文章编号:10072290X(2005)0120019204等离子点火煤粉燃烧器技术原理及其应用研究孙超凡1,王公林2,刘庆鑫1,于文波2,叶向前1,陈东2,郭斌1(1.广东省电力试验研究所,广东广州510600; 2.烟台龙源电力技术有限公司,山东烟台264006)摘 要:介绍了广东省电力系统第1台等离子点火稳燃装置的基本原理和设计特点,探讨了该系统的燃烧机理和控制逻辑的修改,介绍了该装置的调试应用情况。
调试结果表明:等离子点火装置具有节省启动调试阶段燃油的能力,运行和维护费用低廉,结构简单,操作控制方便,有较大的推广应用价值。
关键词:锅炉;燃烧器;等离子点火中图分类号:T K223123文献标识码:BT echnical principle and application research of plasma ignition burnerSUN Chao2fan1,W AN G Gong2lin2,L IU Qing2xin1,YU Wen2bo2,YE Xiang2qian1,C HEN Dong2,GUO Bin1 (11Gua ngdong Power Test&Research Institute,Gua ngzhou510600,China;21Ya ntai L ongyua n Power Technology Co., L t d.,Ya ntai,Sha ndong264006,China)Abstract:This p ap er int roduces t he basic p rinciple and design characteristics of t he plasma ignition bur ner which is t he first one built in Gua ngdong Province.Its combustion mecha nism and logical cont rol syste m are discussed wit h t he commissioning test of t he plasma ignition system described.The commissioning results show t hat t he plasma ignition bur ner is wort h sp reading due t o its characteristics of oil saving,low operation a nd mainte nance costs,simple st ructure a nd easy manip ulation.K ey w ords:boiler;bur ner;plasma ignition 广州恒运热电厂C厂6号锅炉系东方锅炉厂生产的D G980/1317220型自然循环汽包炉。
该炉采用四角切圆布置,有A,B,C,D,E共5层燃烧器,2层油枪。
配中速辊式直吹磨煤机。
设计煤种为山西大同烟煤,其实际燃煤特性(收到基):固定碳4413%,灰分1915%,全水分9%,挥发分2512%,低位发热量21635kJ/kg。
为节省启动调试阶段的燃油及运行、调峰阶段的助燃用油,根据6号锅炉的实际情况,该厂采用了烟台龙源电力技术有限公司生产的DL Z2200型等离子点火煤粉燃烧器,将A层(对应C磨煤机)4只主燃烧器改造为等离子点火煤粉燃烧器,与一次风管成60°夹角。
该装置在广东地区推广应用尚属首次,本文主要对其工作原理和调试应用进行研究。
1 工作原理111 点火机理DL Z2200型等离子点火煤粉燃烧器利用直流电流(大于200A)在介质气压大于011M Pa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10ms内迅速释放出挥发物,使煤粉颗粒破裂粉碎,从而迅速燃烧。
由于反应是在气向中进行,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,这样就大大地减少煤粉燃烧所需要的引燃能量。
等离子体内含有大量化学活性粒子,如原子(C,H和O)、原子团(O H,H2和O2)、离子(O2-,H2-,O H-,O-和H+)和电子等,可加 第18卷第1期广东电力V ol118No11 2005年1月GUANG DONG E LECTRIC POWER J a n12005 收稿日期:2004205231速热化学转换,促进燃料完全燃烧。
此外,等离子体对于煤粉的作用,与通常情况相比提高20%～80%的挥发分,即等离子体有再造挥发分的效应,这对于点燃贫煤、强化燃烧有特别的意义。
也就是说,等离子点火燃烧器是利用强磁场控制下的直流接触引弧,将空气电离成高能等离子体。
当煤粉通过等离子体时,由于受到超高温的强烈作用,煤粉颗粒在瞬间发生一系列物理和化学变化,释放挥发分,再造挥发分,并迅速燃烧。
112 等离子发生器工作原理等离子发生器为磁稳空气载体等离子发生器,它由线圈、阴极、阳极组成,如图1所示。
其中阴极材料采用高电导率的金属材料或非金属材料制成;阳极由高电导率、高热导率及抗氧化的金属材料制成,它们均采用水冷方式,以承受电弧高温冲击;线圈在高温250℃情况下具有抗2kV 直流电压的击穿能力;电源采用全波整流电路,并具有恒流性能。
等离子发生器的发火原理为: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。
