§ 3. Системы плазменного воспламенения угля

СПВ угля включает в свой состав: розжиговую горелку-камеру ТХПТ, плазменный генератор, источник электропитания плазмотрона, системы водо-и воздухоснабжения плазмотрона, аппаратуру контроля и управления. В при­ложении к различного типа горелкам, которые эксплуатируются на котлах, ис­пытаны разные варианты камер ТХПТ. Для углей с выходом летучих V^х < 30 % поток аэросмеси разделяется на основной и стабилизирующий с помощью спе­циального устройства подачи пыли в камеру. При работе с углями, имеющими высокий выход летучих, весь поток аэросмеси направляется в камеру термо­химической подготовки топлива непосредственно от пылепровода. В соответ­ствии с этим разработаны разнообразные камеры ТХПТ с плазмотронами и опробованы при эксплуатации котлоагрегатов.

Опытно-промышленными испытаниями СПВ показано, что эффектив­ность системы розжига угольной аэросмеси зависит не только от надежности работы плазмотрона, но и от выхода летучих и концентрации угля в аэросмеси и.. При этом р, связана со скоростью движения пылеугольного потока. На прак­тике скорость в муфеле ограничена снизу условиями, которые не допускают сепарацию пыли в пылепроводе. Верхний предел жестко не регламентирован. Поэтому на котлах, имеющих систему пылеприготовления с прямым вдувани­ем аэросмеси, целесообразно иметь техническое устройство, обеспечивающее оптимальные значения концентрации пыли ц (в соответствии с данными рис. 9.7, а) и скорости аэросмеси. Такое устройство, названное концентрато­ром, применено в СПВ для розжига теплофикационного котла КВТК-100/150. Схема СПВ угля струей плазмы дана на рис. 9.9.

Концентратор угля создан на базе прямоточного циклона. Слабозапы-ленный воздух сбрасывается в топочное пространство котла, регулировка кон­центрации м аэросмеси, поступающей в муфель, осуществляется шиберами 1, 2 и 3. Это позволило не только обеспечить надежный поджиг аэросмеси, но и снизить тепловую нагрузку на муфель.

3.1. ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПЛАЗМОТРОНЫ

Для розжига пылеугольного потока и стабилизации его горения приме­няются электродуговые плазмотроны различных конструкций. В теплофика­ционных котлах муниципальных котельных, как правило, используются одно­камерные плазмотроны с торцевым термохимическим (гафниевым) катодом и ступенчатым выходным электродом (см. рис: 6.6, а). Диапазон мощности их составляет 20...60 кВт (I= 80...250 А) при устойчивом режиме горения дуги от источника питания с U_хх = 530 В. Мощность 20...40 кВт обеспечивает надеж­ную стабилизацию горения угля в длительном режиме, а при запуске котла из холодного состояния в большинстве случаев достаточно мощности 60 кВт для одной розжиговой горелки. Применение модифицированного катода с че­тырьмя гафниевыми вставками (см. рис. 6.44) обеспечивает ресурс работы электрода при I = 100...200 А около 100 ч. Длительность работы медного вы­ходного анода составляет при этих токах 500...600 ч.

В теплоэнергетических котлоагрегатах на ГЭС в основном приме­няются двухкамерные плазмотроны (см. рис. 6.2, в). Для примера на рис. 9.10 дана схема плазмотрона ЭДП-212 для нагрева воздуха в СПВ. Как видно, анод имеет цилиндрическую геометрию с переходом на расширяющийся конус, где и находится опорное пятно дуги. С учетом возвратных течений вблизи закру­ченной плазменной струи в зоне горения дуги всегда находится восстанови­тельная среда, способствующая увеличению ресурса электрода за счет отсут­ствия окисленной поверхности анода.

1-катод; 2 –анод; 3- кольцо закрутки воздуха; 4- электромагнитная катушка; 5 – электрическая дуга

Мощность плазмотрона составляет 60...130 кВт, расход воздуха- до 20 г/с. При использовании регулятора расхода газа (см. рис. 6.34), который обеспечивает периодическое изменение соотношения расходов G₁ и G₂ с час­тотой 0,06...0,08 Гц, ресурс катода при токах 200,..300 А достигает 250 ч. Ре­сурс работы анода примерно в 2 раза выше и составляет около 500 ч. Вольт-амперные характеристики дуги могут быть рассчитаны по обобщенной фор­муле (6.20), где d - внутренний диаметр анода.

