劉俊臻

（上海電力股份有限公司 吳涇熱電廠，上海 200241）

0 引言

大型工業(yè)燃煤鍋爐的點(diǎn)火和穩(wěn)燃，通常采用燃油或天然氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著能源緊張、原油價(jià)格不斷上漲，火力發(fā)電燃油持續(xù)受到限制的態(tài)勢(shì)下，為了降低鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃用油、采用預(yù)燃室燃燒器，選用小油槍點(diǎn)火等措施已經(jīng)增效不小，若要進(jìn)一步減少燃油到不用油，可以采用交流等離子點(diǎn)火技術(shù)。它是通過(guò)電離空氣獲得溫度較高的等離子體，利用高能等離子體射流加熱風(fēng)粉混合物直接點(diǎn)燃煤粉，從而在不需要燃油的情況下達(dá)到無(wú)油點(diǎn)火及穩(wěn)燃的目的。

自2011年起，吳涇熱電廠8、9號(hào)鍋爐采用等離子點(diǎn)火技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了鍋爐點(diǎn)火零油耗，燃燒效率高于11、12號(hào)鍋爐采用的微油技術(shù)。

1 等離子點(diǎn)火系統(tǒng)

我國(guó)從20世紀(jì)70年代中期進(jìn)行等離子點(diǎn)火技術(shù)的研究。到目前為止，等離子點(diǎn)火作為以煤代油的新技術(shù)，已經(jīng)在全國(guó)新建燃煤機(jī)組上廣泛使用。吳涇熱電廠采用煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司的產(chǎn)品，將8、9號(hào)鍋爐A層4臺(tái)煤粉燃燒器，改為兼有等離子點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒功能的燃燒器。鍋爐在正常運(yùn)行時(shí)，該燃燒器具有主燃燒器功能，出力及燃燒工況基本上與原上海鍋爐廠設(shè)計(jì)的燃燒器指標(biāo)一致。

等離子發(fā)生器采用軸向插入式，將儀用壓縮空氣作為載體風(fēng)，采用閉冷水直接冷卻發(fā)生器的陰極和陽(yáng)極，獨(dú)立的火焰檢測(cè)影像系統(tǒng)，信號(hào)采用硬接線方式與DCS連接，并且利用DCS的操作員站實(shí)現(xiàn)等離子系統(tǒng)的監(jiān)控與操作。4臺(tái)等離子發(fā)生器電源控制柜，系8、9號(hào)兩臺(tái)鍋爐共用，可以相互切換。

2 等離子點(diǎn)火燃燒器

等離子點(diǎn)火的工作原理是直流電在一定介質(zhì)氣壓下引弧，在強(qiáng)磁場(chǎng)控制下獲得穩(wěn)定功率的定向流動(dòng)空氣等離子體，在點(diǎn)火燃燒器中形成大于4 000K的局部高溫火核，當(dāng)煤粉顆粒經(jīng)過(guò)時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)解析煤粉中的揮發(fā)分、破碎顆粒、加快燃燒，減少煤粉燃燒所需的引燃能量，如圖1所示。

圖1 等離子發(fā)生器工作原理

等離子發(fā)生器是點(diǎn)火系統(tǒng)的核心部件之一，用以提供穩(wěn)定、可靠、持續(xù)不斷的電弧，由穩(wěn)弧線圈、陰極和陽(yáng)級(jí)組成。在一定的輸出電流下，當(dāng)陰極前行與陽(yáng)極接觸后，整個(gè)系統(tǒng)具有抗短路的能力，而且電流恒定不變；當(dāng)陰極緩慢離開(kāi)陽(yáng)極時(shí)，電弧在線圈磁力的作用下拉出噴管。在電弧的作用下，具有30kPa左右的空氣被電離為高溫等離子體，進(jìn)入燃燒器為點(diǎn)燃煤粉創(chuàng)造條件。

3 等離子燃燒機(jī)理

由于高溫等離子體的有限能量不可能與大量的煤粉及風(fēng)速相匹配，所以設(shè)計(jì)了多級(jí)燃燒器，應(yīng)用多級(jí)放大的原理，使系統(tǒng)的風(fēng)粉濃度、氣流速度等參數(shù)，始終處于一個(gè)有利于點(diǎn)火的工況條件，從而完成一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的點(diǎn)火及燃燒過(guò)程。

