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摘要：本研究探讨了等离子点火与燃烧稳定技术在提升燃煤锅炉可靠性与经济性方面的应用。通过分析湛江中粤能源有限公司发电厂等离子体点火系统的案例，展示了该技术在经济效益、环境保护及安全性方面的显著优势。研究表明，等离子点火系统不仅能有效降低燃料成本，还能提高发电厂的灵活性与运行效率，为未来燃煤发电行业的可持续发展提供了坚实基础。

一、研究背景

燃煤锅炉作为传统能源设备，广泛用于电力和供热领域，尽管具有经济性和可用性优势，但面临燃料波动、燃烧效率降低和环境污染等挑战。随着全球对环保和可持续发展的关注，燃煤锅炉需转型以适应新市场和政策要求。其高效热能转化能力使其在能源结构中占据重要位置，但运行中常遇到点火困难、燃烧不稳定和排放超标等问题，影响可靠性和经济效益。此外，随着环保政策的严格，锅炉排放限制提高，传统技术难以满足要求，运营成本上升，企业需探索高效环保的技术解决方案以保持竞争力。

二、等离子点火与燃烧稳定系统概述

2.1 等离子点火系统的基本原理

等离子体点火系统通过高温等离子体流直接点燃煤粉，显著提高点火效率和燃烧稳定性。等离子体温度可超过4000K，迅速释放煤粉中的挥发分，促进燃烧反应。与传统燃油点火相比，该系统可在冷炉状态下实现无油点火，减少轻柴油依赖，降低燃料成本和环境污染。传统点火需大量轻柴油，导致高燃料费用和污染，而等离子体系统通过电离压缩空气产生高温等离子体直接点燃煤粉，快速实现稳定燃烧，节省燃料并降低NOx等有害气体排放，符合环保要求[1]。

2.2 燃烧稳定技术的必要性

燃煤锅炉采用等离子体点火系统显著提高了安全性和经济效益。通过提供持续高温的等离子体流，确保燃烧稳定性，减少火焰不稳定导致的安全隐患。此外，该系统的点火费用仅为传统油点火的10%至20%，在新建大型机组中可快速收回投资，降低运营成本。高效燃烧特性提高了煤粉燃烧效率，增强经济效益。维护方面，等离子体系统减少了对燃油的依赖，降低泄漏风险和维护成本。其高可靠性和低故障率简化了维护，减少设备停机时间，提高发电厂的运行效率。

三、技术实施与案例分析

3.1 技术实施方案

等离子体点火系统的设计旨在通过高效的点火和燃烧稳定技术，提升燃煤锅炉的可靠性与经济性。该系统主要由等离子体点火设备及其辅助系统构成，具体包括等离子体发生器、等离子体点火燃烧器以及一系列辅助系统，如图1所示，等离子体点火系统由等离子体发生器、等离子体点火燃烧器、以及辅助系统等部分组成。

3.1.1 等离子体发生器：等离子体发生器是系统的核心部件，其工作原理是利用直流电将压缩空气电离，产生高温等离子体，用于点燃煤粉。该发生器由阴极、阳极、进气室、引弧装置、冷却水腔等组成。阳极由特殊金属材料制成，空心圆筒体结构，采用水冷方式进行冷却。阴极由特殊金属材料制成，实心椎体结构，同样采用水冷方式进行冷却。等离子体发生器外壳与阳极和阴极连接形成环形冷却水腔，冷却水在水腔内连续流动[2]。

3.1.2 等离子体点火燃烧器：等离子体点火燃烧器利用高温等离子体点燃煤粉，与传统燃烧器不同，属于内燃型。煤粉在等离子体火核中心点燃，通过热化学反应提高挥发份释放，强化燃烧。多级设计优化风粉浓度和气流速度，实现稳定点火和燃烧，单个燃烧器出力可达2～12t/h。燃烧器结构通常包括一级燃烧室、二级燃烧室、煤粉喷嘴等部分，如图3所示。

其中，一级燃烧室用于引入含粉气流，等离子体电弧与煤粉发生电化学反应，煤粉裂解并点燃；二级燃烧室中挥发份及煤粉继续燃烧，实现分级燃烧。燃烧器壁温通过热电偶监控，以防止超温和结焦[3]。等离子体燃烧器采用内燃方式，壁面承受高温，通过浓淡分离冷却技术控制壁温。

3.1.3 辅助系统：等离子体点火装置的稳定运行不仅依赖于核心电气与控制系统，还需一系列辅助系统的配合。这些系统包括压缩空气系统、冷却水系统、供配电系统、图像火检系统、一次风速在线监测系统、控制系统以及冷炉制粉系统，确保装置的稳定性。

