CN103079329A - 一种高压等离子点火装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压等离子点火装置，包括高压等离子喷枪；所述高压等离子喷枪包括阳极(1)、阳极外壳(2)、绝缘件(3)、阴极(4)、和阴极外壳(5)；绝缘件(3)位于阳极外壳(2)和阴极外壳(5)之间；阳极(1)和阴极(4)的一端分别延伸至绝缘件3的空腔内，并在阳极(1)和阴极(4)之间形成进气室(31)；在绝缘件(3)上形成至少两个切向进气孔(32)，依次相邻接的阳极(1)、进气室(31)、阴极(4)、和喷嘴(6)的中心线在同一条直线上；所述的阳极(1)、阴极(4)、和喷嘴(6)均采用抗氧化铜合金材料加工而成。本发明的高压等离子点火装置能够满足高压下稳妥可靠的点火需求。

Description

一种高压等离子点火装置

技术领域

本发明涉及一种等离子点火装置。

背景技术

工业用等离子电弧喷枪是广泛应用于等离子点火、超(亚)声速喷涂、垃圾焚烧、废物处理、金属冶炼、材料筛选、切割等用途的一种工业设备。其主要功用是对工业原料、材料、垃圾或废物、工业半成品等处理对象进行高温加热处理，使被处理对象获得燃烧(等离子点火和垃圾废物处理用途)、熔化(金属冶炼用途和材料筛选)或涂层(等离子喷涂)的一种专用设备。

等离子电弧喷枪所产生的气体射流温度可高达到8000摄氏度，远远超出目前燃料燃烧所产生的温度，与传统燃烧式高温发生器相比，等离子电弧喷枪具有温度范围宽(温度调节范围几百到几千摄氏度可调)，能量集中，气流污染小，气流速度可调(超、亚声速)，使用成本相对低廉，使用方便等优点。

目前工业上所用的等离子喷枪多为低压力型，等离子在常压下或微正压下启动和运行，由于等离子射流压力较低，阴极和阳极内壁的热流密度也较低，因此对于喷枪的材料要求不高，采用普通的紫铜材料就能满足要求，由于热流低，因此对于喷枪阴极和阳极的冷却设计要求也低。对于压力要求不高的场合，如煤粉锅炉的点火、冶金行业、废物处理等领域，采用目前的低压等离子喷枪完全可以满足使用要求，但是对于类似燃气流设备的点火，低压等离子喷枪就不再适用了。因为燃气流设备启动前其内部冷态的可燃性混合气体压力超过了3MPa，因此在燃气流设备启动时，等离子点火枪运行时的出口压力应该在3MPa以上，否则，喷枪的等离子火焰就不能从喷嘴喷出，甚至可能造成倒流，造成设备的损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高压等离子点火装置，满足燃气流设备等在高压下稳妥可靠的点火需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种高压等离子点火装置，包括高压等离子喷枪、直流供电电源、高频发生器、控制单元、供气单元和供水单元，控制单元分别与高压等离子喷枪、直流供电电源、高频发生器、供气单元和供水单元相连；所述高压等离子喷枪包括阳极、阳极外壳、绝缘件、阴极、阴极外壳和喷嘴；所述的阳极和阴极均为中空管状电极，阳极安装在阳极外壳内，在阳极外壁面和阳极外壳内壁面之间形成冷却通道；阴极安装在阴极外壳内，在阴极外壁面和阴极外壳内壁面之间形成冷却通道；喷嘴安装在阴极外壳内部并与阴极相邻；绝缘件位于阳极外壳和阴极外壳之间；绝缘件为中空圆柱体，阳极和阴极的一端分别延伸至绝缘件的空腔内，并在阳极和阴极之间形成进气室；在绝缘件上形成至少两个切向进气孔，高压空气从所述的切向进气孔以沿轴线旋转方式切向注入所述进气室；依次相邻接的阳极、进气室、阴极、和喷嘴的中心线在同一条直线上；所述的阳极、阴极、喷嘴均采用抗氧化铜合金材料加工而成。

