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锅炉｜电厂锅炉应用等离子点火的技术电力百科第 67 期：点火系统1. 等离子点火系统及原理1.等离子点火系统及原理1.1 等离子点火系统在等离子点火系统当中，主要由等离子发生器、直流电源、点火燃烧器、控制系统等部分组成。
其中，等离子发生器能够对50kW~150kW电功率的空气等离子体进行产生，直流电源能够将三相380V的交流电源整合成直流电源，向发生器供电。
点火燃烧器配合等离子发生器使用，对煤粉进行点燃。
控制系统采用了数据总线、通信接口、CRT、PLC等部分构成，能够实现全数字化自动控制。
系统具有50kW~150kW的输出功率，且连续可调。
压缩空气压力在0.12MPa~0.4MPa，流量在150m3/h以上，且能够保持洁净无油。
冷却水压力在0.3MPa以上，流量在10t/h 以上，t在40℃以下。
1.2 等离子点火原理在等离子点火装置当中，对直流电源进行利用，基于相应的介质气压条件接触引弧，在强磁场控制下，对稳定功率定向流动空气等离子体进行获取，采用磁压缩、机械等方法，向需要点火的位置送入等离子体射流，在点火燃烧器当中，能够达到4000K以上具有极大梯度的局部高温火核，当等离子火核与煤粉颗粒相接触，煤粉颗粒会对挥发物进行迅速释放，劈裂粉碎再造挥发充分，从而被快速点燃。
在等离子发生器当中，采用了阳极、阴极、线圈等部分，在发火原理上，基于相应的输出电流条件，中心阴极和阳极进行接触，系统达到短路的状态，阴极和阳极缓慢分开的过程中，会有电弧产生，在线圈磁场的作用下，将电弧拉出喷管外部。
在电弧的作用下，压缩空气受到电离，产生高温等离子体，从而使煤粉产生了被点燃的可能性。
在设计过程中，采用进退执行机构控制点火装置的阴极，同时控制电弧电功率。
此外，还利用相同的计算机控制系统，监视冷却水、冷却风等。
2. 等离子点火技术的实际应用2.1 技术改造在电厂锅炉对等离子点火技术的应用中，对老机进行技术改造是一项重要的内容。
等离子点火技术基本原理与系统目录1．概述 (3)1.1 等离子点火技术的开发背景及功能 (3)1.2 等离子点火技术的发展历程 (4)2．等离子发生器及其辅助系统 (5)2.1 等离子发生器工作原理 (5)2.2 等离子冷却水系统 (7)2.3 等离子载体风系统 (9)2.4 等离子电源系统 (13)3．等离子燃烧器及其工作原理 (15)3.1 等离子燃烧器结构特点 (15)3.2 等离子燃烧器点火原理 (16)4．等离子点火风粉系统 (17)4.1 中储式制粉系统等离子点火一次风粉来源及其解决方案 (17)4.2 直吹式制粉系统等离子点火一次风粉来源及其解决方案 (18)4.2.1 直吹式制粉系统蒸汽加热器制备热风方案 (18)4.2.2 直吹式制粉系统燃油加热器制备热风方案 (20)5．等离子点火监控系统 (23)5.1 等离子燃烧器壁温测量系统 (24)5.2 一次风风速测量系统 (24)5.2.1 一次风在线测速装置的组成 (24)5.2.2 测速管的选择 (25)5.3 图像火焰监视 (26)6．等离子点火控制系统与锅炉FSSS、DCS的连接 (27)6.1 等离子点火控制系统 (27)6.2 等离子点火系统与锅炉的连接 (28)1．概述1.1 等离子点火技术的开发背景及功能火力发电机组中的煤粉锅炉，其点火及低负荷稳燃的传统方法是燃用柴油、重油或燃气。
这种方法运行成本高，以一台670t/h锅炉为例，在冷态启动过程中，要耗费约50t轻质柴油。
据统计，每年全国仅电站锅炉因点火及低负荷稳燃就消耗数百万吨燃油。
大量的燃油消耗，以及因此而带来的燃油采购、运输、储存、硬件设备等方面的费用，无疑加大了发电成本。
同时，由于油煤混烧，使锅炉的技术和经济指标下降。
