摘要：本文介紹了等離子技術的原理，探討了等離子點火技術在蓬萊發電有限公司兩台330MW機組上的應用。
國電蓬菜發電有限公司一期工程為7×330MW機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠生產的1025t/h引進型亞臨界參數汽包爐，燃用煙煤。鍋爐採用四角切向布置的全擺動燃燒器，共有6層一次風噴口。燃燒器為水平濃淡燃燒器，採用彎頭濃淡分離方式。鍋爐配備3層共12隻油燃燒器，總出力約佔鍋爐出力的35%。油噴嘴採用機械霧化方式。
鍋爐制粉系統為直吹式，每台鍋爐配有3台瀋陽重型機器有限責任公司生產的BBD4054型雙進雙出鋼球磨煤機。每台磨煤機為兩層煤粉燃燒器供粉。
為了節約燃油，鍋爐採用等離子點火器點火。在最下層燃燒器處，安裝4支由煙台龍源公司生產的等離子點火煤粉燃燒器及附屬配套設備。等離子點火燃燒器具有鍋爐啟動點火及鍋爐低負荷穩燃兩種功能。
一、等離子點火系統的組成
該系統主要由以下幾部分組成(圖1):
●等離子發生器——產生電功率為50~150kW的空氣等離子體;
●直流電源櫃(含整流變壓)——將三相380V電源整流成直流電，用於產生電弧;
●點火燃燒器——與等離子發生器配套使點燃煤粉;
●控制系統——由PLC、CRT、通信介面據匯流排構成;
●輔助系統——由冷卻水、空氣的供給系統組成。
等離子發生器主要由陽極、電子發射槍、穩弧線圈三部分組成，如圖2所示。陽極組件由陽極、冷卻水道、壓縮空氣通道及殼體構成，連續工作時間大於500小時。電子發射槍由槍頭、外套管、內套管、引弧器、進、出水口、上電接頭等組成。電磁線圈由電纜及上電口等組成，用於產生強磁場。
點火燃燒器結構如圖3。控制系統如圖4。
二、系統基理
1、點火機理
本裝置利用直流電流(大於200A)在介質氣壓大於0.lMPa的條件下接觸引弧，並在強磁場下獲得穩定功率的直流空氣等離子體。該等離子體在燃燒器的一次燃燒筒中形成T>5000K的梯度極大的局部高溫區，煤粉顆粒通過該等離子"火核"受到高溫作用，並在10-3秒內迅速釋放出揮發物，並使煤粉顆粒破裂粉碎，從而迅速燃燒。由於反應是在氣向中進行，使混合物組分的粒級發生了變化，因而使煤粉的燃燒速度加快，也有助於加速煤粉的燃燒。這樣，就大大地減少了促使煤粉燃燒所需要的引燃能量E(E等二1/6E油)。
等離子體內含有大量化學活性的粒子，如原子(C、H、O)、原子團(OH、H2、02)、離子(02-、H2-、OH-、0-、H+)和電子等，可加速熱化學轉換，促進燃料完全燃燒。除此之外，由於等離子體對於煤粉的作用，煤粉的揮發分可比通常情況下提高20-80%，即等離子體有再造揮發份的效應，這對於點燃貧煤、強化燃燒有特別的意義。
2、等離子發生器工作原理
本發生器為磁穩空氣載體等離子發生器，它由線圈、陰極、陽極組成，如圖5所示。
陰極材料採用高導電率的金屬材料或非金屬材料製成;陽極由高導電率、高導熱率及抗氧化的金屬材料製成。它們均採用水冷方式，以承受電弧高溫衝擊。線圈在高溫250℃情況下具有抗2000V的直流電壓擊穿能力。電源採用全波整流，並具有恆流性能。
發火原理為:首先設定輸出電流，當陰極前進與陽極接觸后，整個系統具有抗短路的能力且電流恆定不變，當陰極緩緩離開陽極時，電弧在線圈磁力的作用下拉出噴管外部。在電弧的作用下，具有0.03MPa左右壓力的空氣被電離為高溫等離子體，其能量密度高達105-106W/cm2，為點燃不同的煤種創造了良好的條件。
3、燃燒機理
根據高溫等離子體有限能量不可能與無限的煤粉量及風速相匹配，為此設計了多級燃燒器。它的意義在於，應用多級放大的原理，使系統的風粉濃度、氣流速度處於一個十分有利於點火的工況條件，從而完成一個持續穩定的點火、燃燒過程。試驗證明，運用這一原理及設計方法，便單個燃燒器的出力可以從2t/h擴大到lOt/h。在建立一級點火燃燒過程中，我們採用了將經過濃縮的煤粉垂直送入等離子火炬中心區，5000-10000℃的高溫等離子體與濃煤粉匯合及所伴隨的物理化學過程使煤粉原揮發份的含量提高了20-80%，其點火延遲時間不大於1秒。