所述的阳极和阴极的外壁面分别为多头螺旋式水槽结构。

所述阳极和阴极的外壁面上分别形成多个加强筋。

所述喷嘴内部形成圆柱形喷口以及与圆柱形喷口相邻的圆锥形出口，所述圆柱形喷口尺寸为2mm～5mm。

绝缘件采用陶瓷材料或其他耐高温的绝缘材料制成。

阳极外壳和阴极外壳采用不锈钢、黄铜或其他金属材料制成。

所述直流供电电源包括变压器、带晶闸管的桥式整流电路、电抗器、压敏电阻和控制器，三相380V供电与变压器的一侧相连，变压器的另一侧与带晶闸管的桥式整流电路的输入侧相连，带晶闸管的桥式整流电路输出侧一端接用于滤波的电抗器，用于滤波的电抗器与高压等离子喷枪的一个电极相连，带晶闸管的桥式整流电路输出侧另一端与高压等离子喷枪的另一个电极相连；控制器与带晶闸管的桥式整流电路的控制端相连，控制器用于调节桥式整流电路输出的电流；电抗器两端并联压敏电阻。

控制器采用了前馈控制和反馈控制相结合的复合控制方法进行电流的调节。

所述高频发生器包括整流变压器T1，整流电路Z1，高频升压变压器T2，高频耦合变压器T3，火花放电器HF，滤波电容C1，振荡电容C2、MOS管VF、和箝位电路；箝位电路采用电阻R1，电容C3，和二极管D2构成；整流变压器T1与整流电路Z1输入端相连，在整流电路的两输出端并联滤波电容C1，整流电路的一输出端与高频升压变压器T2的一次侧N1的一端相连，高频升压变压器T2的一次侧N1的另一端与MOS管VF的漏极相连，MOS管VF的栅极接控制电路，MOS管VF的源极接地；高频升压变压器T2的二次侧N2的一端通过二极管D1与火花放电器H F相连，火花放电器HF与高频耦合变压器T3相连；箝位电路连接在高频升压变压器T2的一次侧N1，振荡电容C2连接在二极管D2和高频升压变压器T2的二次侧N2的另一端之间。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明的高压等离子喷枪能够承受3MPa以上的压力，远超目前常用的工业等离子喷枪，可以应用到诸如燃气流设备的点火等高压力下的点火领域。

(2)本发明的高压等离子喷枪阴阳极均为高强度抗氧化铜合金材料制成的电极，抗氧化性好，使用寿命长，维护成本低。

(3)在结构上更采用了多头螺旋式水槽结构强化冷却能力和增加承压能力，电极冷却能力比传统直线型水槽结构的冷却能力有较大的提高。

(4)本发明采用高频发生器作为等离子喷枪的启动源，能够在3MPa及以上较高压力条件下击穿工作气体，使之电离，并达到稳定工作的状态。高频发生器启动方便可靠，运行稳定，能够多次重复使用。

附图说明

图1为本发明的高压等离子点火装置组成示意图。

图2为本发明的高压等离子喷枪的结构示意图。

图3为本发明的高压等离子喷枪的阳极和阴极第一种冷却结构示意图。

图4为本发明的高压等离子喷枪的阳极和阴极第二种冷却结构示意图。

图5为本发明的绝缘件在图2中的A-A截面示意图。

图6为本发明的直流供电电源原理图。

图7为本发明的直流供电电源的电流闭环控制原理图。

图8为本发明的高频发生器的电路原理图。

具体实施方式

下面以燃气流设备用的点火装置为例，对本发明的高压等离子点火装置进行说明。

如图1所示，本发明的高压等离子点火装置包括高压等离子喷枪、直流供电电源、高频发生器、控制系统、供气单元和供水单元，其核心部分是高压等离子喷枪。控制系统分别与高压等离子喷枪、直流供电电源、高频发生器、供气单元和供水单元相连。

如图2所示，高压等离子喷枪包括阳极1、阳极外壳2、绝缘件3、阴极4、阴极外壳5和喷嘴6。阳极外壳2、绝缘件3和阴极外壳5固定在一起。

所述的阳极1和阴极4均为中空电极，阳极安装在阳极外壳2内部，阳极的轴向尺寸与阳极外壳的轴向尺寸相同，在阳极1外壁面和阳极外壳2内壁面之间形成冷却通道。在阴极外壁面和阴极外壳内壁面之间形成冷却通道。在阳极外壳2的径向上形成与冷却通道相连的进水口和出水口，在阴极外壳5的径向上形成与冷却通道相连的进水口和出水口。绝缘件3位于阳极外壳2和阴极外壳5之间。绝缘件3的外表面为圆柱形，在绝缘件3内部形成圆柱形空腔。阳极1包括大端面和小端面，阴极4包括大端面和小端面。阳极1和阴极4的大端面延伸至绝缘件3的圆柱形空腔内，并在阳极1和阴极4之间形成进气室31。阴极4的小端面插入阴极外壳5内部，阴极4的大端面从阴极壳体延伸至绝缘件3的圆柱形空腔内。依次相邻接的阳极1、进气室31、阴极4、和喷嘴的轴线在同一条直线上。

