摘要：等离子点火技术是一种新型锅炉点火燃烧技术，在完全不需要任何燃油的情况下达到无油点火及稳燃的目的，满足锅炉点火启动需求。因此，在锅炉点火及低负荷稳燃时燃烧控制尤为重要；基于这种实际问题，下面对等离子点火模式下燃烧调整做以解析，并通过事例加以阐述。
关键词：等离子；燃烧调整；优化措施
1 锅炉设备配置情况
和丰300MW机组配置WGZ1079/17.5-Ⅰ型亚临界自然循环锅炉，单炉膛“∏”型布置，紧身封闭，高强螺栓连接，全钢架悬吊结构；采用正压直吹式制粉系统、四角切圆燃烧、摆动式燃烧器、固态排渣、平衡通风。
采用中速磨正压直吹式制粉系统，每炉配五台中速磨煤机，四台投运一台备用，型号为ZGM95G。煤粉细度R90＝10～40%。每台磨煤机出口由4根煤粉管道接至同一层四角布置的燃烧器。
锅炉采用四组水平浓淡分离、摆动式燃烧器，由主燃烧器和SOFA燃烧器组成，在炉内形成双切圆燃烧。
2 等离子点火设备的原理及组成
图2.1 等离子发生器工作原理图
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。其中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。其拉弧原理为：首先设定输出电流，当阴极3前进同阳极2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。一定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 ～ 106W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。
图2.2 燃烧机理图
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12T/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，T＞5000K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，在设计上该燃烧器中心筒出力约为500 ～ 800kg/h，其喷口温度不低于1200℃。另外我们加设了风粉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，所采用的风粉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。
2.1 等离子点火设备的组成
2.1.1燃烧系统
等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，与以往的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。
根据有限的点火功率不可能直接点燃无限的煤粉量的问题，等离子燃烧器采用了多级燃烧结构，煤粉首先在中心筒中点燃，进入中心筒的粉量根据燃烧器的不同在500 ～ 800kg/h之间，这部分煤粉在中心筒中稳定燃烧，并在中心筒的出口处形成稳定的二级煤粉的点火源，并以次逐级放大，最大可点燃12T/H的粉量。
2.1.2等离子发生器
等离子发生器是用来产生高温等离子弧的装置，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，线圈通电产生强磁场，将等离子体压缩，并由载体风吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。
等离子发生器为DLZ-200Ⅳ型。
2.1.3 等离子载体风系统
载体风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，需要载体风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风系统，载体风的要求是洁净的而且压力，流速是稳定的。
DLZ-200Ⅳ型等离子发生器采用压缩空气作为载体风气源，发生器前仪表组件处压力为10～15Kpa。
