大型工业煤粉锅炉的点火-等离子
近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制。通过引入等离子点火系统，不但保证提高燃烧过程的经济性，而且可以改善火电厂的生态条件，达到真正意义上的经济、环保、高效。
关键词： 等离子 PLC 燃烧
1 概述
大型工业煤粉锅炉的点火和稳燃传统上都是采用燃烧重油或天然气等稀有燃料来实现的，近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制。因此锅炉点火和稳燃用油被做为一项重要的指标来考核，为了减少重油（天然气）的耗量，传统的做法是提高煤粉的磨细度，提高风粉混合物和二次风的预热温度，采用预燃室燃烧器，选用小油枪点火等等，但是，这些方法已到了尽头，若要进一步减少燃油到最终不用油，必须采用与传统上完全不同的全新工艺，这种工艺应既可保证提高燃烧过程的经济性，又可以改善火电厂的生态条件——DLZ-200型等离子煤粉点火燃烧器，采用直流空气等离子体做为点火源，可点燃挥发份较低的（10%）贫煤，实现锅炉的冷态启动而不用一滴油，是未来火力发电厂点火和稳燃的首选设备，采用等离子点火燃烧器，点火和稳燃与传统的燃油相比有以下几大优点：
1) 经济：采用等离子点火运行和技术维护费仅是使用重油点火时费用的15%～20%，对于新建电厂，可以节约上千万的初投资和试运行费用；
2) 环保：由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，因此，减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染；另外，电厂采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了电厂的环境；
3) 高效：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；
4) 简单：电厂可以单一燃料运行，简化了系统，简化了运行方式；
5） 安全：取消炉前燃油系统，也自然避免了经常由于燃油系统造成的各种事故。
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。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。
3 等离子系统组成
等离子系统主要包括：电气系统、冷风加热系统、冷却水系统、载体风系统、控制系统、监视系统。
3.1 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 冷风加热系统
冷风加热系统使得锅炉冷态条件下直接启动制粉的能力。在磨煤机入口的一次风道上加装了一套蒸汽暖风器，可将冷态时的磨入口风温加热至满足制粉要求。暖风器蒸汽汽源取自厂用辅汽联箱，疏水排至地沟。
3.3 冷却水系统
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。主要是通过水冷的方式对形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极进行冷却。
3.4 载体风系统
等离子发生器的载体为洁净干燥的空气，因此等离子点火系统要消耗一定量的压缩空气（要求发生器前压力保持在0.015—0.1Mpa之间，每台发生器最大耗气量约为150 NM3/H）。为此，我们厂专门配备了两台风机。另外，该风机出口风还可以用作等离子点火燃烧器的图像火检系统的冷却风。
3.5 控制系统
等离子控制系统由等离子控制柜和触摸屏组成，柜内PLC采用SIEMENS S7-300系列的可编程控制器完成。该CPU模块中的Profibus接口，可简单地与多个点火控制器相连，以通过网络对所有点火装置进行集中控制。由Digtal公司生产的GP触摸面板作为操作界面，为现场操作提供了简洁的操作模式、完整的信息显示。
3.6 监视系统
监视系统由图象火检探头、工业电视、四画面分割器组成，主要是对炉膛等离子燃烧情况的监视。
4 等离子热控系统的调试
4.1等离子控制柜与整流柜通讯的调试
(1) 整流柜控制采用了SIEMENS S7-200系列可编程控制器完成。其提供的Profibus接口模块是为连接上级PLC与操作界面而设置的，用以满足锅炉点火控制的需要。网络连接完成后，必须进行网络地址的设定。本系统中，约定上级PLC在网络中为地址‘1’，各个整流柜的网络地址从‘2’开始往后继续。在结束连接和完成设置并上电后，可简单地通过以下观察
的方法进行验证：在上级PLC（S7 315-2DP）的CPU模板，右侧的DP红色指示灯应熄灭，表明网络的所有节点均已连通；在每个点火控制器的（S7—224）Profibus接口模块（EM277）下部的“DP MODE”绿色指示灯应点燃，表明数据交换在正常进行。
(2) 机组在启动较大的辅机时（如送风机，引风机，给水泵等），如果整流柜的一次侧电源和大型设备在同一段上，整流柜的低电压保护就会动作，整流器上显示F001故障，此时须手动按整流器上的“P”键复位故障报警。
4.2 图象火检及冷却风机系统的调试
1) 图象火检探头冷却风是由两台互为备用的冷却风机提供的，风机控制为就地控制，通过风机出口风压检测开关自动实现联启（需要把未启风机置备用状态）。
2) 查风机就地控制柜、视频电缆、四画面分割器、工业电视的接线、连接是否正确，确认无误。
3) 查冷却风系统的完整性：对风机、阀门、管路、吊架、探头等进行外观检查，确认没有安装缺陷。
4) 检查火检探头的安装位置、角度正确。
5) 在探头内组件拆除的条件下启动冷却风机，对系统进行吹扫。
6) 对风机的连锁进行试验，在试验中检查风机出口压力开关的闭合情况。
集控室给工业电视、四画面分割器进行送电检查。
7) 等离子控制柜送电,检查视频及+12V电源,并确保其他部分工作正常.
