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摘要：简述大型锅炉应用等离子技术的意义，结合崇信电厂1、2号机组600MW超临界锅炉应用此技术的实际情况，在阐述等离子点火技术原理的基础上，对运行中出现的问题进行分析和总结。
关键词：等离子点火技术；600MW机组；超临界；运行分析
一、 前言
以往火电厂发电机组启动点火均采用燃烧燃油或重油的方法，以一台600MW机组计算，调试启动期间耗油近8000吨，锅炉启动和低负荷稳燃过程中，更是需要消耗大量的燃料油。然而随着原油价格逐步上升，国内发电市场竞争日趋激烈，节约燃油用量已成为影响火电厂运营成本控制的重要因素。等离子技术直接采用煤粉点火，实现锅炉冷态启动不用油。这项技术不仅可节约非常宝贵的石油资源，而且可为电厂节约80%～90%的点火成本，并且降低了燃油点火无法采用电除尘器而造成的冒黑烟问题和有害物质的排放量。
中国水电崇信发电有限责任公司1、2号机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计、制造的超临界、一次中间再热、单炉膛、前后墙对冲燃烧方式、固态排渣、平衡通风、全钢构架、全悬吊结构∏型变压运行直流炉。锅炉燃烧系统采用低NOX轴向旋流煤粉燃烧器，燃烧方式采用前后墙对冲燃烧，燃烧器采用前后墙对称布置方式，分三层，每层5个燃烧器，总共30个燃燒器。制粉系统配备6台正压直吹式中速磨煤机，每台磨煤机出口5根输粉管对应一层煤粉燃烧器，6台磨煤机对应前后墙各3层燃烧器。
二、等离子点火装置简介
1、等离子点火机理
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。
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。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。
点火原理为：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"浓淡浓"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、崇信电厂等离子系统简介
崇信电厂每台锅炉等离子点火系统共设计有五套等离子点火装置，分别对应A磨煤机五个煤粉燃烧器，系统控制是通过与DCS通讯联系方式，进行等离子点火系统的控制。
A磨煤机燃烧器在锅炉点火和稳燃期间，该燃烧器具有等离子点火和稳燃功能，可较大减少燃油量；在锅炉正常运行时，该燃烧器出力及燃烧工况与原来保持一致。
本机组安装的等离子燃烧系统由点火系统和辅助系统两大部分组成。点火系统由等离子发生器、电源控制柜、隔离变压器、控制系统等组成，辅助系统由压缩空气系统、冷却水系统、图像火检系统、一次风蒸汽加热系统等组成。
1、等离子发生器是等离子点火燃烧器的核心组成部分，用来产生高温等离子电弧，主要由阳极组件、阴极组件和线圈三大部分组成。等离子发生器的设计寿命为5-8年（其中阴极设计寿命80h，阳极设计寿命2000h）。阴、阳极材料由高电导体、高导热率及抗氧化的金属材料制成，均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。 2、等离子电气系统由隔离变压器和整流柜两部分组成。隔离变压器主要作用是减少高次谐波的影响，整流柜将380V三相交流电整流为600V，400A的直流电供给等离子发生器。整流柜采用硬接线方式与DCS系统进行接口。
3、压缩空气系统主要为等离子电弧提供介质。
4、等离子火检冷却风系统为火检探头提供冷却风。等离子载体风压力约为15kpa。
5、冷却水系统：由于等离子点火器在工作时产生大量的热能需要对电极和线圈冷却，因此为保护等离子发生器的正常工作，设置冷却水系统来冷却等离子发生器的阳极、阴极和线圈。冷却水取自闭式循环水系统。
6、一次风蒸汽加热系统：对于直吹式制粉系统，为在锅炉冷态条件下使磨煤机具备启动条件，并能磨制出合格的煤粉，崇信电厂采用磨煤机暖风器系统。该暖风器布置在A磨煤机热一次风管道上，加热蒸汽由辅汽联箱提供。
四、运行中出现的问题及处理措施
1、点火初期煤粉燃尽率低
等离子点火系统所产生的温度虽高，但热强度不够，会造成局部煤粉不完全燃烧。在等离子点火初期以及锅炉低负荷阶段，煤粉燃尽率非常不理想。究其原因，等离子点火只是把煤粉中的挥发分迅速释放出来并点燃，再进一步引燃部分煤粉，但是固定碳的完全燃烧却取决于炉膛温度。故在启动和低负荷阶段，由于炉膛整体温度低，煤粉无法完全燃烧。
经过实践摸索，在运行中采取以下措施，可有效地提高煤粉燃尽率：
（1）调平各一次风管的风速。投入等离子点火装置前，将A磨煤机各一次风管的风速差别控制在5%内，确保各管煤粉浓度基本一致。
（2）提高煤粉浓度。煤粉越细，燃尽率越高。通过将磨煤机出口分离器变频器频率的合理设置，可将煤粉着火稳定性得到显著提高。崇信电厂经过实践总结，一般在点火期间将磨煤机出口分离器变频器频率设置在30-35HZ之间。
（3）合理控制一次风速。点火初期适当降低一次风速之19m/s，可延长煤粉经过等离子火核区的时间，煤粉着火情况良好，并降低燃烧器结焦，风管堵粉的可能性，待点燃后逐步提高风速至26 m/s。
2、阴极组件寿命短
等离子发生器在实际应用中普遍存在阴极头使用寿命短这一问题，主要原因如下：
（1）等离子点火启弧时高温区域在阴极头上，在拉弧过程中，阴极头会逐渐烧损，因此为保证阴极头寿命，必须配备2台等离子冷却水泵，调整冷却水压力在0.4-0.5MPa.