等离子发生器前的载体风管道上设有压力表和一个压力开关，把压力满足信号送回本燃烧器电源柜，每台等离子装置的载体风流量约为1.0NM3/min ～1.5NM3/min。载体风系统中同时设计有备用吹扫空气管路，吹扫空气取自图像火检探头冷却风机出口母管，用于保证在锅炉高负荷运行、等离子点火器停用时点火器不受煤粉污染。
2.1.4 等离子冷却水系统
等离子电弧形成后，弧柱温度一般在5000K到10000K范围，因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极以及线圈必须通过水冷的方式来进行冷却，否则很快会被烧毁。通过大量实验总结出为保证好的冷却效果，需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极，因此需要保证等离子发生器前仪表组件处冷却水压差不低于0.2Mpa的压力。另外，冷却水温度不能高于40℃，否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，要采用电厂的除盐化学水。具体实现方案如下：
冷却水经母管分别送至等离子点火器，单个等离子点火器的冷却水用量约为10T/H，冷却水进入等离子装置后再分两路分别送入线圈和阳极，另一路进入阴极，等离子点火器回水经母管流经换热器冷却后返回。等离子装置来水管道上设有手动调节阀，用于调整等离子点火器冷却水流量，同时安装有冷却水压力表，过滤器及压力开关压力满足信号送回本等离子电源柜。
3 运行中存在问题及优化措施
3.1 煤种问题
入炉煤煤质对等离子点火器点火成功十分重要，现电厂为控制成本掺烧劣质煤，造成等离子点火困难。
①A层等离子换型，由于#1、#2机组投运初期，煤矿仍未投产，燃烧煤种与设计煤质偏差较大，A层等离子点火后火焰燃烧不稳，将A层等离子由DLZ-200Ⅳ型换型为LZ-A-200-B-1230，功率由原90KW增大至200KW。能够满足机组一次点火成功。
②由于和丰电厂为无油锅炉，仅靠等离子点火稳燃，A/B仓正常运行及点火初期，严格控制A/B仓燃料热值4500大卡以上，水分20%以内。
③点火初期尽量提高炉内温度，于点火前6小时投入底部加热。提高一、二次风风温至40℃左右。
3.2 FSSS逻辑问题
由于等离子模式下，煤粉燃烧是粉包火形式，给煤量比较少，又不能完全燃尽，故煤火检很难检测到稳定火焰，火检信号波动很大，作为全火焰丧失的检测信号很不可靠，曾出现火检信号失去2个而跳闸磨煤机，导致锅炉MFT。如果将 A磨煤机的四个火检强制，又失去了锅炉火焰保护。根据等离子发生器在和丰发电厂的实际使用情况，能达到“有弧就有火”，故在等离子模式下，给煤机启动且运行5min，3/4无火触发MFT。同时点火后加强等离子火检图像监视，如磨煤机落磨辊后2min后，火检图像无火，必须手动MFT。吹扫完毕后，方可再次点火。
3.3 磨煤机出口温度问题
直吹式制粉系统锅炉应用等离子点火的首要问题是锅炉启动时磨煤机的干燥出力问题。在实际运行中，出现的主要问题是经暖风器加热后的一次风温，在磨煤机风量维持45t/h左右、空预器入口一次风温45℃时，磨煤机入口一次风温只能达到100～120℃，投煤后磨煤机出口温度会很快下降至35～50℃，，远达不到设计值要求的入口风温160℃的要求。由于暖风器蒸汽来源于厂用辅汽联箱，汽源是四抽，供汽压力、温度受限，要想通过提高暖风器入口蒸汽压力、温度来提高风温，会受到辅汽系统的限制。
①将辅汽汽源改为冷再，提前投入等离子暖风器运行、加大疏水、提高热一次风温、提高辅汽压力等方法，尽早使磨煤机入口一次风温达到130 ℃。
②从现场系统设置来看，如果磨煤机入口冷风调整门不严，会对磨煤机入口温度有很大的影响，而实际上也不可能严密，因此，采取关闭磨煤机冷风隔绝门隔离措施会对提高磨煤机入口温度有很大的帮助。
3.4 煤粉细度问题
煤粉细度对等离子煤粉点火燃烧器的着火特性有很大的影响，煤粉越细，升温越快，燃尽率越高。在点火试运期间可改变改变磨煤机出口的分离器挡板开度和煤粉细度。调节磨煤机出口分离器开度，适当控制煤粉细度15％左右，同时增加磨煤机液压油站加载压力可使煤粉着火稳定性明显提高，火焰明亮，炉瞠燃烧状况良好。
3.5一次风速问题
