第二章 等离子点火煤粉燃烧器工作原理
2.1 点火机理
本装置利用直流电流（280---350A）在介质气压
0.01-0.03Mpa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，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）
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，可加速热化学转换，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，这对于点燃低挥发份煤粉强化燃烧有特别的意义。
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
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（1998年获专利）。
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。
第三章 等离子点火燃烧系统组成
3.1 等离子点火燃烧系统
3.1.1 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。
气膜风
如图3.1所示，等离子发生器产生稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在燃烧器的中心筒中形成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
图3.1 等离子燃烧器示意图
风箱
子 发 生 器
中心筒
撞击式浓淡块
III II
I
一次风
到高温作用，并在10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，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）。除此之外，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特别的意义。
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，如图3.1所示，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。
为了扩大燃烧器对一次风速的适应范围，等离子燃烧器的最后一级煤粉可不在燃烧室内燃烧而直接进入炉膛，因为煤粉燃烧后的热量使得空气体积迅速膨胀，受燃烧器内空间的限制，燃烧室内的风速会成倍提高，造成火焰扩散的速度小于煤粉的传播速度而使燃烧不稳，当采取前面所述措施后，有利于减小燃烧室内的风速，使燃烧稳定。实际的运行实践证明：采用最后一级煤粉进入炉膛内燃烧的结构，燃烧的稳定度大大提高，对风速的要求降低了30%，煤粉的然尽度也大大提高（如图3.2所示）。
煤粉的浓度影响煤粉的着火温度，在点火区适当提高煤粉浓度有利于点火。等离子燃烧器内通过采用撞击式浓缩块获得点火区的相对较高浓度。对于现场燃烧器前有弯头的锅炉，因弯头的离心浓淡作用及现场安装位置的限制，有可能会造成中心筒点火区的浓度降低，为了解决这个问题同时减小改造工作量，可在弯头内加入弯板或扭转板，改变进入点火区的能浓度分布（如图3.2所示）。
热电偶
无弯板时的高浓
-3
中心筒点火区
有弯板时的高浓度煤粉位置
一次风
图3.2 示意图
由于等离子燃烧器采用内燃方式，燃烧器的壁面要承受高温，因此加入了气膜冷却风（如图3.1所示），避免了火焰和壁面的直接接触 ，同时也避免了煤粉的贴壁流动及挂焦。为了减小燃烧器的尺寸，也可采取用一次风直接冷却的办法但须在燃烧器壁面上增加壁温测点（如图3.2所示），以防止燃烧器因超温而被烧蚀。对温度的测量采用K分度凯装热电偶，热电偶的外径3mm，具有很好的挠性，可直接从伸到炉外热电偶导管插入到测点，再用螺母固定到导管上，具有良好的可更换性。热电偶的测温范围为0～800℃,燃烧器的长期壁温应控制在600℃以内，如果超温，可采取提高一次风速和降低一次风浓度的手段进行降温。图3.3为徐州电厂200MW机组等离子燃烧器壁温监测曲线。
图3.3 徐州电厂等离子燃烧器壁温曲线
等离子燃烧器的高温部分采用高 耐热铸钢，其余和煤粉接触部位采用高耐磨铸钢。和现场管路连接时须正确选用焊条型号。
等离子燃烧器按功能可分为两类：1、仅作为点火燃烧器使用，这种等离子燃烧器用于代替原油燃烧器，起到启动锅炉和在低负荷助燃的作用。采用该种燃烧器需为其附加给粉系统，包括一次风管路及给粉机；2、既作为点火燃烧器又作为主燃烧器使用，这种等离子燃烧器具有和1所述同样的功能，在锅炉正常运行时又可作为主燃烧器投入。采用此种方式不需单独铺设给粉系统。等离子燃烧器和一次风管路的连接方式做成和原燃烧器相同，改造工作量小。
