摘 要：文章通过介绍等离子点火燃烧器的工作原理和皖能铜陵发电厂燃烧系统的构成，结合等离子燃烧器在皖能铜陵发电厂5号机组中的应用，从安装、调试角度出发，对等离子点火控制系统的设计进行分析，对今后等离子燃烧器设计的完善有一定的借鉴作用。
关键词：等离子；1000MW机组；安装；调试
前言
大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃，传统上都是采用燃烧重油、轻油或天然气等稀有燃料来实现的。近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制，因此锅炉点火和稳燃油被电力企业作为一项重要的指标来考核，为了减少燃油的耗量，除在传统上进行相应的改进，例如：提高入炉煤粉的细度，提高风粉混合物和二次风的预热温度，使用小油枪点火外，作为有别于传统的新工艺、新技术，等离子燃烧器逐渐被电力企业所接受，并得到广泛的使用和推广。为了实现锅炉的无油冷态启动，需要对等离子点火系统的设计进行更进一步的完善。
1 概述
铜陵发电厂六期“以大代小”改扩建1×1000MW机组工程，所配锅炉是上海锅炉厂有限公司引进Alstom Power公司Boiler Gmbh的技术生产的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，锅炉形式为一次中间再热，单炉膛单切圆燃烧，平衡通风，露天布置、固态排渣、全钢构架，全悬吊结构塔式布置燃煤锅炉。汽轮机为上海汽轮机有限公司和德国SIEMENS公司联合设计制造的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、八级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机，型号为N1000-27/600/600（TC4F）的凝汽式汽轮机与SG-3012/27.9-M540型超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉及THDF125/67百万千瓦级水氢氢发电机配套，锅炉与汽轮机热力系统采用单元布置。
为了降低锅炉启动及低负荷助燃用油，在四角燃烧器的B层制粉系统采用了安徽省新能电气科技有限公司开发研制的等离子煤粉点火及稳燃系统和点火油枪燃烧系统并存的方式，等离子点火系统是在不使用助燃油的状态下通过B磨煤机热一次风道上的暖风器加热一次风进行制粉，然后由安装在B层四角的8个燃烧器的等离子发生器点燃煤粉，实现锅炉的无油点火启动，在事故情况下也可以进行锅炉助燃。
2 等离子燃烧器的工作原理
2.1 点火机理
本装置利用直流电流（190～200A）在介质气压11kpa的条件下接触拉开引弧，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，很快受热，在0.001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，由于反应是在气相中进行， 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，煤粉颗粒的受热速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量E（E等=1/6E油）。同时，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、O2）、离子（O2-、H2-、OH-、O-、H+）和电子等，可加速化学转换，促进燃料完全燃烧，除此之外，等离子体对于煤粉的作用，可比通常情况下提高20%-80%的挥发份，即等离子体有再造挥发份的效应。
2.2 燃烧机理
根据高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配的原则设计了多级燃烧器。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。实验证明运用这一原理及设计方法使单个燃烧器的出力可以从2T/H扩达到6T/H甚至更高。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，10000℃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份的含量提高了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，在设计上该燃烧器出力约为500-800kg/h，其喷口温度不低于1200℃。另外我们利用了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，环形浓淡燃烧器的应用将淡粉流贴壁而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。这样做的结果既利于混合段的点火，又冷却了混合段的壁面。如果在特大流量条件还可采用多级点火。
