转载--【辅机培训】等离子点火系统

一、等离子点火的基本原理

1、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－、H2－、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。

2、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。

3、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℃。另外我们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（1998年获专利）。

第四区为燃尽区，疏松碳的燃尽率，决定于火焰的长度。随烟气的温升燃尽率逐渐加大。

二、等离子点火的系统构成

图-1等离子点火系统构成图

1、等离子发生器：产生稳定、可控形态的高能等离子体。

（1）、等离子体

图-2 等离子体原理图

等离子体被定义为除固、液、气三态之外的第四态物质存在形式，对外为中性，而在等离子体内含有大量阴阳离子，形成温度T＞5000K的，温度梯度极大的局部高温区。

（2）、等离子发生器

图-3 等离子发生器

等离子发生器是利用直流电在介质气体中接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体的设备；使等离子弧处于受控状态的装置就是等离子发生器。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5～8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。

2、等离子燃烧器：稳定、高效地组织煤粉燃烧。

图-4 等离子燃烧器

图-4 等离子燃烧器示意图

如图-4 等离子燃烧器示意图所示，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）。除此之外，等离子体有再造挥发份的效应，这对于点燃贫煤强化燃烧有特别的意义。

3、直流电源柜：将低压交流电源转换为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。

4、图像火检探头：监视等离子燃烧器的燃烧状况。将煤粉燃烧器的火焰直观的显示给运行人员将对锅炉的安全运行及燃烧调整有极大的帮助。

5、监控部分：监测并操作系统的运行。

（1）、壁温测量：

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的热电偶。热电偶的安装位置是根据数台等离子燃烧器的工业应用情况和燃烧器工作状态下的温度场确定的。

（2）、风粉在线检测：

为了在等离子燃烧器运行时能够监测一次风速，控制一次风速在设计范围，在一次风管加装一次风速测量系统。

6、等离子空气系统：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，等离子点火系统的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，有厂单独设置等离子风机供给。具体方案如下：

（1）、 压缩空气有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。

（2）、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，把压力满足信号送回本燃烧器整流柜。

（3）、等离子点火装置入口的压缩空气压力要求在0.02Mpa左右，每台等离子装置的压缩空气流量约为1.0NM3/min -1.5NM3/min。

（4）、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压缩空气系统图

7、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10000K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。通过大量实验总结出为保证好的冷却效果，需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极，因此需要保证冷却水不低于0.3MP的压力。另外，冷却水温度不能高于30℃，否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，要采用电厂的除盐化学水。具体方案如下：

（1）、冷却水系统采用闭式循环系统。系统材质均为不锈钢。

（2）、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（出口为大气压），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（CCS），压力满足信号送回本等离子整流柜。

（3）、每台发生器来水管路装有压力开关，压力满足信号送至整流柜PLC，保证等离子点火燃烧器投入时冷却水不间断。

（4）、对于两台炉公用冷却水系统，回水分管道加装截止阀。

图-6 冷却水系统图

8、操作界面：

以DCS方式操作另设等离子点火燃烧器的画面：

图-7 等离子点火操作主画面

图-8 等离子点火装置设备状态画面

三、等离子点火应用要点

1、在启动过程：稳定、高效地点燃，确保启动过程的安全。

2、在正常运行中：确保原主燃烧器的基本性能不变，使等离子燃烧器能满足正常运行的要求。

3、要以系统工程的观点来研究等离子点火技术。

4、有效地监控和保护。

四、无油点火的可行性和启动

1、无油点火的基本条件

（1）、符合防爆规程的要求：不发生炉膛爆破、二次燃烧，确保等离子发生器和等离子燃烧器的安全、各项参数的合理控制，是确保启动安全的基础。

（2）、解决煤粉的来源-热风来源：关键是解决热风来源，即保证必要的蒸汽参数。在保证辅汽母管压力在0.8MPａ、温度260度以上时，采用暖风器可实现磨煤机初始暖磨及磨煤机正常运行时维持磨出口温度在50～60℃，此时锅炉燃烧稳定。

