作者：李明堂…
李明堂李之珍摘要：本文介绍了等离子技术的原理，探讨了等离子点火技术在蓬莱发电有限公司两台330MW机组上的应用。

国电蓬菜发电有限公司一期工程为7×330MW机组，锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的1025t/h引进型亚临界参数汽包炉，燃用烟煤。锅炉采用四角切向布置的全摆动燃烧器，共有6层一次风喷口。燃烧器为水平浓淡燃烧器，采用弯头浓淡分离方式。锅炉配备3层共12只油燃烧器，总出力约占锅炉出力的35。油喷嘴采用机械雾化方式。
锅炉制粉系统为直吹式，每台锅炉配有3台沈阳重型机器有限责任公司生产的BBD4054型双进双出钢球磨煤机。每台磨煤机为两层煤粉燃烧器供粉。
为了节约燃油，锅炉采用等离子点火器点火。在最下层燃烧器处，安装4支由烟台龙源公司生产的等离子点火煤粉燃烧器及附属配套设备。等离子点火燃烧器具有锅炉启动点火及锅炉低负荷稳燃两种功能。
一、等离子点火系统的组成
该系统主要由以下几部分组成(图1):

●等离子发生器——产生电功率为50~150kW的空气等离子体;
●直流电源柜(含整流变压)——将三相380V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点燃煤粉;
●控制系统——由PLC、CRT、通信接口据总线构成;
●辅助系统——由冷却水、空气的供给系统组成。

等离子发生器主要由阳极、电子发射枪、稳弧线圈三部分组成，如图2所示。阳极组件由阳极、冷却水道、压缩空气通道及壳体构成，连续工作时间大于500小时。电子发射枪由枪头、外套管、内套管、引弧器、进、出水口、上电接头等组成。电磁线圈由电缆及上电口等组成，用于产生强磁场。

点火燃烧器结构如图3。控制系统如图4。

二、系统基理
1、点火机理
本装置利用直流电流(大于200A)在介质气压大于0.lMPa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>5000K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10-3秒内迅速释放出挥发物，并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，也有助于加速煤粉的燃烧。这样，就大大地减少了促使煤粉燃烧所需要的引燃能量E(E等二1/6E油)。
等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子(C、H、O)、原子团(OH、H2、02)、离子(02-、H2-、OH-、0-、H )和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧。除此之外，由于等离子体对于煤粉的作用，煤粉的挥发分可比通常情况下提高20-80，即等离子体有再造挥发份的效应，这对于点燃贫煤、强化燃烧有非凡的意义。
2、等离子发生器工作原理
本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5所示。

阴极材料采用高导电率的金属材料或非金属材料制成;阳极由高导电率、高导热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250℃情况下具有抗2000V的直流电压击穿能力。电源采用全波整流，并具有恒流性能。
发火原理为:首先设定输出电流，当阴极前进与阳极接触后，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。在电弧的作用下，具有0.03MPa左右压力的空气被电离为高温等离子体，其能量密度高达105-106W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。
3、燃烧机理
根据高温等离子体有限能量不可能与无限的煤粉量及风速相匹配，为此设计了多级燃烧器。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条件，从而完成一个持续稳定的点火、燃烧过程。试验证实，运用这一原理及设计方法，便单个燃烧器的出力可以从2t/h扩大到lOt/h。在建立一级点火燃烧过程中，我们采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火炬中心区，5000-10000℃的高温等离子体与浓煤粉汇合及所伴随的物理化学过程使煤粉原挥发份的含量提高了20-80，其点火延迟时间不大于1秒。
点火燃烧器的性能决定了整个燃烧器运行的成败。该燃烧器的设计出力约为500~80Okg/h,其喷口温度不低于12OO℃。另外，我们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。该区称为第一区。
第二区为混合燃烧区。在该区内一般采用"浓点浓"的原则，应用环形浓淡燃烧器将淡粉流贴墙而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。这样做的结果，既有利于混合段的点火，又冷却了混合段的壁面。假如在特大流量条件下，还可以采用多级点火。
第三区为强化燃烧区。在一、二区内，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措施。提前补氧的原因在于提高该区的热焓，进而提高喷管的初速达到加大火焰长度提高燃尽度的目的。所采用的气膜冷却技术亦达到了避免结焦的目的。
第四区为燃尽区。疏松碳的燃尽率决定于火焰的长度。随烟气的温升，燃尽率逐渐加大。
三、控制系统
本系统控制主机采用西门子57-300可编程控制器为核心，57-300与各电源框之间为数据通信，操作界面采用工业液晶显示屏设置参数和功能，其硬件配置见图4。其中，6RA70为全数字直流控制器，是电源柜的控制核心元件。
控制逻辑框图如图6。