据有关资料表明：锅炉燃煤过程中，同时燃烧具有高反应性能的燃油将降低锅炉机组的经济生态效益，主要表现在增加燃料固体未燃尽热损失10%～15%，降低锅炉机组的传热系数2%～5%，增加水冷壁高温腐蚀速度，降低锅炉设备的运行可靠性，在一定条件下增加NO X、SO X等污染物的排放量30%～40%。
等离子点火器的原理及结构1、离子点火机理等离子点火装置是利用直流电流在介质气压0.004 ＭＰａ～0.03 ＭＰａ的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在专门设计的燃烧器中心燃烧筒中形成温度Ｔ＞5000Ｋ的、温度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1×10－3ｓ内迅速释放出挥发物，使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少点燃煤粉所需要的引燃能量。
等离子体内含有大量化学活性粒子，如原子（Ｃ，Ｈ，Ｏ）、原子团（ＯＨ，Ｈ２，Ｏ２）、离子（Ｏ２－，Ｈ２－，ＯＨ－，Ｏ－，Ｈ＋）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧。
2、等离子点火系统由等离子燃烧器及其输粉系统，直流供电及控制系统，辅助系统和热工监控系统组成。
3、等离子发生器及工作原理采用集开放式磁稳与机械、电磁压缩于一体的复合结构等离子发生器，其功率为５０ｋＷ～１５０ｋＷ连续可调。
采用双拉伐尔喷管复式阳极，避免煤粉对其污染，其材料为具有高导热、高导电和不易氧化的特殊合金，寿命在１０００ｈ以上；阴极为高速喷嘴、强化冷却结构，材料由特殊合金与铜质材料组合而成。
阴、阳极的磁稳线圈均为水冷结构。
等离子发生器为磁稳空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极等组成。
其中阴、阳极材料均采用具有高导电率、高导热率、耐氧化的金属材料制成。
线圈在高温（２５０℃）情况下具有抗２０００Ｖ直流电压击穿能力。
在冷却水及压缩空气满足条件后，首先设定电源的工作输出电流（３００Ａ～４００Ａ），当阴极在直线电机的推动下，与阳极接触后，电源按设定的工作电流工作，当输出电流达到工作电流后，直线电机推动阴极向后移动，当阴极离开阳极的瞬间，电弧建立起来，当阴极达到规定的放电间距后，在空气动力和磁场的作用下，装置产生稳定的电弧放电，生成等离子体。
4、等离子燃烧器该燃烧器的特点：一是在内燃方式的基础上，利用双筒结构将部分煤粉推至燃烧器出口，在炉膛内燃烧。
等离子点火技术培训讲义国电电力烟台龙源电力技术有限公司高巨宝一.等离子点火系统概述1.基本概念介绍a)电离给气体以足够的能量。
当气体粒子（分子和原子）的平均动能大于其电离能时，束缚在原子轨道上运动的电子就会脱离其轨道成为自由电子，失去电子的原子带有正电荷成正电离子。
这种中性气体分子或原子分离成正离子和电子的现象称为电离。
b) 电弧的物理本质——气体放电电弧的带电粒子主要依靠气体空间的气体的电离和阴极发射电子两个物理过程所产生的。
c)电离度αα＝ηe / (ηe＋ηg)ηe——电子密度ηg——中性粒子密度d) 等离子体---物质的第四态所谓等离子体是气体电离度α达到一定程度的气体，这种等离子体具有导电性、电准中性、与磁场的可作用性。
在物理学中规定: α＞0.1%是等离子体，它具备等离子体的特性。
α≤0.1%为弱电离气体，这种气体的性质和没有发生电离的气体性质接近。
e) 等离子弧自由电弧通过压缩形成的，又称“压缩电弧”，压缩电弧的截面变小，比一般电弧的能量更集中、温度更高、流速更快，电离度大。
f) 等离子发生器产生压缩电弧的装置，等离子电弧受到机械压缩效应、热压缩效应、磁压缩效应三种压缩效应，因此等离子发生器所产生的等离子弧比任何火焰和一般电弧高的多的温度和很高的流速。