如图2、5所示，在绝缘件3上形成两个切向进气孔32，高压工作空气从绝缘件3上的进气孔32以沿绝缘件3轴线旋转方式切向注入。

对于高压等离子喷枪来说，在高温下的运行压力达到6MPa，阳极和阴极壁面的热流密度是低压等离子喷枪的数十倍左右，因此对高压等离子喷枪阴极和阳极的材料选用和电极的冷却结构设计上提出了更高的要求。阳极1、阴极4和喷嘴6均采用抗氧化铜合金材料制成，绝缘件3采用陶瓷材料或其他耐高温的绝缘材料制成，喷枪的外壳2和5采用不锈钢、黄铜或其他金属材料制成。阳极1和阴极4的外壁可以采用如图3的结构，也可以采用如图4所示的结构。如图3所示，在阳极1和阴极4的外壁上都形成多个加强筋以强化冷却和加强承压能力。如图4所示，所述的阳极1和阴极4的外壁全部采用多头螺旋式水槽结构，既强化了冷却能力，又加强了电极的承压能力。图4中只示出了单头螺旋冷却通道，其他螺旋冷却通道未在图4中表示。

如图2所示，喷嘴6安装在阴极外壳5内部并与阴极4相邻接；所述喷嘴6内部形成圆柱形喷口以及与圆柱形喷口相邻的圆锥形出口，所述圆柱形喷口的尺寸比阴极4的圆柱形空腔尺寸小。喷嘴6采用小尺寸喷口结构形式，能够有效地降低点火所需功率，降低一次性投入成本。喷口尺寸过小会使喷嘴出口的受热严重导致损毁，过大则会使电源的输出功率过大，造成浪费。喷口尺寸一般控制在2mm～5mm之间，以满足在较低的电源输出功率条件下达到点火需要的温度和压力条件。喷口尺寸优选为3mm。

高压等离子喷枪的阴极外壳5的一端安装在燃气流设备的喷枪管道中，喷枪出口朝向燃气流设备的轴线，阳极外壳2则位于燃气流设备外侧，供水单元输出的冷却水分别由喷枪阳极外壳2和阴极外壳5上的进水口进入到枪体内部，供气单元输出的高压工作气体从绝缘件3的切向进气孔旋转进入喷枪内部，压缩并稳定阴阳极管内的电弧弧柱，高压工作气体在阳极1和阴极4的管内流动，工作气体经等离子电弧加热后通过喷嘴6喷出。冷却水在阳极1外壁面与阳极外壳2内壁形成的空腔内流动，冷却水在阴极4外壁面与阴极外壳5内壁形成的空腔内流动，冷却高温电弧传至电极的热量。

传统的等离子喷枪的直流供电电源为饱和电抗器调压整流电源，其控制方式为开环系统，没有引入反馈，而且响应较慢，系统不稳定，易断弧。本发明的直流供电电源采用的是可控硅整流的技术路线，具有控制灵活、动态响应迅速，其自优化和自诊断功能可大大减轻调试和现场维护人员的工作强度。如图6所示，本发明的直流供电电源由变压器、带晶闸管的桥式整流电路、电抗器、压敏电阻和PLC控制器组成，直流供电电源采用三相380V供电，三相380V供电与变压器的一侧相连，变压器的另一侧与带晶闸管的桥式整流电路相连，带晶闸管的桥式整流电路输出侧一端接用于滤波的电抗器，用于滤波的电抗器与等离子喷枪的一个电极相连，带晶闸管的桥式整流电路输出侧另一端与等离子喷枪的另一个电极相连。PLC控制器与带晶闸管的桥式整流电路的控制端相连。电抗器两端并联压敏电阻，抑制电路中出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。带晶闸管的桥式整流电路采用PLC控制器来实现系统的全自动化控制等功能。针对电弧负载的特殊性，利用晶闸管易于控制，可以实现快速调压的特点，引入晶闸管调压整流的控制方案来提高系统的稳弧特性，使等离子喷枪电弧能够稳定燃烧。同时利用电流闭环控制，确保等离子喷枪不断弧，具有稳定工作点。电流闭环采用了前馈控制和反馈控制相结合的复合控制方法，来提高系统的稳态和动态性能指标。采用PLC控制器对带晶闸管的桥式整流电路输出的电流调整的过程如图8所示，前馈控制确保在没有扰动的情况下对设定电流I^＊精确控制，反馈控制则是在输出电流I受到干扰时，抑制和消除等离子喷枪运行过程中可能出现的波动，提高控制系统的鲁棒性。

