1、等离子点火燃烧系统技术改造方案一、 1炉相关设备概况 1、锅炉概况：该炉为上海锅炉厂生产的SG102518.24M848型亚临界一次中间再热自然循环锅炉，单炉膛切向燃烧，平衡通风，露天布置，固体排渣。设计煤种为韩城贫煤，校核煤种为黄陵烟煤丰城烟煤。主要技术参数如下：额定蒸发量 1025t/h主蒸汽温度541主蒸汽压力 18.22MPa给水温度278排烟温度138.8燃料耗量134.56t/h锅炉效率 91.85%锅炉燃烧室燃烧器为四角切园布置，每角17层，其中二次风六层、油风室三层、一次风六层、顶部燃尽风二层。燃煤特性：项目单位设计煤种校核煤种A校核煤种B应用基碳56.2366.4745.792、应用基氢2.774.223.05应用基氧3.687.902.40应用基氮0.950.971.01应用基硫0.980.491.50应用基水份8.985.0410.02分析基水份1.070.550.57应用基灰份26.4114.9336.23可燃基挥发份18.3436.0922.83应用基低位发热量Kcal/kg511161084375可磨性系数（哈氏）9948.389灰变形温度t1150011601500灰变形温度t2150012101500灰变形温度t3150011901500 燃油特性油质： 0号轻柴油低位发热量： 42000kJ/kg燃烧器主要参数风比（）风速（m/s）风温（）一次风2523、5705二次风7145347周界风和顶部燃尽风各占15二次风量周界出口风速：40m/s油枪主要参数出力：1004500kg/h 雾化角：601002、制粉系统为中储式、乏气送粉。钢球磨（4MZ3560）出力48.1t/h（R90=13%）一台磨带1层半6只喷嘴。给粉机（24TGF-9）出力：39t/h。送风机全压：3186Pa。二、 等离子点火技术基本原理1、点火机理 本装置利用直流电流（大于200A）在介质气压大于0.02 Mpa的条件下接触拉开引弧，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4、核”受到高温作用，很快受热，在0.001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，煤粉颗粒的受热速度加快，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）。同时，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，这对于点燃贫煤强化燃5、烧有特别的意义。2、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6T/H甚至更高。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500-806、0kg/h，其喷口温度不低于1200。另外我们利用了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7、，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。三、 等离子点火燃烧系统设计方案1#炉采用的等离子点火燃烧系统由等离子发生器、燃烧器、直流供电系统、控制系统、冷却水系统、压缩空气系统、图像火检系统、风粉监测系统等构成。整流变压器直流电源柜控制柜#1CRT控制系统数据总线一次风等离子发生器冷却水等离子燃烧器DLZ-1载体风1、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8、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。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。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。阴极头为损耗件，导电面为具有高导电性的金属材料铸成，采用水冷的9、方式冷却，连续工作时间大于50小时，更换方便，成本低廉。