四、布置方式及运行方式
国电蓬菜发电有限公司为了适应四角切圆燃烧方式，将A层四支一次风主燃烧器改造为由烟台龙源公司生产的等离子点火煤粉燃烧器及附属配套设备，同时增加一套蒸汽加热装置，即在一次风母管上加装暖风器(汽源取自辅汽联箱)以制取热风。这种布置方式有利于等离子点火器发生的火焰直接点燃煤粉。在锅炉点火时，首先保证等离子冷却水系统、压缩空气系统压力合适，通过暖风器制取热风，投入等离子燃烧器，待达到一定温度后投入等离子点火器，启动A磨煤机单端运行Al层出粉，单台给煤机给煤，根据锅炉负荷的需要逐步投入A2层粉，B磨煤机，C磨煤机，从而实现锅炉无油点火的目标。
五、经济效益分析
1、直接经济效益
国电蓬莱发电有限公司一期工程2×330MW机组在试运期间要经过锅炉吹管、整定安全阀、汽机冲车、机组并网、电气试验、锅炉洗硅运行、机组带负荷运行等许多阶段，由于此期间锅炉无法投磨或无法完全断油运行，因此要耗费大量的燃油。根据电力部最新颁布的试运导则中的规定，30OMW机组试运期间燃油消耗的标准定量为4000吨。根据国电蓬菜电厂1、2号机组基建调试阶段的燃油统计，每台机组的燃油量为2000多吨。假如在机组试运初期投入等离子煤粉点火系统，将可以使整个试运期间的燃油消耗控制在300吨以内，可产生巨大的经济效益。
(1)国电蓬莱电厂#1机组按常规方法试运所需燃油耗费计算
燃油消耗:2000吨
燃油价格:0.3万元/吨
燃油耗费:0.3×2000=600万元
(2)机组改装等离子煤粉点火装置后进行试运所需费用计算
a)燃油耗费
燃油消耗:300吨
燃油价格:0.3万元/吨
燃油耗费:0.3×300=90万元
b)原煤耗费
燃油的低位发热量为4.18×1O4kJ/kg，设计煤种低位发热量为19938kJ/kg原煤价格为100元/吨，节约燃油数量为1700吨，则按发热量相等的原则所需的原煤费用为：
万元
c)耗电费用
设计煤种发热量:19938kJ/kg
原煤消耗：
吨
制粉单耗：20kwh/t；
等离子燃烧器耗电：20kwh/t；
厂用电价格：0.15元/kwh
耗电费用:3564×(20 20)×0.15=2.14万元
(3)基建调试期间的经济效益计算
600-90-35.64-2.14=472.22万元
2、间接经济效益
按照常规的试运方法，机组在试运期间要长期低负荷运行，此期间锅炉纯烧油或油煤混烧。为避免未燃尽的油滴粘污电极，锅炉电除尘器无法正常投入，大量烟尘直接排放到大气中，给环境带来严重的污染，同时烟气中的粉尘会对锅炉引风机叶片造成磨损，这些均给电厂带来间接的经济损失。
在机组试运期间投入等离子煤粉点火系统，电除尘器可以在锅炉启动及低负荷期间正常投入，大大减少粉尘的排放，避免了环境污染，给电厂带来显著的社会效益和经济效益。
六、小结
通过对等离子燃烧技术的分析和现场调试经验可以看出，等离子技术在节约能源、环保、提高机组快速升负荷方面具有重要的应用意义，而且电厂可以单一燃料运行，简化了系统，简化了运行方式，是一项值得推广的新技术，必然在工业生产领域中有着广阔的发展前景。