1） 压缩空气系统：为等离子体发生器提供载体风，空气压力需在0.45至0.75MPa之间，确保点火和燃烧过程的气流充足。系统使用仪用压缩空气，单台发生器需约100Nm³/h的流量。停机时通过比例阀调节少量空气吹扫，防止煤粉倒灌。空气质量至关重要，需定期检验过滤精度和残余含油量。

2） 冷却水系统：用于散热，确保冷却水压力不低于0.6MPa，流量为6t/h。水质不佳会影响绝缘效果，需定期巡检，确保锅炉运行期间冷却水畅通。

3） 供配电系统：供配电系统通过IGBT直流电源控制柜为等离子体装置提供稳定电源，从电厂AC380V电源接入后整流，确保稳定的直流电输出[4]。系统集成PLC模块实时监控设备状态，保证灵活性与安全性。采用成熟IGBT模块设计，电压、电流参数留有余量，确保模块及系统稳定性。多IGBT模块设计即使单个故障，仍能保持运行。直流电源柜内PLC实现有效监测、控制和保护，提供故障报警，接收控制信号将功率误差控制在±3%以内，确保等离子体发生器输出功率稳定。

4） 图像火检系统：实时监测火焰状态，通过摄像头和图像处理技术检测火焰稳定性和形态变化。

5） 一次风速在线监测系统：实时监测一次风流速，确保最佳气流条件，与控制系统集成，优化燃烧效率。

6） 控制系统：作为装置的“大脑”，通过实时数据监测和反馈，综合管理各辅助系统。采用硬接线方式集成在DCS系统中，避免控制失效，灵活应对各种状态和故障。

7） 冷炉制粉系统：解决煤粉来源问题，采用暖风器加热提供磨煤机干燥热风，实现冷炉制粉，确保锅炉快速启动与高效运行。

通过上述辅助系统的协调运作，等离子体点火装置能够在多变的操作条件下保持高效、稳定的运行，为燃煤锅炉的安全与经济性提供有力保障。

3.2 实际应用案例

3.2.1 湛江中粤能源有限公司的案例研究

湛江中粤能源有限公司坐落于湛江市赤坎区，临近海湾深水线，厂区占地约856亩。原有两台600MW亚临界燃奥里油机组于2002年5月开始筹建，分别于2006年11月和2007年1月投产。本项目旨在通过引入等离子点火系统，提升燃煤发电厂的可靠性、灵活性和经济性。目标是设计、安装并验证等离子点火系统的低负荷稳燃性能，同时做到将二次燃料利用率降至最低。

在实施过程中，等离子体工程师需与锅炉操作人员协作，规划点火系统安装。考虑因素包括：每台磨机的循环负载、电网需求、燃烧器组的改造、磨机进风预热、点火系统位置、可用空间及布线等。最终布局安装方式如图4所示。

传统燃煤锅炉在低负荷状态下的燃烧不稳定性常导致燃料浪费和排放增加。湛江中粤能源电厂采用了等离子点火技术，实现了无油点火和低负荷稳燃。等离子发生器通过提供高温气流来点燃煤粉，其工作原理是施加直流电压至阴阳极，形成高温等离子体。关键在于准确估算等离子体出口温度，因为这直接影响点火过程。

1. 电弧区等离子体向压缩空气的传热分析

为了对等离子发生器内部的传热和流动特性进行理论估算，首先需要了解其传热和流动的基本机理[5]。等离子发生器的发热机制不同于常规电阻发热，直流电弧等离子体向外界的传热可分为阴极区传热、电弧柱区传热和阳极区传热。这三部分的传热量共同作用于压缩空气，为其加热提供能量来源[6]。

（1） 阴极区传热

阴极区域的发热主要通过辐射散热进行。阴极斑点呈现出类似硬币的形状，电流密度通常在3～5 kA/cm2之间，温度约为5000K。在此温度下，阴极释放大量的热电子，这些热电子成为电弧电流的主要载体。阴极区的发热量可表示为：

其中，为电弧电流，为阴极压降（即阴极前面的电子加速动能电压），为阴极材料的逸出功（对应于电子蒸发潜热的等值电压），其大小取决于阴极的材料性质。

（2） 电弧柱区传热

在电弧柱区，等离子体在电弧电流的作用下形成高温高速的等离子流，其温度和流速在阴极稍远处达到最大值。温度的横向分布呈抛物线状，中心温度最高，向外逐渐降低。该区域的传热主要通过对流和辐射传递给周围的材料壁，并最终通过导热的形式传递给冷却水。电弧柱区的总发热量为：

