高水分、低热值褐煤大功率等离子点火试验研究

闫金山，张成锐，李建伟，徐荣田，张方炜，张 绮

（1.中国航天空气动力技术研究院，北京 100074；2.神华胜利发电有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000；3.神华国能宁夏煤电有限公司，宁夏 银川 750011；4.华北电力设计院有限公司，北京 100032；5.北京清远顺合环保科技有限公司，北京 100043）

褐煤的典型特点是高水分、高挥发分、低热值，长途运输很不方便，目前采用褐煤作为燃烧燃料的发电厂，应用常规等离子点火系统不能可靠点燃。为了在褐煤机组锅炉上节约燃油消耗和减少污染物排放，迫切需要大功率等离子点火系统来可靠点燃高水分、低热值的褐煤煤粉。神华胜利发电厂位于内蒙古自治区锡林浩特市的东北郊，工程安装2×660 MW高效超超临界间接空冷机组，设计及校核煤种均为内蒙古锡林浩特胜利煤田一号露天矿原煤，设计和校核煤种的煤质及灰成分分析见表1。

表1 设计煤种和校核煤种煤质及灰成分分析

1 试验台设备与运行说明

试验采用中国航天空气动力技术研究院拥有自主专利技术的“一种IGBT晶体管整流供电的等离子点火与稳燃系统”，采用高精度的三相十二脉整流+IGBT调制直流整流电源、大功率管状旋流等离子喷枪、带驻定斜坡扰动的分级燃烧煤粉燃烧器等设备。

试验台以660 MW煤粉锅炉单只燃烧器1∶1比例搭建，集制粉、给粉、输粉、冷风加热、分级燃烧煤粉燃烧器、大功率等离子喷枪、直流整流电源、燃烧室和烟风处理系统、数据采集和控制系统于一体。试验台设备布置见图1。

图1 大功率等离子点火试验台布置图

2 试验评判方法及测试仪器

2.1 试验评判方法

以离煤粉燃烧器喷口不同距离的煤粉燃烧火焰温度为评判标准，具体设置为以煤粉燃烧器喷口作为起始点，按照0.5 m长度为步进间隔，一共设置10个温度测量点，采用K型热电偶作为温度测量仪器，记录每个点的火焰温度，同时采用视频摄像机对燃烧火焰进行拍照摄像，作为辅助评判标准。

2.2 试验测试仪器

主要试验测试仪器见表2。

表2 试验测试仪器

3 试验运行工况及结果分析

3.1 煤粉浓度大小对点火的影响

煤粉浓度大小对点火的影响试验共进行了三组。

（1）第一组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表3，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图2。两个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图3、图4。

图4 煤粉浓度0.17 kg/kg（T-02）试验画面

表3 煤粉浓度大小对点火影响（第一组）

图2 燃烧器喷口火焰温度（第一组）变化趋势图

图3 煤粉浓度0.11 kg/kg（T-01）试验画面

工况T-01稳定着火期间燃烧器喷口温度为361℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到300℃共用时26 s；工况T-02稳定着火期间燃烧器喷口温度为693℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到300℃共用时26 s，升到630℃共用时54 s。

（2）第二组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表4，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图5。两个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图6、图7。

表4 煤粉浓度大小对点火影响（第二组）

图5 燃烧器喷口火焰温度（第二组）变化趋势图

图6 煤粉浓度0.11 kg/kg（T-08）试验画面

图7 煤粉浓度0.17 kg/kg（T-07）试验画面

工况T-08稳定着火期间燃烧器喷口温度为368℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到260℃共用时22 s；工况T-07稳定着火期间燃烧器喷口最高温度为725℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到260℃共用时12 s，升到450℃共用时28 s。

（3）第三组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表5，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图8。三个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图9～图11。

图11 煤粉浓度0.17 kg/kg（T-11）试验画面

表5 煤粉浓度大小对点火影响（第三组）

图8 燃烧器喷口火焰温度（第三组）变化趋势图

图9 煤粉浓度0.08 kg/kg（T-10）试验画面

图10 煤粉浓度0.11 kg/kg（T-13）试验画面

工况T-13稳定着火期间燃烧器喷口温度为477℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到250℃共用时10 s；工况T-10稳定着火期间燃烧器喷口温度为372℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到250℃共用时20 s，升到320℃共用时30 s；工况T-11稳定着火期间燃烧器喷口温度为825℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到250℃共用时16 s，升到320℃共用时20 s，升到320℃共用时42 s。

3.2 一次风速大小对点火的影响

一次风速大小对点火的影响试验共进行了两个试验工况。实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，试验时主要试验参数见表6，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图12。两个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图13、图14。