3.1.2 风粉系统 3.1.2.1 给粉机
为满足等离子燃烧器对于煤粉浓度和均匀性的要求并能做主燃烧器使用，
与等离子燃烧
器相匹配的给粉机选择，应满足做主燃烧器使用时燃烧器的最大出力，100MW及以下等级的锅炉，与等离子燃烧器匹配的给粉机额定出力以2-6t/h为宜。对200MW及以上容量的锅炉，一般选用给粉机的额定出力在3-9t/h为宜。
3.1.2.2 磨煤机
A 对于新建机组，选定的点火用磨煤机，最低出力应能满足最低投入功率的要求，MPS中速磨宜采用可变加载型。
B 根据磨煤机的型式，调整其出力和细度至最佳状态，例如：适当调整回粉门的开度、调整分离器开度，适当减小一次风量（但风量的调整应满足一次风管的最低流速，中速磨最低风量应保证允许的风环风速），对于MPS中速磨煤机还应适当调整碾磨压力。
3.1.2.3 暖风器
主要应包括暖风器进出口风道的连接方式、支吊架的位置、整体重量、入口蒸汽管道尺寸及连接方式、出口疏水管道尺寸及连接方式、投运前是否需要对蒸汽管道进行吹扫等。
3.1.2.4 一次风系统
A 应根据锅炉燃用煤种、炉型和容量、制粉燃烧系统各自的特点，进行系统配套、结构和参数选择。中储式制粉系统100MW及以下机组宜选择另设等离子燃烧器的系统；直吹式制粉系统宜采用主燃烧器兼有等离子点火功能的系统。
B 采用直吹式制粉系统的锅炉，宜采用本炉冷炉制粉的方式
C 制粉用热风的来源，在有条件时宜采用邻炉热风。在邻炉来热风有困难时，宜在磨煤机入口热风道上或专设旁路风道上加装空气加热装置，将磨煤机入口风温加热至允许启磨温度。加热装置宜采用蒸汽加热器。如热风温度要求较高时，可采取串联安装风道燃烧器加热等方式。
D 磨煤机对应的所有煤粉输送管道，应设有进行冷态、热态输粉风（一次风）调平衡的阀门；宜加装煤粉分配器等措施，以尽可能保持各煤粉输送管道内风速一致、煤粉浓度一致、煤粉细度一致。
E 等离子燃烧器在锅炉点火启动初期，燃烧的煤粉浓度较好的适用范围在0.36„0.52kg/kg，最低不得低于0.3kg/kg。
F 锅炉冷态启动初期，等离子燃烧器的一次风速保持在19m/s„22m/s为宜。热态或低负荷稳燃时，一次风速保持24„28m/s为宜。
3.1.2.5 气膜风系统
等离子燃烧器属于内燃式燃烧器，运行时燃烧器内壁热负荷较高，为了保护燃烧器，同时提高燃尽度，需设置等离子燃烧器气膜冷却风。
气膜冷却风可以从原二次风箱取，也可从送风机出口引取。通过燃烧器气膜风入口引入燃烧器。
气膜冷却风控制，冷态一般在等离子燃烧器投入0„30min，开度尽量小，以提高初期燃烧效率，随着炉温升高，逐渐开大风门，防止烧损燃烧器，原则是以燃烧器壁温控制在500„600℃为宜。
3.1.2.6 二次风系统
对于单独设置等离子点火一次风管路（等离子燃烧器作为点火用燃烧器）的系统，除设置等离子燃烧器气膜风系统外，原则上还应设置二次风系统。其设计原则与电站锅炉常规燃烧器设计方案相同。
3.2 等离子点火器系统
3.2.1 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。
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。导电管内通水冷却，寿命为5年。 3.2.2 等离子电气系统
等离子发生器电源系统是用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置。其基本原理是通过三相全控桥式晶闸管整流电路将三相交流电源变为稳定的直流电源。其由隔离变压器和电源柜两大部分组成。电源柜内主要有由六组大功率晶闸管组成的三相全控整流桥、大功率直流调速器6RA70、直流电抗器、交流接触器、控制PLC等。 3.2.3 等离子空气系统
压缩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，需要压缩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压缩空气系统，压缩空气的要求是洁净的而且是压力稳定的。具体实现方案如下：
1） 压缩空气有空压机经过滤装置储气罐出口母管的管道分别送到等离子点火装置。 2）等离子点火装置上的压缩空气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整流柜。
3）等离子点火装置入口的压缩空气压力要求不大于0.02MPa，每台等离子装置的压缩
空气流量约为1.0NM/min -1.5NM/min。
4）压缩空气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。
33
3.11 压缩空气系统图
