保立虎

（華北電力科學(xué)研究院（西安）有限公司，西安710068）

目前，我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組的點(diǎn)火啟動(dòng)過程需要消耗大量的燃料油，據(jù)統(tǒng)計(jì)，以煙煤為例，200MW機(jī)組啟動(dòng)一次需要耗油50t，300MW機(jī)組啟動(dòng)一次需要耗油70t，一臺(tái)600MW機(jī)組鍋爐點(diǎn)火用油超過100t［1］。而我國(guó)是貧油大國(guó)，能源結(jié)構(gòu)為煤多油少，面對(duì)國(guó)際原油價(jià)格的上漲及國(guó)內(nèi)電廠競(jìng)價(jià)上網(wǎng)政策的即將出臺(tái)，減少鍋爐啟動(dòng)及低負(fù)荷助燃用油，節(jié)油降耗，降低發(fā)電成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力，已成為發(fā)電企業(yè)迫在眉睫的問題［2］。交流等離子點(diǎn)火是在節(jié)能降耗的背景下產(chǎn)生的一項(xiàng)新型節(jié)油技術(shù)，針對(duì)燃煤鍋爐在啟動(dòng)和穩(wěn)燃時(shí)需要耗費(fèi)大量燃料油的實(shí)際情況，通過對(duì)鍋爐燃燒器的改造，實(shí)現(xiàn)鍋爐啟動(dòng)和穩(wěn)燃期間無需投油，擺脫對(duì)燃油的依賴。交流等離子技術(shù)延續(xù)了直流等離子點(diǎn)火技術(shù)在點(diǎn)火溫度、燃燒穩(wěn)定等方面的優(yōu)勢(shì)，并具有一次性投資低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、電極壽命長(zhǎng)、檢修維護(hù)量小、煤種適應(yīng)性范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［3－4］。因此，交流等離子點(diǎn)火技術(shù)在電廠上應(yīng)用，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 交流等離子工作原理

交流等離子發(fā)生器采用冷電極拉弧和旋氣穩(wěn)弧原理，壓縮空氣進(jìn)入電弧室，發(fā)生強(qiáng)烈地旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，形成了穩(wěn)定的管狀等離子電??；同時(shí)由于箍縮效應(yīng)的作用，密度較大的冷氣流包圍于弧柱的周圍，使弧柱位于通道的中心，降低了電極表面的溫度，起到了冷電極拉弧的作用，延長(zhǎng)了電極使用壽命，一般可達(dá)到300h左右。交流等離子發(fā)生器采用高頻引弧技術(shù)，其引弧信號(hào)的頻率達(dá)到2 000Hz，解決了交流電過零斷弧的問題，確保了電弧的穩(wěn)定性和連續(xù)性［5］。

交流等離子發(fā)生器一般在介質(zhì)氣壓0．35～0．50MPa的條件下接觸引弧，在強(qiáng)磁場(chǎng)下獲得穩(wěn)定功率的交流空氣等離子體，火焰中心溫度T＞104K的梯度極大的局部高溫區(qū)。煤粉顆粒通過該等離子“火核”受到高溫作用，迅速釋放出揮發(fā)分，使煤粉顆粒破裂粉碎，迅速燃燒。另外，等離子體中含有大量化學(xué)活性粒子，如原子（H、O）、原子團(tuán)（OH）、離子（O2－、H＋、OH－）和電子等，可加速熱化學(xué)轉(zhuǎn)換，促進(jìn)燃料完全燃燒［6］。由于高溫等離子體對(duì)于煤粉具有揮發(fā)分再造作用，使揮發(fā)分可以比通常情況下提高20%～80%［7－8］，這對(duì)于點(diǎn)燃煤粉有極大的意義。

圖1為一種新型的交流等離子點(diǎn)火燃燒器。該點(diǎn)火器采用3支點(diǎn)火槍在高溫燃燒筒中對(duì)煤粉進(jìn)行三次高溫加熱，使煤粉的加熱功率增加了3倍，從而提高了煤粉在高溫區(qū)的停留時(shí)間，促進(jìn)了揮發(fā)分的析出，進(jìn)而加速煤粉的燃燒。從圖1中可以看出，整個(gè)燃燒器可以劃分為三個(gè)部分：I區(qū)為揮發(fā)分釋放區(qū)；Ⅱ區(qū)為混合燃燒區(qū)；Ⅲ區(qū)為強(qiáng)化燃燒區(qū)。

圖1 交流等離子煤粉點(diǎn)火燃燒器

2 交流等離子點(diǎn)火的應(yīng)用

寧夏京能寧東發(fā)電廠2臺(tái)660MW超臨界表面式間接空冷燃煤機(jī)組鍋爐的型號(hào)為HG－2210／25．4－YM16。該鍋爐總體形式為 П 型，采用直流燃燒器、墻式切圓布置，切圓直徑d＝9 500mm，燃用煙煤、負(fù)壓燃燒固態(tài)排渣煤粉爐。制粉系統(tǒng)形式為中速磨正壓冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺(tái)中速磨煤機(jī)，5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