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。
2.3 等离子燃烧器的特点
等离子燃烧器最突出的优点是它使用的经济性，它的使用被称为电力节能的一场革命。因使用了等离子燃烧器，工程调试阶段实现锅炉冷态无油启动。同时，等离子燃烧器还具有环保、高效、简单、安全的优点，因为点火时不再燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，减少了排放大量烟尘对环境的污染。同时，等离子体的物理特性和化学特性，都能够更好的促进燃料的完全燃烧。另外，使用等离子点火燃烧器，可以省略复杂的炉前油系统和点火油系统，并简化了相应的控制，提高了运行水平和机组运行的安全性。正因为等离子点火燃烧器具有上述特点，则必然成为燃煤锅炉的首选设备，是目前燃油系统改造的最佳替代产品。
3 锅炉燃烧器系统的布局
皖能铜陵发电厂5号机组锅炉#1角（#2～#4角与#1角布置相同）燃烧器布置见下面的附图，炉膛四角布置有48只低 NOx 切向燃烧系统（LNTFS）摆动燃烧器，在炉膛中呈四角切圆方式燃烧，B磨对应的燃烧器为等离子燃烧器。紧挨顶层燃烧器设置有CCOFA，在燃烧器组上部设置有SOFA，采用分级燃烧技术，减少了NOx的排放。在每层燃烧器的两个煤粉喷嘴之间设置有油枪，燃用#0柴油，设计容量为15%BMCR。为了机组冷态启动时减少燃油量，在B层四角燃烧器中心装有 PLCS-I-100 型的等离子煤粉点火装置，在相应的磨煤机B 进口热风母管上还装有提高风温的暖风器。机组冷态启动时可即启动磨煤机进行升温升压。锅炉制粉系统采用中速磨煤机正压直吹式，配备6台磨煤机，正常运行中5台磨可以带BMCR工况，1台磨备用。
4 等离子点火燃烧系统
皖能铜陵发电厂5号机组锅炉等离子点火燃烧系统由等离子发生器、燃烧器、直流供电系统、控制系统、冷却水系统、压缩空气系统、图像火检系统、风粉监测系统等构成。
4.1 等离子发生器
等离子发生器是用来产生高温等离子电弧的装置，其主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件三大部分组成，还有支撑托架配合现场安装。等离子发生器设计寿命为5～8年。阳极组件与阴极组件包括用来形成电弧的两个金属电极阳极与阴极，在两电极间加稳定的大电流，将电极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体，其中带正电的离子流向电源负极形成电弧的阴极，带负电的离子及电子流向电源的正极形成电弧的阳极。线圈通电产生强磁场，将等离子体压缩，并由压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。阳极组件由阳极、冷却水道、压缩空气通道及壳体等构成。阳极导电面为具有高导电性的金属材料铸成，采用水冷的方式冷却，连续工作时间大于500小时。为确保电弧能够尽可能多的拉出阳极以外，在阳极上加装压弧套。阴极组件由阴极头、外套管、内套管、驱动机构、进出水口、导电接头等构成，阴极为旋转结构的等离子发生器还需要加装一套旋转驱动机构。阴极头为损耗件，导电面为具有高导电性的金属材料铸成，采用水冷的方式冷却，连续工作时间大于50小时，更换方便，成本低廉。线圈组件由导电管绕成的线圈、绝缘材料、进出水接头、导电接头、壳体等构成。
4.2 等离子点火燃烧器
皖能铜陵发电厂5号机组锅炉8只等离子点火燃烧器分别安装在1#～4#角BI、BII煤粉燃烧器上，直接由相应的一次风管进行送粉。在燃烧器的设计时重点考虑了如下几个问题：
4.2.1 由于直接装在主燃烧器上，等离子点火燃烧器设计出力在高负荷工况下与原主燃烧器设计出力基本一致。从运行的调整、炉膛热负荷的分配、防止超温等方面考虑，满足在高负荷工况和等离子发生器不投运的情况下，等离子燃烧器的出力与原燃烧器的出力基本一致，保证锅炉在冷态启动时煤粉能比较容易地被点燃。
4.2.2 根据现场燃烧器的位置及等离子点火燃烧器在其它工程应用经验，在距燃烧器喷口一定位置处，以12°的倾角，等离子发生器斜插入燃烧器内。确保燃烧器喷口不结焦。燃烧器采用多级燃烧方式，确保煤粉的充分燃烧，燃烧器内有气膜冷却，预防结焦和烧损。
等离子点火系统在皖能铜陵发电厂5号机组的良好应用，用实际证明了等离子点火燃烧器的设计是成功的。
4.3 直流供电及控制系统
4.3.1 直流供电
从400V低压配电柜取来的电源，经过4台隔离变压器、整流柜，输出的直流电送至就地等离子发生器，以产生等离子电弧。
4.3.2 控制系统
等离子系统直接纳入DCS系统控制，整流柜、风机、水泵的控制采用硬接线进入DCS系统，保证了系统控制的稳定性。
按等离子发生器工作的特点和要求汇编的逻辑程序保证了点火过程的顺利进行，并对点火过程的各装置提供了有效的实时监控和保护，也使得设计、调试过程的逻辑修改更加便捷。