g) 挥发分CO、CO2、CH4、C6H6、N2和H2O等2.等离子系统的组成功能部件：阳极、电子发射枪（阴极）、促使工作气体旋转的风环、电磁线圈、拉弧机构。
基础部件：托架、小车、阳极支架。
辅助部件：进、回水箱、空气箱、仪表组件、机壳、水、电、气接头及连管、专用工具。
电气及控制系统：隔离变压器、整流柜、PLC控制柜。
监控系统：壁温测量、风粉在线检测、图象火焰监视。
二. 等离子点火机理1.垂直浓淡燃烧器2．等离子燃烧器区别：1为出口300mm到500mm内着火，着火热来源于炉内高温辐射以及与高温气体的对流换热，煤粉挥发分的析出以及挥发分与焦碳的燃烧均在炉内完成。
培训资料等离子点火技术基本原理与系统-1等离子点火技术基本原理与系统烟台龙源电力技术股份有限公司2008年7月目录1．概述 (3)1.1 等离子点火技术的开发背景及功能 (3)1.2 等离子点火技术的发展历程 (4)2．等离子发生器及其辅助系统 (5)2.1 等离子发生器工作原理 (5)2.2 等离子冷却水系统 (7)2.3 等离子载体风系统 (9)2.4 等离子电源系统 (13)3．等离子燃烧器及其工作原理 (15)3.1 等离子燃烧器结构特点 (15)3.2 等离子燃烧器点火原理 (16)4．等离子点火风粉系统 (17)4.1 中储式制粉系统等离子点火一次风粉来源及其解决方案 (17)4.2 直吹式制粉系统等离子点火一次风粉来源及其解决方案 (18)4.2.1直吹式制粉系统蒸汽加热器制备热风方案 (18)4.2.2直吹式制粉系统燃油加热器制备热风方案 (20)5．等离子点火监控系统 (23)5.1 等离子燃烧器壁温测量系统 (24)5.2 一次风风速测量系统 (24)5.2.1一次风在线测速装置的组成 (24)5.2.2测速管的选择 (25)5.3 图像火焰监视 (26)6．等离子点火控制系统与锅炉FSSS、DCS的连接 (27)6.1 等离子点火控制系统 (27)6.2 等离子点火系统与锅炉的连接 (28)1．概述1.1 等离子点火技术的开发背景及功能火力发电机组中的煤粉锅炉，其点火及低负荷稳燃的传统方法是燃用柴油、重油或燃气。
这种方法运行成本高，以一台670t/h锅炉为例，在冷态启动过程中，要耗费约50t轻质柴油。
据统计，每年全国仅电站锅炉因点火及低负荷稳燃就消耗数百万吨燃油。
大量的燃油消耗，以及因此而带来的燃油采购、运输、储存、硬件设备等方面的费用，无疑加大了发电成本。
同时，由于油煤混烧，使锅炉的技术和经济指标下降。
据有关资料表明：锅炉燃煤过程中，同时燃烧具有高反应性能的燃油将降低锅炉机组的经济生态效益，主要表现在增加燃料固体未燃尽热损失10%～15%，降低锅炉机组的传热系数2%～5%，增加水冷壁高温腐蚀速度，降低锅炉设备的运行可靠性，在一定条件下增加NO X、SO X等污染物的排放量30%～40%。
而且在煤油混烧期间电除尘器不能投入，造成了一系列的环保和社会问题。
为了解决上述问题，开发无油或少油煤粉直接点火燃烧器便成了一直公认的一条途径。
近三十年来，世界各国科技人员在这方面做了大量的工作，开发了一些新式煤粉直接点火燃烧器，取得了一些成果。
例如从上世纪80年代以来相继开发研制的浓、淡分流，大速差等多种形式预燃、稳燃燃烧装置、小流量油枪及主燃烧器改进(钝体、夹心风)等煤粉点火稳燃装置，但工业应用表明：以预燃室为特征的少油煤粉直接点火燃烧器在不同程度上还存在易结渣、烧损，使用期短等弊端而影响了它的广泛推广应用。
同时，开发出来的煤粉直接点火燃烧器没有把点火技术和稳燃技术有机地结合起来，障碍了这一技术的推广。
煤粉锅炉等离子点火与稳燃技术实现了点火技术与稳燃技术的有效结合。
