等离子体点火助燃系统培训教材.doc
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1、等离子体点火助燃系统培训教材第一节 概述近年来,随着世界性的能源紧张,原油价格不断上涨,火力发电燃油愈来愈受到限制,因此锅炉点火和稳燃用油被做为一项重要的指标来考核。DLZ-200型等离子煤粉点火燃烧器,采用直流空气等离子体做为点火源,可点燃挥发份较低的(10%)贫煤,实现锅炉的冷态启动而不用一滴油,是火力发电厂点火和稳燃的首选设备,是目前燃油系统改造的最佳替代产品。采用等离子点火燃烧器,点火和稳燃与传统的燃油相比有以下几大优点:1) 经济:采用等离子点火运行和技术维护费仅是使用重油点火时费用的15%20%,对于新建电厂,可以节约上千万的初投资和试运行费用;2) 环保:由于点火时不燃用油品,减
2、少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染;另外,电厂采用单一燃料后,减少了油品的运输和储存环节,亦改善了电厂的环境。3) 高效:等离子体内含有大量化学活性的粒子,如原子(C、H、O)、原子团(OH、H2、O2)、离子(O2、H2、OH、O、H)和电子等,可加速热化学转换,促进燃料完全燃烧;4) 简单:电厂可以单一燃料运行,简化了系统,简化了运行方式;5)安全:取消炉前燃油系统,也自然避免了经常由于燃油系统造成的各种事故。等离子点火装置是利用直流电流在介质气压0.010.03MPa 的条件下接触引弧,并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体,该等离子体在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中形成温度T
3、5000K、温度梯度极大的高温区,煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用,并在3-10秒内迅速释放出挥发物,使煤粉颗粒破裂粉碎,从而迅速燃烧。目前,等离子点火及稳燃技术已成功应用于烟煤、褐煤和部分贫煤,机组容量等级在50MW 600MW;燃烧方式包括切向燃烧直流燃烧器和墙式燃烧旋流燃烧器;制粉系统类型包括各种类型磨煤机和各类制粉系统。采用等离子点火及稳燃装置,既可节省试运行中大量燃油费、降低基建投资,又可免去投产后改造的重复性投资。整个等离子系统由等离子燃烧器及其输粉系统、供电及控制系统、辅助系统组成,见图5-1-1 图5-1-1 单台等离子点火系统配置图第二节 等离子体点火煤粉燃烧器工作原
4、理一、点火机理本装置利用直流电流(280-350A)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T5000K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,使混合物组成的粒级发生了变化,因而使煤粉的燃烧速度加快,有助于加速煤粉的燃烧,这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量E(E等=1/6E油)。等离子体内含有大量化学活性的粒子,如原子(C、H、O)、原子团(OH、H2、O2)、离子(O2、H
5、2、OH、O、H)和电子等,可加速热化学转换,促进燃料完全燃烧,除此之外,等离子体对于煤粉的作用,可比通常情况下提高20% 80%的挥发份,即等离子体有再造挥发份的效应,这对于点燃低挥发份煤粉强化燃烧有特别的意义。二、等离子发生器工作原理本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。其中阴极材料采用高导电率的金属材料或非金属材料制成。阳极由高导电率、高导热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2000V的直流电压击穿能力,电源采用全波整流并具有恒流性能。其拉弧原理为:首先设定输出电流,当阴极3前进同阳极2接触后,整个系统具
6、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。一定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/cm2,为点燃不同的煤种创造了良好的条件。 图5-2-1 等离子发生器原理图三、燃烧机理根据高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配的原则设计了多级燃烧器。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条件,从而完成一个持续稳定的点火、燃烧过程。实验证明运用这一原理及设计方法使单个燃烧器的出力可以从2T/H扩达到10T/H。在建立一级点火燃烧过程中我们采用了将经过浓缩的煤粉
