交流等离子点火技术在燃煤锅炉上的应用

索玉明，秦成果，王 彪

(1.北方联合电力海勃湾发电厂，内蒙古 乌海 016034；2.内蒙古电力科学研究院分公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

华能北方联合电力海勃湾发电厂4号机组采用N210-12.75-535/535型、三缸、冲动式汽轮机，锅炉为HG-670/13.7-YM11型、超高压、一次中间再热、自然循环、固态排渣煤粉炉，采用钢球磨煤机中间储仓式制粉系统，乏气送粉，有16只煤粉燃烧器，配有16台给粉机，四角切圆燃烧。8支气动点火油枪分两层布置在炉膛四角，单支油枪出力1.5 t/h。4号机组于2003年投产，统计历次冷态启动平均用油35 t左右。经交流等离子点火技术改造后，冷态点火用油在8 t以下，其中一次冷态启动仅用油3.8 t，创造了电厂运行以来机组点火用油最少的记录。

1 交流等离子点火技术原理

交流等离子点火的技术原理是，利用250～600 A交流电流在0.35～0.5 MPa介质气压的条件下无接触引弧，并在强磁场下获得稳定功率的交流空气等离子体，该交流等离子枪在出口处形成离子火焰中心温度大于4 000 K的、梯度极大的局部高温区。煤粉颗粒通过该等离子“火核”时，受到高温作用，可在3～10 s内迅速释放出挥发物，使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行的，混合物组分的粒级发生了变化，从而加快了煤粉的燃烧速度。每个交流等离子燃烧器采用3支交流等离子枪对煤粉进行3次高温加热，使煤粉的加热时间增加了3倍，从而加速了煤粉的燃烧，减少了煤粉燃烧所需的引燃能量。

交流等离子拉弧过程是：

(1) 在冷却水压满足要求，且载体风高速切向进入电弧室内形成中心压力低、外围压力高的动力场的情况下，启动合闸；

(2) 合闸后，电压经高频引弧装置转换后在等离子枪前后极之间产生20 000 V、2 000 Hz的窄波电压，此电压击穿前后极1.4 mm间距，形成稳定的工作电弧，温度达到5 000～10 000 ℃；

(3) 工作电弧在电弧室内空气动力场的作用下，向空气压力最低的管中心运动，从起弧时的前后电极端面位置移动到管状电极的内壁，同时在压缩空气的强烈旋转带动下，电弧弧根随着压缩空气一起旋转，最终形成旋转式管状电弧；

(4) 作为载体风的压缩空气流经该高温电弧时，发生电离，形成明亮的等离子气体，从等离子枪前部喷出，见图1。

2 应用情况

电厂4号锅炉应用了交流等离子点火技术，将炉四角下层原燃烧器改造成交流等离子三级燃烧器，每个燃烧器配备3支等离子枪，每支枪有载体风系统、水冷系统、风冷系统。载体风系统使用仪用压缩空气，水冷系统用来冷却等离子枪的前后极，风冷系统用来吹扫和冷却等离子发生器。燃烧器前端装有温度测点，用来监视燃烧器的壁温。每个燃烧器配置有火焰检测探头和火焰图像监视探头，火焰检测探头将燃烧器的火焰信号送入DCS参与锅炉炉膛安全监控保护，图像监视探头将火焰图像信号传至主控室的监视器，供运行人员监视。

交流等离子装置的额定工作电压为380 VAC，频率为50 Hz，经高频引弧装置处理后，加在等离子前后极的电压可达20 000 V，频率可达2 000 Hz。

交流等离子设备用DCS进行控制，具有点火和助燃2种运行模式。运行人员可根据实际需要在这2种模式间切换。

点火模式在锅炉点火启动时使用。在点火模式下，等离子火检信号不参与锅炉全炉膛灭火保护，全炉膛灭火保护用给粉机火检信号进行逻辑判断。机组在低负荷运行或停炉需稳燃时使用助燃模式。

在助燃模式下，等离子枪的火检信号参于锅炉炉膛灭火保护，以四角等离子火焰3/4无火作为灭火判断条件。

交流等离子设备无论在何种模式下运行，如果等离子火检检测不到火焰，保护就会跳闸该等离子枪，同时跳闸对应的给粉机。当MFT发生时，跳闸全部等离子枪。

交流等离子设备适应煤种范围广且点火燃煤效果好。乌海地区煤质较差，电厂入炉煤发热量一般在3 800大卡以下，灰分在37 %左右。这样的燃煤经现场调整并把给煤量和风量合理配好，也可以顺利点燃，且燃烧效果良好，能够满足锅炉点火启动升温升压的要求。电厂3号炉使用的是直流等离子设备，从现场使用情况看，其燃煤效果不如交流等离子设备，3号炉历次冷态启动最少用油量为16.5 t。表1示出电厂3号、4号炉(同类型670 t/h锅炉)3次冷态启动的用油情况。

3 常见问题分析及处理

目前交流等离子点火技术在我国是新型技术，在电厂中的应用时间不长，因而在现场应用中出现的问题较多。

表1 交、直流等离子设备的用油对比

3.1 交流等离子设备不能启动

首先应检查冷却水压、载体风压是否满足条件，水压需0.3 MPa或以上，风压需0.25 MPa或以上，再检查电气控制回路。

3.2 交流等离子设备不拉弧

(1) 与交流等离子设备对应的高频引弧柜内的火花塞不打火或有眨眼现象。可用锉刀打磨火花塞钨棒表面直至打磨出金属光泽，或更换火花塞。

(2) 载体风压力过高。如果载体风压力超过0.6 MPa，应调整该角的压缩空气来气门，将压力降到0.30～0.40 MPa之间。

(3) 交流等离子发生器内漏，或前后电极间距过大，或电极烧损。如果交流等离子发生器内漏，只要仔细观察就能看到有冷却水从发生器内流出，这就需对漏水的地方进行处理，并拆下交流等离子枪前后极进行检查。如前后电极的极间距大，则重新调整电极间距到1.4 mm。若电极烧损严重，则需更换电极。

