等离子点火煤粉燃烧器技术原理及其应用研究
孙超凡1，王公林，刘庆鑫1，于文波，叶向前1，陈 东2，郭 斌1
(1．广东省电力试验研究所，广东
广州 510600；
2．烟台龙源电力技术有限公司，山东
烟台64006)
摘 要：介绍了广东省电力系统第1台等离子点火稳燃装置的基本原理和设计特点，探讨了该系统的燃烧机理和控制逻辑的修改，介绍了该装置的调试应用情况。调试结果表明：等离子点火装置具有节省启动调试阶段燃油的能力，运行和维护费用低廉，结构简单，操作控制方便，有较大的推广应用价值。
关键词：锅炉；燃烧器；等离子点火
Technical principle and application
research of plasma ignition burner
SUN Chaofan1,WANG
Gonglin,LIU Qingxin1,YU
Wenbo,YE Xiangqian1,CHEN D ong,GUO
in1
(1.Guangdong
Power T est & Research Institute,Guangzhou 510600,China;
2.Yantai
Longyuan Power T echnology Co.,Ltd.,Yantai, Shandong 64006,China)
Abstract:his paper introduces the basic
principle and design characteristics of the plasma ignition burner which is the
first one built in Guangdong Province.Its combustion mechanism and logical
control system are discussed with the commissioning test of the plasma ignition
system described.he commissioning results show that the plasma ignition burner
is worth spreading due to its characteristics of oil saving,low operation and
maintenance costs,simple structure and easy manipulation.
Keywords:boiler;burner;plasma ignition
广州恒运热电厂C厂6号锅炉系东方锅炉厂生产的G980/13.7-20型自然循环汽包炉。该炉采用四角切圆布置，有A，B，C，D，E共5层燃烧器，层油枪。配中速辊式直吹磨煤机。设计煤种为山西大同烟煤，其实际燃煤特性（收到基）：固定碳44.3%，灰分19.5%，全水分9%，挥发分5%，低位发热量1 635
kJ/kg。为节省启动调试阶段的燃油及运行、调峰阶段的助燃用油，根据6号锅炉的实际情况，该厂采用了烟台龙源电力技术有限公司生产的DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器，将A层（对应C磨煤机）4只主燃烧器改造为等离子点火煤粉燃烧器，与一次风管成60°夹角。该装置在广东地区推广应用尚属首次，本文主要对其工作原理和调试应用进行研究。
1工作原理
1.1点火机理
DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器利用直流电流（大于200A）在介质气压大于0.1 MPa的条件下接触引弧，并在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体。该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成T＞5
000 的梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在10
ms内迅速释放出挥发物，使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气向中进行，使混合物组分的粒级发生了变化，因而使煤粉的燃烧速度加快，也有助于煤粉的燃烧，这样就大大地减少煤粉燃烧所需要的引燃能量。
等离子体内含有大量化学活性粒子，如原子（C，H和O）、原子团（OH，H2和O2）、离子（O2-，H2-，OH-，O-和H+）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧。此外，等离子体对于煤粉的作用，与通常情况相比提高20%～80%的挥发分，即等离子体有再造挥发分的效应，这对于点燃贫煤、强化燃烧有特别的意义。