该技术是一项以热等离子体作为煤粉激发热源，直接点燃煤粉，启动锅炉，并可在锅炉低负荷时稳定锅炉燃烧的新技术。
其基本原理是：将具有4000℃以上的高温直流电弧空气等离子体输送到专门设计的等离子燃烧器内，使流经该燃烧器的煤粉在等离子体高温和热化学作用下瞬间被点燃，煤粉在燃烧器内着火后喷入炉膛，从而达到了锅炉点火和助燃不用燃油的目的。
煤粉锅炉等离子点火技术主要由等离子发生器、等离子燃烧器、冷炉制粉系统、图像火焰检测系统、一次风速测量系统和相应的控制系统组成。
其中，与等离子发生器相关的辅助系统包括(1)冷却水系统；(2)载体风系统和(3)电源系统。
与等离子燃烧器相关的辅助系统有等离子燃烧器壁温检测系统。
等离子点火技术系统组成示意图见图1-1。
图1-1 等离子点火技术系统组成示意图1.2 等离子点火技术的发展历程我国和世界上许多国家近几十年来在等离子点火技术的研究方面曾投入了大量精力。
从20世纪70年代开始，美国的CE公司、 B&W公司、西屋公司,原苏联动力科学研究院等都曾从事过该技术研究，我国的清华大学、华中理工大学、哈尔滨锅炉厂等单位也做了大量的研究和实验工作。
但都因各种原因没有达到工业应用水平。
烟台龙源电力技术股份有限公司（以下简称“烟台龙源”）在总结国内外无油点火技术的经验和教训的基础上，从1997年开始致力于等离子点火技术的研究。
解决了上述制约其发展的关键技术难题，开发出DLZ-200型等离子点火装置，并于2000年2月15日在烟台电厂一台210t/h贫煤锅炉上点火启动成功。
经过半年多的工业应用考核，于2000年9月，首次在烟台电厂50MW机组锅炉上，完成工业性试验，并通过了原国家电力公司组织的专家鉴定，此后逐步将该技术推向市场。
在推广应用过程中，烟台龙源完善了系统（见图1-1），提高了该技术的适应性和技术水平，形成了产业化。
等离子点火技术在通过原国家电力公司组织的专家鉴定后，主要经历了以下几个发展阶段。
2000年12月，该技术在佳木斯发电厂100MW 中储式制粉系统燃用烟煤的锅炉上，成功的实现了冷态点火。
在中国首次实现等离子点火技术从工业试验到工程应用的转变。
2001年10月，该技术在内蒙古包头第二热电厂100MW机组锅炉上点火成功，首次将直流主燃烧器改造为等离子燃烧器，突破了通常只改油燃烧器为等离子燃烧器的单一方式，为等离子燃烧器在大容量机组上的应用开辟了道路。
2001年12月，该技术在辽宁清河发电厂100MW机组锅炉上点火成功，首次将等离子点火技术应用于直吹式双进双出磨煤机制粉系统锅炉的旋流燃烧器上，成功开发了具有长输送弧的等离子发生器；获得了在旋流燃烧器上改造安装等离子燃烧器的工程经验；探索了直吹式双进双出磨煤机制粉系统应用等离子点火装置的基本规律。
2002年，该技术先后在山西大同第二发电厂200MW机组、江西丰城发电厂300MW机组、天津盘山发电厂600MW机组上成功使用等离子点火装置。
逐步提高了等离子燃烧器的容量与出力。
2003年，该技术先后在内蒙古元宝山发电厂，成功实现首台褐煤600MW 机组直吹式制粉系统锅炉点火，拓展了等离子点火技术的煤种适应范围。
同年，在烟台电厂100MW机组风扇磨直吹式制粉系统实现等离子点火，拓展了等离子点火技术对磨煤机应用范围。
2004年，该技术在内蒙古托克托电厂＃1锅炉，成功实现首台600MW机组旋流燃烧器锅炉点火。
2006年，等离子点火技术成功应用于玉环电厂1000MW机组，开创了我国最大容量机组应用等离子点火技术的历史。
目前，等离子点火装置关键设备和部件均已达到了工业应用的条件。
其中，等离子发生器已经具有多个型号、多个系列、满足锅炉不同燃烧器形式的标准件。
等离子发生器的保证寿命达到50h以上，有的已经成功运行230h。
等离子燃烧器已经形成一系列的标准化产品，根据锅炉配备主燃烧器的形式（BHK燃烧器、NR3燃烧器、BW燃烧器或PM燃烧器等），成功设计了相应的不同形式的等离子燃烧器，均已成功应用于新建或改造机组。
