qū)為燃盡區(qū)，疏松碳的燃盡率決定于火焰的長度，隨煙氣的溫升燃盡率逐漸加大。

3  等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)組成

3.1  等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)

    等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來點(diǎn)燃煤粉的煤粉燃燒器，與以往的煤粉燃燒器相比，等離子燃燒器在煤粉進(jìn)入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點(diǎn)燃，并將火焰在燃燒器內(nèi)逐級放大，屬內(nèi)燃型燃燒器，可在爐膛內(nèi)無火焰狀態(tài)下直接點(diǎn)燃煤粉，從而實現(xiàn)鍋爐的無油啟動和無油低負(fù)荷穩(wěn)燃。等離子發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，如前文所述，該等離子體使煤粉的燃燒速度加快，也有助于加速煤粉的燃燒。除此之外，等離子體有再造揮發(fā)份的效應(yīng)，這對于點(diǎn)燃貧煤強(qiáng)化燃燒有特別的意義。

等離子燃燒器的高溫部分采用耐熱鑄鋼，其余和煤粉接觸部位采用高耐磨鑄鋼。

等離子燃燒器按功能可分為兩類：

    (1) 僅作為點(diǎn)火燃燒器使用，這種等離子燃燒器用于代替原油燃燒器，起到啟動鍋爐和在低負(fù)荷助燃的作用。采用該種燃燒器需為其附加給粉系統(tǒng)，包括一次風(fēng)管路及給粉機(jī)；
    (2) 既作為點(diǎn)火燃燒器又作為主燃燒器使用，這種等離子燃燒器具有和(1)所述同樣的功能，在鍋爐正常運(yùn)行時又可作為主燃燒器投入。采用此種方式不需單獨(dú)鋪設(shè)給粉系統(tǒng)。等離子燃燒器和一次風(fēng)管路的連接方式做成和原燃燒器相同，改造工作量小。

    等離子點(diǎn)火技術(shù)作為一項新興鍋爐點(diǎn)火技術(shù)在電廠的應(yīng)用，為各火電廠燃油系統(tǒng)改造，實現(xiàn)無油點(diǎn)火或低負(fù)荷穩(wěn)燃提供了方向。不僅如此，它對于新建、擴(kuò)建機(jī)組，在點(diǎn)火沖管，整組啟動及發(fā)電機(jī)并網(wǎng)調(diào)試過程中都有著重大的節(jié)能意義，可以預(yù)見，在不久的將來，等離子點(diǎn)火技術(shù)將會得以更加廣泛的推廣和應(yīng)用。

3.2  等離子點(diǎn)火器系統(tǒng)

    等離子發(fā)生器是用來產(chǎn)生高溫等離子電弧的裝置，其主要由陽極組件、陰極組件、線圈組件三大部分組成，還有支撐托架配合現(xiàn)場安裝。等離子發(fā)生器設(shè)計壽命為5～8年。陽極組件與陰極組件包括用來形成電弧的兩個金屬電極陽極與陰極，在兩電極間加穩(wěn)定的大電流，將電極之間的空氣電離形成具有高溫導(dǎo)電特性等離子體，其中帶正電的離子流向電源負(fù)極形成電弧的陰極，帶負(fù)電的離子及電子流向電源的正極形成電弧的陽極。線圈通電產(chǎn)生強(qiáng)磁場，將等離子體壓縮，并由壓縮空氣吹出陽極，形成可以利用的高溫電弧。

3.3  等離子電氣系統(tǒng)

    等離子發(fā)生器電源系統(tǒng)是用來產(chǎn)生維持等離子電弧穩(wěn)定的直流電源裝置。其基本原理是通過三相全控橋式晶閘管整流電路將三相交流電源變?yōu)榉€(wěn)定的直流電源。其由隔離變壓器和電源柜兩大部分組成。電源柜內(nèi)主要有由六組大功率晶閘管組成的三相全控整流橋、大功率直流調(diào)速器、直流電抗器、交流接觸器及控制PLC等。

3.4  等離子空氣系統(tǒng)

    壓縮空氣是等離子電弧的介質(zhì)，等離子電弧形成后，通過線圈形成的強(qiáng)磁場的作用壓縮成為壓縮電弧，需要壓縮空氣以一定的流速吹出陽極才能形成可利用的電弧。因此，等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的需要配備壓縮空氣系統(tǒng)，壓縮空氣的要求是潔凈的而且是壓力穩(wěn)定的。

3.5  等離子冷卻水系統(tǒng)

    等離子電弧形成后，弧柱溫度一般在5 000～10 000K的范圍，因此對于形成電弧的等離子發(fā)生器的陰極和陽極必須通過水冷的方式來進(jìn)行冷卻，否則很快會被燒毀。通過大量實驗總結(jié)出為保證好的冷卻效果，需要冷卻水以高的流速沖刷陽極和陰極，因此需要保證冷卻水不低于0.3MPa的壓力。另外，冷卻水溫度不能高于30℃，否則冷卻效果差。為減少冷卻水對陽極和陰極的腐蝕，要采用電廠的除鹽化學(xué)水。