為保證改造效果，使鍋爐在改造后能長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，將鍋爐下層一次風(fēng)煤粉燃燒器拆除，改造為裝有交流等離子槍的內(nèi)濃外淡的內(nèi)風(fēng)膜式穩(wěn)燃型燃燒器。

2011年1月15日進(jìn)行交流等離子冷態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)。鍋爐首次點(diǎn)火用煤特性見表1。

表1 燃煤特性

2．1 煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒的影響

煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高可以降低煤粉的著火熱，有利于煤粉的點(diǎn)燃，但煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大會(huì)使點(diǎn)火初期氧量不足，增加煤粉不完全燃燒熱損失。為了確定等離子點(diǎn)火燃燒器的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳適用范圍，在調(diào)試過程中進(jìn)行了此項(xiàng)試驗(yàn)。改造后的鍋爐爐膛內(nèi)每個(gè)等離子燃燒器由3個(gè)交流等離子發(fā)生器組成。試驗(yàn)在1號(hào)鍋爐的交流等離子點(diǎn)火燃燒器上進(jìn)行，4個(gè)等離子燃燒器的電壓和電流見表2。

表2 交流等離子發(fā)生器電壓電流

保持一次風(fēng)速20m／s，周界風(fēng)開度20%，輔助風(fēng)開度40%，其余各風(fēng)門開度為5%，總風(fēng)量750～800t／h。磨煤機(jī)一次風(fēng)量75t／h。在以上條件下，用給煤機(jī)給煤量（27t／h、30t／h、33t／h、36t／h、39t／h、42t／h）實(shí)現(xiàn)煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 26．47%、28．57%、30．56%、32．43%、34．21%和35．90%。

圖2給出了不同煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的火焰溫度。

圖2 不同煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的火焰溫度

從圖2可以看出：在煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從26．47%增加到32．43% 時(shí)，火焰溫度從780℃升到900℃，通過火焰監(jiān)視看到爐膛變亮，這是由于隨著煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，有效地降低了煤粉的著火熱，增大了燃燒的強(qiáng)度，進(jìn)而較大幅度地提高了火焰的溫度，達(dá)120K。但是當(dāng)煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從32．43%增加到35．90%時(shí)，火焰溫度從900℃降到850℃，爐膛也明顯變暗，這是由于當(dāng)煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時(shí)，由于助燃空氣過少，導(dǎo)致了揮發(fā)分析出后沒有足夠多的氧氣與之反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致煤粉燃燒強(qiáng)度減弱，火焰溫度降低。因此，只有當(dāng)給煤機(jī)給煤量在30～34t／h時(shí)，可以認(rèn)為達(dá)到了等離子點(diǎn)火燃燒器的煤粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳范圍。

2．2 一次風(fēng)量對(duì)燃燒的影響

一次風(fēng)量的高低對(duì)煤粉的著火影響很大，當(dāng)一次風(fēng)量過高，煤粉著火將被推遲，燃燒不穩(wěn)定；當(dāng)一次風(fēng)量偏低時(shí)，有可能燒壞燃燒器，并且引起煤粉管道積粉堵管，因此合適的一次風(fēng)量對(duì)等離子著火穩(wěn)定至關(guān)重要。

周界風(fēng)開度20%，輔助風(fēng)開度45%，其余各風(fēng)門開度為5%，磨煤機(jī)煤量33t／h，在以上條件下，用磨煤機(jī)入口風(fēng)量（65t／h、70t／h、75t／h、80t／h、85t／h、90t／h）實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)量的變化。

圖3為測(cè)量火焰溫度隨一次風(fēng)量的變化。

圖3 不同一次風(fēng)量下的火焰溫度變化

從圖3可以看出：在一次風(fēng)量從65t／h增加到75t／h時(shí)，火焰溫度從789℃升到902℃，通過火焰電視看到爐膛明顯變亮，這是由于隨著一次風(fēng)量的增加，過量空氣系數(shù)增大，促進(jìn)了揮發(fā)分與氧氣接觸，進(jìn)而促進(jìn)煤粉燃燒，使得火焰溫度升高；但是當(dāng)一次風(fēng)量從75t／h增加到90t／h時(shí)，火焰溫度從902℃降到829℃，爐膛也明顯變暗，這是由于一次風(fēng)量過大導(dǎo)致了煤粉與空氣混合物著火后的溫度相對(duì)于適當(dāng)一次風(fēng)量下的燃燒溫度有所降低，降低了反應(yīng)速度，并且由于助燃空氣過多，沒有足夠的揮發(fā)分和煤粉與之反應(yīng)，使得點(diǎn)火延時(shí)增大，火焰向后推移，進(jìn)而導(dǎo)致了火焰溫度的降低。因此，只有當(dāng)一次風(fēng)量在70～80t／h時(shí)，可以認(rèn)為達(dá)到了等離子點(diǎn)火燃燒器的一次風(fēng)量最佳范圍。