點(diǎn)火燃燒器分4個(gè)區(qū)域。

第一區(qū)為初期燃燒區(qū)，設(shè)計(jì)出力為500～800kg／h，噴口溫度不低于1 200℃，采用第一級(jí)氣膜冷卻技術(shù)，避免煤粉貼壁流動(dòng)及掛焦，解決燃燒器的燒蝕問(wèn)題。

第二區(qū)為混合燃燒區(qū)，應(yīng)用環(huán)形濃淡燃燒器，將淡粉流貼壁而濃粉摻入主點(diǎn)火燃燒器燃燒，既有利于混合段的點(diǎn)火，又冷卻了混合段的壁面。

3)航道長(zhǎng)度是航道的固有屬性，對(duì)于不同長(zhǎng)度的航道，船舶通過(guò)航道的時(shí)間不同，而船舶減速過(guò)程實(shí)際上是船舶速度差異性隨通航時(shí)間的累積過(guò)程，這一過(guò)程對(duì)航道長(zhǎng)度具有明顯的依賴性，航道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，船舶減速的可能性會(huì)提升。

第三區(qū)為強(qiáng)化燃燒區(qū)，煤粉在第一區(qū)和第二區(qū)的揮發(fā)分基本燃盡。為了進(jìn)一步提高疏松炭的燃盡率，采取提前補(bǔ)氧強(qiáng)化燃燒措施，提高第三區(qū)內(nèi)的熱焓及拉弧初速，達(dá)到加大火焰長(zhǎng)度，提高燃盡度的目的。

第四區(qū)為燃盡燃燒區(qū)，隨著火焰長(zhǎng)度的加大、煙溫的提升，燃盡率也逐漸加大。

4 等離子點(diǎn)火運(yùn)行

在“上大壓小”的形勢(shì)下，吳涇熱電廠8、9號(hào)機(jī)組經(jīng)過(guò)設(shè)備改造，于2010年投入商業(yè)運(yùn)行。鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的Π型亞臨界循環(huán)鍋爐，蒸發(fā)量為1 125t／h，設(shè)計(jì)煤種為神木煤，揮發(fā)分為32.96%，低位發(fā)熱量為22.12MJ／kg，配置5臺(tái)HP863中速磨煤機(jī)，在A磨煤機(jī)設(shè)置等離子點(diǎn)火裝置和輕油點(diǎn)火系統(tǒng)。機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)由等離子點(diǎn)火。在點(diǎn)火初期，由于磨煤機(jī)出口溫度較低，著火困難、煤粉燃盡率低，存在尾部煙道二次燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)和不斷完善，取得了較好的以煤代油、無(wú)油啟動(dòng)的點(diǎn)火效果。

1）在原煤倉(cāng)進(jìn)煤時(shí)，要選擇揮發(fā)分高、水分低的優(yōu)質(zhì)煤，便于啟動(dòng)點(diǎn)火時(shí)煤粉迅速被點(diǎn)燃。為了防止?fàn)t內(nèi)發(fā)生爆燃，必須先啟動(dòng)等離子，再給A磨煤機(jī)通風(fēng)，通風(fēng)前等離子運(yùn)行時(shí)間不得超過(guò)10min。要提前對(duì)暖風(fēng)器進(jìn)行暖管和疏水，加熱的輔汽溫度約在350℃，暖風(fēng)器投用時(shí)熱一次風(fēng)溫要達(dá)到設(shè)計(jì)值140℃，初期A磨煤機(jī)出口風(fēng)溫應(yīng)維持在70℃左右。

2）當(dāng)A磨煤機(jī)出口風(fēng)溫超過(guò)70℃時(shí)，將進(jìn)口風(fēng)量提高到50t／h，風(fēng)壓保持在5～5.5kPa，然后啟動(dòng)給煤機(jī)并調(diào)整給煤量為15t／h，待1～2min，當(dāng)煤粉濃度達(dá)到一定比例時(shí)，監(jiān)視等離子火檢屏點(diǎn)著火。著火穩(wěn)定后，按照升溫、升壓曲線的要求，逐漸減少煤粉量。隨著煤粉著火后煙溫的升高，磨煤機(jī)出口風(fēng)溫也會(huì)逐步升高。