等离子火焰的稳定燃烧与通过的一次风速有着较大关系，一次风速的大小直接影响了煤粉浓度，从而对火焰强度也造成影响。一般情况下要求适合等离子点火的煤粉浓度为0.36～0.53kg/kg，在这种情况下可以保证煤粉的正常着火。在煤量不变的情况下，保持适当的一次风速对燃烧有利。在和丰电厂实际运行中，冷炉点火，磨煤机出口风速控制在11～13m/s，风量控制在40T/H左右，等离子火检强度最高，对燃烧有利。炉膛温度大于80℃时，磨煤机出口风速控制在13～18m/s，风量控制在45T/H左右，等离子火检强度最高，对燃烧有利。
3.6等离子壁温问题
等离子点火时核心温度高达7000 ℃，煤粉在燃烧器内部就已经开始着火，并且着火温度很高，极易造成等离子燃烧器中心筒超温、结焦。通过合理控制一、二次风速，等离子电弧功率及燃烧器的出力，并加强等离子燃烧器金属壁温的监控，基本可避免等离子燃烧器结焦现象。
运行中注意监视等离子壁温，前端与中心筒壁温＜400℃，若发现温度超过300℃，保证燃烧良好的情况下，应适当提高一次风速或降低煤量，降低拉弧电流。从锅炉实际运行情况看，初期一次风速控制在11 m/ s以上，能有效控制前端与中心筒壁温，如前端与中心筒壁温大于500℃，仍不能有效控制，应立即停止拉弧进行结焦检查。
3.7二次风门挡板开度问题
二次风为等离子的燃烧提供充足的氧气，并对一次风卷吸烟气后的燃烧起到了补充氧气的作用。
锅炉炉膛吹扫时，辅助风挡板开度自动至50%吹扫位，锅炉点火时，二次风挡板开度过大，造成等离子燃烧器最后一级燃烧风量增大，降低火焰温度，造成火检摆动，火检图像显示燃烧不稳。
因此，在点火初期，关小各层辅助挡板开度，维持二次风箱/炉膛差压0.3KPa以内，A层辅助风至20%左右，能起到很好的稳燃作用。
3.8锅炉燃尽率问题
锅炉点火初期，局部造成煤粉未完全燃烧，锅炉燃烧飞灰可燃物浓度较高。
①减少炉底漏入冷风，关闭干排渣挤渣门，待负荷至100MW以上时，逐个根据负荷开启。
②锅炉维持微正压方式运行，点火初期锅炉压力维持在0～30pa左右。
③负压波动较大时，及时调整燃烧降低一次风速。
④很据火检情况，逐步提高磨煤机一次风量，火检至50%以上时，增加一次风量2～4T。
通过以上措施，能保证等离子点火模式下稳定燃烧，飞灰可燃物控制在10%以内。
3.9炉膛爆燃及尾部再燃烧问题
冷态启动点火初期容易出现灭火、爆燃及点燃后由于飞灰可燃物含量高而引起尾部烟道二次燃烧，在启动过程中采取以下措施，确保等离子点火过程的安全。
①巡检加强就地看火及DCS画面上火检监视，发现火检摆动时，及时调整燃烧。漏粉。发现火焰一旦熄灭要立即锅炉MFT。锅炉大风量吹扫后，方可再次点火。
②点火初期稳定煤量在11T/h 左右，一次风速11～13m/s左右，待燃烧稳定后，逐步增加煤量及一次风量。
③当任一角燃烧器在2 min 内未点燃时应立即停止相应磨煤机的运行，大风量通风吹扫后，查明原因方可重新投入，以防止炉膛爆燃。
④等离子点火过程中，空气预热器的吹灰装置必须投入运行，吹灰前应认真进行疏水，防止因疏水带入，造成空气预热器堵塞。
⑤等离子点火初期应加强飞灰可燃物的采样、监测，如飞灰可燃物偏高，应适当调整一、二次风速、磨煤机出力、煤粉细度、各一次风管间的流量分配、等离子发生器功率等，尽可能改善燃烧情况。
⑥及时启动省煤器除灰、除渣系统，除灰，输送、清除未燃尽物质。
4 结束语
和丰电厂在采用上述措施控制等离子点火时出现问题时，锅炉由点火至冲转，最低稳燃负荷，未发生尾部烟道再燃烧及炉膛爆燃事故，锅炉燃烧情况良好，飞灰可燃物浓度控制在10%以内，实现了点火及低负荷期间锅炉稳定安全运行。
参考文献：
[1]国电电力烟台龙源电力，DLZ-200型等离子点火装置使用及维护说明书（修订版）2007.07
[2]张吉祥、丁磊，等离子点火技术在西夏热电厂的应用.
[3]武汉锅炉厂，WGZ1079/17.5-1型锅炉运行说明书
[4]兰勇，等离子点火技术应用中的问题及解决措施
论文作者:祝朝阳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
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