等离子燃烧技术

等离子燃烧技术在泰州电厂2*1000MW超超临界燃煤机组中的应用 泰州电厂 蒋德勇 摘要：本文介绍了等离子燃烧技术的原理，结合泰州电厂选用的设备，从运行的角度介绍了等离子燃烧技术在煤粉锅炉中的应用情况。 关键词：等离子 燃煤机组 超临界 等离子燃烧技术是采用空气等离子体作为点火源，在电弧的作用下，将一定压力的空气电离为高温等离子体，从而点燃煤粉的一种新型燃烧技术。它的出现改变了大型煤粉锅炉点火和稳燃依靠重油、轻油或天然气等燃料来实现的历史。近年来能源紧张，燃油价格不断上涨，为等离子燃烧技术的应用提供了契机。泰州电厂作为国内首批1000MW机组，成功的将等离子燃烧技术应用到实践，实现了锅炉的无油或少油启动，既节约了电厂的成本，又改善了电厂的生态环境。 等离子燃烧器利用直流电流在介质气压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，也有助于煤粉的燃烧。为保护等离子装置本身，需用水冷却阴、阳极和线圈。所需冷却水采用闭式循环水，水压在0.6MPa左右，经等离子冷却水泵加压后进入等离子装置。 等离子点火装置的结构和组成及原理如图1～2所示：

等离子体(2)阴极(5)直线电机(3)线圈(1)阳极(4)可更换阴极头

(9)出水口电弧放电腔

(6)电源

(7)压缩空气进口

(8)进水口

图 1 等离子装置的结构和组成 图2 等离子点火原理图 泰州电厂选用的是哈锅在日本三菱公司技术支持下设计制造的超超临界变压运行直流锅炉。本锅炉采用三菱重工（MHI）开发的低NOx的改进型PM主燃烧器和MACT燃烧技术。燃烧器采用无分隔墙的八角双火焰中心切圆燃烧大风箱结构。全摆动式燃烧器，共设六层三菱低NOx PM一次风喷口，三层油风室，一层燃烬风室、十层辅助风室和四层附加风室（Addition Air）。等离子燃烧器布置在A层燃烧器中，在锅炉点火及稳燃期间，可以替代油枪起到点火和稳燃的作用。在锅炉正常运行中，具有主燃烧器的功能，其出力及燃烧工况与其他层燃烧器一致。由于安装等离子燃烧器，在燃烧器摆角改变时，A层燃烧器不参与摆动，但这并不影响燃烧器摆角对过热器及再热器及过热器的调节。 燃烧器的结构布置如图3所示： 图3 燃烧器的结构布置图 泰州电厂采用沈阳重型机械集团有限责任公司生产的MPS280型中速磨煤机，带有出口分离器，可以在运行中调节煤粉细度。磨的启动采用带载启动，即在启动前先往磨煤机内铺入3~5T的煤，以防止磨煤机在启动过程中产生振动。直接用等离子助燃就牵涉到冷炉时，制粉系统如何启动的问题。为等离子燃烧器提供满足细度、浓度和湿度要求的煤粉是锅炉实现冷态等离子点火启动的必要条件。对于中速磨制粉系统，必须解决锅炉冷态启动时煤粉的来源，可以利用A层一次风煤粉主燃烧器对应的磨煤机制备等离子点火所需的煤粉。我厂燃用烟煤，启动磨煤机的热风温度不高，当燃用校核煤种和设计煤种时，磨煤机入口热风温度为153～220℃即可满足磨煤机启动条件，采用蒸汽加热器加热冷风方式来实现冷炉制粉。加热蒸汽采用辅助蒸汽，压力为：0.7MPa，温度300℃。蒸汽加热器的汽侧和风侧的系统如图4所示：