3）通過(guò)調(diào)整磨煤機(jī)出口折向門來(lái)調(diào)整煤粉細(xì)度。一般A磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度要調(diào)得細(xì)一些，便于煤粉干燥和著火（校核煤種的煤粉細(xì)度R90＝18.38%，考慮到實(shí)際煤種的變化，可以將細(xì)度適當(dāng)放細(xì)些）。

4）降低A磨煤機(jī)出口一次風(fēng)速，使煤粉氣流在等離子燃燒器的高溫區(qū)停留時(shí)間延長(zhǎng)，便于煤粉中揮發(fā)分的析出和燃燒。初始點(diǎn)火時(shí)一次風(fēng)速控制在20m／s以下，等離子投運(yùn)階段一次風(fēng)速不宜超過(guò)30m／s，在煤質(zhì)允許的情況下一次風(fēng)速控制在25m／s為最佳，這是通過(guò)試驗(yàn)得出的。

8號(hào)爐在給煤機(jī)轉(zhuǎn)速為450r／min時(shí)保持煤粉濃度，通過(guò)1號(hào)角燃燒器進(jìn)行煤粉濃度對(duì)著火特性的影響試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 煤粉濃度對(duì)著火特性的影響

8號(hào)爐在二次風(fēng)擋板開(kāi)度基本不變的工況下，通過(guò)1號(hào)角燃燒器進(jìn)行一次風(fēng)對(duì)著火特性的影響試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 一次風(fēng)對(duì)著火特性的影響

由圖3可以看出，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)一次風(fēng)速在22～23m／s時(shí)火焰溫度最高，而熱態(tài)是在24m／s左右，在此一次風(fēng)速下，煤粉氣流的著火和燃燒穩(wěn)定性為最好，火焰明亮，可以定為最佳風(fēng)速。

5）合理配置一次風(fēng)和二次風(fēng)。由于開(kāi)始點(diǎn)火階段二次風(fēng)溫較低，如果將A磨煤機(jī)相鄰的二次風(fēng)門開(kāi)得過(guò)大，不但不利于煤粉著火，反而會(huì)使燃燒變差，這是通過(guò)試驗(yàn)得出的。

8號(hào)爐在保持拉弧功率、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速為450r／min、一次風(fēng)速為22m／s、總風(fēng)壓為3.5kPa工況下，改變二次風(fēng)擋板開(kāi)度，測(cè)量冷態(tài)啟動(dòng)和溫態(tài)啟動(dòng)工況下的火焰溫度，如圖4所示。

圖4 火焰溫度與二次風(fēng)擋板開(kāi)度的關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，二次風(fēng)擋板開(kāi)度不宜太大。這是因?yàn)橄噜弻佣物L(fēng)溫較低，如果開(kāi)大二次風(fēng)門，會(huì)使火焰溫度降低。試驗(yàn)結(jié)果為二次風(fēng)擋板開(kāi)度在20%～30%比較合適。矛盾的是，隨著爐膛溫度的升高，為了防止結(jié)焦和縮短電極壽命，應(yīng)該處理好火焰溫度與二次風(fēng)擋板開(kāi)度的關(guān)系，逐漸開(kāi)大相鄰的二次風(fēng)擋板開(kāi)度。

6）由于點(diǎn)火時(shí)總風(fēng)量在30%～40%，煤粉的燃盡率較低，部分未燃盡的煤粉會(huì)沉積在尾部煙道，隨著煙氣溫度升高，有可能發(fā)生二次燃燒，特別是在空氣預(yù)熱器處。有效的做法是在點(diǎn)火后對(duì)空氣預(yù)熱器連續(xù)吹灰，減少空氣預(yù)熱器內(nèi)部積灰和二次燃燒，同時(shí)在省煤器下放灰斗處，及時(shí)放掉未燃盡的煤粉，防止煙氣溫度升高后煤粉自燃。

7）做好等離子設(shè)備的日常維護(hù)工作。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間及時(shí)更換等離子陰極和陽(yáng)極，并在啟動(dòng)前進(jìn)行試?yán)?，避免因等離子斷弧致使大量煤粉直接吹入爐膛。等離子陰極壽命一般為100h，陽(yáng)極壽命一般為400h。當(dāng)陰極運(yùn)行至80h、陽(yáng)極運(yùn)行至350h時(shí)，點(diǎn)火前應(yīng)該對(duì)等離子陰極和陽(yáng)極進(jìn)行檢查，根據(jù)使用情況及時(shí)更換，防止等離子陰極和陽(yáng)極漏水，造成損壞燃燒器的事故發(fā)生。我廠陰極大多運(yùn)行80h就會(huì)被擊穿，為了便于檢查，采用關(guān)閉冷卻水閥門，就地查看冷卻水壓變化來(lái)判斷陰極是否被擊穿出現(xiàn)漏水。

