СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2003 года по МПК F23C1/06 F23B7/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения (подсветки) факела в них, а также в других нагревательных установках, работающих на таком топливе.

Известен способ плазменного воспламенения пылеугольного топлива, заключающийся в генерировании струи низкотемпературной плазмы в плазмотроне, установленном в камере термохимподготовки (ТХП), воспламенении струей плазмы пылеугольной аэросмеси, подаваемой в канал камеры термохимподготовки, и подаче нагретой топливной смеси из камеры в топку котлоагрегата. Нагретая топливная смесь включает горючие в газовой фазе, коксовый остаток и газообразные продукты горения и имеет температуру выше температуры самовоспламенения. Она устойчиво воспламеняется и горит при смешении с вторичным воздухом в топке котлоагрегата [1].

После прогрева камеры ТХП и достижения устойчивого горения факела плазмотрон выключают. При снижении яркости факела плазмотрон включают, и далее цикл повторяется. Чрезвычайно важно включить плазмотрон в нужный момент, так как подача невоспламененной угольной пыли в недостаточно нагретую топку котла при его растопке категорически запрещается Правилами технической эксплуатации котлоагрегатов.

Этот способ можно использовать при сжигания высокореакционных углей. Для вопламенения низкореакционных углей требуется большая энергия источника воспламенения. Аккумулированной в муфеле тепловой энергии недостаточно для поддержания автотермического режима горения, т. е. обеспечить устойчивое горение низкореакционного угля этим способом невозможно.

Наиболее близким техническим решением является способ плазменного воспламенения пылеугольного топлива, заключающийся в генерировании низкотемпературной плазмы в плазмотроне постоянного тока, подключенном к тиристорному трехфазному мостовому преобразователю тока в комплекте со специальным трансформатором с изолированной нейтралью, при этом один электрод плазмотрона заземлен. Струя плазмы постоянной мощности подается в камеру термохимподготовки топлива горелки, и в эту же камеру подается пылеугольная аэросмесь. Полученная и воспламененная в камере топливная смесь (горючие в газовой фазе + коксовый остаток + продукты частичного горения угля) подается в топку котлоагрегата [2].

В этом способе плазмотрон в период растопки (подсветки) находится в работе постоянно. Источник электропитания плазмотрона - трехфазный мостовой тиристорный преобразователь - обеспечивает достаточно стабильные параметры плазменной струи благодаря низкому уровню пульсаций напряжения на выходе (6,5% от амплитудного значения), что способствует большей стабильности горения факела на выходе из камеры термохимподготовки в топку. Однако при этом необходим специальный трансформатор с изолированной нейтралью, что повышает затраты на создание плазменной системы. Стоимость трансформатора находится в прямой зависимости от его мощности и, как правило, составляет около 50% от стоимости всего оборудования плазменной системы.

В основу изобретения положена задача создания способа воспламенения пылеугольного топлива для растопки котлов, работающих на таком топливе, который обеспечивает многократное уменьшение мощности применяемого в известном способе специального трансформатора с изолированной нейтралью при сохранении стабильности воспламенения пылеугольной аэросмеси и подводимой к плазмотрону электрической мощности.

Поставленная задача решается тем, что в способе плазменного воспламенения пылеугольного топлива, включающем генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подключенном к источнику электропитания основной дуги, выполненному в виде тиристорного преобразователя с возможностью заземления одного электрода плазмотрона, подачу струи плазмы в камеру термохимподготовки топлива горелки, подачу потока пылеугольной аэросмеси в ту же камеру, подачу полученной воспламененной топливной смеси из горелки в топку котлоагрегата, согласно изобретени, генерируют низкотемпературную плазму в плазмотроне однополярного тока, который согласно изобретению подключают к преобразователю, обеспечивающему пульсирующий или прерывистый ток основной дуги, согласно изобретению преобразователь тока подключают к магистральной сети, согласно изобретению в плазмотроне предварительно создают вспомогательную слаботочную (дежурную) дугу постоянного тока с ее электропитанием от отдельного источника постоянного тока и согласно изобретению в камеру термохимподготовки топлива горелки подают плазменную струю переменной мощности.