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。等离子发生器外形图2、等离子点火燃烧器改造将四只等离子点火燃烧器分别安装替换原一层1#4#角煤粉主燃烧器上，直接由相应的主一次风管来粉。在燃烧器的设计时重点考虑了如下几个问题：A:由于直接改在主燃烧器上，应保证等离子点火燃烧器出力在高负荷工况下与原主燃烧器设计出力基本一致。从运行的调整、炉膛热负荷的分配、防止超温等方面考虑，可以满足在高负荷工况，等离子发生器不投运的情况下，等离子燃烧器的出力与原燃烧器的出力基本一致。B:保证锅炉在冷态启动时煤粉能比较容易地被点燃。根据10、现场燃烧器的位置及等离子点火燃烧器在其它工程应用经验，在距燃烧器喷口一定位置处，以12的倾角，等离子发生器斜插入燃烧器内。C:确保燃烧器喷口不结焦。燃烧器采用多级燃烧方式，确保煤粉的充分燃烧；燃烧器内有气膜冷却，预防结焦和烧损。 表1 等离子点火燃烧器主要设计参数名称单位结果备注一次风管风速m/s24.0一次风温20按冬季计算煤粉浓度kg/kg0.35燃烧器阻力Pa1000周界风风速m/s403、直流供电及控制系统（1）直流供电通过厂内原有AC6KV备用间隔提供一路800KVA（1台炉）电源，增加一台AC800KVA干式变压器、四面低压配电柜，接至四台隔离变压器(如下外形图)、整流柜，输出的直11、流电送至就地等离子发生器，以产生等离子电弧。干式变压器、低压配电柜、隔离变压器、整流柜布置在两台机组中间6.3米B、C间。整流柜内功率组件采用三相全桥可控硅晶闸管整流功率组件，晶闸管采用美国进口芯片，全桥可控硅整流方式整流效率高，技术成熟，保证了电源长期工作的可靠性。直流控制器采用西门子公司生产的6RA70系列全数字控制整流装置。该装置可以作为整流和等离子发生器的引弧控制接口、水流、气压保护接口，并且与其他计算机实现总线式的数字通讯。（2）控制系统 方案一、直接纳入DCS系统控制，整流柜、风机、水泵的控制采用硬接线进入DCS系统。具体I/O清单见附表。方案二、系统控制主机采用西门子S7-30012、可编程控制器为核心，S7-300与各电源柜之间为数据通讯，集控室内操作界面采用工业液晶显示屏设置参数、功能。保护报警信号锅炉MFT、给粉机跳闸（4点）、等离子点火器运行正常（4点）、运行故障、等离子点燃烧器超温，S7-300通过硬接线进入DCS。 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：AC3/3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13、星型，可得到零线，避免等离子发生器带电。电源柜外形尺寸及安装尺寸如下图所视：电源柜为前后开门结构。前门上方安装有三块表从左到右分别为系统实际电压表、系统实际电流表、系统给定电流表，下方为排气孔。电源柜技术参数如下：额定输入电压(1)： 3AC400(+15%/-20%)额定输入电流： 332A额定频率： 45-65HZ额定直流输出电压： 485V额定直流输出电流： 400A过载能力： 180%额定输出功率： 194KW额定直流电流下的功耗：1328W电子电路电源额定供电电压： 2AC380(-25%) 460(+15%); In=1A或1AC190(-25%) 230(+15%); In=2A14、(-35% 1 分钟)冷却风扇额定电压： 3AC400( 15%) 50HZ额定电流： 0.3A额定流量： 570m3/h噪音等级： 73dBA运行环境温度： 040(2) 强迫风冷存储和运输温度： -25+70安装海拔高度： 额定直流电流下1000M (3)环境等级（DIN IEC 721-3-3） ：3K3防护等级(DIN 40050 IEC144)：IP00说明： (1) 电源柜进线电压可低于额定电压（由参数P078设置，400V装置可用于85V输入电压）。输出电压也相应降低。(2) 指定的直流输出电压，在进线电压低于5%（额定输入电压）时也能达到。(3) 负载系数K1(直流电流)同冷却15、温度有关。(4) 负载系数K2与安装高度有关。(5) 总的衰减系数K=K1K2。