也就是说，等离子点火燃烧器是利用强磁场控制下的直流接触引弧，将空气电离成高能等离子体。当煤粉通过等离子体时，由于受到超高温的强烈作用，煤粉颗粒在瞬间发生一系列物理和化学变化，释放挥发分，再造挥发分，并迅速燃烧。
1.2等离子发生器工作原理
等离子发生器为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极组成，如图1所示。其中阴极材料采用高电导率的金属材料或非金属材料制成；阳极由高电导率、高热导率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击；线圈在高温50
℃情况下具有抗
kV直流电压的击穿能力；电源采用全波整流电路，并具有恒流性能。等离子发生器的发火原理为：首先设定输出电流，当阴极前进同阳极接触后，整个系统具有抗短路的能力且电流恒定不变，当阴极缓缓离开阳极时，电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管外部。具有0.03
MPa左右压力的空气在电弧的作用下，被电离为高温等离子体，其能量密度高达105～106 W/cm，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。
1.3燃烧机理
根据高温等离子体有限的能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配，为此设计了多级燃烧器，如图所示。它的意义在于应用多级放大的原理，使系统的风粉浓度、气流速度处于一个十分有利于点火的工况下，从而完成持续、稳定的点火、燃烧过程。实验证明，运用这一原理及设计方法可使单个燃烧器的出力从
t/h扩大到10
t/h。在建立一级点火燃烧过程中采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火焰中心区，5
000～10
000 ℃的高温等离子体同浓煤粉的汇合及所伴随的物理、化学过程，使煤粉原挥发分提高了20%～80%，其点火延迟时间不大于1
s。
点火燃烧器的性能决定了整个燃烧器运行的成败。在设计上该燃烧器出力约为500～800
kg/h，其喷口温度不低于1
00 ℃。另外加设了第一级气膜冷却技术，避免了煤粉的贴壁流动及挂焦，同时又解决了燃烧器的烧蚀问题。该区称为第Ⅰ区。
第Ⅱ区为混合燃烧区，区内一般采用“浓点浓”的燃烧原则，环形浓淡燃烧器可将淡粉流贴墙而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。这样既利于混合段的点火，又冷却了混合段的壁面。在特大流量条件下还可采用多级点火。
第Ⅲ区为强化燃烧区，在Ⅰ、Ⅱ区内挥发分基本燃尽，为提高疏松炭的燃尽率，采用提前补氧强化燃烧的措施。提前补氧的目的在于提高该区的热焓，进而提高喷管的初速，加大火焰长度，提高燃尽度。所采用的气膜冷却技术亦达到了避免结焦的目的。
第Ⅳ区为燃尽区，疏松炭的燃尽率决定于火焰的长度，随烟气温度的升高而逐渐加大。
2 DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器设计特点
2.1基本设计参数
2.1.1电源
三相电源380
V，频率50 Hz，最大消耗功率200
kVA，负荷电流工作范围200～375 A，电弧电压调节范围50～400
V，等离子发生器直流电源460
V。
2.1.2压缩空气
压缩空气气压0.1～0.4
MPa，消耗量60～100
m3/h。
2.1.3冷却水
冷却水压力0.15～0.4MPa（正常0.2
MPa），最大流量10
t/h，要求除盐水温度不大于40
℃。
2.1.4点火器电功率
点火器输出功率50～150 kW，额定输出功率10
kW。
2.1.5等离子燃烧器设计参数
一次风管风速24.0 m/s，一次风温度.0
℃，一次风风量14.4 m3/h，煤粉量3.5
t/h，风煤比0.2～0.5，喷口风速60
m/s（喷口温度1 100 ℃时），燃烧器阻力500
Pa，二次风管风速45
m/s。
2.2系统构成
DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器的组成见图3。等离子发生器产生电功率为50～150 kW的空气等离子体，主要由阳极、电子发射枪、稳弧线圈3部分组成。直流电源柜将380
V三相电源整流成直流电，用于产生电弧。点火燃烧器与等离子发生器配套使用，以点燃煤粉。控制系统由可编程序逻辑控制器（PLC）、屏幕显示器（CR）、通信接口和数据总线构成。辅助系统由冷却水和空气供给系统组成。
2.3安装特点
广州恒运热电厂C厂6号锅炉等离子点火系统共设计有4套等离子点火煤粉燃烧装置。其中4支等离子燃烧器分别装在锅炉A层4支主燃烧器位置，替换原有的煤粉燃烧器，等离子点火器安装在燃烧器侧面。低压盘安装在检修楼除尘段配电室内，4套电源控制柜和隔离变压器安装在检修楼二楼除尘配电室旁（等离子室），可以通过分散控制系统（CS）或触摸屏进行控制。