具有0103M Pa 左右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105～106W/cm 2,为点燃不同的煤种创造了良好的条件。
图1 等离子发生器工作原理113 燃烧机理根据高温等离子体有限的能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配,为此设计了多级燃烧器,如图2所示。
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下,从而完成持续、稳定的点火、燃烧过程。
实验证明,运用这一原理及设计方法可使单个燃烧器的出力从2t/h 扩大到10t/h 。
在建立一级点火燃烧过程中采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火焰中心区,5000～10000℃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,使煤粉原挥发分提高了20%～80%,其点火延迟时间不大于1s。
图2 等离子燃烧器的结构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℃。
另外加设了第一级气膜冷却技术,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Ⅰ区。
第Ⅱ区为混合燃烧区,区内一般采用“浓点浓”的燃烧原则,环形浓淡燃烧器可将淡粉流贴墙而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。
这样既利于混合段的点火,又冷却了混合段的壁面。
在特大流量条件下还可采用多级点火。
第Ⅲ区为强化燃烧区,在Ⅰ、Ⅱ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的措施。
提前补氧的目的在于提高该区的热焓,进而提高喷管的初速,加大火焰长度,提高燃尽度。
所采用的气膜冷却技术亦达到了避免结焦的目的。
第Ⅳ区为燃尽区,疏松炭的燃尽率决定于火焰的长度,随烟气温度的升高而逐渐加大。
2 DL Z 2200型等离子点火煤粉燃烧器设计特点211 基本设计参数21111 电源三相电源380V ,频率50Hz ,最大消耗功率2广东电力第18卷 200kV A ,负荷电流工作范围200～375A ,电弧电压调节范围250～400V ,等离子发生器直流电源460V 。
21112 压缩空气压缩空气气压011～014M Pa ,消耗量60～100m 3/h 。
21113 冷却水冷却水压力0115～014M Pa (正常012M Pa ),最大流量10t/h ,要求除盐水温度不大于40℃。
21114 点火器电功率点火器输出功率50～150k W ,额定输出功率120k W 。
21115 等离子燃烧器设计参数一次风管风速2410m/s ,一次风温度20℃,一次风风量1414m 3/h ,煤粉量315t/h ,风煤比012～015,喷口风速60m/s (喷口温度1100℃时),燃烧器阻力500Pa ,二次风管风速45m/s 。
212 系统构成DL Z 2200型等离子点火煤粉燃烧器的组成见图3。
等离子发生器产生电功率为50～150k W 的空气等离子体,主要由阳极、电子发射枪、稳弧线圈3部分组成。
直流电源柜将380V 三相电源整流成直流电,用于产生电弧。
点火燃烧器与等离子发生器配套使用,以点燃煤粉。
控制系统由可编程序逻辑控制器(PL C )、屏幕显示器(C R T )、通信接口和数据总线构成。
辅助系统由冷却水和空气供给系统组成。
图3DLZ 2200型等离子点火煤粉燃烧器的构成213 安装特点广州恒运热电厂C 厂6号锅炉等离子点火系统共设计有4套等离子点火煤粉燃烧装置。
其中4支等离子燃烧器分别装在锅炉A 层4支主燃烧器位置,替换原有的煤粉燃烧器,等离子点火器安装在燃烧器侧面。
低压盘安装在检修楼除尘段配电室内,4套电源控制柜和隔离变压器安装在检修楼二楼除尘配电室旁(等离子室),可以通过分散控制系统(D CS )或触摸屏进行控制。
3 调试情况广州恒运热电厂C 厂6号锅炉等离子点火煤粉燃烧器调试工作包括分系统调试和整组启动热态调试两部分。
311 分系统调试31111 冷却水系统调试通过1台冷却水泵来供应冷却水,其相应管路应进行冲洗。
必须确保等离子发生器内部、软管和接口严密,且回水管要有水流出。
冷却水压力通常控制在012M Pa 左右。
31112 压缩空气系统调试对压缩空气系统管路进行吹扫。
通过控制其母管进气手动阀来控制压缩空气压力,通常在012M Pa 左右。
31113 控制逻辑的调试由于等离子点火煤粉燃烧器的控制逻辑进入炉膛安全保护监控系统(FSSS ),因此,必须对FSSS 进行相应的修改,从而可方便地在D CS 上进行等离子点火煤粉燃烧器的投、切工作。
经修改,其逻辑功能变为:在“正常运行模式”下,C 磨煤机维持原来的FSSS 逻辑不变。
在“等离子运行模式”下,可去掉“油枪投入”和“负荷大于25%”的启C 磨煤机条件,由等离子点火煤粉燃烧器中的控制器发出正常工作信号。
当任一角度的等离子点火煤粉燃烧器出现断弧异常时,D CS 会发出报警信号。
当任意两个角度的等离子点火煤粉燃烧器出现故障,且A 和B 层油枪少于3支运行时,会自动停止C 磨煤机运行。