其中，为电弧柱区的压降。

（3） 阳极区传热

阳极区的传热主要是由于电子流的冲击和吸收。在该区域，电子在阳极压降的作用下被加速并冲向阳极表面，释放出大量热量。阳极区的发热量可表示为：

其中，为阳极压降，为阳极材料的逸出功，为阳极区域电子热能的等值电压。

现场数据显示，D磨1#发生器的电流和电压运行稳定（图5），确保了能量输出的稳定性，延长了电极寿命，并优化了温度控制和燃烧效率。稳定的电流和电压对等离子体火焰的持续均匀热量输出至关重要，尤其在低负荷运行时，能有效维持煤粉燃烧的连贯性，避免温度波动导致的不稳定或熄火。稳定性减少了电极损耗，延长了设备寿命，确保长期稳定的燃烧性能。在较低功率下，等离子体发生器仍能保持高燃烧温度，控制火焰温度梯度，减少不完全燃烧和结焦问题。稳定的电流电压运行提高了点火效率，减少能量浪费，使锅炉在低负荷下保持高效燃烧，提升燃烧效率，降低燃料消耗，增强经济性。控制电压与电流的稳定性在等离子体点火燃烧器的运行中尤为重要。

控制电压与电流的稳定性对等离子体点火燃烧器的有效运行至关重要。以下是关键控制策略：

1. 稳定电源系统：等离子体点火装置通过IGBT直流电源控制柜，将AC380V电源转化为稳定的直流电，以支持点火器正常运行，并实时监控设备状态，确保系统的灵活性与安全性。

2. 多余量设计：供电系统的IGBT模块设计留有余量，以抵御电流波动，在正常运行下显著提高电源模块的稳定性，即使出现单一IGBT模块故障，其他模块仍能保证供电持续稳定。

3. 负载反馈与调节：PLC模块在电源柜内监控发电器，通过实时接收功率调节信号，将输出功率稳定在误差±3%以内，确保电流和电压的稳定性应对负载变化。

4. 冷却系统：有效的冷却水系统维持等离子体发生器的热平衡。保持水的洁净和适当电导率，避免影响绝缘效果，确保电流稳定性。

5. 辅助系统集成：包括图像火检、压缩空气和一次风速监测系统，协调运行并实时监控反馈，确保各系统间的稳定配合，降低单个系统失效导致的不稳影响。

6. 定期检验与维护：对供电、冷却水和压力系统进行定期维护，保证各系统的持续正常运作，从而进一步确保电压与电流的稳定。

综上，稳定的供电、多余量设计、负载调节、冷却系统、辅助集成和定期维护等措施确保等离子体点火燃烧器的高效稳定运行。

湛江中粤能源电厂通过采用等离子点火燃烧器，在600MW燃煤机组低负荷运行下取得了稳燃效果。实验显示，该机组在优化后的操作条件下，于最低30%负荷时无需辅助燃油即可稳定燃烧。通过调整一次风与氧量控制，煤粉在炉膛内得以充分燃烧，减少未燃尽碳生成。同时，改造后的燃烧器增强了火焰稳定性，避免传统燃油系统的低负荷燃烧波动。

等离子点火技术还减少了锅炉尾部烟道的二次燃烧，提高了整体燃烧效率。合理控制等离子燃烧器，实现无油低负荷运行，提高了经济效益与环境效益。借助空气和燃料分级燃烧技术，显著降低炉膛出口NOx浓度，等离子体火核使煤粉在缺氧环境中提前着火，降低燃烧温度，减少热力型NOx生成。热解释放的H2、CO和CH4增强还原性，促进NOx转化为N2，实现脱氮效果。实验结果证实其在低氮燃烧中的显著效果，为燃煤机组提供了实践经验和调控参考[7]。

3.2.2 技术实施效果与经济评估

1. 节油收益

根据现场情况测算，若采用油枪点火，湛江中粤能源电厂600MW燃煤机组预计用于锅炉点火的全年耗油400吨左右。#2炉采用等离子体点火系统后，可将其作为调峰机组，可增加其启停调峰的次数，预计可进一步节省全年的用油量，暂预估每年节省400吨，燃油价格为0.85万元/吨，折合节油收益为340万元[8]。

400t/年*0.85万元/t=340（万元/年）

2. 投运等离子体系统费用

#2炉按每年节约400吨燃油计算，再根据冷态点火用油量35吨/次左右，可预估出启炉次数11次左右。每次启炉，等离子体点火系统投运8小时，则全年投运时间为88小时。

（1）等离子体发生器备件消耗费用

250kW等离子体发生器的阴极和阳极是消耗品。阴极寿命为200小时，价格13000元/只，折算平均每小时的使用成本为65元/小时；阳极寿命500小时、价格19000元，折算平均每小时的使用成本为38元/小时。则#2炉投运等离子系统每年发生的备件消耗费用为0.9万元。