高频发生器的电路原理图如图8所示，包括整流变压器T1，整流电路Z1，高频升压变压器T2，高频耦合变压器T3，火花放电器HF，滤波电容C1，振荡电容C2、增强型P沟道MOS管VF、和箝位电路。箝位电路采用电阻R1，电容C3，和二极管D2构成。整流变压器T1与整流电路Z1输入端相连，在整流电路的两输出端并联滤波电容C1，整流电路的一输出端与高频升压变压器T2的一次侧N1的一端相连，高频升压变压器T2的一次侧N1的另一端与MOS管VF的漏极相连，MOS管VF的栅极接控制电路，MOS管VF的源极接地；高频升压变压器T2的二次侧N2的一端通过二极管D1与火花放电器HF相连，火花放电器HF与高频耦合变压器T3相连；箝位电路连接在高频升压变压器T2的一次侧N1，振荡电容C2连接在二极管D2和高频升压变压器T2的二次侧N2的另一端之间。首先通过整流电路Z1获得直流电源，再经过由MOS管VF及其控制电路，高频升压变压器T2构成的单端反激变换器，在高频升压变压器T2的二次侧输出高压，为火花放电回路提供所需的充电高压和能量。当振荡电容C2的充电电压达到火花放电器HF的放电电压(由HF的电极材料和空气隙大小决定)时，便发生火花放电。此时，HF的空气隙接近电性短路状态，已被充电的C2将通过火花间隙而放电，从而在回路里形成高频的电磁振荡，最后通过T3耦合升压，即可输出高频高压，达到引弧目的。采用电阻R1，电容C3，二极管D2构成电阻-电容-二极管箝位电路来确保高频升压变压器T2不出现单向磁饱和现象，这样既可以防止磁饱和造成过大激磁电流而损坏MOS管VF的现象，又可以保证高频升压变压器T2应有的耦合系数，有效输出足够的能量。由于高频升压变压器T2二次绕组的匝数较多，本身具有一定的内阻，因此当火花放电器HF放电并将高频升压变压器T2二次侧短路时也不会造成高频升压变压器T2一次侧出现过大电流的现象，无需采取串接限流电阻或将T2设计成高漏抗变压器等措施，因此设计更加简单。

高频发生器的电压调节范围为30KV～100KV之间可调。调节时，通过改变变压器T3输出端的抽头达到调节输出电压等级的目的。调节电压的目的主要是适应喷枪不同工作气体流量和压力大小的需要，达到可靠起弧的目的。根据气体介质流量的大小和压力的高低选用合适的电压等级，当工作介质为流量大、压力高且不易电离的气体时，选用高电压输出等级；当工作介质为流量小、压力低、易电离的气体时，选用低电压输出等级，以实现可靠、稳妥的起弧方案。

本发明利用高温、高压的等离子体射流进行燃气流设备点火的原理是：高压等离子喷枪安装在燃气流设备的底面或侧壁上，喷枪的出口方向朝向可燃性混合气体，喷枪阳极接直流供电电源的正极，阴极接直流供电电源的负极，高频发生器的两个起弧线也分别同喷枪电源的正极和负极相连。开启供水单元和供气单元，待控制系统显示的参数正常后，启动高频发生器，此时高频发生器先工作1～2秒钟，将从阳极1和阴极4之间注入的气体击穿，随后将直流供电电源自动合闸，把直流电源加到高压等离子喷枪的阳极1和阴极4上，此时，等离子电弧就在喷枪的两个电极之间建立起来了，当运行时间达到预设时间时，喷枪自动终止运行。在喷枪运行过程中，经电弧加热并电离的高温、高压气流从喷嘴6高速喷出，点燃位于燃气流设备内混合好的可燃性气体。

由于本发明的高压等离子点火装置具有高温、高压且能重复使用、使用寿命长，管理、维护简单方便等特点，温度能够达到3000K～5000K，压力能够达到3MPa～6MPa，可以克服现有燃气流设备所采用的氧气煤油点火器和火工产品点火器的诸多缺点，能够满足现有燃气流设备的点火需要。由于本发明的等离子喷枪射流温度和压力的覆盖范围比较宽，因此可以更大范围的满足不同燃气流气体成分或其他点火困难场合的应用，还可广泛应用于超声速喷涂、废物处理、材料制备及筛选和切割等需要高温、高压作为热源的多个领域。