7、垂直送入等离子火炬中心区,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份的含量提高了80%,其点火延迟时间不大于1秒。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,该区称为第一区。第二区为混合燃烧区,在该区内一般采用“浓点浓”的原则,环形浓淡燃烧器的应用将淡粉流贴壁而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。这样做的结果既利于混合段的点火,又冷却了混合段的壁面。如果在特大流量条件还可采用多级点火。第三区为强化燃烧区,在一、二区
8、内挥发分基本燃烬,为提高疏松炭的燃烬率采用提前补氧强化燃烧措施,提前补氧的原因在于提高该区的热焓进而提高喷管的初速达到加大火焰长度提高燃尽度的目的,所采用的气膜冷却技术亦达到了避免结焦的目的。第四区为燃烬区,疏松碳的燃烬率,决定于火焰的长度,随烟气的温升燃烬率逐渐加大。图5-2-2 燃烧机理图四、等离子点火燃烧系统组成周界风等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器,与以往的煤粉燃烧器相比,等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃,并将火焰在燃烧器内逐级放大,属内燃型燃烧器,可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉,从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。中心筒撞
9、击式浓淡块I一次风IIIII风箱等离子发生器等离子弧图5-2-3 等离子燃烧器示意图如图5-2-3所示,等离子发生器产生稳定功率的直流空气等离子体,该等离子体在燃烧器的中心筒中形成T5000K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3-10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,也有助于加速煤粉的燃烧,这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量E(E等=1/6E油)。煤粉首先在中心筒中点燃,进入中心筒的粉量根据燃烧器的不同在500 800kg/h之间,这部分煤粉在中
10、心筒中稳定燃烧,并在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉的点火源,并以次逐级放大,最大可点燃12t/h的粉量。为了扩大燃烧器对一次风速的适应范围,等离子燃烧器的最后一级煤粉可不在燃烧室内燃烧而直接进入炉膛,因为煤粉燃烧后的热量使得空气体积迅速膨胀,受燃烧器内空间的限制,燃烧室内的风速会成倍提高,造成火焰扩散的速度小于煤粉的传播速度而使燃烧不稳,当采取前面所述措施后,有利于减小燃烧室内的风速,使燃烧稳定。实际的运行实践证明:采用最后一级煤粉进入炉膛内燃烧的结构,燃烧的稳定度大大提高,对风速的要求降低了30%,煤粉的燃烬度也大大提高。一次风最后一级煤粉热电偶无弯板时的高浓度煤粉位置有弯板时的高浓度煤粉
11、位置中心筒点火区煤粉的浓度影响煤粉的着火温度,在点火区适当提高煤粉浓度有利于点火。等离子燃烧器内通过采用撞击式浓缩块获得点火区的相对较高浓度。对于现场燃烧器前有弯头的锅炉,因弯头的离心浓淡作用及现场安装位置的限制,有可能会造成中心筒点火区的浓度降低,为了解决这个问题同时减小改造工作量,可在弯头内加入弯板或扭转板,改变进入点火区的浓度分布(如图5-2-4所示)。图5-2-4 扭转板示意图由于等离子燃烧器采用内燃方式,燃烧器的壁面要承受高温,因此加入了气膜冷却风,避免了火焰和壁面的直接接触 ,同时也避免了煤粉的贴壁流动及挂焦。为了减小燃烧器的尺寸,也可采取用一次风直接冷却的办法但须在燃烧器壁面上增
12、加壁温测点,以防止燃烧器因超温而被烧蚀。对温度的测量采用K分度凯装热电偶,热电偶的外径3mm,具有很好的挠性,可直接伸到炉外热电偶导管插入到测点,再用螺母固定到导管上,具有良好的可更换性。热电偶的测温范围为0800,燃烧器的长期壁温应控制在600以内,如果超温,可采取提高一次风速和降低一次风浓度的手段进行降温。等离子燃烧器的高温部分采用高温耐热铸钢,其余和煤粉接触部位采用高耐磨铸钢。和现场管路连接时须正确选用焊条型号。等离子燃烧器按功能可分为两类:1、仅作为点火燃烧器使用,这种等离子燃烧器用于代替原油燃烧器,起到启动锅炉和在低负荷助燃的作用。采用该种燃烧器需为其附加给粉系统,包括一次风管路及给
13、粉机;2、既作为点火燃烧器又作为主燃烧器使用,这种等离子燃烧器具有和1所述同样的功能,在锅炉正常运行时又可作为主燃烧器投入。五、 磨煤机二期工程锅炉安装的是烟台龙源公司研制生产的等离子煤粉点火燃烧器,选定A、B磨煤机作为点火用磨煤机。点火前,应调整其出力和细度至最佳状态,适当调整回粉门的开度、调整分离器开度,适当减小一次风量。风量的调整应满足一次风管的最低流速和允许的风环风速,还应适当调整碾磨压力。等离子燃烧器在锅炉点火启动初期,燃烧的煤粉浓度较好的适用范围在0.360.52kg/kg,最低不得低于0.3kg/kg。锅炉冷态启动初期,等离子燃烧器的一次风速保持在19m/s22m/s为宜。热态或