2．等离子发生器及其辅助系统2.1 等离子发生器工作原理等离子发生器是产生等离子体的设备。
如前所述，等离子点火技术利用温度高达4000℃以上的空气等离子体直接点燃煤粉，从而实现锅炉无燃料油启动和低负荷稳燃。
图2-1是等离子发生器的原理示意图，该发生器为磁稳空气载体等离子发生器，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。
该线圈在高温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。
其启弧原理为：首先设定输出电流，当阴极3前进同阳极2接触后，形成回路，由于整个系统具有抗短路的能力且电流恒定不变，当阴极在电机拖动下缓缓离开阳极时，在阴极和阳极之间形成电弧。
一定压力的空气通过电弧后，被电离为高温空气等离子体，其能量密度高达105～106W/cm2。
图2-1 等离子发生器的原理示意图图2-2是DLZ-200型等离子发生器外形图，到目前为此，该发生器根据长度以及使用炉型分为4种类型：DLZ-200Ⅰ型、DLZ-200Ⅱ型、DLZ-200Ⅲ型和DLZ-200Ⅳ型。
图2-2 DLZ-200Ⅰ型等离子发生器外形图DLZ-200Ⅰ型和DLZ-200Ⅱ型用于四角切圆锅炉径向插入燃烧器系统。
DLZ-200Ⅲ型和DLZ-200Ⅳ型用于四角切圆锅炉轴向插入燃烧器系统。
DLZ-200Ⅳ型也用于前墙以及前后墙对冲锅炉。
切向燃烧的锅炉只有在空间位置受限制，轴向插入有困难才允许使用径向插入的燃烧器，墙式燃烧器均应采用轴向插入的燃烧器。
如上所述，为了确保等离子发生器正常工作，需要冷却等离子发生器的冷却水、载体空气和电源等，以下分别简要介绍。
2.2 等离子冷却水系统由于等离子发生器产生的电弧弧柱温度通常在5000K到10000K范围内，分别发送和接收电子的阴极和阳极处于高温环境，而稳定电弧的线圈长时间通电也会产生热量，因此，等离子发生器的阴极、阳极以及线圈必须冷却。
水冷是较好的方案之一，在电厂也容易获取。
为保证对发生器的良好冷却，DLZ-200型等离子发生器需要进出压差不低于0.4MPa，水温不高于40℃，水量约8t/h的冷却水。
为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀，最好采用电厂的化学除盐水。
现场条件不能满足要求时，也可以用电厂的闭式冷却水。
冷却水系统的流程如下：冷却水首先经母管分别送至各等离子发生器，冷却等离子发生器后，回水到冷却水的回水母管，再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，用于调整等离子发生器冷却水流量，同时安装有冷却水压力表，过滤器及压力开关，压力满足信号送回等离子整流柜。
根据现场情况的差异，等离子冷却水系统有不同的布置方式，分别如下：1) 冷却水取自厂用闭式冷却水系统。
这种系统的回水返回至回水母管，不需要另设水箱和换热器，为保证系统稳定运行，需设置2台水泵。
当等离子发生器或等离子点火燃烧器退出运行后，水泵可停止运行，该方式的原则系统见图2-3。
图2-3 冷却水取自厂用闭式冷却水系统2) 冷却水取自锅炉侧除盐水箱，该系统的回水返回除盐水箱，可保证无压回水，不需要另设水箱和换热系统。
为保证系统稳定运行，需设置2台水泵。
该系统的水泵必须长期运行，原则系统见图2-4。
图2-4 冷却水取自锅炉侧除盐水箱3)冷却水取自另设独立水箱。
需要增设水箱和换热系统，回水返回至水箱可保证无压回水。
为保证系统稳定运行，需设置2台水泵。
该系统的水泵必须长期运行，原则系统见图2-5。
图2-5 冷却水取自另设独立水箱冷却水不同供给方式的综合比较见表2-1。