（2） 等离子发生器的阴极头为圆柱筒形结构，材质为铜合金，内圆柱面上焊接珪金属，金属材料不同，膨胀系数不同，受热后焊缝容易开裂导致漏水，也易引起阴极头烧坏，建议厂家进一步提高焊接工艺或采用膨胀系数接近的金属材料。
（3）合理控制载体风压：等离子载体风压低，则在拉弧时空气动力不足，电弧较短，易烧穿阴极头。经实践摸索，将载体风压控制在13KPa最为经济合理。
五、等离子点火技术的效益分析
1、经济效益
崇信电厂由于在新建设计时就加装了等离子点火系统，通过两台机组调试、168试运行、机组启动以及低负荷稳燃，已经为本厂节约了大量的燃油，节约资金上千万元，产生了巨大的经济效益。
2、间接效益
传统油点火启动方式，机组在启动和低负荷阶段必须使用柴油燃烧，而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地经济损失。而在机组试运期间投入等离子点火系统，可大大减少粉尘的排放，避免了环境污染，具有良好的社会效益。
六、结束语
推广等离子点火技术在电站锅炉的应用，对降低机组发电油耗具有显著的作用，符合国家节能减排政策。等离子点火技术在電站锅炉的应用上，应从方案设计、调试、参数控制、维护保养等方面综合考虑，充分发挥等离子点火技术的节油、稳燃作用、以取得良好地经济效益。
参考文献：
[1]章德龙。锅炉设备及其系统[M]。北京：中国电力出版社，2006.
[2]马广平。浅析2×1950t/h超临界对冲燃烧锅炉等离子点火燃烧系统[J]。广东电力，2007，（11）。
[3]烟台龙源电力技术股份有限公司。等离子体点火安全注意事项。
于福成，32岁，男，山东省莱阳市，助理工程师，自动化控制
关键词：等离子点火技术；600MW机组；超临界；运行分析
一、 前言
以往火电厂发电机组启动点火均采用燃烧燃油或重油的方法，以一台600MW机组计算，调试启动期间耗油近8000吨，锅炉启动和低负荷稳燃过程中，更是需要消耗大量的燃料油。然而随着原油价格逐步上升，国内发电市场竞争日趋激烈，节约燃油用量已成为影响火电厂运营成本控制的重要因素。等离子技术直接采用煤粉点火，实现锅炉冷态启动不用油。这项技术不仅可节约非常宝贵的石油资源，而且可为电厂节约80%～90%的点火成本，并且降低了燃油点火无法采用电除尘器而造成的冒黑烟问题和有害物质的排放量。
中国水电崇信发电有限责任公司1、2号机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计、制造的超临界、一次中间再热、单炉膛、前后墙对冲燃烧方式、固态排渣、平衡通风、全钢构架、全悬吊结构∏型变压运行直流炉。锅炉燃烧系统采用低NOX轴向旋流煤粉燃烧器，燃烧方式采用前后墙对冲燃烧，燃烧器采用前后墙对称布置方式，分三层，每层5个燃烧器，总共30个燃燒器。制粉系统配备6台正压直吹式中速磨煤机，每台磨煤机出口5根输粉管对应一层煤粉燃烧器，6台磨煤机对应前后墙各3层燃烧器。
二、等离子点火装置简介
1、等离子点火机理
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。
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。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。
点火原理为：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"浓淡浓"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、崇信电厂等离子系统简介
崇信电厂每台锅炉等离子点火系统共设计有五套等离子点火装置，分别对应A磨煤机五个煤粉燃烧器，系统控制是通过与DCS通讯联系方式，进行等离子点火系统的控制。
A磨煤机燃烧器在锅炉点火和稳燃期间，该燃烧器具有等离子点火和稳燃功能，可较大减少燃油量；在锅炉正常运行时，该燃烧器出力及燃烧工况与原来保持一致。
本机组安装的等离子燃烧系统由点火系统和辅助系统两大部分组成。点火系统由等离子发生器、电源控制柜、隔离变压器、控制系统等组成，辅助系统由压缩空气系统、冷却水系统、图像火检系统、一次风蒸汽加热系统等组成。