表6 一次风速大小对点火影响

图13 一次风速为16.0 m/s（T-02）试验画面

图14 一次风速为17.5 m/s（T-03）试验画面

工况T-02稳定着火期间燃烧器喷口温度为693℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到230℃共用时22 s，升高到630℃共用时54 s；工况T-03稳定着火期间燃烧器喷口温度分别为391℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到230℃共用时24 s。

3.3 等离子功率大小对点火的影响

等离子功率大小对点火的影响试验共进行了三组。

（1）第一组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表7，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图15。两个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图16、图17。

图17 等离子功率339 kW（工况T-04）试验画面

表7 等离子功率大小对点火影响（第一组）

图15 燃烧器喷口火焰温度变化趋势图

图16 等离子功率310 kW（工况T-03）试验画面

工况T-03稳定着火期间燃烧器喷口温度为391℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到230℃共用时24 s；工况T-04稳定着火期间燃烧器喷口温度为423℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到260℃共用时24 s。

（2）第二组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表8，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图18。3个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图19～图21。

图21 等离子功率310 kW（T-06）试验画面

表8 等离子功率大小对点火影响（第二组）

图18 燃烧器喷口火焰温度变化趋势图

图19 等离子功率249 kW（T-05）试验画面

工况T-05稳定着火期间燃烧器喷口温度为144℃，点火情况较差。工况T-07稳定着火期间燃烧器喷口温度为725℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到450℃共用时28 s；工况T-06稳定着火期间燃烧器喷口温度为809℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到450℃共用时28 s，升到520℃共用时32 s。

图20 等离子功率278 kW（T-07）试验画面

（3）第三组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表9，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图22。两个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图23、图24。

图24 等离子功率315 kW（T-09）试验画面

表9 等离子功率大小对点火影响（第三组）

图22 燃烧器喷口火焰温度变化趋势图

图23 等离子功率278 kW（T-08）试验画面

工况T-08稳定着火期间燃烧器喷口温度为368℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到260℃共用时22 s；工况T-09稳定着火期间燃烧器喷口温度为286℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到260℃共用时30 s。

3.4 二次风速大小对点火影响

二次风速大小对点火的影响试验共进行了两组。

（1）第一组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表10，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图25。两个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图26、图27。

表10 二次风速大小对点火影响（第一组）

图25 燃烧器喷口火焰温度变化趋势图

图26 二次风速16 m/s（T-10）试验画面

图27 二次风速21 m/s（T-09）试验画面

工况T-10等离子功率为315 kW，稳定着火期间燃烧器喷口温度为372℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到260℃时共用时24 s，升到320℃共用时32 s；工况T-09等离子功率为315 kW，稳定着火期间燃烧器喷口温度为286℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到260℃时共用时30 s。

（2）第二组试验时，实际煤粉水分36.4%，煤粉细度R90（%）29.6，主要试验参数见表11，燃烧器喷口火焰温度变化趋势见图28。两个试验工况截取点火视频中的典型画面分别见图29、图30。

图30 二次风速24 m/s（T-12）试验画面

表11 二次风速大小对点火影响（第二组）

图28 燃烧器喷口火焰温度变化趋势图

图29 二次风速16 m/s（T-11）试验画面

工况T-11稳定着火期间燃烧器喷口温度为825℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到700℃时共用时40 s；工况T-12稳定着火期间燃烧器喷口温度为840℃，从投粉到燃烧器喷口温度升到700℃时共用时36 s。

4 试验研究总结

（1）煤粉浓度对等离子点火的影响较大。将粉管一次风速控制在16.0 m/s，煤粉浓度为0.08 kg/kg时，燃烧器喷口温度仅能达到370℃左右；当煤粉浓度为0.11 kg/kg时，燃烧器喷口平均温度能达到470℃；当煤粉浓度为0.17 kg/kg时燃烧器喷口平均温度能达到810℃。

（2）一次风速大小对等离子点火的影响最为明显。当一次风速控制在16.0 m/s左右，煤粉浓度在0.15 kg/kg时，点火情况较好，喷口火焰温度可达690℃左右；将一次风速提高至17.5 m/s后，点火情况明显恶化，燃烧器喷口温度仅能达到380℃左右。

（3）二次风速增加时，燃烧器喷口中心平均温度略有降低，点火效果变差，但总体变化幅度不大。

（4）随着等离子功率的增加，燃烧器喷口中心平均温度总体呈上升趋势，等离子功率对点火的影响较大。等离子功率低于250 kW时，燃烧器喷口中心温度较低，着火情况较差；当等离子功率从250 kW增加至280 kW时，燃烧器喷口中心温度大幅增加，着火情况改善明显；进一步将等离子功率增加至310 kW、340 kW时，虽然喷口温度略有升高，但增幅不大。