3.2.4 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30000K范围，因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极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，因此需要保证冷却水不低于0.3MP的压力。另外，冷却水温度不能高于30℃，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。具体设计方案如下：
1）冷却水系统采用闭式循环系统，由冷却水箱、冷却水泵、换热器及阀门、压力表、管路组成，冷却水泵两台互为备用。系统材质均为不锈钢。
2）冷却水箱、水泵安装保证不振动。换热器根据现场情况安装。
3）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。回水采用无压回水（出口为大气压），等离子点火器回水经母管流经换热器冷却后返回冷却水箱。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（CCS），压力满足信号送回本等离子整流柜。
4）每台发生器来水管路装有压力开关，压力满足信号送至控制系统PLC，保证等离子点火燃烧器投入时冷却水不间断。
5）冷却水采用除盐化学水，通过补水管路为冷却水箱供水。 6）对于两台炉公用冷却水系统，回水分管道加装截止阀。
3.12 冷却水系统图
3.3 监控系统
3.3.1 壁温测量 3.3.1.1 壁温测量
为了确保等离子燃烧器的安全运行，在燃烧器的相应位置安装了监视壁面温度的热电偶。热电偶的安装位置是根据数台等离子燃烧器的工业应用情况和燃烧器工作状态下的温度场确定的。安装位置如下图所示。热电偶的型号主要为K分度或铠装热电偶。
图3.13 壁温测量
热电偶的安装在等离子燃烧器的设计图中有明确要求，其基本原则是牢固、防磨、耐用、拆卸更换方便。
3.3.1.2 风粉在线检测
为了在等离子燃烧器运行时能够监测一次风速，控制一次风速在设计范围，在一次风管加装
一次风速测量系统。
3.3.2 图像火焰监视
将煤粉燃烧器的火焰直观的显示给运行人员将对锅炉的安全运行及燃烧调整有极大的帮助。在DLZ-200等离子点火系统中为每个等离子点火燃烧器配置了一支高清晰图像火检探头。该探头采用军用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，一方面冷却CCD和镜头，另一方面冷却风通过探头前端3通道风3组合弧形冷却风喷射机构，可避免飞灰、焦块污染镜头。
5.2.8 等离子燃烧器的整套启动试运
1. 等离子燃烧器的启动试运
1) 检查并将磨煤机的出口分离器挡板角度调整至较小值。
2) 检查锅炉具备启动点火条件：锅炉汽包水位正常、吸、送风机启动、炉膛吹扫完成，
一次风机启动。
3) 投入油枪，进行锅炉试点火、热紧螺丝、冲洗仪表管等工作。。 4) 调节磨煤机入口风量，维持磨出口一次风管风速在18～20m/s左右。
5) 维持厂用蒸汽压力在较高压力，逐步开大A磨暖风器来汽阀门，投入暖风器运行。 6) 调节等离子燃烧器周界风，维持此层周界风门在15％开度。
7) 按等离子点火装置的启动程序顺序启动1～4号等离子发生器：调节电弧功率在
110KW左右。
8) 在磨煤机满足启动条件的情况下，启动磨煤机，磨煤机运行稳定后启动给煤机，并
逐步加大给煤量至25t/h。
9) 就地观察等离子燃烧器的燃烧情况，就地测量火焰燃烧温度。
10) 调整一次风量、周界风门开度，确定合理的一次风速及二次小风门开度。 11) 调整等离子装置的电弧功率，确定等离子装置的最低稳燃功率。在保证燃烧效果的
条件下适当降低电弧功率，以尽量延长阴极的使用寿命。
12) 根据机组试运要求增大或减小磨煤机的出力，试验等离子燃烧器配合MBF24型磨煤
机的出力范围，同时根据火焰燃烧情况对一、二次风进行调整，逐步摸索运行经验。
13) 在等离子点火装置投运过程中，注意观察汽包压力、过热器蒸汽温度，根据锅炉吹
管工作安排确定等离子点火装置的投运、切停。
14）在机组并网及以后的试运阶段进行等离子燃烧器投入试验
主要包括：采用等离子点火系统时机组启动方式试验、利用等离子燃烧器火焰引燃相邻磨煤机的试验、在锅炉低负荷运行时采用等离子点火装置进行稳燃试验等，具体试验步骤根据机组试运进度进行安排。
2．等离子燃烧器的整套启动试运过程中的注意事项：
1) 严格按照运行规程要求的上水温度、上水时间对锅炉进行上水。
2) 等离子点火燃烧器投入运行的初期，要注意观察火焰的燃烧情况、电源功率的波动
情况，做好事故预想，发现异常，及时处理。
3) 等离子点火燃烧器投入运行的初期，为控制温升，上部二次风门要适当开大，注意