8）由于A磨煤機(jī)配有等離子設(shè)備，不參與燃燒器火嘴的擺動(dòng)，同時(shí)也為了減少磨煤機(jī)的磨損，A磨煤機(jī)做備用，只在每周例行試驗(yàn)時(shí)運(yùn)行4h，而另外4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行帶滿負(fù)荷。

9）等離子設(shè)備投運(yùn)期間一定要嚴(yán)密監(jiān)視等離子壁溫，一旦發(fā)現(xiàn)等離子前壁溫或后壁溫超過(guò)400℃時(shí)，應(yīng)該及時(shí)采取降溫措施，包括降低A磨煤機(jī)出力、加大A磨煤機(jī)的入口風(fēng)量、降低等離子發(fā)生器的功率等。當(dāng)?shù)入x子前壁溫或后壁溫超過(guò)500℃時(shí)，應(yīng)該立即停運(yùn)等離子設(shè)備，檢查超溫原因。

5 運(yùn)行及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

吳涇熱電廠對(duì)等離子設(shè)備的日常運(yùn)行及維護(hù)工作極為重視，無(wú)論是鍋爐啟停，還是日常穩(wěn)燃運(yùn)行，都能確保等離子設(shè)備良好運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)燃油零消耗。

1）針對(duì)等離子設(shè)備容易出現(xiàn)的常見(jiàn)故障，實(shí)行檢修項(xiàng)目規(guī)范化。重點(diǎn)檢查陰極頭燒損和漏水情況；檢查陽(yáng)極瓷環(huán)安裝位置、清潔度、損壞面和漏水情況；清理陰極尾座接線面的氧化物；檢查陰極旋轉(zhuǎn)電機(jī)和齒輪組的損壞及清潔情況；進(jìn)入爐膛檢查等離子燃燒器內(nèi)壁的結(jié)焦及燒損情況。

2）在投運(yùn)等離子點(diǎn)火裝置前，必須對(duì)陰極和陽(yáng)極進(jìn)行檢查和清掃，并根據(jù)檢查情況及時(shí)修理或更換，避免在啟動(dòng)和并網(wǎng)過(guò)程中再去更換陰極，影響機(jī)組啟動(dòng)。

3）必須加強(qiáng)對(duì)冷卻水和壓縮空氣系統(tǒng)的泄漏檢查，包括管道、閥門、儀表、開(kāi)關(guān)等部件有無(wú)泄漏；冷卻水泵出口壓力為200～400kPa，水溫不高于40℃，而且回水暢通；等離子冷卻風(fēng)機(jī)和冷卻水泵要按規(guī)范要求檢查，做好預(yù)防性的檢查及試開(kāi)工作；冬季停爐后要停止冷卻水泵運(yùn)行，并且將系統(tǒng)內(nèi)的積水放盡。

4）利用檢修對(duì)磨煤機(jī)磨損情況做檢查，對(duì)一次風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，對(duì)燃燒器進(jìn)行檢修等。

6 結(jié)語(yǔ)

投運(yùn)等離子煤粉點(diǎn)火系統(tǒng)的好處是，電除塵器可以在鍋爐啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行期間正常投入，減少粉塵的排放，改善廠區(qū)周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量，帶來(lái)顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。吳涇熱電廠經(jīng)過(guò)技術(shù)改造和完善管理措施，實(shí)現(xiàn)了以煤代油、零油耗啟動(dòng)鍋爐，做到燃燒穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)等離子煤粉點(diǎn)火燃燒技術(shù)的應(yīng)用分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，證實(shí)了等離子煤粉點(diǎn)火燃燒技術(shù)在節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)、提高機(jī)組快速升負(fù)荷方面發(fā)揮了重要作用。以煤代油、零油耗啟動(dòng)鍋爐，單一燃料運(yùn)行，不但簡(jiǎn)化了點(diǎn)火系統(tǒng)，而且簡(jiǎn)化了運(yùn)行方式，是一項(xiàng)值得推廣的節(jié)能新技術(shù)。