1、等离子发生器是等离子点火燃烧器的核心组成部分，用来产生高温等离子电弧，主要由阳极组件、阴极组件和线圈三大部分组成。等离子发生器的设计寿命为5-8年（其中阴极设计寿命80h，阳极设计寿命2000h）。阴、阳极材料由高电导体、高导热率及抗氧化的金属材料制成，均采用水冷方式，以承受电弧高温冲击。 2、等离子电气系统由隔离变压器和整流柜两部分组成。隔离变压器主要作用是减少高次谐波的影响，整流柜将380V三相交流电整流为600V，400A的直流电供给等离子发生器。整流柜采用硬接线方式与DCS系统进行接口。
3、压缩空气系统主要为等离子电弧提供介质。
4、等离子火检冷却风系统为火检探头提供冷却风。等离子载体风压力约为15kpa。
5、冷却水系统：由于等离子点火器在工作时产生大量的热能需要对电极和线圈冷却，因此为保护等离子发生器的正常工作，设置冷却水系统来冷却等离子发生器的阳极、阴极和线圈。冷却水取自闭式循环水系统。
6、一次风蒸汽加热系统：对于直吹式制粉系统，为在锅炉冷态条件下使磨煤机具备启动条件，并能磨制出合格的煤粉，崇信电厂采用磨煤机暖风器系统。该暖风器布置在A磨煤机热一次风管道上，加热蒸汽由辅汽联箱提供。
四、运行中出现的问题及处理措施
1、点火初期煤粉燃尽率低
等离子点火系统所产生的温度虽高，但热强度不够，会造成局部煤粉不完全燃烧。在等离子点火初期以及锅炉低负荷阶段，煤粉燃尽率非常不理想。究其原因，等离子点火只是把煤粉中的挥发分迅速释放出来并点燃，再进一步引燃部分煤粉，但是固定碳的完全燃烧却取决于炉膛温度。故在启动和低负荷阶段，由于炉膛整体温度低，煤粉无法完全燃烧。
经过实践摸索，在运行中采取以下措施，可有效地提高煤粉燃尽率：
（1）调平各一次风管的风速。投入等离子点火装置前，将A磨煤机各一次风管的风速差别控制在5%内，确保各管煤粉浓度基本一致。
（2）提高煤粉浓度。煤粉越细，燃尽率越高。通过将磨煤机出口分离器变频器频率的合理设置，可将煤粉着火稳定性得到显著提高。崇信电厂经过实践总结，一般在点火期间将磨煤机出口分离器变频器频率设置在30-35HZ之间。
（3）合理控制一次风速。点火初期适当降低一次风速之19m/s，可延长煤粉经过等离子火核区的时间，煤粉着火情况良好，并降低燃烧器结焦，风管堵粉的可能性，待点燃后逐步提高风速至26 m/s。
2、阴极组件寿命短
等离子发生器在实际应用中普遍存在阴极头使用寿命短这一问题，主要原因如下：
（1）等离子点火启弧时高温区域在阴极头上，在拉弧过程中，阴极头会逐渐烧损，因此为保证阴极头寿命，必须配备2台等离子冷却水泵，调整冷却水压力在0.4-0.5MPa.
（2） 等离子发生器的阴极头为圆柱筒形结构，材质为铜合金，内圆柱面上焊接珪金属，金属材料不同，膨胀系数不同，受热后焊缝容易开裂导致漏水，也易引起阴极头烧坏，建议厂家进一步提高焊接工艺或采用膨胀系数接近的金属材料。
（3）合理控制载体风压：等离子载体风压低，则在拉弧时空气动力不足，电弧较短，易烧穿阴极头。经实践摸索，将载体风压控制在13KPa最为经济合理。
五、等离子点火技术的效益分析
1、经济效益
崇信电厂由于在新建设计时就加装了等离子点火系统，通过两台机组调试、168试运行、机组启动以及低负荷稳燃，已经为本厂节约了大量的燃油，节约资金上千万元，产生了巨大的经济效益。
2、间接效益
传统油点火启动方式，机组在启动和低负荷阶段必须使用柴油燃烧，而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地经济损失。而在机组试运期间投入等离子点火系统，可大大减少粉尘的排放，避免了环境污染，具有良好的社会效益。
六、结束语
推广等离子点火技术在电站锅炉的应用，对降低机组发电油耗具有显著的作用，符合国家节能减排政策。等离子点火技术在電站锅炉的应用上，应从方案设计、调试、参数控制、维护保养等方面综合考虑，充分发挥等离子点火技术的节油、稳燃作用、以取得良好地经济效益。
参考文献：
[1]章德龙。锅炉设备及其系统[M]。北京：中国电力出版社，2006.
[2]马广平。浅析2×1950t/h超临界对冲燃烧锅炉等离子点火燃烧系统[J]。广东电力，2007，（11）。
[3]烟台龙源电力技术股份有限公司。等离子体点火安全注意事项。
于福成，32岁，男，山东省莱阳市，助理工程师，自动化控制