以上所述是本发明的具体实施方式，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换，均属于本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压等离子点火装置，包括高压等离子喷枪、直流供电电源、高频发生器、控制单元、供气单元和供水单元，控制单元分别与高压等离子喷枪、直流供电电源、高频发生器、供气单元和供水单元相连；其特征在于：所述高压等离子喷枪包括阳极(1)、阳极外壳(2)、绝缘件(3)、阴极(4)、阴极外壳(5)和喷嘴(6)；所述的阳极(1)和阴极(4)均为中空管状电极，阳极安装在阳极外壳(2)内，在阳极(1)外壁面和阳极外壳(2)内壁面之间形成冷却通道；阴极安装在阴极外壳内，在阴极外壁面和阴极外壳内壁面之间形成冷却通道；喷嘴(6)安装在阴极外壳内部并与阴极相邻；绝缘件3位于阳极外壳(2)和阴极外壳(5)之间；绝缘件3为中空圆柱体，阳极(1)和阴极(4)的一端分别延伸至绝缘件3的空腔内，并在阳极(1)和阴极(4)之间形成进气室(31)；在绝缘件(3)上形成至少两个切向进气孔(32)，高压空气从所述的切向进气孔(32)以沿轴线旋转方式切向注入所述进气室；依次相邻接的阳极(1)、进气室(31)、阴极(4)、和喷嘴(6)的中心线在同一条直线上；所述的阳极(1)、阴极(4)、喷嘴(6)均采用抗氧化铜合金材料加工而成。

2.根据权利要求1所述的高压等离子点火装置，其特征在于：所述的阳极(1)和阴极(4)的外壁面分别为多头螺旋式水槽结构。

3.根据权利要求1所述的高压等离子点火装置，其特征在于：所述阳极(1)和阴极(4)的外壁面上分别形成多个加强筋。

4.根据权利要求1所述的高压等离子点火装置，其特征在于：所述喷嘴(6)内部形成圆柱形喷口以及与圆柱形喷口相邻的圆锥形出口，所述圆柱形喷口尺寸为2mm～5mm。

5.根据权利要求1所述的高压等离子点火装置，其特征在于：绝缘件(3)采用陶瓷材料或其他耐高温的绝缘材料制成。

6.根据权利要求1所述的高压等离子点火装置，其特征在于：阳极外壳(2)和阴极外壳(5)采用不锈钢、黄铜或其他金属材料制成。

7.根据权利要求1所述的高压等离子点火装置，其特征在于：所述直流供电电源包括变压器、带晶闸管的桥式整流电路、电抗器、压敏电阻和控制器，三相380V供电与变压器的一侧相连，变压器的另一侧与带晶闸管的桥式整流电路的输入侧相连，带晶闸管的桥式整流电路输出侧一端接用于滤波的电抗器，用于滤波的电抗器与高压等离子喷枪的一个电极相连，带晶闸管的桥式整流电路输出侧另一端与高压等离子喷枪的另一个电极相连；控制器与带晶闸管的桥式整流电路的控制端相连，控制器用于调节桥式整流电路输出的电流；电抗器两端并联压敏电阻。

8.根据权利要求7所述的高压等离子点火装置，其特征在于：控制器采用了前馈控制和反馈控制相结合的复合控制方法进行电流的调节。

9.根据权利要求1所述的高压等离子点火装置，其特征在于：所述高频发生器包括整流变压器T1，整流电路Z1，高频升压变压器T2，高频耦合变压器T3，火花放电器HF，滤波电容C1，振荡电容C2、MOS管VF、和箝位电路；箝位电路采用电阻R1，电容C3，和二极管D2构成；整流变压器T1与整流电路Z1输入端相连，在整流电路的两输出端并联滤波电容C1，整流电路的一输出端与高频升压变压器T2的一次侧N1的一端相连，高频升压变压器T2的一次侧N1的另一端与MOS管VF的漏极相连，MOS管VF的栅极接控制电路，MOS管VF的源极接地；高频升压变压器T2的二次侧N2的一端通过二极管D1与火花放电器HF相连，火花放电器HF与高频耦合变压器T3相连；箝位电路连接在高频升压变压器T2的一次侧N1，振荡电容C2连接在二极管D2和高频升压变压器T2的二次侧N2的另一端之间。

Images