Для увеличения эффективности воспламенения низкосортных углей воз­можно использование плазмотрона двухструйной схемы (см. рис. 6.32). Схема его включения и система подвода рабочего газа показаны на рис. 9.11.

Плазмотрон состоит из двух идентичных электродных узлов, каждый из которых схематично представляет собой двухкамерный плазмотрон. Такая схема плазмотрона дает дополнительные возможности управлять напряжени­ем дуги путем изменения угла а между осями электродных узлов и расстоя­ния а между центрами сопел. При подобной компоновке плазмотрона пыле-угольный поток взаимодействует со столбом дуги, температура которого в среднем составляет (8...10)-10³ К, что позволяет резко поднять КПД и эффек­тивность воспламенения угля. Кроме того, из-за разности ресурса работы ано­да и катода смена полярности электродов через определенный промежуток времени позволяет увеличить длительность их эксплуатации примерно в 1,5 раза по сравнению с катодом.

Рис. 9.11. Двухструйный плазмотрон, схема его включения и система газоснабжения:

/ - электрод плазмотрона; 2 - сопло; 3 - заглушка; 4 - вихревая камера; 5 - осциллятор; 6 - регулятор расхода (РРГ); ИП - источ­ник питания; К_п - контактор пусковой; R_n - сопротивление доба­вочное пусковое; R₆ - сопротивление балластное

Вольт-амперные характеристики дуги - падающие (см. рис. 6.33). Обоб­щенное уравнение для расчета напряжения на дуге (для α = 90°) имеет вид

,

где l₁ –длина электрода, м; d₂–внутренний диаметр сопла, м; a– межсопловое расстояние, м

На котле БКЗ-160-100Ф (ТЭЦ г.Бишкека, Киргизия) испытан высоковолтный плазменный запальник переменного тока для воспламенения пылеугольного топлива (V^r= 20...35 %). Схемы трехэлектродного высоковольтного плазмотрона и устройства для розжига аэросмеси даны на рис. 9.12.

Рис. 9.12. Схема высоковольтного плазменного устройства для воспла­менения пылевидного топлива:

1 - топливный канал; 2 - труба-обтекатель; 3 - дополнительный конусный электрод; 4 ~ изоляторы; 5 - основные электроды; 6 - д^га; 7-топливный поток; 8 - воздух

Электродная система плазменного устройства размещается в канале пы-леугольно-воздушного потока 1. Основные стержневые медные электроды 5 диаметром 2 см закреплены через фторопластовые изоляторы 4 на цилиндриче­ской стальной трубе-обтекателе 2 диаметром 10 см. Между основными элек­тродами установлен дополнительный конусный медный электрод 3, который может перемещаться вдоль оси для регулировки пробойного промежутка; его величина при напряжении источника питания 10 кВ составляет примерно 4 мм. Дополнительный электрод электрически соединен с основным электродом через конденсатор С. Рабочие участки основных электродов длиной около 15 см, на торцах которых горит дуга 6, параллельны друг другу и находятся на расстоя­нии около 10 см.

Плазменное устройство размещается в дополнительном канале пыле-угольной горелки, расположенном между двумя ярусами топливных потоков, вместо мазутной форсунки. Приняты меры электробезопасности при работе высоковольтного плазмотрона: надежно заземлен его корпус, подведено высо­ кое напряжение по кабелям в заземленных металлических трубах, обеспечена защита от короткого замыкания и др.

Мощность трехэлектродного плазмотрона составляет Р_пл ~ 35...40 кВт, от­носительная мощность - Р = 0,3...0,5 %. Температура факела, измеренная про­мышленным оптическим пирометром ОППИР-017 на расстоянии 30 см от сте­нок котла (примерно в 60 см от торцов электродов), равна 1600 К при расходе угля через дугу 0,3...0,4 т/ч и 1300 К при расходе около 1 т/ч.

Общее время испытаний - примерно 50 ч. Удельная эрозия электродов за это время составила 2,2-10^-8 кг/Кл при токах 20...25 А, что при длине электро­дов 15 см дает ожидаемый ресурс работы 500 ч.

Включение двух плазменных устройств с суммарной мощностью 80 кВт по­зволило снизить расход подсветочного мазута примерно на 150 кг/ч, т.е. на 30 %.