等离子点火技术在烟煤锅炉上的应用
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【摘要】本文在对等离子点火技术的基本原理和燃烧机理进行阐述后，以实例设计为基础，介绍了等离子点火系统的典型设计方案，并在最后分析了采用等离子点火技术所带来的经济和社会效益。
【关键词】电厂；等离子点火；煤粉
当前，等离子点火技术在我国烟煤锅炉行业发展迅速，使用范围也越来越广。而如何能充分发挥出电站锅炉使用该技术后的整体科学性和经济性，已成为当下电站锅炉行业综合性的难题。本文对等离子点火系统的技术原理及燃烧机理进行了探讨，并通过实例设计，为广大行业人员提供一定的技术借鉴。
1、等离子点火基本原理及燃烧机理
1.1基本原理
等离子点火系统主要包含等离子发生器整流柜、等离子燃烧器、变压器、高低压开关柜。辅助系统由冷却水、热控系统、燃烧器壁温监测系统、图像火检及冷却风系统组成。
该系统点火的基本原理就是用大功率的电弧将煤粉直接点燃。在大于0.01MPa气压的环境中，超过200A的直流电流，如果阳极和阴极接触将会引发电弧，从而会在周围产生功率稳定的直流空气等离子体。其中心的温度约为6000℃，功率的可调范围在50～150kW间。在等离子点火煤粉燃烧器中投入一次风粉，再经过浓淡分离，浓相煤粉就会进入等离子火炬的中心区，0.1s内便会着火，同时提供高温热源于淡相煤粉。淡相煤粉便在高温热源的作用下着火，从而形成一个稳定的燃烧火炬。
1.2燃烧机理
高温等离子体由于其自身能量存在局限性，而为了获得良好的煤粉燃烧率和点火效果，等离子燃烧器要按照多级放大的基本原理，设计成四级式燃烧区域。第一区为等离子拉弧引燃挥发物区。整个多级燃烧器的运行效果，受该区引弧点火的性能影响。首先在中心筒内点燃煤粉，投入中心筒的粉量通常在500～800kg/h，具体量要根据燃烧器容积而定。在中心筒内，煤粉稳定燃烧并在出口处生成稳定的二级煤粉点火源，并按顺序逐渐放大。此外，第一区的金属壁面上还增加了气膜冷却系统，这不仅避免了燃烧器被烧蚀，还解决了煤粉挂焦和贴壁流动现象；等离子燃烧器的第二区是混合式燃烧区。应用环形浓淡燃烧器可将浓粉掺入到主点火燃烧器中燃烧，淡粉流则贴壁，即采用“浓点浓”的基本原则。采用这种方法，既可以对混合段壁面进行冷却，又对混合段点火的效果有利；第三区是强化燃烧区。粉煤在第一、二区内经基本的燃烧后，第三区采取补氧以强化燃烧。通过增加热焓来提升喷管的初始速度，从而保证火焰长度的加长，最终实现提升疏松炭燃烧率的目的。此区所采用的气膜冷却技术，也是为了避免结焦现象的发生；最后是燃尽区。最后一级的煤粉可直接进入炉膛，而不需要在等离子燃烧器的燃烧室内燃烧，这主要是为了增加燃烧器适应一次风速的能力，此时火焰长度由疏松碳的燃烧率决定，而燃烧率则随着烟气温升的增加而增加。
2、等离子点火系统的实例设计
以某电厂典型的4×300MW机组等离子点火系统的设计方案为例，该等离子点火系统包括等离子燃烧器和发生器、控制系统、直流供电系统、图像火检系统、压缩空气系统、冷却水系统等组成。
2.1等离子燃烧器和发生器
在结合该电厂锅炉的实际情况后，可将处于A层的四支主燃烧器重新设计成点火燃烧器。改造后的等离子点火燃烧器包括第一、二级燃烧室、引弧装置及气膜冷却系统等部分。第一级燃烧室内设置浓淡系统，煤粉在燃烧室内与等离子电弧产生剧烈的电化学裂解反应后，将产生大量的挥发份并迅速被点燃；在第二级燃烧室内，挥发份和煤粉混合物剧烈燃烧，而气膜冷却系统则负责对二级燃烧室壁的冷却，同时将固定碳喷出至炉膛内并补充所需要的空气。
