电厂智能化等离子体点火控制技术应用与研究

国家能源蓬莱发电有限公司 徐西俊 程孝峰 孙亚伟 张蓬亮 韩刚 烟台龙源电力技术股份有限公司 李明 张治湖 王鹏

1 项目概况

该项目为2×300MW 机组，锅炉采用常规的四角切圆燃烧方式，燃烧器为摆动燃烧器，共有6 层，磨煤机采用双进双出钢球磨煤机，煤粉细度R90=18%。该锅炉采用等离子体点火系统，目前存在智能化程度不高、调节手段不完善等问题。具体表现为低负荷稳燃时，等离子投入的时间节点不明确，不能进行有效地智能判断和投入。等离子体点火系统载体风和冷却水系统中调整介质的手段不完善，动态监测不完善。随着电厂智能化的不断提升，等离子体点火技术的智能化程度需要不断提高，本文进行智能化等离子体点火控制技术研究与应用。

2 等离子体点火系统

等离子体点火系统如图1所示。传统的煤粉锅炉启动方式是在点火初期首先点燃数只大油枪，当炉膛内的温度达到一定要求后再投入煤粉。这种点火方式将消耗大量燃油，经济性较差，且有一定的环境污染。等离子体煤粉点火技术，利用超高温的等离子体替代油枪，直接在燃烧器内部点燃煤粉，可以做到无油点火。

图1 等离子体点火系统

2.1 等离子体燃烧器

等离子体煤粉燃烧器如图2所示。

图2 等离子体煤粉燃烧器

等离子体燃烧器是等离子体点火系统的重要组成部分，点火时，煤粉火焰在其内部燃烧，正常运行时，具有主燃烧器功能。等离子体燃烧器的喷口面积与原燃烧器基本一致，保证改造后喷口一次风速基本不变，不改变锅炉的燃烧组织。等离子体燃烧器属于浓淡分离煤粉燃烧器，其通过燃烧器后部的弯头将煤粉浓缩到中心位置，浓淡燃烧有利于降低NOx 的生成，从原理上保证改造后锅炉的NOx不升高。通过多次性能试验表明，改造等离子体点火系统后，锅炉的NOx没有升高。

2.2 等离子体发生器

等离子体发生器是等离子体点火系统的核心部件，其安装在燃烧器弯头处，通过接触引弧，在强磁场下可以获得稳定的等离子体。等离子体温度可达5000K 以上，通过特殊装置可以将等离子体送到燃烧器的中心位置。当浓缩煤粉通过时被迅速点燃，剧烈燃烧，并形成稳定的火焰。大部分煤粉在燃烧器内部就被点燃，少部分进入炉膛继续燃烧。等离子体煤粉点火设备对于适合的煤质在设计上可完全替代电厂的油枪点火设备。

本工程燃用的煤质为烟煤，燃烧性能很好，容易点燃，所使用的等离子体点火功率较小，为70～120kW。等离子体发生器如图3所示。

图3 等离子体发生器

2.3 电源系统

等离子体点火系统的电源部分一般由以下设备构成：电源柜、动力转接箱、冷却水泵电动机及其控制柜、冷却风机电动机及其控制柜、动力电缆、测量和控制电缆等。

常规等离子体点火电气系统需要的电源的容量（单台机组）为如下。

一是整流柜进线电源为380VAC，300kVA每路。

二是冷却水泵：380VAC，22kW每台。

三是控制电源：220VAC，16A每路。

四是电动门电源：380VAC，5A每路。

2.4 冷却水系统

等离子体电弧形成以后，弧柱温度一般保持在5000K 以上，因此等离子体发生器必须进行冷却，目前采用水冷方式。为了保证其良好的冷却效果，冷却水温不能太高，一般不能高于40℃，冷却水压力0.4～0.8MPa，发生器的冷却水进出口压差应大于0.4MPa，单台发生器冷却水流量≥7t/h。一般情况下，等离子体点火冷却水系统取自锅炉闭式冷却水系统，如果锅炉闭式冷却水水量不足，则需要采用水箱。

2.5 载体风系统

形成等离子体电弧需要有相应的介质，一般采用空气作为介质。等离子体电弧形成以后，需要空气以一定的流速吹出阳极，以形成可利用的电弧。电厂一般使用仪用压缩空气作为介质，要求压缩空气洁净无油、压力稳定、干燥，仪用压缩空气母管压力较高，通过减压阀对其进行减压，以达到等离子体发生器使用要求。为了减少电厂压缩空气的消耗，在每台等离子体发生器的仪表组件中都装有切换阀门，当等离子体发生器停止工作后，通过切换阀将载体风切换到冷却风进行持续吹扫，不再消耗仪用压缩空气。冷却风可由火检风机或锅炉冷一次风提供。

2.6 冷炉制粉热风加热系统

锅炉冷态点火启动时，等离子体点火系统所对应的磨煤机要启动、制粉，必须有热风持续通过磨煤机，一般可以使用蒸汽加热器或者燃油加热器。本项目煤质为烟煤，水分较小，且风道布置空间较大，故采用的是冷风蒸汽加热系统。其加热汽源来自锅炉辅助蒸汽联箱，压力为0.8MPa，温度为300℃，通过布置多根双金属翅片管的蒸汽加热器把冷风加热到160℃，满足磨煤机运行的要求。