2．3 二次配風(fēng)方式對(duì)燃燒的影響

當(dāng)煤粉氣流著火后，二次配風(fēng)對(duì)燃燒穩(wěn)定性和燃盡過程起著重要作用，尤其是在鍋爐剛啟動(dòng)階段，投入燃料少，二次風(fēng)量不足時(shí)，煤粉燃燒不充分；風(fēng)量過大時(shí)，帶走大量熱量，不利鍋爐升溫，降低燃燒的穩(wěn)定性。

在保持二次風(fēng)和爐膛壓差380～400Pa內(nèi)，進(jìn)行以下幾個(gè)工況試驗(yàn)：

（1）周界風(fēng)開度10%，輔助風(fēng)開度20%；

（2）周界風(fēng)開度20%，輔助風(fēng)開度30%；

（3）周界風(fēng)開度20%，輔助風(fēng)開度40%；

（4）周界風(fēng)開度20%，輔助風(fēng)開度50%；

（5）周界風(fēng)開度25%，輔助風(fēng)開度60%；

（6）周界風(fēng)開度30%，輔助風(fēng)開度60%。

其余各風(fēng)門開度為5%，磨煤機(jī)給煤量33t／h，觀察二次配風(fēng)對(duì)鍋爐燃燒的影響。

圖4為不同配風(fēng)方式下測(cè)量的火焰溫度。

圖4 不同配風(fēng)方式下的火焰溫度變化

從圖4可以看出：周界風(fēng)門的開度為20%時(shí)，火焰溫度最高，可以達(dá)到約900℃，遠(yuǎn)大于周界風(fēng)門的開度為10%、25%和30%時(shí)，因此在鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火初期，應(yīng)將周界風(fēng)門開度設(shè)計(jì)為20%。另外，當(dāng)周界風(fēng)門的開度為20%時(shí)，輔助風(fēng)開度為40%，可以獲得最高的火焰溫度，因此可以認(rèn)為，當(dāng)周界風(fēng)門的開度為20%，輔助風(fēng)開度為40%時(shí)，可以得到最好的配風(fēng)效果。

2．4 點(diǎn)火過程中煤粉燃燒效率的變化

在交流等離子點(diǎn)火燃燒器試運(yùn)過程中，對(duì)煤粉燃燒效率進(jìn)行測(cè)試。在點(diǎn)火30min內(nèi)，由于一次、二次風(fēng)溫較低，爐膛溫度偏低，煤粉燃盡率65%左右，90min后煤粉燃盡率約81%，180min后煤粉燃盡率約90%。具體的飛灰可燃物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和爐渣中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3。

表3 飛灰可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和爐渣中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化

3 結(jié)語

通過對(duì)交流等離子點(diǎn)火燃燒器在啟動(dòng)和穩(wěn)定燃燒過程進(jìn)行的各種試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）交流等離子點(diǎn)火燃燒器能夠很好地應(yīng)用到660MW直流墻式切圓燃燒鍋爐，燃燒穩(wěn)定，達(dá)到鍋爐冷態(tài)無油點(diǎn)火的目的。

（2）冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，給煤機(jī)給煤量控制在30～34t／h為宜。

（3）一次風(fēng)量在70～80t／h，煤粉燃燒最穩(wěn)定。

（4）在冷態(tài)啟動(dòng)初期，應(yīng)將周界風(fēng)門的開度控制在約20%，輔助風(fēng)開度約40%，用以增強(qiáng)燃燒強(qiáng)度。

通過采取一系列措施，鍋爐啟動(dòng)初期燃燒效率有所提高，但仍偏低，因此如何提高前期燃燒效率是今后研究工作的重點(diǎn)。

［1］孫公鋼，方毅波，曲成剛，等．600MW超臨界鍋爐微油點(diǎn)火試驗(yàn)研究［J］．電站系統(tǒng)工程，2012，28（3）：1－4．

［2］池作和，孫公鋼．微油點(diǎn)火燃燒器一級(jí)燃燒室結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬研究［J］．熱力發(fā)電，2007（11）：20－24．

［3］于國(guó)良，李瑞揚(yáng)，董利．電站鍋爐等離子點(diǎn)火技術(shù)應(yīng)用研究［J］．節(jié)能技術(shù)，2004，22（1）：30－32，44．

［4］周淵，周巖，齊玉勝，等．交流等離子點(diǎn)火技術(shù)在四角切圓鍋爐上的可行性研究［J］．中國(guó)電力教育，2010（S2）：503－505．

［5］龔鵬，毛永清．等離子點(diǎn)火技術(shù)在超超臨界機(jī)組中的應(yīng)用［J］．電站系統(tǒng)工程，2011，27（5）：31－34．

［6］張賢忠，王琰清．交流等離子點(diǎn)火裝置在海勃灣發(fā)電廠330 MW 鍋爐中的應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（29）：83．

［7］張永彩，張孝勇，劉鵬，等．電廠鍋爐應(yīng)用等離子點(diǎn)火的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］．中國(guó)電力，2004，37（3）：42－45．

［8］張孝勇，陳學(xué)淵，羅澤斌，等．等離子點(diǎn)火技術(shù)在煙煤鍋爐上的應(yīng)用［J］．中國(guó)電力，2002，35（12）：18－21．