Кроме того, задача решается тем, что, согласно изобретению источник электропитания основной дуги выполнен в виде тиристорного регулятора нулевой схемы, согласно изобретению, в одновременную работу включают второй плазмотрон, установленный на второй камере термохимподготовки или на той же камере, что и первый плазмотрон, электропитание второго плазмотрона осуществляют по аналогичной схеме от второго тиристорного регулятора нулевой схемы, подключенного к тому же трансформатору, что и первый тиристорный регулятор и симметрично относительно первого тиристорного регулятора нулевой схемы, а электрически соединенный с корпусом второго плазмотрона его электрод имеет противоположную полярность относительно такового первого плазмотрона.

Таким образом, в отличие от аналога, где в процессе растопки котла плазмотрон отключают по достижении стабильного горения пылеугольного факела, и вновь включают при его потускнении (что приемлемо при сжигании высокореакционных углей), в заявляемом способе плазмотрон находится в работе постоянно в течение всего периода растопки и, в отличие от прототипа, где плазмотрон (так же, как в заявляемом способе) находится в работе постоянно в течение периода растопки и мощность плазменной струи имеет небольшие пульсации из-за малой амплитуды пульсаций напряжения на выходе трехфазного мостового тиристорного преобразователя, от которого осуществляют электропитание плазмотрона и который подключают к специальному трансформатору с изолированной нейтралью (такой трансформатор необходим для заземления одного из электродов плазмотрона), в заявляемом способе допускают значительно большие пульсации напряжения электропитания основной дуги плазмотрона (и даже провалы этого напряжения до нуля в отдельные моменты периода сети), благодаря чему становится возможным его электропитание от преобразователя тока иного типа, который подключают непосредственно к магистральной электросети без использования специального трансформатора с изолированной нейтралью.

Таким преобразователем может быть тиристорный регулятор, собранный по нулевой схеме. Для обеспечения горения дуги от такого источника электропитания используют вспомогательную (дежурную) дугу, электропитание которой осуществляют, например, от трехфазного мостового тиристорного преобразователя со специальным трансформатором, но его мощность составляет 8-15% от мощности трансформатора в известных способах. С переходом от постоянного тока основной дуги в известных способах, где воспламенение происходит непрерывно, к пульсирующему току изменяется сам процесс воспламенения пылеугольной аэросмеси: в заявляемом способе воспламенение прерывистое в течение периода электрической сети, т.к. оно осуществляется только в течение времени, когда мощность плазменной струи выше минимальной, при которой возникает горение в условиях, сложившихся в камере термохимподготовки, определяемых качеством угля, концентрацией и скоростью аэросмеси, ее температурой и т.д. Когда мощность плазменной струи ниже указанной минимальной, аэросмесь в потоке воспламеняется не полностью. В связи с этим появляется опасность поступления невоспламененной пыли в топку, что, как сказано выше, недопустимо. Однако при соблюдении определенных условий и в этом случае при той же подводимой к плазмотрону мощности на выходе из камеры ТХП в топку получают устойчиво, без пульсаций яркости, горящий факел. Пульсационное воспламенение аэросмеси в камере ТХП способствует интенсификации процессов тепломассообмена внутри ее, что приводит к интенсификации горения и стабилизации температуры факела на выходе из камеры в топку.