3.3 交流等离子发生器漏水

(1) 如金属软管接头漏水，可更换软金属垫(或四氟垫)或更换金属软管。

(2) 如冷却水绝缘子烧坏或其接头的O形圈漏水，可更换冷却水管及O形圈。

(3) 如电极烧穿漏水，则更换电极。

交流等离子发生器漏水的原因多为前2种情况，因为交流等离子发生器在拉弧前后其本身的温度变化大，易造成一些密封件变形或烧坏而漏水。

3.4 交流等离子设备发生断弧

(1) 交流等离子设备载体风(压缩空气)压力不稳定，波动大，会造成交流等离子设备断弧。在一次锅炉给煤机断煤、用空气炮往下振煤时，因空气炮的压缩空气和交流等离子设备载体风用的是同一路气源，在空气炮动作时造成载体风压力急剧下降，交流等离子设备频繁断弧。后将空气炮与交流等离子设备的气源分开，分别供气，解决了交流等离子设备断弧的问题。

(2) 交流等离子设备使用一段时间后，前后极烧损，造成断弧，这就需要更换电极。

3.5 交流等离子设备燃煤效果不好

交流等离子设备点火时，若从就地观火孔或从交流等离子设备火检图像观察，火焰不明亮，则说明燃煤效果不好。造成这种现象的原因很多，其中最重要的原因是煤质和一次风速有问题。电厂入炉煤一般发热量在3 300～3 800大卡。对于这样的煤质经现场反复调整试验，确定一次风速为24～28 m/s、给粉机转速为400～460 r/min、点火电流为390～460 A。在这些参数范围内进行调整可使煤粉达到较好的燃烧效果，着火稳定，能够满足锅炉点火的要求。如果煤质太差，无论怎么调整，燃煤效果都无法满足要求。

4 日常维护中的注意事项

(1) 日常巡检时要检查后电极的限位环是否松动。每次检修完必须将后电极的限位环拧紧，否则会造成后电极移位、前后极距离变大、交流等离子设备不能正常拉弧等现象。

(2) 交流等离子设备拉弧时必须将保护风门关闭，否则将可能造成交流等离子弧携带热量向后流动，烧损相关设备。尤其是吹扫风的绝缘子，该部件采用尼龙材料制作，受热后极易软化变形，甚至断裂。

(3) 交流等离子设备停运时必须打开保护风门，同时将载体风(压缩空气)的压力调整门关闭。载体风采用旋流设计，在交流等离子枪出口可形成一个回流区，该回流区会导致煤粉回流并沉积在交流等离子枪出口，最终堵塞交流等离子枪。打开保护风门，可以有效防止煤粉聚积在交流等离子枪出口。

(4) 当交流等离子发生器有一支枪断弧时，会造成三相电流不平衡，造成电气设备(主要是变压器)发热，需及时停运该交流等离子设备，以防止电气设备损坏。

(5) 交流等离子设备在拉弧过程中，应注意燃烧器壁温不能超过500 ℃，否则会烧损燃烧器。如有超温趋势，应及时调整气膜或周界冷却风门开度，降低燃烧器壁温。若调整无效，应立即停运该交流等离子设备，查清原因。

(6) 机组并网带负荷后，应根据燃烧情况将交流等离子设备从点火状态及时切换到助燃状态。否则，锅炉全炉膛灭火保护一直处于退出状态。

(7) 发现交流等离子设备内漏应立即停运该交流等离子设备。因为漏出的水会通过交流等离子设备电弧室进入燃烧器，造成煤粉着水形成泥状，最终沉积，堵塞煤粉管。

5 主要问题

目前存在的主要问题是：交流等离子设备对周围的电气设备带来高频干扰，而且干扰强度较大，影响设备较多。受电厂4号炉交流等离子设备干扰的设备有：油枪火检、炉侧部分温度、四管泄漏装置、甲二级减温执行器等。当交流等离子设备启动拉弧时，油枪火检放大器就会故障溢出，造成油枪不能正常投入。如果4台交流等离子设备同时拉弧，则干扰更大，最多时有5个火检放大器发生故障；炉侧的温度，如主、再热器温度会发生大幅摆动，不能正常监视；四管泄漏装置同时会有多通道泄漏报警；甲二级减温执行器指令会不停摆动。

在目前条件下，从交流等离子设备本身无法解决干扰问题，只能对被干扰设备采取防护措施。采用隔离设备、加装屏蔽罩和在电缆上套防干扰磁环的办法，可以很大程度降低高频干扰的影响，但不能彻底消除。经过现场处理，交流等离子设备高频干扰问题已不再影响交流等离子设备本身和上述设备的正常运行。

6 结束语

在我国大力推进节能减排、淘汰落后产能的形势下，电厂引进了交流等离子设备点火技术，并成功应用在4号锅炉上，使锅炉点火、稳燃用油大幅减少，节油效果明显，达到了节能的目的。但由于交流等离子点火技术是新技术，在现场应用中出现的问题较多。针对不同的问题，逐一分析处理，积累现场检修和维护经验，以期提高交流等离子点火技术的应用与维护水平。