图4 蒸汽加热器的汽侧和风侧的系统图 下面结合我厂调试及商业运行一段时间以来的情况，谈谈等离子点火技术在电站锅炉中的应用：新建锅炉为了除去过热器及再热器内部的杂物，往往采用吹管的方法，吹管期间，锅炉处于低负荷运行阶段，因此就需要助燃及稳燃。若采用油助燃，将使得吹管成本大幅提高，泰州电厂#1炉吹管及调试期间，由于A磨煤机出现一些问题导致等离子不能投运，采用的是油枪助燃，#2炉则是直接用等离子助燃，没有使用油枪，实现吹管及调试的零用油。从调试及后来的起、停机过程中等离子的应用情况来看，直接用等离子点火，煤粉能较好着火，足以证明等离子能够起到点火源的作用，稳燃的效果也毋庸置疑。等离子装置的拉弧应在通一次风的情况下进行，虽然厂家建议可以在不通风的情况下拉弧10分钟，但从泰州电厂的运行结果来看，不提倡这种做法。等离子运行期间，虽然也出现过一些问题，但解决问题的同时，我们也积累了宝贵的运行经验。 既然采用等离子作为点火源，就必然考虑到等离子点火的安全性，防止锅炉的灭火放炮。对A磨而言，存在两种运行模式，等离子模式及正常模式。正常模式就是采用油枪作为点火源的情况，灭火保护采用的是传统的逻辑。对于等离子模式而言，等离子有自身的火检，此时判断等离子的拉弧情况，作为点火允许，需要八个角同时拉弧成功才允许点火。在等离子模式下运行时，考虑到等离子阴、阳极的寿命等原因引起的灭弧现象，当出现一个角断弧时，为了保证锅炉的安全性，需要对应角的油枪自动投入，若30s内对应角油枪未能投入，则跳闸A磨，锅炉MFT，若出现两个角同时断弧，则直接MFT。从运行的情况来看，出现第一种情况时，锅炉着火还是比较稳定的，没有出现燃烧不稳的情况，可以认为这样的设计是成功的。调试阶段曾经出现过在500MW以上出现一个角断弧，油枪联投的情况，考虑到此时已经不需要稳燃，故后来在等离子的逻辑中与上了负荷条件，即负荷在350MW以上时，等离子断弧不影响A磨的运行。这样的逻辑不仅要求等离子装置具有很高的可靠性，对油枪的性能也提出了要求。在采用等离子点火时，油枪的良好备用是安全稳定的保证。从安全角度出发，等离子模式与正常模式之间的切换时机最好选择在两台磨运行以后，为防止断弧时，油枪不能及时投运而造成灭火采用的在A磨启动后几分中进行切换存在一定的风险。 等离子装置的可靠性是等离子成功运用的关键，但在如何使等离子的效果发挥的更加出色，也需要我们在运行中不断的摸索。从目前的运行情况来看，我们采用的是控制煤种、煤量、煤粉细度、一次风量，出口温度等方式。在加仓时，尽量给A仓加热量高，挥发份高的煤种，以利于释放出更多的挥发份；A磨等离子拉弧时，提高分离器转速以达到提高煤粉细度的目的，以利于煤粉的燃烧；出口粉温应在一次风温允许的条件下尽可能的高，以利于煤粉的着火。煤量应严格控制在燃烧器在等离子状态下的出力范围，防止燃烧器因为过负荷而造成结焦。风煤比控制到1：0.45左右，可以参考出口风速，一般在19m/s左右，风速不宜太高。在冷炉阶段，由启动锅炉供辅汽的情况下，由于启动锅炉主汽压力与温度的限制，使得磨煤机一次风速与出口温度总是存在矛盾。在这两者之间，个人认为应该把风速放在第一位。为防止制粉系统启动后，磨出口粉温的快速下降，需要进行充分暖磨，控制好暖磨风量及暖磨时间。 泰州电厂的磨煤机需要带载启动，虽然在冷炉启动时不会出现爆燃的现象，但若在热炉状态下，这一点就需要格外关注。由于磨煤机在存煤很比较少的情况下运行时，会产生振动，因此磨煤机停运后，是走不空的，在热炉条件下，若铺煤过多，或者在没有对磨充分吹扫的情况下开始等离子拉弧的工作，就可能引起爆燃。一直以来，我们很少遇到热炉启动，因此，对这一点也没有引起重视。即使在锅炉温度比较高的时候，由于锅炉容量比较大，而点火时风量又较大，故在局部爆燃的情况下，对炉膛负压的影响也比较小。直到在后来的一次起机过程中，由于点火风量较小（900多吨），在等离子拉弧后，虽然等离子运行情况良好，但是锅炉MFT,首触为风量低。从DCS历史记录中可以清楚的看出，在拉弧的瞬间，炉膛出现正压，虽然不大，但由于当时送风压力也就只有2KPa, 因此出现了上面的一目。这次事故虽然没有酿成严重的后果，但给我们的教训是深刻的。从之后的起机经验来看，控制点火风量在1400T/H左右是安全的，对A磨的吹扫也不容忽视。在热炉点火的情况下，烟气温度足够加热一次风达到等离子拉弧的条件，因此可以不用辅汽加热一次风。在冷炉情况下，当空预器出口一次风温达到暖风器出口风温差不多水平时，可以将热一次风倒到正常的方式，将暖风器停运。此时，暖风器没有冷却介质通过，若没有及时隔离，就存在爆炸的可能性。（某电厂就出现过此类事故。） 鉴于等离子装置固定安装在A层燃烧器中，因此在正常运行时，由于炉膛温度及风温较高，仍应加强对等离子装置壁温的监视，防止烧损及结焦。当A磨运行时，等离子装置有煤粉通过，可以得到充分的冷却，不会造成超温，从运行的情况来看，前后壁温最高值在270°C左右。若发现壁温升高，则需要注意等离子套筒的监视，很有可能是结焦的结果。当A磨停运时，没有煤粉及一次风通过，将使等离子壁温迅速升高，若A磨没有检修工作，可以采取磨煤机通风的措施来降低等离子壁温；若A磨有检修工作，不能通一次风，此时可以通过开大A层燃烧器二次风的措施来减缓壁温的升高。尽管如此等离子壁温的最高值还是达到480°C左右（800MW），随着负荷的上升，壁温将上升。目前壁温的控制值在560°C。因此在等离子装置完好的情况下，可以运行。 考虑到等离子装置配套系统的检修工作，在等离子不拉弧的情况下，等离子载体风机，等离子冷却水泵均可以停运，但等离子火检风机不能停运，否则会烧毁等离子火检。在冬季，还应注意冷却水系统的防冻工作。 以上是本人一些浅显的认识，由于1000MW机组在国内刚刚起步，没有成熟的运行经验，对等离子点火也缺乏深刻的认识，在以后的运行中肯定还会遇到其他问题。我相信只要在生产过程中不断摸索，必然会使等离子燃烧技术更好的运用在电站锅炉中。