В системах плазменного воспламенения углей электропитание плазмотрона постоянного тока чаще всего осуществляют от трехфазного мостового тиристорного преобразователя [3, 4]. При этом используют индивидуальный трансформатор с изолированной нейтралью на каждый тиристорный преобразователь (на каждый плазмотрон). Например, для котла ТПЕ-215 требуется четыре тиристорных преобразователя с трансформаторами мощностью не менее 127 кВА каждый (см. [2] , с.85, с. 121). В предлагаемом изобретении плазмотрон подключают к такому преобразователю, который можно соединять непосредственно с магистральной электросетью без использования специального трансформатора с изолированной нейтралью и при этом заземлять электрод плазмотрона, а электропитание слаботочной вспомогательной дуги осуществляют, например, от трехфазного мостового тиристорного преобразователя с индивидуальным трансформатором с изолированной нейтралью, который обеспечивает 8-15% требуемой мощности плазмотрона, или от источника постоянного тока иного типа. Как уже сказано, таким преобразователем для электропитания основной дуги может быть тиристорный регулятор, собранный по нулевой схеме. Слаботочный тиристорный преобразователь обеспечивает горение дежурной дуги, которая требуется для создания постоянно существующего проводящего канала в потоке газа в плазмотроне для поддержания основного тока дуги. Основная мощность (около 90%) подводится от регулятора нулевой схемы (или от иного аналогичного выпрямителя), подключенного к магистральной сети без специального трансформатора при условии возможности заземления одного из электродов плазмотрона. Это обеспечивает функционирование системы плазменного воспламенения с использованием специального трансформатора, мощность которого составляет 8-15% от мощности трансформатора в известном способе воспламенения аэросмеси и соответственно снижение его стоимости.

Известно, что для трехфазного тиристорного регулятора нулевой схемы характерны большие (составляющие 50% от амплитудного значения) низкочастотные (150 Гц) пульсации напряжения, а также подмагничивание трансформатора из-за наличия в нем постоянной составляющей тока. Подмагничивание исключают тем, что включают второй плазмотрон, подключенный ко второму тиристорному регулятор нулевой схемы, который, в свою очередь, подключен к тому же трансформатору симметрично относительно первого тиристорного регулятора. Таким образом, для исключения постоянной составляющей тока в сетевом трансформаторе включают в работу четное количество плазмотронов, половину которых подключают по схеме обратной полярности по отношению к остальным. Это достигается тем, что электрод плазмотрона, электрически соединенный с его корпусом, в первом случае является анодом, а во втором катодом. К тому же, для плазменной растопки котлов чаще всего требуется четное число плазмотронов (см.[2], с. 85-100) Нередко бывает необходимо установить два плазмотрона на одну камеру TXII (см. [2], с. 105). В этом случае также на котел требуется четное количество плазмотронов.

Особенность плазменной ТХП заключается в том, что процесс протекает относительно медленно. Так, время пребывания частиц угля в высокотемпературной зоне внутри растопочной горелки (камеры ТХП) составляет 0.1-0.2 с. Частота пульсаций мощности плазменной струи из-за пульсаций напряжения на выходе трехфазного тиристорного регулятора нулевой схемы - 150 Гц. Период их - 0.0067 с, что много меньше времени пребывания аэросмеси в горелке. Расстояние L, которое пройдет поток аэросмеси за время между максимумом и минимумом мощности плазменной струи (менее 0.08 м), значительно меньше, например, диаметра камеры ТХП (равного, как правило, 0.3-0.4 м), который фронт пламени проходит за время пребывания частиц угля внутри этой камеры. (При взаимодействии аэросмеси с плазмой воспламенение происходит в небольшой области вблизи плазмотрона. Далее, вниз по потоку, фронт пламени распространяется и в направлении, перпендикулярном оси камеры, постепенно заполняя все ее сечение так, что на выходе из камеры получают горящий по всему сечению потока факел, т. е. за время пребывания в камере ТХП фронт пламени проходит расстояние не менее ее диаметра). Отсюда следует, что тем более фронт пламени пройдет расстояние L за время нахождения аэросмеси внутри камеры ТХП и пульсаций температуры факела с частотой 150 Гц как результата пульсаций мощности плазменной струи на выходе из горелки в топку не Погасание дуги в плазмотроне из-за пульсаций напряжения с частотой 150 Гц предотвращается постоянным наличием малого тока вспомогательной дуги. Для надежного воспламенения аэросмеси струей плазмы с более низкой частотой пульсации напряжения, как например в случае с тиристорным регулятором однофазной нулевой схемы, для которого частота пульсаций равна 100 Гц, реакционная способность угля должна быть выше (либо соответственно изменены названные ранее параметры, определяющие условия воспламенения).