电源柜正面视图如图3.7所示，电源柜后视图如下图所示。电源柜正面图 电源柜后视图其中主要部件为： 冷却风机:用来冷却柜内控制元件。 整流装置。 熔断器：电流过载保护。 电源开关：控制电源柜内冷却风机的启停。 电源开关：电源柜控制电源。 端子排：电源柜与外部设备的接口。 直流控制器6RA70。 直流平波电抗器。控制变压器：将柜内交流380V电源转变成交流220V电源供控制回路使用。 直流24V电源：用于电极的接触检测。V1-V6六个晶闸管（KP1000A/1200V）接成三相全控整流桥。三相桥式全控整流电路为三相半波16、共阴极组与共阳极组的串联，因此整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极的，另一个晶闸管是共阳极的，所以必须对两组中要导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。可采用两种办法：一种是给每个触发脉冲的宽度大于60（一般取80100），称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于60的宽脉冲，称双脉冲触发。等离子电源柜采用的是双脉冲触发方式。整流原理图 电源柜接线原理图SIEMENS大功率直流调速装置6RA70是给直流调速电机配备的调速器，其内部有两套整流电路分别用于电机电枢回路和电机的励磁回路。电机电枢回路17、采用的是三相全控桥式整流电路，励磁回路采用的是单向全控桥式整流电路。等离子电源柜正是采用6RA70的电枢回路来提供稳定的直流电源。直流平波电抗器，由于DLZ-200型等离子发生器是直流接触引弧，因此在启动阶段电源要工作在低电压（020V），大电流（260300A）的短路状态，这对功率组件是极其不利的。同时，由于等离子发生器在引弧瞬间会产生强烈的冲击负荷，即使是在正常工作情况下，由于电弧在阴极和阳极之间旋转产生电压跳变，也要求电源要有极强的恒流能力。这就要求平波电抗器要有足够的感抗。从平波的角度讲当然是电感量越大越好，但是一味的增加电感抗，不仅会增加设备的成本，同时由于其尺寸过于庞大而不利于设备18、的推广使用。因此，在电抗容量设计上，通过大量实验工作最后定为500A，2.1MH的电抗器，其平波效果较为理想。选用S7-200 CPU224 可编程控制器来对直流电源和电极动作进行控制，实现等离子点火器的自动点火。具体方案如下：使用USS协议通过CPU224上的通讯口PORT0与6RA70的通讯口X172之间的进行数据交换，以完成对主电路的操作控制和各类状态信息的读出和条件判断等，实现直流电源的控制。电极控制信号及点火必须的压缩空气压力、冷却水压力等信号直接接入CPU224固有的开关量输入输出。通过CPU224内部的逻辑运算，实现点火装置的自动控制。按等离子发生器工作的特点和要求编制的控制程序19、保证了点火过程可顺利地进行，并对点火工作过程各装置提供了有效的监控和保护。根据系统要求启动等离子点火装置要分遥控/本控两种方式。在本控操作时，通过电气操作柜对直流电流和阴极位置可以随时进行必要的调整，以适应不同煤种和工况条件下的点火参数需求。4、冷却水系统 为保护等离子发生器本身，需用水冷却阴、阳极及线圈，；冷却水为除盐化学水，系统压力保持在0.20.5Mpa之间，水温40，单台设备用水量约8T/H，共计32t/h。可利用厂闭式冷却水供水母管作为水源，通过管道水泵（流量40t/h、扬程50m）升压至等离子发生器，回水至闭式冷却水回水母管，每台发生器来水管路装有压力开关，压力满足信号送至电源控制20、柜，保证等离子点火燃烧器投入时冷却水不间断。冷却水管道泵布置在锅炉零米。冷却水系统图5、载体空气系统载体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，需要载体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载体空气系统，载体空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。