DLZ-200型等离子点火器阴极寿命计算系统

摘 要：详细地介绍了等离子点火器阴极寿命计算系统的意义，理论依据及实现方案。 关 键 词：等离子点火器；阴极；阳极；电弧；烧损规律；时间基准 烟台龙源电力技术有限公司成功的开发研制出DLZ-200型工业性等离子点火器，直接点燃煤粉。1999年该装置安装于烟台发电厂1#锅炉进行机组启动和稳燃试验，2000年10月通过国家电力公司组织的专家组的鉴定，建议在全国适用机组大规模推广。 2000年12月佳木斯发电厂13#炉中储式制粉系统锅炉1#、3#角采用专设等离子点火器进行工业性试验，获得无油点火成功。此后，等离子点火改造迅速在全国范围内的电厂广泛推广，现已完成等离子点火改造并投产的电厂有30多个，预计明年要进行等离子点火改造的机组要达到100多台。随着等离子点火装置在现场的广泛使用，装置本身的一些问题也逐渐的暴露出来，烧损件阴极的使用寿命短，阴极的使用寿命无法准确的估计，已成为问题的焦点，电厂运行人员和公司调试人员都强烈要求给等离子点火器设计一套准确的阴极寿命计算及预警系统来准确掌握阴极的使用情况。 一、 阴极寿命计算及预警系统的意义 等离子点火装置主要应用在电厂锅炉启动阶段、低负荷稳燃阶段和机组滑停阶段，用来替代油枪，达到节能增效的目的。这三个过程都需要点火器有很好的稳定性，能够长时间稳定运行，不能在中间出现因阴极烧损而断弧情况。特别是在机组汽机冲转、发电机并网等关键时机，机组大修后各种试验的关键时间都要求点火器有绝对可靠的稳定性。否则，将会给整个机组带来不可估量的损失。因此，通过阴极寿命计算系统准确掌握阴极使用寿命情况，可采取提前更换新阴极头等手段避免在机组启动等重要的运行过程中发生断弧现象。 二、 阴极寿命计算系统的理论、实验依据 等离子电弧的基本原理是电极接触引弧，即阴极与阳极接触后通过特定的直流电源给阴阳极加大电流，当阴极离开阳极时引燃电弧，同时电弧在线圈磁力的作用下被拉出喷管之外，压缩空气在电弧的作用下被电离为高温等离子体，形成等离子电弧。跟据等离子电弧的工作原理，阴极作为等离子发生器发射电子的高温部件，烧损是该电极的工作特点。影响阴极使用寿命的因素很多，其中主要因素有电极材料、电极形状、电弧工作电流、冷却条件、使用气体种类。DLZ-200型等离子点火装置为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极组成，其中阴极、阳极材料均采用高导电率的金属合金材料制成，并且用水冷方式以承受电弧高温。根据DLZ-200型等离子点火装置的工作特点，使用的电极材料、电极形状，使用气体种类都是一定的。所以，在保持冷却水流量恒定、水温恒定的条件下，阴极烧损规律是电弧工作电流的单值函数。在实际应用中，也主要是靠调节电流来调节电弧功率。 通过理论分析得出阴极烧损规律是电弧工作电流的单值函数，如何得到电弧工作电流与阴极烧损规律的关系就成为问题的关键。为此，在烟台发电厂作了大量的、各种工作电流下的阴极使用寿命试验。通过总结实验数据，得出在一定的工作电流的条件下阴极烧损质量与时间的关系曲线。见图1。 图1 阴极烧损质量与时间的曲线 通过实验曲线，可近似得出阴极烧损质量与使用时间的线性关系。 I=300A时，阴极寿命97.1小时，共烧掉了38.0g，烧损规律2.555h/g； I=320A时，阴极寿命88.3小时，共烧掉了44.45g，烧损规律1.987h/g； 取平均值(2.555+1.987)/2=2.271h/g， 得出300A<= I <=320A时，烧损规律约为2.271h/g。 