观察、记录烟温探针的温度，防止吹管临时系统、再热器系统超温。 4) 在锅炉启动的过程中，对锅炉的膨胀加强检查、记录。
5) 在点火前，要根据给煤量与磨煤机入口风速等参数，做好风粉速度、煤粉浓度等重
要参数的预想，并在点火的过程中，根据煤粉着火情况，有根据的加以调整。 6) 当磨煤机在“等离子方式”下运行，4支等离子点火器中的1支发生断弧时，光子
牌将发出声光报警，此时运行人员应及时投入断弧点火器上层的油枪，同时检查断弧原因，如因阴极材料耗尽引起的断弧应尽快更换阴极头，恢复点火器的运行。 7) 当磨煤机在“等离子方式”下运行，4支等离子点火器中的2支发生断弧时，保护
将停止磨煤机的运行，此时应仔细检查断弧原因，待问题解决后再继续进行试运。
8) 当锅炉负荷升至断油负荷以上且等离子点火器在运行状态时，应及时将磨煤机运行
方式切至正常运行方式，防止因等离子点火器断弧造成磨煤机跳闸。
6.2 运行的控制与调节
6.2.1 锅炉具备点火启动条件，引、送风机投入，相应的等离子燃烧器一次风速保持在25—30m/s，气膜或周界冷却风少开或不开；
6.2.2 等离子发生器拉弧稳定后，根据炉温及所燃煤种的好坏情况，调节电弧的电流及电压，使电弧功率稳定在90—110KW范围内；
6.2.3 根据实际情况，将点火状态切换到“点火”或“助燃”状态，启动相应的给粉机，迅速调节给粉机的转速，使给粉浓度在0.35—0.55Kg/Kg范围内，调节一次风速18—22m/s（冷态）或24—28m/s（热态），等离子燃烧器开始燃烧；
6.2.4 对于直吹式制粉系统，磨煤机对应的所有煤粉输送管道，应进行冷态输粉风（一次风）调平，煤粉分配器进行初步调整。尽可能保持各煤粉输送管道内风速一致、煤粉浓度
一致、煤粉细度一致。根据磨煤机的型式，调整其出力和细度至最佳状态，例如：适当调整回粉门的开度、调整分离器开度，适当减小一次风量（但风量的调整应满足一次风管的最低流速，中速磨最低风量应保证允许的风环风速），对于中速磨煤机还应适当调整碾磨压力。在等离子点火装置投运期间，磨煤机受最低煤量限制，投入的燃料量可能较大，要注意观察锅炉蒸汽压力升高的速度以及过热器、再热器的温升情况，根据锅炉升压、升温曲线，通过调整机组旁路系统阀门的开度，控制锅炉升压、升温速度。
6.2. 5 投入等离子燃烧器后，为防止可燃气体沉积在未投燃烧器的邻角，产生爆燃，应适当开启邻角下二次风，使可燃气体及时排出炉膛。
6.2.6 加强炉内燃烧状况监视，实地观察炉膛燃烧，火焰应明亮，燃烧充分，火炬长，火焰监视器显示燃烧正常，如发现炉内燃烧恶劣，炉膛负压波动大，应迅速调节一次风速及给粉机转速调整燃烧，若炉膛燃烧仍不好，应立即停止相应的给粉机，必要时停止等离子发生器，经充分通风，查明原因后重新再投；
6.2.7 调整等离子燃烧器燃烧的原则为：既要保证着火稳定，减少不完全燃烧损失，提高燃尽率，又要随炉温和风温的升高尽可能开大气膜或周界冷却风，提高一次风速，控制燃烧器壁温测点不超温，燃烧器不结焦，在满足升温、升压曲线的前题下，应尽早投入其他等离子燃烧器，尽快提高炉膛温度，有利于提高燃烧效率；
6.2.8 等离子燃烧器都投入后，还需投入其他主燃烧器时，应以先投入等离子燃烧器相邻上部主燃烧器为原则，并原地观察实际燃烧情况，合理配风组织燃烧；
6.2.9 机组并网带负荷后，根据燃烧情况及锅炉运行规程规定，将“点火”状态及时切换到“助燃”状态，一般到锅炉额定负荷的70%以上时（具体应参照使用厂的锅炉规程规定），可逐步退出等离子助燃；
6.3 运行主要参数
1、电源：
三相电源 380 -5％V频率：50±2%Hz 最大消耗功率：250kVA
负荷电流工作范围：（200 ~ 375）±2%A 电弧电压调节范围：（250 ~ 400）±5%V 2、压缩空气：
最低气压：0.1MPa 最高气压：0.4MPa
空气压力调节范围：0.12 ~ 0.3MPa 最小消耗量：60m3/h 最大消耗量：100m3/h 3、冷却水：
最小压力：0.15MPa
＋10％V
正常压力：0.20MPa 最大压力：0.4MPa 最大流量：10t/h
4、水质要求：除盐水，温度≤40℃ 5、输粉管内风速（一次风）：
最低风速：18m/s 最高风速：26m/s
最低风温：60℃
6、气膜冷却风风速：45—60m/s
7、等离子发生器功率范围 正常运行 80—120kW
8、阴极寿命 设计工况下不低于50h(易更换) 9、阳极寿命 设计工况下不低于1000h 10、等离子燃烧器出力 设计最低出力的100%—200% 范围 11、投粉后的着火时间 中储式系统：投粉后不大于30秒
直吹式系统：投粉后不大于180秒
12、燃烧器壁温控制温度 小于600℃
13、煤粉浓度 0.36—0.52kg/kg，最低不得低于0.3kg/kg
7.9 等离子发生器常见故障及排除。