启动等离子点火装置拥有远控/就地两种运行方式，等离子体点火系统的就地运行主要用于设备调试，而远控模式则用于正常设备运行。
4.4 冷却水系统
为保护等离子发生器本身，需用水冷却阴、阳极、线圈及电源电缆，冷却水利用厂闭式冷却水供水母管作为水源，通过管道水泵（流量100m3/h、扬程50m）升压至等离子发生器，回水至闭式冷却水回水母管，每台发生器来水管路装有压力开关，压力满足信号送至DCS，保证等离子点火燃烧器投入时冷却水不间断。
4.5 载体空气系统
载体空气是等离子电弧的介质，等离子电弧形成后，通过线圈形成的强磁场的作用压缩成为压缩电弧，需要载体空气以一定的流速吹出阳极才能形成可利用的电弧。因此，等离子点火系统的需要配备载体空气系统，载体空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。皖能铜陵发电厂5号机组的载体空气采用的是全厂仪用压缩空气。
4.6 一、二次风系统
一次风系统连续、均匀地给等离子点火燃烧器提供煤粉，风速在18-22m/s之间连续可调，风粉比为1∶0.25（空气∶煤粉）。
等离子燃烧器在二次风箱内，作为其周界风。周界风的目的是既保证煤粉燃烧充分，又保护燃烧器不被烧坏。
4.7 图像火检系统
采用图像火检系统监视等离子点火燃烧器的火焰。8套点火燃烧器分别安装一只带CCD摄像机的火检探头，其视频信号送至集控室内的画面分割器，经处理后再送至集控室大屏幕，集控室大屏幕可同时监视8套等离子点火燃烧器的火焰。
火检探头采用CCD直接摄取煤粉燃烧的火焰图像，图像清晰，不失真。为使CCD避开炉内高温，每只探头均采用长工作距监测镜头。探头外层加装了隔热机构，有效组断二次风传导热及炉膛辐射热。探头前部采用特种耐温玻璃能抗1500℃熔融灰渣对镜面的冲刷，镜面长期光滑无损。每只探头均需通入冷却风（冷却风来自FSSS火检冷却风机，冷却风流量：70m3/h，冷却风压力：≥3kpa），一方面冷却CCD和镜头，另一方面冷却风通过探头组合弧形冷却风喷射机构，可避免飞灰、焦块污染镜头。火检探头与信号变送器之间通过柔性的光纤连接的设计，满足了火检探头跟随燃烧器火嘴同时摆动的要求。皖能铜陵发电厂5号机组在火检探头安装过程中，出现了火检探头变送器安装位置距离高温燃烧器较近，存在火检探头变送器使用寿命缩短的风险。
原因分析：由于火检探头的保护套管直径为Φ50，为了满足跟随燃烧器火嘴大角度摆动的要求，只能增加二次风箱内保护套管的长度，来增大套管的弯曲角度。更由于火检探头所配光纤为配套设备，无法加长，套管也随之无法加长，最终只能导致二次风箱外火检探头保护套管的长度变短，火检变送器距离高温的燃烧器距离变近，进而造成火检变送器使用寿命缩短风险的存在。
改造方案：使用更为先进的火检图像探头设备，使得火检探头保护套管的直径减小到Φ25，以便以最短的长度满足燃烧火嘴最大的摆动角度。同时，增加光纤的长度，使火检探头保护套管的长度进一步加长，最终达到变送器远离高温区，延长使用寿的目的。
4.8 风粉监测系统
对于煤粉锅炉，均衡各燃烧器的出力，合理配置燃烧器喷口的煤粉浓度和出口速度是锅炉安全、经济运行的重要条件和保证。安装在烧器入口的风粉在线测量系统，为运行中及时有效地进行燃烧调整提供条件和依据。皖能铜陵发电厂5号机组风粉在线测量系统在运行过程中，测量仪表管路经常被堵，造成测量失真，无法实现粉浓度和出口速度的实时监测。
原因分析：风粉在线测量系统未设计测量仪表管路在线实时吹扫的装置，造成风粉流量不稳定时，仪表管路经常被煤粉堵住。
改造方案：增加测量仪表管路定时吹扫电磁阀，取仪用压缩空气作为吹扫气源，实现定时在线对仪表管路进行吹扫。
4.9 燃烧器壁温测量
为了确保等离子燃烧器的安全运行，在燃烧器上安装了2支双支K分度铠装热电偶，分别测量燃烧器中心筒和燃烧器前端的壁温来监视燃烧器。皖能铜陵发电厂5号机组采用的热电偶为直径Φ3的K分度铠装热电偶，锅炉启动过程中的大幅度振动，及其容易造成热电偶的损坏，降低了其施工寿命。同时，热电偶的保护套管的内径过小，弯曲半径不足，造成了热电偶如在运行过程中折断，将无法及时进行更换。
原因分析：直径Φ3的K分度铠装热电偶，锅炉运行过程中的振动，及其容易造成热电偶的损坏。同时，热电偶的保护套管的内径过小，弯曲半径不足，是造成了热电偶在运行过程中折断，无法及时进行更换的原因所在。
改造方案：改用直径为Φ8的双支K分度铠装热电偶，将保护套管的内径增大至DN20，弯曲半径增大至150°。
5 结束语
等离子点火技术在皖能铜陵发电厂#5锅炉得以较好的应用，能确保锅炉快速、安全的点火成功，缩短了机组的启动时间，实现电厂锅炉冷态无油启动，并且极大的减少了昂贵的燃油和运行成本。随着等离子设计的日趋成熟和完善，降低安装、调试、维护的难度，提高测量的精确度，等离子点火技术将会得到普遍的应用，替代火力发电厂现有的燃油系统。进一步降低电厂的运行成本，提高电厂机组的运行水平。
参考文献
[1]《PLCS-I-100型等离子发生器使用及维护说明书》
[2]《皖能铜陵发电有限公司企业标准5号机组BTG运行规程》