冷风蒸汽加热器按布置方式为在改造层对应的磨煤机入口热风管道隔绝门和调节门的旁路上，安装一台冷风蒸汽加热器，前后分别设热风隔绝门和热风调节门。此方案的优点是在锅炉冷态等离子体点火启动时，任意侧热一次风母管都能供磨煤机一次风，可靠性高，锅炉正常运行时，原风道侧运行，旁路侧没有风通过加热器，不会因为加热器增加磨煤机一次风阻力。但旁路风道的安装尺寸较大，需要两台风门，要求有足够的安装空间。

2.7 火焰监视系统

为了可以在等离子体点火过程中实时监测火焰燃烧情况，方便运行人员进行燃烧调整，需要设置一套火焰监视系统，该系统包含图像火焰监视探头、冷却风管道、画面分割器、全炉膛火焰电视灯等。其中图像火焰监视探头安装在煤粉燃烧器外二次风箱内，其观测角度达到90°，每支图像火焰监视探头连接一路冷却风为其冷却，防止探头烧损。探头内部有CCD摄像机，通过镜头观测到的视频信号经过视频电缆送到控制室的画面分割器，经处理后送到全炉膛火焰电视或大屏中显示。图像火焰监视探头冷却风一般取自专用冷却风机，其母管风压一般高于3500Pa，保证有足够的风冷却镜头，保护镜头不被烧损。停炉后，必须等到炉膛温度降到其耐热温度后，才可以停运冷却风机。图像火焰监视系统如图4所示。

图4 图像火焰监视系统

本项目增加了火检镜组，同时对火检柜进行了升级改造，更换了视频分配器和下位机，升级了火检的逻辑判断模型，增加了对煤粉火焰判断的准确性。

2.8 一次风速测量系统

对于等离子体点火技术，为了稳定地点燃煤粉，适合的一次风速是相当关键的因素。如果点火时一次风速过高，煤粉不易点燃，容易造成脱火，火检检测不到火焰会引起磨煤机跳闸；一次风速太低，则可能造成煤粉管道堵塞，还可能造成燃烧器喷口烧损，所以必须对一次风速进行监测。一次风速测量装置安装在改造磨出口一次风煤粉管道上，采用耐磨靠背管进行测量，可输出4～20mA信号，并带自动清灰功能。

2.9 控制系统

等离子体点火系统可以实现自动化运行，所有操作基本都可以在控制室DCS画面上完成。并且对锅炉原逻辑系统进行修改，设有点火模式和稳燃模式，保证使用等离子体点火时的安全性。

使用等离子体点火系统进行锅炉启动前需要进行试运行，试运行主要分两个阶段：一是在锅炉启动时进行等离子体燃烧器的点火性能试验，验证其对实际入炉煤粉的点燃能力、发生器断弧后复燃的能力、煤粉量加大后火焰亮度及煤粉燃尽情况、燃烧器壁温升高的幅度速率情况、磨煤机的出力范围试验及各项联锁和保护的工作情况。二是进行稳定燃烧后的第二台磨煤机的投运试验、锅炉低负荷时的稳燃试验、锅炉温升试验等。检验第二层煤粉是否被引燃，点火过程是否满足机组启动曲线。

3 项目实施内容

图像火检系统具有采集信息丰富、判断准确、适应性强等特点。通过与等离子体点火技术相结合，实现节油点火系统智能闭环控制，对图像火检系统技术也是一次质的飞跃。智能化点火技术在提升产品性能的同时，提高了火电机组智能化程度。本项目利用图像火检技术判断锅炉燃烧状态，结合锅炉燃烧相关参数进行闭环控制等离子体点火系统，并进行点火和稳燃智能优化调整[1]。本项目主要内容为如下，一是采用全新的图像火焰检测技术，该技术对等离子体点火初期燃烧不稳定的过程优化火焰燃烧判断判据，可以保证等离子体点火全过程火检的投入，准确判断锅炉等离子体燃烧器燃烧状态。二是对等离子体点火冷却水、载体风系统进行改造升级，增加控制阀门、仪表和变送器，具备风量和水量的参数反馈、自动调节和控制。三是通过采集锅炉一次风、燃烧器壁温、整流柜电流等多路输入参数，在DCS系统逻辑组态进行控制，达到等离子体点火的控制、等离子体发生器功率的自动调整。

4 项目实施效果

经调试，各设备运行正常，通过全新的图像火焰检测技术和等离子点火系统相结合，可以实现智能化判断。可以实现等离子体点火系统的智能化控制启动、调整。同时通过系统优化，配合火电厂灵活性改造，提高锅炉运行的智能化水平，并提高机组运行的安全性。

5 结论

全新图像火焰检测技术运行稳定、检测准确，智能化等离子体点火技术成为技术亮点，系统性能明显提升，达到智能化启动及稳燃需求，可以根据锅炉燃烧实际情况实现智能化燃烧调节，提高火电机组智能化程度。