等离子发生器工作原理
等离子煤粉点火燃烧器，采用直流空气等离子体作为点火源，可点燃挥发分较低的（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。
本装置利用直流电流（～A）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＞K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?、OH?、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。
等离子发生器工作原理图
2燃烧机理燃烧机理图
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扩大到10T/H。在建立一级点火燃烧过程中采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火炬中心区，℃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，在设计上该燃烧器出力约为～kg/h，其喷口温度不低于℃。另外加设了第一级气膜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，所采用的气膜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。
3等离子点火燃烧系统
01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。
如图所示，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＞K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）。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～kg/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。
等离子燃烧器的高温部分采用耐热铸钢，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。
02风粉系统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，MW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MW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。
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。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。
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。
03一次风系统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MW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。
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。
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。
04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～℃为宜。
05二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。
4等离子点火器系统
等离子发生器
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℃情况下具有抗0V的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。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。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～W/cm2，为点燃不同的煤种创造了良好的条件。
等离子点火器外形图
阳极组件
阳极组件由阳极、冷却水道、压缩空气通道及壳体等构成。阳极导电面为具有高导电性的金属材料铸成，采用水冷的方式冷却，连续工作时间大于小时。为确保电弧能够尽可能多的拉出阳极以外，在阳极上加装压弧套。
阴极组件
阴极组件由阴极头、外套管、内套管、驱动机构、进出水口、导电接头等构成，阴极为旋转结构的等离子发生器还需要加装一套旋转驱动机构。阴极头导电面为具有高导电性的金属材料铸成，采用水冷的方式冷却，连续工作时间大于50小时。
线圈组件
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。
5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。
01隔离变压器隔离变压器外形图
等离子电源系统用隔离变压器参数：
额定电压：0.38/0.36KV
额定功率：KVA
额定频率：50HZ
相数：三相
接线方式：Δ/Y
冷却风式：自然冷却
绝缘等级：F
绝缘水平：AC3/3
温升：K
选用材料：30Q冷轧有取向硅钢片、环氧树脂真空浇注.
隔离变压器的主要作用是隔离。一次绕阻接成三角形，使3次谐波能够通过，减少高次谐波的影响；二次绕组接成星型，可得到零线，避免等离子发生器带电。
02整流柜整流柜选用德国RITTAL公司生产的PS型电源柜，柜体外形尺寸及安装尺寸如下图所视整流柜为前后开门结构。前门上方安装有三块表从左到右分别为系统实际电压表、系统实际电流表、系统给定电流表，下方为排气孔。
整流柜技术参数如下：
额定输入电压(1)：3AC(+15%/-20%)
额定输入电流：A
额定频率：45-65HZ
额定直流输出电压：V
额定直流输出电流：A
过载能力：%
额定输出功率：KW
额定直流电流下的功耗：W
电子电路电源
额定供电电压：2AC(-25%)～(+15%);In=1A或
1AC(-25%)～(+15%);In=2A
(-35%1分钟)
冷却风扇
额定电压：3AC(15%)50HZ
额定电流：0.3A
额定流量：m3/h
噪音等级：73dBA
运行环境温度：0～40℃(2)强迫风冷
存储和运输温度：-25～+70℃
安装海拔高度：额定直流电流下≦0M(3)
环境等级（DINIEC-3-3）：3K3
防护等级(DIN50IEC)：IP00
说明：
(1)整流柜进线电压可低于额定电压（由参数P设置，V装置可用于85V输入电压）。输出电压也相应降低。
(2)指定的直流输出电压，在进线电压低于5%（额定输入电压）时也能达到。
(3)负载系数K1(直流电流)同冷却温度有关。
(4)负载系数K2与安装高度有关。
(5)总的衰减系数K=K1×K2。
整流柜正面视图与后视图
其中主要部件为：
①冷却风机:用来冷却柜内控制元件。
②整流装置。
③熔断器：电流过载保护。
④电源开关：控制电源柜内冷却风机的启停。
⑤电源开关：电源柜控制电源。
⑥端子排：电源柜与外部设备的接口。
⑦直流控制器6RA70。
⑧直流平波电抗器。⑨可编程控制器：对直流电源和电极动作进行控制，实现等离子点火器的自动点火。