На фиг. 1 представлена схема подключения двух плазмотронов с электропитанием основной дуги в каждом из них от трехфазного тиристорного регулятора нулевой схемы, исключающая подмагничивание трансформатора, при параллельном электропитании основной и вспомогательной дуг. На фиг.2 представлена схема подключения двух плазмотронов с электропитанием основной дуги в каждом из них от трехфазного тиристорного регулятора нулевой схемы, исключающая подмагничивание трансформатора, при последовательном подключении к плазмотрону источников электропитания основной и вспомогательной дуг в каждом плазмотроне.

Способ плазменного воспламенения угольной аэросмеси при генерировании низкотемпературной плазмы в плазмотроне с одним заземленным электродом, электропитание основной дуги которого осуществляют от тиристорного преобразователя тока при параллельном электропитании основной и вспомогательной дуг, осуществляют по схеме фиг.1, которая содержит трехфазный тиристорный регулятор нулевой схемы 1 для электропитания основной дуги, трехфазный тиристорный мостовой преобразователь 2 (в качестве примера) для электропитания вспомогательной дуги, плазмотрон 3, трансформатор с изолированной нейтралью 4, к которому подключен преобразователь 2, осциллятор 5, контактор 6 для подключения плазмотрона к преобразователю 1, трансформатор 7 (с заземленной нейтралью), дроссели 8 и 9, поток аэросмеси 10, которая подается в камеру ТХП 11, а из нее - в топку 12, электромагнитные катушки 13 и 14 электродов плазмотрона и поток плазмообразующего газа 15, который подают в верхнюю (по потоку газа) камеру плазмотрона. Этот же способ плазменного воспламенения угольной аэросмеси, но с последовательным подключением преобразователей к плазмотрону для электропитания основной и вспомогательной дуг осуществляют по схеме, приведенной на фиг.2, которая содержит те же элементы, что и на фиг. 1, и дополнительно вспомогательный электрод 16 плазмотрона и основные электроды 17, 18.

Заявляемый способ реализуют так: осуществляют пуск вспомогательной дуги посредством электрического пробоя осциллятором 5 межэлектродного промежутка в плазмотроне 3, подключают контактором 6 плазмотрон 3 к преобразователю 1, в результате чего в камеру ТХП 11 подается плазменная струя переменной мощности. В эту же камеру подают пылеугольную аэросмесь 10, которая частично воспламеняется в моменты времени, когда мощность плазменной струи достаточна для создания области горения. При дальнейшем движении аэросмеси в камере ТХП 11 фронт пламени распространяется как перпендикулярно потоку аэросмеси, так и вниз и вверх по потоку. В результате этих эффектов невоспламененные в моменты минимума мощности плазменной струи области потока воспламеняются и на выходе из камеры 11 в топку 12 получают равномерно горящий факел.

С целью исключения возникновения постоянной составляющей тока в трансформаторе 7 одновременно с первым плазмотроном 3 включают в работу идентичный плазмотрон 3', отличие в подключении которого состоит в том, что у него электрически соединенный с его корпусом электрод имеет противоположную полярность по отношению к таковому первого плазмотрона. Электропитание второго плазмотрона 3' осуществляют по аналогичной схеме от второго (на данной схеме - трехфазного) тиристорного регулятора нулевой схемы 1', подключенного к трансформатору 9 симметрично относительно первого тиристорного регулятора 1. В остальном схемы электропитания плазмотронов 3 и 3' подобны.

На фиг.1 приведен плазмотрон двухкамерной схемы с двумя электродами (см. [2]).

Электроды плазмотрона оснащены электромагнитными катушками 13 и 14, включенными последовательно с дугой. В этом случае упоминавшийся выше электрод, электрически соединенный с корпусом плазмотрона, соединяется с корпусом плазмотрона через электромагнитную катушку.

Особенность работы плазмотрона заключается в следующем.