點火燃燒器的性能決定了整個燃燒器運行的成敗。該燃燒器的設計出力約為500~80Okg/h,其噴口溫度不低於12OO℃。另外，我們加設了第一級氣膜冷卻技術，避免了煤粉的貼壁流動及掛焦，同時又解決了燃燒器的燒蝕問題。該區稱為第一區。
第二區為混合燃燒區。在該區內一般採用"濃點濃"的原則，應用環形濃淡燃燒器將淡粉流貼牆而濃粉摻入主點火燃燒器燃燒。這樣做的結果，既有利於混合段的點火，又冷卻了混合段的壁面。如果在特大流量條件下，還可以採用多級點火。
第三區為強化燃燒區。在一、二區內，揮發分基本燃盡，為提高疏鬆炭的燃盡率，採用提前補氧強化燃燒措施。提前補氧的原因在於提高該區的熱焓，進而提高噴管的初速達到加大火焰長度提高燃盡度的目的。所採用的氣膜冷卻技術亦達到了避免結焦的目的。
第四區為燃盡區。疏鬆碳的燃盡率決定於火焰的長度。隨煙氣的溫升，燃盡率逐漸加大。
三、控制系統
本系統控制主機採用西門子57-300可編程控制器為核心，57-300與各電源框之間為數據通信，操作界面採用工業液晶顯示屏設置參數和功能，其硬體配置見圖4。其中，6RA70為全數字直流控制器，是電源櫃的控制核心元件。
控制邏輯框圖如圖6。
四、布置方式及運行方式
國電蓬菜發電有限公司為了適應四角切圓燃燒方式，將A層四支一次風主燃燒器改造為由煙台龍源公司生產的等離子點火煤粉燃燒器及附屬配套設備，同時增加一套蒸汽加熱裝置，即在一次風母管上加裝暖風器(汽源取自輔汽聯箱)以製取熱風。這種布置方式有利於等離子點火器發生的火焰直接點燃煤粉。在鍋爐點火時，首先保證等離子冷卻水系統、壓縮空氣系統壓力合適，通過暖風器製取熱風，投入等離子燃燒器，待達到一定溫度后投入等離子點火器，啟動A磨煤機單端運行Al層出粉，單台給煤機給煤，根據鍋爐負荷的需要逐步投入A2層粉，B磨煤機，C磨煤機，從而實現鍋爐無油點火的目標。
五、經濟效益分析
1、直接經濟效益
國電蓬萊發電有限公司一期工程2×330MW機組在試運期間要經過鍋爐吹管、整定安全閥、汽機衝車、機組併網、電氣試驗、鍋爐洗硅運行、機組帶負荷運行等許多階段，由於此期間鍋爐無法投磨或無法完全斷油運行，因此要耗費大量的燃油。根據電力部最新頒布的試運導則中的規定，30OMW機組試運期間燃油消耗的標準定量為4000噸。根據國電蓬菜電廠1、2號機組基建調試階段的燃油統計，每台機組的燃油量為2000多噸。如果在機組試運初期投入等離子煤粉點火系統，將可以使整個試運期間的燃油消耗控制在300噸以內，可產生巨大的經濟效益。
(1)國電蓬萊電廠#1機組按常規方法試運所需燃油耗費計算
燃油消耗:2000噸
燃油價格:0.3萬元/噸
燃油耗費:0.3×2000=600萬元
(2)機組改裝等離子煤粉點火裝置後進行試運所需費用計算
a)燃油耗費
燃油消耗:300噸
燃油價格:0.3萬元/噸
燃油耗費:0.3×300=90萬元
b)原煤耗費
燃油的低位發熱量為4.18×1O4kJ/kg，設計煤種低位發熱量為19938kJ/kg原煤價格為100元/噸，節約燃油數量為1700噸，則按發熱量相等的原則所需的原煤費用為：
萬元
c)耗電費用
設計煤種發熱量:19938kJ/kg
原煤消耗：
噸
制粉單耗：20kwh/t；
等離子燃燒器耗電：20kwh/t；
廠用電價格：0.15元/kwh
耗電費用:3564×(20+20)×0.15=2.14萬元
(3)基建調試期間的經濟效益計算
600-90-35.64-2.14=472.22萬元
2、間接經濟效益
按照常規的試運方法，機組在試運期間要長期低負荷運行，此期間鍋爐純燒油或油煤混燒。為避免未燃盡的油滴粘污電極，鍋爐電除塵器無法正常投入，大量煙塵直接排放到大氣中，給環境帶來嚴重的污染，同時煙氣中的粉塵會對鍋爐引風機葉片造成磨損，這些均給電廠帶來間接的經濟損失。
在機組試運期間投入等離子煤粉點火系統，電除塵器可以在鍋爐啟動及低負荷期間正常投入，大大減少粉塵的排放，避免了環境污染，給電廠帶來顯著的社會效益和經濟效益。
六、小結
通過對等離子燃燒技術的分析和現場調試經驗可以看出，等離子技術在節約能源、環保、提高機組快速升負荷方面具有重要的應用意義，而且電廠可以單一燃料運行，簡化了系統，簡化了運行方式，是一項值得推廣的新技術，必然在工業生產領域中有著廣闊的發展前景。