（3）、满足启动曲线的要求：控制初始投入功率－磨煤机最低出力。

（4）、等离子燃烧器的出力,能满足安全投入第二台磨的要求。

2、 锅炉无油启动（等离子点火）提前准备工作：

（1）、提前6-8小时投入暖风器暖管。

（2）、根据点火煤质可适当调整B磨折向挡板,降低煤粉细度。

（3）、等离子试拉正常(拉弧稳定,电流稳定)。

（4）、磨煤机、送、引风机油系统加热投入,各油泵开启,引风机轴冷风机投入。

（5）、炉前油系统循环起来(各油枪手动油角阀保持关闭)。

（6）、锅炉上水,换水完成,各炉水泵点动完毕，水位维持略高于正常水位。

（7）、B煤仓下煤口放煤至B给煤机入口。

3、等离子点火启动操作:

（1）、启火检风机、空预器及单侧送、引风机。

（2）、启动备用炉水泵。

（3）、调整锅炉风量在40－45%。

（4）、投入FSSS吹扫（炉膛压力保护投入，汽包水位、主汽门关闭保护不投）。

（5）、打开就地油角阀。

（6）、吹扫完成，让热控送任意一层火检。

（7）、点燃一只油枪后立即关闭（防止再吹扫保护动作），等离子拉弧(投正常模式)

（8）、启一次风机、密封风机。

（9）、全开辅联至暖风器之间的阀门，暖风器疏水门全开（不要走疏水器，管道疏水关闭）。

（10）、缓慢提高一次风机出口压力（建议不大于4KPa），对B磨暖磨，风量不要太大，磨中可能有余粉。

（11）、暖磨结束（建议出口温度大于80度）。

（12）、启B磨煤机前联系热控闭锁“失去燃料”保护。

（13）、可启B磨煤机，启B给煤机，就地派人看火，B给煤机启动后快速加煤量到11吨（煤量太低也不利于着火），控制B磨出口风速不要太高（最好在20－25m/s），B磨上下的辅助风开度不要太大（30－50％），燃料风开度也不要太大（0－20％，初期最好不开）。

（14）、在B磨煤机出粉后,等离子电视若看不到亮光或就地也看不到煤粉着火,应迅速停止B给煤机(FSSS不会动作 ,因为失去燃料已闭锁),进行通风吹扫B磨煤机

（15）、在充分的通风后,重新调整(再次降低一次风速,提高B磨出口温度,加大等离子电流等),可再次启动B给煤机。

（16）、若着火正常后,待烟温起来后,可适当提高一次风速,开大燃料风。

（17）、根据汇合集箱壁温的上升速度,控制给煤量。

（18）、若正常着火后,出现等离子断弧,应迅速投入相应的油枪助燃。

（19）、加强对等离子壁温及燃烧器的监视和检查。

五、等离子发生器常见故障及排除

不能正常引弧、经常断弧

1. 阳极污染不导电；

2. 阳极漏水；

3. 电子发射枪枪头污染或损坏；

4. 电子发射枪枪头漏水；

5. 风压过高

6. 引弧电机拒动；

7. 功率组件故障；

8. 控制电源失去。

清理阳极

更换阳极，更换密封垫；

清理或更换枪头；

更换枪头、更换密封垫；

调整空气压力至0.03Mpa ～ 0.06Mpa

检查电机接线，检查电机是否损坏；

检查可能损失的元件并进行更换；

更换保险丝。

功率波动 大、易断弧

1. 阳极轻度污染；

2. 电子发射枪头烧损，形状不规则；电子发射枪头污染

3. 风压波动大；

3. 阳极渗水；

5. 电子枪头渗水。

6.瓷环松动

清理阳极

更换枪头，清理枪头

检查风压系统；

更换密封垫；

检查枪头是否松动，如松动用专用工具拧紧。更换枪头

检查瓷环位置、检查卡簧及套筒是否损坏

启弧时阴、阳极接触没有反馈信号

1. 启弧电机损坏

2. 瓷环脱落或损坏

3. 阴极、阳极污染严重

4. 阴极导管变形

5. 电源柜整流元件V11损坏

6. 继电器K11损坏

检查电机

检查瓷环、更换瓷环

清理阴极、阳极

修理或更换阴极导管

更换元件V11

更换继电器K11