3调试情况
广州恒运热电厂C厂6号锅炉等离子点火煤粉燃烧器调试工作包括分系统调试和整组启动热态调试两部分。
3.1分系统调试
3.1.1冷却水系统调试
通过1台冷却水泵来供应冷却水，其相应管路应进行冲洗。必须确保等离子发生器内部、软管和接口严密，且回水管要有水流出。冷却水压力通常控制在0.2
MPa左右。
3.3.2压缩空气系统调试
对压缩空气系统管路进行吹扫。通过控制其母管进气手动阀来控制压缩空气压力,通常在0.2 MPa左右。
3.1.3控制逻辑的调试
由于等离子点火煤粉燃烧器的控制逻辑进入炉膛安全保护监控系统（FSSS），因此，必须对FSSS进行相应的修改，从而可方便地在CS上进行等离子点火煤粉燃烧器的投、切工作。
经修改，其逻辑功能变为：在“正常运行模式”下，C磨煤机维持原来的FSSS逻辑不变。在“等离子运行模式”下，可去掉“油枪投入”和“负荷大于5%”的启C磨煤机条件，由等离子点火煤粉燃烧器中的控制器发出正常工作信号。当任一角度的等离子点火煤粉燃烧器出现断弧异常时，CS会发出报警信号。当任意两个角度的等离子点火煤粉燃烧器出现故障，且A和层油枪少于3支运行时，会自动停止C磨煤机运行。若C磨煤机在运行时出现跳闸现象，则等离子点火煤粉燃烧器亦联跳。若发生锅炉主燃料跳闸（MF），则等离子点火煤粉燃烧器联跳，且禁止启动。等离子点火煤粉燃烧器允许启动的逻辑条件为：压缩空气和冷却水压力均正常，通信正常，锅炉吹扫已完成。
3.2启动投运调试
首次试投等离子点火煤粉燃烧器时，因安装的电缆容量偏小，造成该系统故障报警，并引起C磨煤机跳闸，被迫停运。查明原因后，更换了大容量的电缆。在汽机冲转期间，即首次成功地投入等离子点火煤粉燃烧器，仅投支油枪，1台磨煤机即可。在7
h试运结束、进行滑参数停炉的过程中，带50
MW负荷时，仅需投入1支油枪。后将全部油枪退出，只投等离子点火煤粉燃烧器，最低稳燃负荷达30
MW。在4 h试运行期间，在汽机冲转前即实现了全脱油枪的目标，只需投4个等离子点火煤粉燃烧器和1台磨煤机（C磨煤机）运行，便可进行冲转、并网工作，带14
MW负荷，直到负荷升至115
MW可保证锅炉稳燃时，才人为地将等离子点火煤粉燃烧器退出运行。从这几次启动调试情况来看，DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器是安全、可靠的，除了出于心理因素和首次应用考虑，点火冲转初期需短时投入下层3支油枪外，完全可实现汽机冲转前全脱油枪、只投等离子点火煤粉燃烧器和提前投1台磨煤机运行之功能，从而节约大量的助燃用油。
启动调试期间，根据实际燃煤情况和锅炉设备状况，对一些重要控制参数进行了调整。调整后，风煤比为0.30～0.35，点火初期一次风风速为3.4～5.74
m/s（点火初期一次风风速为1.17倍管道风速），点火后一次风风速为6
m/s，点火初期给煤量为14～16
t/h（最好先投下层3支油枪）。
4结论
通过对广州恒运热电厂C厂6号锅炉安装的等离子点火煤粉燃烧器的调整试验，我们认为：
a)DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器在广州恒运热电厂C厂6号炉上的应用是成功的。由于该系统系首次在广东省成功地推广应用，因此，它填补了广东省电力系统应用等离子点火煤粉燃烧器这一高新技术的空白。
b)DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器具有节省启动调试阶段燃油的作用，若在吹管阶段即投运，则节油更可观。投产后，它还具有节省机组运行、调峰阶段助燃用油的能力，经济效益可观。
c)DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器运行和维护费用低廉，仅是燃油的15%～0%。
d)DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器在环保、安全方面社会效益显著。可降低有害物质氮、硫氧化物等的排放量，避免了用油点火初期因不能投入电除尘器而排放的大量烟尘，可更早投入电除尘器，更避免了使用燃油带来的诸多不安全隐患。
e)DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器结构简单，操作控制方便。只需提供冷却水、压缩空气、交流电源和煤粉，便可实现锅炉用较少量燃油或无油启停和稳燃的目的，可简化甚至不用燃油系统。
f)等离子点火煤粉燃烧器投资回报较快。若在新建锅炉首次点火时便投入等离子点火煤粉燃烧器运行，则基建调试期间所节省的燃油费用就基本上可填补投资等离子装置主、辅设备及安装所需的费用。
广东电力
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