具体实现方案如下：等离子载体风选用高压离心风机系统，既用于为等离子发生器提供载体又为4路图象火检探头提供冷却风。高压离心风机布置在锅炉运转层原火检冷却风机附近。 等离子载体风及图像火检冷却风系统图6、一、二次风系统一次风系统应能连续、均匀地给等离子点火燃烧器提供煤粉，不应21、出现积粉和断粉现象。由于本次改造在最下层主燃烧器上进行，仍利用原有的煤粉管道，保证风速在1830m/s之间连续可调，使煤粉浓度在0.250.55Kg/Kg范围内。等离子燃烧器在二次大风箱内，作为其周界风。周界风的目的是既保证煤粉燃烧充分，又保护燃烧器不被烧坏。7、图像火检系统采用图像火检系统监视等离子点火燃烧器的火焰。四套点火燃烧器分别安装一只带CCD摄像机的火检探头，其视频信号送至集控室内四画面分割器，经处理后再送至工业电视，工业电视可同时监视四套等离子点火燃烧器的火焰。火检探头采用军用CCD直接摄取煤粉燃烧的火焰图像，图像清晰，不失真。为使CCD避开炉内高温，每只探头均采用长工作距监测镜头22、。探头外层加装了隔热机构，有效组断二次风传导热及炉膛辐射热。探头前部采用特种耐温玻璃能抗1500熔融灰渣对镜面的冲刷，镜面长期光滑无损。每只探头均需通入冷却风，一方面冷却CCD和镜头，另一方面冷却风通过探头组合弧形冷却风喷射机构，可避免飞灰、焦块污染镜头。探头风阻：进口风质P1=2000Pa时，冷却风Q=64 Nm3/h探头外径：69mmCCD工作电压：U=12V/DC输出信号：标准Pal制式视频信号在冷却风正常工作情况下耐温1200火检探头的冷却风由高压离心风机提供=风。8、风粉监测系统对于煤粉锅炉，均衡各燃烧器的出力，合理配置燃烧器喷口的煤粉浓度和出口速度是锅炉安全、经济运行的重要条件和保23、证。风粉监测系统为运行中及时有效地进行燃烧调整提供条件和依据，电厂已具有测风速功能，不需再增加风粉在线测量系统。9、燃烧器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。安装位置如下图所示。热电偶的型号主要为K分度或铠装热电偶。壁温测量10、 等离子点火相关设备热工联锁及定值等离子发生器启弧联锁条件PLC与电源控制柜间的通讯正常冷却水压力0.15Mpa压缩空气压力0.10bar启动命令发出等离子发生器启弧等离子发生器断弧保护PLC与电源控制柜间的通讯异常冷却水压力0.1524、Mpa压缩空气压力0.05bar停止命令发出等离子发生器断弧给粉机启动条件等离子“点火状态”投入等离子发生器电弧正常给粉机启动命令发出给粉机启动 A:等离子“助燃状态”投入给粉机启动命令发出给粉机启动B:给粉机跳闸保护等离子“点火状态投入等离子发生器断弧给粉机跳闸 A: B:4台相应给粉机跳闸4台相应一次风门全关MFT四、 生产及安装1、等离子燃烧系统设计、生产周期为3个月。2、安装可安排在电厂小修、中修或大修。五、 投资预算六、 效益预测1、炉热备用状态启动：直接投入等离子点火燃烧系统，实现无油点火。2、锅炉冷备用状态启动：先采用油枪点火，达到投粉条件，启动等离子点火燃烧系统，停油枪。按一般25、情况300MW机组每次启动只须6t油即可。如具备邻炉送粉条件，可实现无油点火启动。3、低负荷稳燃：直接投入等离子点火燃烧系统，实现无油稳燃。4、成本核算（按每小时计）：电耗4100kw0.3元kw.h120元h 阴极头损耗：4500元50h40元h 煤粉：8t/h300元t2400元/h（按平均每小时耗油4 t，煤热值为油的1/2） 制粉成本：8th20元t160元h 等离子点火燃烧系统成本共计：2720元油成本：4t/h3000元t12000元/h5、效益核算：等离子点火燃烧系统成本只占油成本：27201200023 按2002年，两台炉耗油2385t，平均1台炉1192.5t,若冷态启炉2次，耗油26t12t。 如使用等离子点火燃烧系统节省的费用为： （1192.5t12t）3000元/t(1-23%)273万元七、 其他效益采用等离子点火燃烧系统实施以煤代油的技术改造，可以节省高品位能源，对于煤多油少的我国能源结构来说具有战略意义，不仅有经济效益，社会效益也非常显著。由于无油点火时可投电除尘器，克服了燃油点火时冒黑烟造成的环境污染，改善了环境条件。