⑩机床变压器：用于产生控制电源及电极接触检测的直流24V电源。
03整流电路整流原理图
V1-V6六个晶闸管（KP0A/V）接成三相全控整流桥。
三相桥式全控整流电路为三相半波共阴极组与共阳极组的串联，因此整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极的，另一个晶闸管是共阳极的，所以必须对两组中要导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。可采用两种办法：一种是给每个触发脉冲的宽度大于60o（一般取80o∽o），称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于60o的宽脉冲，称双脉冲触发。等离子电源柜采用的是双脉冲触发方式。
SIEMENS大功率直流调速装置6RA70是给直流调速电机配备的调速器，其内部有两套整流电路分别用于电机电枢回路和电机的励磁回路。电机电枢回路采用的是三相全控桥式整流电路，励磁回路采用的是单向全控桥式整流电路。等离子电源柜正是采用6RA70的电枢回路来提供稳定的直流电源。
直流平波电抗器，由于DLZ-型等离子发生器是直流接触引弧，因此在启动阶段电源要工作在低电压（0～20V），大电流（～３00A）的短路状态，这对功率组件是极其不利的。同时，由于等离子发生器在引弧瞬间会产生强烈的冲击负荷，即使是在正常工作情况下，由于电弧在阴极和阳极之间旋转产生电压跳变，也要求电源要有极强的恒流能力。这就要求平波电抗器要有足够的感抗。从平波的角度讲当然是电感量越大越好，但是一味的增加电感抗，不仅会增加设备的成本，同时由于其尺寸过于庞大而不利于设备的推广使用。因此，在电抗容量设计上，通过大量实验工作最后定为A，2.1MH的电抗器，其平波效果较为理想。
04控制PLC选用S7-CPU可编程控制器来对直流电源和电极动作进行控制，实现等离子点火器的自动点火。具体方案如下：
·使用USS协议通过CPU上的通讯口PORT0与6RA70的通讯口X之间的进行数据交换，以完成对主电路的操作控制和各类状态信息的读出和条件判断等，实现直流电源的控制。
·电极控制信号及点火必须的压缩空气压力、冷却水压力等信号直接接入CPU固有的开关量输入输出。
·通过扩展EMDP模块与主站S7-完成数据交换，实现集中控制。EM模块配置为16字入/16字出模式。
·通过CPU内部的逻辑运算，实现点火装置的自动控制。
按等离子发生器工作的特点和要求编制的控制程序保证了点火过程可顺利地进行，并对点火工作过程各装置提供了有效的监控和保护。根据系统要求启动等离子点火装置要分遥控/本控两种方式。在本控操作时，通过电气操作柜对直流电流和阴极位置可以随时进行必要的调整，以适应不同煤种和工况条件下的点火参数需求。
6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）压缩空气由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在0.02Mpa左右，每台等离子装置的压缩空气流量约为1.0NM3/min-1.5NM3/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。
压缩空气系统图
7等离子冷却水系统等离子电弧形成后，弧柱温度一般在K到K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，压力满足信号送至整流柜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。
冷却水系统图
8监控系统01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。
壁温测量
热电偶的安装在等离子燃烧器中有明确要求，其基本原则是牢固、防磨、耐用、拆卸更换方便。
02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。
一次风在线测速装置的组成见下图。
测速管的选择
上图所示为靠背管，实际应用中还有笛形管。
(1)靠背管
靠背管全称靠背式动压测定管。两个测压管端的开口,一个开口迎向气流作为全压感压孔,另一个背向气流为静压感压孔;两个开口面应该成°对称布置。由于其开口较大,故不易堵塞,且对气流方向的偏斜敏感性很小,其偏转角在±20°内不会引起明显的误差。
靠背管可以做成移动的,也可以根据管道的直径尺寸加工成固定安装的;固定的靠背管将其感压孔置于被测管道中心。靠背管既适用于含粉气流也可使用于清洁气流中。
(2)笛形管
用笛形管可以测量含浓度较小的气流，如中储式制粉系统给粉机前的一次风管，热风送粉可使用固定的笛形管，乏气送粉使用可以移动的笛形管。
在保证刚度条件下,笛形管愈细愈好，一般d/D=0.04—0.09，(d为笛形管径,D为被测管道内径).而全压感压孔的孔径要愈小愈好,但是要避免被粉尘或锈浊堵塞。感压孔的总面积不得超过笛形管内截面积的30%。
03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-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，有效阻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1℃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。
图象火焰监视系统组成
图象火焰传感器主要技术参数：
①探头风阻：进口风质P1=0Pa时，冷却风风管Q=64Nm3/h
②探头外径：φ69mm
③CCD工作电压：U=12V/DC
④输出信号：标准Pal制式视频信号
⑤在冷却风正常工作情况下耐温℃
等离子点火燃烧器的图像火检系统只是为了运行人员直观地监视燃烧器的燃烧情况，便于进行燃烧调整，并不参与FSSS系统保护。因此选择火检探头安装位置时只要能较全面地观察到等离子点火燃烧器喷口附近火焰燃烧情况即可。一般对于四角（或六角）喷燃的锅炉，探头可安装于被检测燃烧器侧面看火孔位置（占据一部分）。
安装时将探头哈夫夹导管插入看火孔内，调整好角度后与炉壁焊接，探头装入哈夫夹导管内，轴向位置可调。
等离子点火燃烧器火检探头的冷却风由原锅炉火检冷却风机提供。若原风机风量不够可适当增容。等离子热控系统由等离子控制柜和触摸屏组成，柜内PLC采用SIEMENSS7-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
（一）：等离子控制柜与整流柜通讯的调试
(1)整流柜控制采用了SIEMENSS7-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（S-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—）Profibus接口模块（EM）下部的“DPMODE”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F故障，此时须手动按整流器上的“P”键复位故障报警。
（二）：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常.
（三）：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。
9等离子发生器常见故障
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