4  等離子在應(yīng)用中的注意事項

    (1)  用等離子點(diǎn)火裝置進(jìn)行升爐期間，要投入對空預(yù)器連續(xù)吹灰，防止未燃燼的可燃物引起空預(yù)器的二次燃燒。
    (2)  鍋爐啟動的過程中，在保障鍋爐升溫、升壓率的同時加強(qiáng)對鍋爐的膨脹檢查，并做好記錄。
    (3)  在點(diǎn)火前，做好防止磨石子煤堵磨事故預(yù)想，并在點(diǎn)火的過程中，根據(jù)煤粉著火情況，磨石子煤情況，有目的調(diào)整給煤量與磨煤機(jī)風(fēng)量、磨出口溫度等參數(shù)。
    (4)  等離子點(diǎn)火燃燒器投入運(yùn)行的初期，加強(qiáng)二次風(fēng)擋板的調(diào)節(jié)等運(yùn)行措施，盡量降低火焰中心高度，注意監(jiān)視、記錄煙溫探針的溫度，注意對汽機(jī)高、低旁路及其減溫水的正常調(diào)節(jié)，防止再熱器管超溫。
    (5)  注意監(jiān)視各角斷弧情況（斷弧時光字牌會發(fā)報警），斷弧后及時聯(lián)系檢修人員檢查處理并及時投入運(yùn)行。
    (6)  等離子噴燃器由于結(jié)構(gòu)上的原因，易出現(xiàn)燃燒器超溫、結(jié)渣、燃燒不良等現(xiàn)象。要密切監(jiān)視水冷壁的溫度情況，防止溫度過高造成爆管現(xiàn)象。
    (7)  為防止燃燒器結(jié)焦及燒損的隱患。預(yù)防措施有：在燃燒器設(shè)計中，考慮到一級燃燒室主要是煤粉裂解及揮發(fā)份燃燒，因此防止結(jié)焦的措施主要放在二級燃燒室，具體采用周界二次風(fēng)，降低燃燒室壁面溫度使其低于灰熔點(diǎn)；在煤粉在燃燒室燃燒時，體積急劇膨脹，流速在40～50m/s左右，有自吹掃及緩解結(jié)焦能力；在等離子點(diǎn)火器投運(yùn)時，適當(dāng)控制磨煤機(jī)給煤量，使燃燒器的熱負(fù)荷在設(shè)計范圍內(nèi)運(yùn)行。

5  常見故障及排除

(1)  故障現(xiàn)象：不能正常引弧、經(jīng)常斷弧。

    可能原因：陽極污染不導(dǎo)電；陽極漏水；電子發(fā)射槍槍頭污染或損壞；電子發(fā)射槍槍頭漏水；風(fēng)壓過高；引弧電機(jī)拒動；功率組件故障；控制電源失去。

    處理方法：清理陽極；更換陽極，更換密封墊；清理或更換槍頭；更換槍頭、更換密封墊；調(diào)整空氣壓力至正常；檢查電機(jī)接線，檢查電機(jī)是否損壞；檢查可能損失的元件并進(jìn)行更換；更換保險絲。

(2)  故障現(xiàn)象：功率波動大、易斷弧。

    可能原因：陽極輕度污染；電子發(fā)射槍頭燒損，形狀不規(guī)則；電子發(fā)射槍頭污染；風(fēng)壓波動大；陽極滲水；電子槍頭滲水；瓷環(huán)松動。

    處理方法：清理陽極；更換槍頭，清理槍頭；檢查風(fēng)壓系統(tǒng)；更換密封墊；檢查槍頭是否松動，如松動用專用工具擰緊，更換槍頭；檢查瓷環(huán)位置、檢查卡簧及套筒是否損壞。