考虑到每个阴极头的加工误差及所用材料的纯度误差，按最保守的计算， 每个新的阴极头可以烧掉30g而不断弧，得出阴极头的使用寿命30X2.271=68h。为再进一步的确保阴极头在使用寿命内可靠使用，在300A<= I <=320A的情况下，将阴极使用寿命定为50小时。电弧工作在电流300A<= I <=320A的范围内，其功率完全可以满足在燃烧器内直接点燃煤粉的要求，是推荐的等离子点火装置的最佳电流工作范围，也是电厂实际应用中最长时间使用的电流范围。 还有两种工况也经常使用。1，在冷炉启动刚开始点火时，可适当增加 电流（在320A340A和I<280的情况，因为I<280A时，电弧功率低不容易点着煤粉，而且电弧不稳定容易断弧；I>340A的情况下，增加电流电弧功率增加不大，但阴极损耗太快。 三、 阴极寿命计算系统程序设计思路及流程 通过实验总结出阴极烧损规律后，要想在工程实际中应用这些规律，需要通过可编程序控制器编程来实现。阴极寿命计算系统即在等离子点火系统上位机监控画面中能实时显示阴极所剩下的可以正常使用的时间，当使用时间低于一定的值时（如5小时）PLC通过程序判断，发出声光报警信号，提醒运行人员注意要提前准备更换阴极头。通过阴极寿命的时间显示的监视，运行人员可以比较准确的掌握阴极的使用情况。 程序设计的主体思路是利用可编程序控制器内部的时钟，来做出不同的时间基准，通过程序判断电弧不同的电流工作范围来为阴极寿命计算选择不同的时间基准，来实现阴极寿命的准确计算。具体设计方案如下： 时间基准，即脉冲发生器。不同的时间基准，可用可编程序控制器内部的不同定时器编程来获得。为确保计时准确，需要尽量采用毫秒级分辨率的的定时器。用推荐的、电弧最长工作的电流范围下的阴极寿命50小时作为点火器阴极的基准寿命。阴极寿命50小时即180000秒相当于数180000，放在可编程序控制器内存的一个双字地址中，可以通过通讯在上位机上显示该双字地址中的数，即为阴极寿命，显示时通过程序将阴极寿命换算为以分钟为单位的数。每次更换一个新阴极头时，可通过上位机的简单操作将这个双字地址中的数恢复为180000。电弧工作时，根据数据采集上来的电弧电流的大小选择不同的时间基准，每过一个时间基准，将该地址中的数减1。因为电弧电流工作在在300A<=I<=320A范围内，阴极寿命为基准寿命50小时（180000S），所以时间基准为1S，即电弧每工作1S将代表阴极寿命双字地址中的数减1。根据前面总结的实验得出的阴极烧损规律，可推算出电弧电流工作在280A<=I<300A范围内，时间基准为1÷0.78≈1.3S，即电弧每工作1.3S将阴极寿命双字地址中的数减1。以此类推，电弧电流工作在I<280A时，可近似的得出时间基准为1÷0.78÷0.78≈1.6S；电弧电流为320A340A时，时间基准近似为1X0.78X0.78≈0.6S。 阴极寿命计算系统程序流程如图2所示。 四、 结束语 阴极寿命计算系统是建立在通过大量工业性试验总结出来的阴极烧损规律的基础上，通过可编程控制器采用科学的编程方法来准确计算出阴极的使用寿命，并能通过数据的通讯方式在上位机实时的显示出来，供电厂运行人员随时来监控阴极的使用情况。通过烟台发电厂的现场实际应用，该系统能够比较准确的计算出阴极的使用寿命，在阴极寿命低于5小时后，能发出报警提醒运行人员注意，达到了阴极寿命计算及报警的效果，受到电厂运行人员的欢迎。 参考文献： [1] DLZ-200型等离子点火器使用说明书V1.0 .烟台龙源电力技术有限公司，2000。 [2] 空气等离子弧切割机的原理和设计.赵家瑞等编著.北京:机械工业出版社，1996。