4.3一次风监测系统的调试
1) 开启一次风机，一次风管道通风，现场标定一次风测速管的系数。
2) 用编程器把标定的系数输入到等离子PLC控制柜。
4.4 等离子点火系统冷态拉弧试验的调试
1) 检查电源柜、隔离变、等离子点火器、集控室PLC等的所有接线，确认接线正确、牢固。
2) 按相关标准，对隔离变压器、电缆等进行耐压试验、绝缘测试等工作。
3) 在以上调试工作完成后，电源柜上电，首先进行电源受电，然后进行控制电源合闸，6RA70应显示7.0为正常，然后合闸电源柜风扇电源，检查并确认风扇的转向正确无误。
4) 检查集控室与电源柜的通讯状态，确认无误。
5) 检查等离子点火器就地的位置，检查冷却水、压缩空气管道连接良好。
6) 调节等离子点火器的冷却水手动阀门使点火器前水压在0.40Mpa左右；水温不高于40℃；管路和点火器内部无泄露。
7) 调节压缩空气的手动阀门使启弧前气压值在0.015----0.045Mpa之间、压力稳定。
8) 在远方触摸屏显示起弧条件满足的情况下，电流设定290A-320A。实际功率在100kw以上，远方进行启弧、停弧试验。
在上述试验完成的情况下，进行短时间的功率调节范围试验。
4.5 等离子点火系统各项联锁、保护的传动试验
对于直吹式制粉
系统，为保证机组的安全及等离子点火系统的正常运行，需对FSSS逻辑进行以下修改：
在非等离子模式时，原逻辑保持不变。
在等离子模式下，满足：①F给煤机给煤量≤25t/h② 仅有F磨煤机运行 将FSSS逻辑修改如下：
1）全燃料丧失MFT逻辑：
全燃料失去定义:任一层油2个或以上角有火(油阀打开)或者任一层煤2个或以上角有火(给煤机运行)时(延时5秒),给煤机全停,同时油跳闸阀不在全开位或所有油角阀都不在全开位置。
目前逻辑下，当等离子模式下投入时，只要F给煤机跳闸或停运，因为没有油枪运行，立即发生锅炉丧失燃料MFT，这样即使正常停止给煤机，也不能吹空F磨煤机，同时导致锅炉一次风机和密封风机跳闸，再启动时还需重新吹扫，这种现象在有油枪助燃的锅炉启动过程中是不会出现全燃料丧失MFT的，故修改为：F给煤机跳闸或停运，延时10分钟触发全燃料丧失MFT。
这样，有利于给煤机停止后，吹空磨煤机的存煤。同时在10分钟内寻找和解决F给煤机故障的原因。如果10分钟内恢复正常运行，不再触发全燃料丧失MFT；如果记时达到10分钟立即触发MFT。
2）全火焰丧失MFT逻辑：
全火焰失去定义:有任一台给煤机运行或任一层油有三个油角阀打开时,每层油都少于2个角有火(油阀打开时)并且每层煤都少于两个角有火(给煤机运行时)。
当F给煤机启动后，需要约60～90秒时间，磨煤机制出的煤粉才能点着火，现在的MFT逻辑，由于没有延时所以会发出全火焰丧失信号，故修改为：在等离子模式下，F给煤机启动后延时120秒，方允许触发全火焰丧失MFT。
3） F给煤机保护：
现逻辑是：F给煤机在运行时，磨煤机F出口闸板任一个不在全开位置，延时60秒，F给煤机跳闸。在等离子模式下，当等离子发生器任一角断弧或更换阴、阳极时，都需要关闭对应角的磨煤机出口闸板门，故取消F给煤机在运行时，磨煤机F出口闸板任一个不在全开位置，延时60秒跳闸F给煤机的逻辑。
4） F磨煤机保护：
4.1 现逻辑之一：F磨煤机运行5s后，磨煤机F出口闸板任一个不在全开位置，延时60秒跳闸F磨煤机。而加装等离子点火装置后,当等离子发生器任一角断弧或更换阴、阳极时，都需要关闭对应角的磨煤机出口闸板门,故取消等离子模式下，F磨煤机运行5s后，磨煤机F出口闸板任一个不在全开位置，延时60秒跳闸F磨煤机”逻辑。
4.2 现逻辑之二：F磨煤机运行5s后，F磨电流小于30A且F给煤机运行120秒后断煤时，延时30s跳F磨,修改为：等离子模式下，F磨煤机运行5s后，F磨电流小于30A，给煤机运行120秒后断煤，发声光报警，延时10分
钟跳磨。当发现断煤报警时，及时检修处理（打空气炮或者敲打原煤仓），如果10分钟内处理完毕，断煤报警消失，不跳F磨；如果不能处理完毕，断煤信号持续达到10分钟时跳闸F磨煤机。
5）关于“等离子模式下”F磨煤机的火检问题
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，在吹管期间火检模拟量信号变化范围30％～70％，火检信号波动很大，作为全火焰丧失的检测信号很不可靠，在吹管期间，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 F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台山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，给煤机启动后,在FSSS逻辑里将等离子拉弧成功的信号和煤火检本身的检测信号以逻辑或的关系作为对应角火焰存在信号。