(3)  故障現(xiàn)象：啟弧時陰、陽極接觸沒有反饋信號。

    可能原因：啟弧電機(jī)損壞；瓷環(huán)脫落或損壞；陰極、陽極污染嚴(yán)重；陰極導(dǎo)管變形；電源柜整流元件損壞；繼電器損壞。

    處理方法：檢查電機(jī)；檢查瓷環(huán)、更換瓷環(huán)；清理陰極、陽極；修理或更換陰極導(dǎo)管；更換元件；更換繼電器。

(4)  故障現(xiàn)象：陰極不旋轉(zhuǎn)。
 
    可能原因：旋轉(zhuǎn)電機(jī)損壞；齒輪損壞；陰極上的頂絲太緊。

    處理方法：更換電機(jī)；更換齒輪；松頂絲半圈。

6  經(jīng)濟(jì)效益分析

6.1  直接經(jīng)濟(jì)效益

    機(jī)組在試運(yùn)期間要經(jīng)過鍋爐吹管、整定安全閥、汽機(jī)沖車、機(jī)組并網(wǎng)、電氣試驗、鍋爐洗硅運(yùn)行、機(jī)組帶大負(fù)荷運(yùn)行等許多階段，此期間由于鍋爐無法投磨或無法完全斷油運(yùn)行，因此要耗費(fèi)大量的燃油。根據(jù)電力部最新頒布的試運(yùn)導(dǎo)則中的規(guī)定，600MW機(jī)組試運(yùn)期間燃油消耗的標(biāo)準(zhǔn)定量為9000噸，而如果在機(jī)組試運(yùn)初期投入等離子無油點(diǎn)火系統(tǒng)，將可以使整個試運(yùn)期間的燃油消耗控制在1200噸以內(nèi)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)  機(jī)組按常規(guī)方法試運(yùn)所需燃油耗費(fèi)計算：

    燃油消耗：9000噸；燃油價格：0.35萬元/噸。
    燃油耗費(fèi)：0.35×9000=3150（萬元）。

(2)  機(jī)組改裝等離子煤粉點(diǎn)火及穩(wěn)燃裝置進(jìn)行試運(yùn)所需費(fèi)用計算：

    燃油消耗：1200噸；燃油價格：0.35萬元/噸。
    燃油耗費(fèi)：0.35×1200=420（萬元）。
    原煤耗費(fèi)：燃油的低位發(fā)熱量為41.87MJ/kg，設(shè)計煤種低位發(fā)熱量為24960kJ/kg，原煤價格按100元/噸計算，節(jié)約燃油數(shù)量為7800噸，則按發(fā)熱量相等的原則所需的原煤費(fèi)用為：130.8萬元。

(3)  耗電費(fèi)用

    設(shè)計煤種發(fā)熱量：24960kJ/kg；原煤消耗：13084.4噸；
    制粉單耗：20 kWh/t；等離子燃燒器耗電：20 kWh/t；
    廠用電價格為0.16元/kWh。
    耗電費(fèi)用：13084.4×(20+20)×0.16 = 8.37萬元。

(4)  成本，改造費(fèi)用（估算值）：500～600萬元。

    經(jīng)過以上計算可知，在試運(yùn)期間投用等離子煤粉點(diǎn)火及穩(wěn)燃裝置可為電廠節(jié)約投資：
    3150-420-130.8-8.37-550＝2040.8萬元。

6.2  間接經(jīng)濟(jì)效益

    按照常規(guī)的試運(yùn)方法，機(jī)組在試運(yùn)期間要長期低負(fù)荷運(yùn)行，此期間鍋爐純燒油或油煤混燒，未燃盡的油滴粘污電極，使鍋爐電除塵器無法正常投入；大量煙塵直接排放到大氣中，給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染；同時煙氣中的粉塵會對鍋爐引風(fēng)機(jī)葉片造成磨損，這些均給電廠帶來間接的經(jīng)濟(jì)損失。在機(jī)組試運(yùn)期間投入等離子無油點(diǎn)火系統(tǒng)，電除塵器可以在鍋爐啟動及低負(fù)荷期間正常投入，大大減少粉塵的排放，避免了環(huán)境污染，給電廠帶來顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

7  結(jié)語

    綜上所述，針對等離子技術(shù)在電廠的引用，主要從系統(tǒng)組成、工作原理、常見事項及系統(tǒng)常見的一些缺陷和處理方法，經(jīng)濟(jì)效益方面做了闡述，它是一種安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的節(jié)能項目。但是它由于還在不斷的完善和改進(jìn)中，還沒有達(dá)到最優(yōu)化的程度，就會使維護(hù)工作量大，耗材費(fèi)用也比較高，在安全方面由于技術(shù)方面的因素考慮的還不是很全面，例如：在拉弧過程中如果時間過長就會導(dǎo)致壁溫過高，使得水冷壁容易爆管等，這樣的問題還需要進(jìn)一步的解決。如果要采用此項技術(shù)就要從各個專業(yè)進(jìn)行預(yù)想和討論，盡管如此，這套設(shè)備從理論上還是有很大的節(jié)能空間。通過對日常維護(hù)過程中遇到的缺陷和問題匯總，并在招標(biāo)和調(diào)試過程中進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)，使節(jié)能增效的效果更突出。尤其是在機(jī)組啟動期間要消耗大量的油資源，從節(jié)能的角度來看，這套設(shè)備會帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。采用等離子技術(shù)點(diǎn)燃煤粉是鍋爐經(jīng)濟(jì)、高效、簡單、安全、環(huán)保的先進(jìn)技術(shù)，也是目前燃油系統(tǒng)改造的最佳替代產(chǎn)品，對電廠燃煤鍋爐來說也是唯一可選設(shè)備。