88h/年×（65+38）元/h=9064（元/年）

（2）电量消耗费用

250kW等离子体发生器在投运过程中需要消耗电量，按功率250kW计算，则全年的耗电量为64000kW·h，发生费用1.1万元。

250kW×88h/年×0.5元/kW·h=11000（元/年）

（3）其它材料消耗费用

锅炉冷态启动时，蒸汽加热器需要消耗辅助蒸汽加热冷风进行冷炉制粉，按小时蒸汽耗量4t，每次启炉投运4小时，每年启炉次数11次左右，则全年消耗蒸汽量为176t，以270元/吨的蒸汽价格为计，产生费用4.7万元。

4t/h×4h/pre×11pre/年×270元/t=47520（元/年）

冷却水为闭式循环，不存在消耗，基本不产生费用。

等离子体发生器在投运时会消耗压缩空气，单台耗量为2 Nm3/min，折合0.25m3/min（0.7MPa下），全年耗气量为3840m3，产生费用1056元。

0.25m3/min×60min/h×4h×88h/年×0.2元/m3=1056（元/年）

其它材料消耗费用小计4.86万元。

47520（元/年）+1056（元/年）=48576（元/年）

（4）多增煤耗费用

投油减少后，需增加等热值的入炉煤量，此部分增加煤耗也需计入投运等离子体费用中。

燃油的低位热值为40327kJ/kg，设计煤种热值21385kJ/kg，400吨燃油的等效标煤量为754.69吨：

（400t/年×40327kJ/kg）/21385kJ/kg=754.69（吨/年）

投运等离子系统相对于原有的油点火方式，多增标煤754.69吨，标煤价格1100元/吨，每年发生费用83万元：

754.69吨/年×1100元/吨=830159（元/年）

综上所述#2炉投运等离子系统每年的各种直接费用及间接费用总计为89.86万元：

0.9+1.1+4.86+83=89.86（万元/年）

3. 直接经济效益

根据以上经济分析，#2炉增设等离子体点火系统后可实现机组的无油冷态启动，实现费用节约250.14万元：

340-89.86=250.14（万元/年）

4. 间接经济效益

#3锅炉实施等离子点火技术进行冷态启动及稳燃后，可实现机组的无油启动，避免油污对锅炉尾部烟气处理设备的影响；锅炉尾部的除尘、脱硫、脱硝等烟气处理设备可及时投入。该种运行方式下，不会因油点火方式而影响设备的性能，并减少相应的检修、维护工作量，从而产生间接经济效益。

这种技术的应用不仅降低了机组在低负荷下的运行风险，还显著减少了启动时的燃油消耗。经过计算，湛江中粤能源电厂在无油点火条件下的燃油成本节约率达到了80%以上，机组的经济效益显著提升。

四、结论

本研究分析了等离子点火与燃烧稳定技术在提升燃煤锅炉可靠性与经济性方面的应用。湛江中粤能源有限公司发电厂的案例表明，等离子点火系统能有效降低燃料成本，提高发电厂的灵活性与运行效率，同时减少环境污染。该技术通过高温等离子体流直接点燃煤粉，提高了点火效率和燃烧稳定性，减少了对轻柴油的依赖。此外，等离子体点火系统还降低了NOx等有害气体排放，符合环保要求。技术实施包括等离子体发生器、点火燃烧器及辅助系统，确保了装置在多变操作条件下的高效稳定运行，为燃煤锅炉的安全与经济性提供了有力保障。

参考文献

[1]尤兆爽. 600MW亚临界锅炉大功率等离子体智能控制点火及稳燃系统的研究与应用[D]. 华南理工大学， 2017.

[2]郭文钰， 林长海， 曹修全， 等. 湍流等离子体发生器的结构设计与实验研究[J]. 机械， 2023，50（08）：55-62.

[3]杨利民杜京武赵虎军赵峰李风德. 等离子点火燃烧器一次室结焦的原因分析及改进措施[J]. 黑龙江电力， 2001（05）：311-312.

[4]曾鹏. IGBT模块电流预测模型和均流控制研究[D]. 桂林电子科技大学， 2023.

[5]张锋. 燃煤机组等离子点火的特性研究[D]. 华北电力大学（河北）， 2008.

[6]明嵬. 直流电弧数值模拟及等离子点火特性研究[D]. 大连理工大学， 2007.

[7]邹鹏， 张一坤， 龚泽儒， 等. 300MW机组等离子体燃烧器内燃辅助降氮试验研究[J]. 能源科技， 2020，18（05）：39-43.

[8]白云峰. 等离子点火技术在灵武电厂600MW机组上的应用研究[D]. 重庆大学， 2008.