5 等离子系统在吹管期间出现的问题以及解决办法
5.1 #3机组等离子系统在吹管期间出现的问题：
5.1.1四号角跳闸
等离子发生器出现#4角低压盘开关在工作中跳闸，在四台等离子相同输入相同输出（输出直流320A，95kw）的条件下，#4角整流柜跳闸，后将#4角输出降低为300A，90kw，重新起弧，工作两小时后又跳闸，检查发现四台低压盘开关额定容量及定值均相同，于是将备用开关与#4低压开关互换，互换后跳闸现象消失。
分析跳闸原因确认为低压盘开关有问题。
5.1.2启弧失败
等离子发生器启停过程中发现等离子发生器多次出现启弧不成功现象，经过检查确认为整流柜内PLC S7—200程序为旧版本与新型拉弧电机不匹配导致，现已将新版本程序传入S7—200，并经多次反复试验，启弧失败现象消失。
5.1.3断弧
等离子点火器在工作中出现过断弧现象，经过第一次停炉对燃烧器和点火器的检查结果看：
①是燃烧器内筒结渣堵塞电弧出口导致断弧，这是主要原因。
②从阴极头烧损情况可断定是载体风压偏低影响等离子发生器的稳定工作，这是次因，应适当提高载体风压。
5.1.4结焦
等离子工作24小时停炉后，我们对四台等离子发生器及燃烧器进行了检查，结果如下：
①在检查燃烧器时发现，从点火器插入燃烧器内筒的孔中可见有煤渣，结合燃烧器的壁温高于100℃，火检图象燃烧太亮，根部及轮廓无黑龙区，说明一次风速过低（风速19m/s、出力20t/h、出口风温63℃、风量105t/h），应适当提高一次风速，以避免燃烧器积粉、结焦、烧坏。
②阴极烧损形状不理想，但表面光滑、干净、无异常现象，为安全起见，将#2、#4角阴极头
更换为新的，#1、#3保留。从阴极烧损形状看，载体风压偏低，应适当提高风压。
5.2调整参数及点火器功率试验
针对#3机组等离子系统在吹管期间出现的问题（结焦、阴极烧损形状不理想，）做出以下调整：
载体风压原来7kPa，调整为8kPa。
一次风速由19m/s提高为24m/s。
整流输出电流由320A降至290—300A。
实际电压由340 V降至300V
调整参数后又经过20小时的工作，功率虽比前次点火低，点火器工作更加稳定，未出现断弧现象，再次检查等离子发生器及燃烧器情况如下：
#1、#3阴极头工作已40小时，形状良好，估计仍可使用20小时，保留未更换。
#2、#4阴极头烧损形状良好，提高载体风压后，效果明显改善。
燃烧器内筒仍有结渣现象，但较前一次有明显改善，说明一次风速仍然偏低，还应适当提高一次风速，并适当降低点火功率，为此，做了一个低功率试验：
保持电压300V不变，降低输出电流，从300A降至290A、280A、260A，最低250A，仍能保持燃烧。为提高阴极寿命、降低电气系统的损耗、防止燃烧器的结渣超温，应尽量降低电流输出值。
5.3等离子点火注意事项
针对#3机组等离子系统在吹管期间出现的问题，建议如下：
①对燃烧器内的结渣进行彻底清理。在点火前将一次风量开大吹扫等离子燃烧器内的煤粉及焦渣。
②为防止燃烧器超温，结焦，提高阴极阳极使用寿命，降低电气系统的损耗，减少故障的发生，在着火前提下，应尽量提高一次风速，降低点火功率。
③等离子燃烧器火焰的理想状态是粉包火，即燃烧器的根部及轮廓是粉，中间及前部是火，这样才能保证燃烧器不结渣、不超温。因此，建议在控制燃烧时，注意观察燃烧器壁温及火焰情况，使燃烧器工作在理想状态下。
④建议运行参数：
冷却水压力：0.45MPa 载体风压力：8kPa 实际电压：250V—350V
设定电流::250A-290A 功率：60—80kw 间隙20—30mm
阴极更换时间：45—50小时。 后燃烧器壁温小于100 ℃
前燃烧器壁温小于150 ℃ 一次风速大于26～32m/s
6 结论
通过从调试到整套启动的考验，证实了等离子点火系统在台山电厂的应用是比较理想的。采用等离子点火运行和技术维护费仅是使用重油点火时费用的15%～20%，对于新建电厂，可以节约上千万的初投资和试运行费用；由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，因此，减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染；另外，电厂采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了电厂的环境。采用等离子技术点燃煤粉锅炉经
济、高效、简单、安全、环保，是目前燃油系统改造的最佳替代产品。但是同时等离子系统逻辑部分还需要进一步的优化，以便更加适应机组的运行。