14、低负荷稳燃时,一次风速保持2428m/s为宜。六、 暖风器暖风器作为制粉用热风的来源,在一次风机出口安装暖风器的基础上在A侧冷风母管道上加装空气加热装置,将磨煤机入口风温加热至允许启磨温度。加热装置采用蒸汽加热器。第三节 等离子体点火器系统组成一、等离子发生器等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置,其主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件三大部分组成,还有支撑托架配合现场安装。等离子发生器设计寿命为58年。阳极组件与阴极组件包括用来形成电弧的两个金属电极阳极与阴极,在两电极间加稳定的大电流,将电极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体,其中带正电的离子流向电源负极形成电弧的阴极,带负电的离
15、子及电子流向电源的正极形成电弧的阳极。线圈通电产生强磁场,将等离子体压缩,并由压缩空气吹出阳极,形成可以利用的高温电弧。图5-3-1 等离子点火器外形图(1)阳极组件阳极组件由阳极、冷却水道、压缩空气通道及壳体等构成。阳极导电面为具有高导电性的金属材料铸成,采用水冷的方式冷却,连续工作时间大于500小时。为确保电弧能够尽可能多的拉出阳极以外,在阳极上加装压弧套。(2)阴极组件阴极组件由阴极头、外套管、内套管、驱动机构、进出水口、导电接头等构成,阴极为旋转结构的等离子发生器还需要加装一套旋转驱动机构。阴极头导电面为具有高导电性的金属材料铸成,采用水冷的方式冷却,连续工作时间大于50小时。(3)线
16、圈组件线圈组件由导电管绕成的线圈、绝缘材料、进出水接头、导电接头、壳体等构成。导电管内通水冷却,寿命为5年。二、等离子电气系统等离子发生器电源系统是用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置。其基本原理是通过三相全控桥式晶闸管整流电路,将三相交流电源变为稳定的直流电源,其由隔离变压器和电源柜两大部分组成。电源柜内主要有由六组大功率晶闸管组成的三相全控整流桥、大功率直流调速器6RA70、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。等离子电源系统用隔离变压器参数:额定电压:0.38/0.36KV额定功率:200KVA额定频率:50HZ相数:三相接线方式:/ Y冷却风式:自然冷却绝缘等级:F绝缘水平:AC3
17、/3温升:100K选用材料:30Q130冷轧有取向硅钢片、环氧树脂真空浇注.隔离变压器的主要作用是隔离。一次绕阻接成三角形,使3次谐波能够通过,减少高次谐波的影响;二次绕组接成星型,可得到零线,避免等离子发生器带电。三、等离子空气系统压缩空气是等离子电弧的介质,等离子电弧形成后,通过线圈形成的强磁场的作用压缩成为压缩电弧,需要压缩空气以一定的流速吹出阳极才能形成可利用的电弧。因此,等离子点火系统需要配备压缩空气系统,压缩空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。压缩空气由空压机经过滤装置储气罐出口母管的管道分别送到等离子点火装置,等离子点火装置上的压缩空气管道上设有压力表和一个压力开关,把压力满足信
18、号送回本燃烧器整流柜,入口的压缩空气压力要求不大于0.02MPa,每台等离子装置的压缩空气流量约为1.0Nm3/min -1.5Nm3/min。压缩空气系统中同时设计有备用吹扫空气管路,吹扫空气取自图像火检探头冷却风机出口母管,用于保证在锅炉高负荷运行、等离子点火器停用时点火器不受煤粉污染。图5-3-2 压缩空气系统图四、等离子冷却水系统等离子电弧形成后,弧柱温度一般在5000K到30000K范围,因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极必须通过水冷的方式来进行冷却,否则很快会被烧毁。为了保证良好的冷却效果,需要保证冷却水压力不低于0.3MPa,冷却水温度不能高于30。为减少冷却水对阳极和阴
19、极的腐蚀,采用除盐化学水作为冷却水。冷却水经母管分别送至等离子点火器,单个等离子点火器的冷却水用量约为10t/h,冷却水进入等离子装置后再分两路分别送入线圈和阳极,另一路进入阴极。回水采用无压回水,等离子点火器回水经母管流经换热器冷却后返回冷却水箱。等离子装置来水管道上设有手动调节阀,用于调整等离子点火器冷却水流量,同时安装有冷却水压力表、过滤器及压力开关,压力满足信号送回等离子整流柜。每台发生器来水管路装有压力开关,压力满足信号送至控制系统PLC,保证等离子点火燃烧器投入时冷却水不间断。图5-3-3 冷却水系统图五、监控系统为了确保等离子燃烧器的安全运行,在燃烧器的相应位置安装了监视壁面温度
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