2.2控制系统和直流供电系统
该电厂内可供应4×250kVA的AC380V容量的电源及开关，并分成四路向四台隔离变压器分别输送，再与整流柜相接。
2.3图像火检系统
在每个靠近等离子点火燃烧器的看火孔上分别安设一个火检探头，以保证对等离子点火装置的正常运行情况进行实时监视，其监视视频信号传送至集控室内的四画面分割器中，后经信号处理再传送至工业电视中。火检冷却风由新增的两台离心载体风机同时提供。
2.4压缩空气系统
此系统可直接由该厂两台新增的离心风机提供，压力要大于0.3MPa，并确保压力稳定，空气要干燥、洁净、稳压。系统的压力满足信号传送至整流柜，压力的开关信号传送至等离子发生器。
2.5冷却水系统
为了对等离子发生器提供安全性保护，其线圈和阳、阴极要用水进行冷却。冷却水要经过除盐化处理，每台设备的用水量在8t/H左右，系统的水温要低于40℃，压力要控制在0.2～0.4MPa，回水压力为大气压力。
3、需注意的问题
在对该系统进行设计时，要对热工保护进行分析，并充分考虑如下问题：冷却系统中压缩空气的品质必须洁净，如果包含油或水，则等离子发生器的阳极就会被污染，导致断弧或引拉弧失败等事故，其点火系统的可靠性无法保障；在锅炉处于冷态的点火初期，要对等离子点火装置进行细致的调试，再投运并直接点燃煤粉，才能获得高燃烧率；系统点火运行时，等离子燃烧器的电弧可能会发生熄火现象，部分煤粉未燃尽并被喷入炉膛，威胁炉膛的安全。
4、经济及社会效益分析
300MW机组在试运行期间，要经历汽轮机的冲转、电气试验、大负荷运行等过程，而此时锅炉无法完全断油或投运磨煤机运行，需要消耗大量的燃油。按照以往试运行经验，第一、三台机组试运行期间耗油为3500t左右，第二、四台耗油为2000t左右。整套机组燃油消耗总量11000t，燃油费为3000元/t，则燃油总耗费为3300万元。
如果初期试运行采用的是离子煤粉点火系统，总燃油消耗量应低于2000t，燃油总耗费为600万元；按照相等的发热量，所需总原煤量为（设计煤种的低位发热量21000kJ/kg，燃油低位发热量4.18×104kJ/kg）：（11000-2000）×4.18×104/21000=17.9×103t。原煤价格为400元/t，则燃煤总费用：17.9×103×400=717万元；系统点火器的材料消耗费约为10万元；机组总耗电约为60万元（电价0.23元/kW.h）。改造后总的费用消耗为：600+717+10+60=1387万元，经济效果明显。另外，该系统在锅炉点火时，就可启用电除尘装置，避免烟尘对环境造成污染，有明显的社会效益。
5、结束语
通过以上对等离子点火系统的探讨，我们可以很直观的了解到，该系统不仅能够完全满足锅炉在启动和低负荷助燃的功能，还具有相当的可靠性和稳定性，其所产生的经济和社会效益也非常明显，应用及推广前景巨大。
参考文献
[1]姚文达等.电站锅炉微油点火技术现状与发展[J].华电技术，2008，30（1）：14-1 8.
[2]电站锅炉等离子点火技术应用指南[N].国家电力公司，国电科[2002]650号.
作者简介
郭守义（1983年03月）男，汉族，大学专科，助理工程师，从事电厂调试工作。
王国君（1986年07月）男，满族，大学本科，助理工程师，从事电厂调试工作。