Когда ток дуги от основного источника электропитания 1 минимален, магнитное поле, создаваемое электромагнитными катушками, также минимально, а значит и электромагнитная сила, действующая на дугу, минимальна. При этом дуга во внутреннем электроде под действием потока плазмообразующего газа 15 смещается в сторону второго (выходного) электрода вниз по потоку и длина ее уменьшается. Аналогично для второго электрода: слабое магнитное поле недостаточно для того, чтобы вытянуть дугу к выходу второго электрода и точка контакта дуги с выходным электродом смещается в сторону внутреннего электрода, т. е. длина дуги минимальна. Таким способом достигают относительно небольшого требуемого напряжения на выходе вспомогательного преобразователя 2. (Известно, что дуга имеет падающую вольтамперную характеристику, и с уменьшением тока напряжение на дуге растет. Поэтому часто это напряжение целесообразно снизить). С увеличением напряжения на выходе основного источника 1 растут ток дуги, магнитное поле в катушках и действующие на дугу электромагнитные силы. Под действием этих сил дуга удлиняется, ее электрическое сопротивление возрастает и напряжение на выходе основного источника 1 приближается к амплитудному значению, т.е. используется полное напряжение источника 1. Известно, что расчет баланса газодинамических и электромагнитных сил, действующих на дугу в плазмотроне аналогичной схемы, представляет довольно сложную задачу [5]. Поэтому выбор параметров электромагнитных катушек производился экспериментально.

На фиг. 2 показано подключение плазмотрона по трехэлектродной схеме с последовательным подключением преобразователей, питающих вспомогательную и основную дуги. Дежурную дугу от вспомогательного преобразователя 2 зажигают между вспомогательным электродом 16 и верхним по потоку плазмообразующего газа электродом 17. Плазменная струя дежурной дуги создает проводимость, достаточную для поддержания непрерывного тока основной дуги от источника 1 между электродами 17 и 18.

Приведенные ниже результаты испытаний плазменного воспламенения угольной аэросмеси заявляемым способом показали, что качество воспламенения при этом не уступает таковому при использовании способа-прототипа.

Пример 1. Применяется схема, изображенная на фиг.1. Ток мостового тиристорного преобразователя 2 равен 20 А, напряжение 490 В, ток тиристорного регулятора 1 равен 230 А, напряжение на дуге 295 В. Электрод плазмотрона, электрически соединенный с его корпусом, служит анодом. Электропитание плазмотрона 3' отличается только полярностью тиристорного регулятора тока 1'. Электрод, электрически соединенный с его корпусом, является катодом. Используется уголь с выходом летучих на горючую массу 20%, зольностью на рабочую массу 18%, калорийностью 22 МДж/кг. Расход угольной пыли через каждую камеру ТХП изменяется в пределах 1.5-2.5 т/ч, расход воздуха в аэросмеси 2500-4000 куб.м/ч. В этом варианте наблюдается устойчивое горение факелов на выходе из обеих камер ТХП. Температура факелов 1150-1200^oС. Для регистрации колебаний яркости факела используется осциллограф. Пульсаций яркости, связанных с пульсациями тока дуги с частотой 150 Гц, не наблюдалось. Результаты испытаний аналогичны плученным известным способом (см., например, [2], с. 96-97).

Пример 2. Используется схема фиг.2. Характеристики угля, расход угольной пыли и первичного воздуха в аэросмеси - те же. Ток основной дуги 250 А, напряжение 290 В, ток дежурной дуги 155 А, напряжение 485 В. Наблюдается устойчивое горение факелов на выходе камер ТХП.

Пример 3. Вместо трехфазного подключен однофазный тиристорный регулятор нулевой схемы. Остальные условия испытаний те же, что и в примере 2. На выходе из горелки наблюдаются струи невоспламененной аэросмеси на фоне горящего факела, т.е. воспламенение - неполное. Температура факела 900^oС. Качество воспламенения не удается восстановить увеличением тока основной дуги до 650 А.

Пример 4. Условия испытаний те же, что и в примере 3. Отличие заключается в том, что используется высокореакционный уголь с характеристиками: выход летучих 38%, зольность 16%, калорийность 19 МДж/кг. Устойчивое воспламенение наблюдается при токе основной дуги 450 А.

Использование предлагаемого способа воспламенения пылеугольного топлива для растопки котлов, работающих на таком топливе, обеспечивает многократное уменьшение мощности применяемого в известном способе специального трансформатора с изолированной нейтралью при сохранении стабильности воспламенения пылеугольной аэросмеси и подводимой к плазмотрону электрической мощности.

Источники информации
1. Пат. РФ 2054599, МПК 6 F 23 C 5/24, Б.И. 1996, N5.

2. Научно-технические основы и опыт эксплуатации плазменных систем воспламенения углей /Е.И. Карпенко, М.Ф. Жуков, В.Е. Мессерле, В.С. Перегудов и др. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1998 - 137с.

3. М. Ф. Жуков, Е. И. Карпенко, В.С. Перегудов, В.Е. Мессерле и др. /Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. -Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. - 304с.

4. Ю.К. Розанов. Основы силовой электроники - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296с.

5. Бербасов В.В. Теоретическое исследование влияния различных газодинамических полей на свойства электрической дуги / Дисс. на соиск. учен. степени кандидата физ.-мат. наук. Новосибирск, 1980, 133с.

Изобретение относится к энергетике, а именно к процессам растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения (подсветки) факела в них. Воспламенение пылеугольного факела осуществляется путем генерирования струи низкотемпературной плазмы в плазмотроне однополярного тока с заземленным электродом, подключенном к преобразователю, который дает пульсирующий или прерывистый ток основной дуги, преобразователь подключают к магистральной сети, в плазмотроне предварительно создают вспомогательную слаботочную дугу постоянного тока с ее электропитанием от отдельного источника. Струю плазмы переменной мощности подают в камеру термохимподготовки топлива горелки, в эту же камеру подают пылеугольную аэросмесь, а воспламененную в камере топливную смесь из горелки подают в топку котла. При использовании в качестве преобразователя для электропитания основной дуги плазмотрона тиристорного регулятора с подключением по нулевой схеме в работу одновременно включают второй плазмотрон, электропитание которого осуществляют по аналогичной схеме от второго тиристорного регулятора нулевой схемы, подключенного к трансформатору симметрично относительно первого тиристорного регулятора. При этом полярность подключения второго плазмотрона изменяется на обратную относительно полярности подключения первого плазмотрона. Технический результат - обеспечение многократного уменьшения мощности трансформатора с изолированной нейтралью при сохранении стабильности воспламенения пылеугольной аэросмеси и подводимой к плазмотрону электрической мощности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ плазменного воспламенения пылеугольного топлива, включающий генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подключенном к тиристорному преобразователю тока с возможностью заземления одного электрода плазмотрона, подачу струи плазмы в камеру термохимподготовки топлива горелки, подачу потока пылеугольной аэросмеси в эту камеру, подачу воспламененной топливной смеси из горелки в топку котлоагрегата, отличающийся тем, что генерируют низкотемпературную плазму в плазмотроне однополярного тока, который подключают к преобразователю, обеспечивающему пульсирующий или прерывистый ток основной дуги, преобразователь тока подключают к магистральной сети без использования специального трансформатора с изолированной нейтралью, в плазмотроне предварительно создают вспомогательную слаботочную дугу постоянного тока с ее электропитанием от отдельного источника постоянного тока, а в камеру термохимподготовки топлива горелки подают полученную плазменную струю переменной мощности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании в качестве источника электропитания основной дуги тиристорного регулятора нулевой схемы в одновременную работу включают второй плазмотрон, установленный на второй камере термохимподготовки или на той же, что и первый плазмотрон, электропитание второго плазмотрона осуществляют по аналогичной схеме от второго тиристорного регулятора нулевой схемы, подключенного к штатному трансформатору симметрично относительно первого тиристорного регулятора, а электрически соединенный с корпусом второго плазмотрона его электрод имеет противоположную полярность относительно такового первого плазмотрона.