等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)在電廠鍋爐上的應(yīng)用

等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)在電廠鍋爐上的應(yīng)用

廣東省內(nèi)電氣工程煤粉爐的點(diǎn)火和低負(fù)荷穩(wěn)定燃料采用燃料或輕油燃燒。在點(diǎn)火和低負(fù)荷下燃燒大量燃料會消耗大量燃料。隨著廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)的實(shí)施，電廠為了提高自身的競爭力，必然想方設(shè)法減少燃油的耗量。等離子點(diǎn)火技術(shù)是一種新型燃燒技術(shù)，其原理是利用一定壓力的空氣做介質(zhì)，在直流電流和強(qiáng)磁場控制下獲得穩(wěn)定功率的定向流動空氣等離子體，該等離子體在點(diǎn)火燃燒器中形成局部高溫，煤粉顆粒通過時被迅速點(diǎn)燃形成火炬噴入爐膛。廣州恒運(yùn)電廠6號鍋爐首次在啟動試運(yùn)階段就采用等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)，在機(jī)組啟動、滑停和低負(fù)荷穩(wěn)燃時，燃燒穩(wěn)定，節(jié)油顯著。1煤粉鍋爐和點(diǎn)火器廣州恒運(yùn)電廠6號210MW機(jī)組1998年初投產(chǎn)，鍋爐原來是DG680/13.7-15型燃油鍋爐，燃用調(diào)和渣油。2003年10月，鍋爐成功改造為DG680/13.7-20型自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、固態(tài)排渣、燃煤汽包爐。該鍋爐采用五層四角切圓布置水平濃淡燃燒器，二層油燃燒器，燃油采用0號輕柴油。制粉系統(tǒng)為冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配五臺北京電力設(shè)備總廠制造的ZGM80G型中速輥式磨煤機(jī)，四用一備，每臺磨帶一層煤燃燒器。鍋爐設(shè)計燃料為山西大同煙煤，燃煤特性如表1。該爐共四支等離子燃燒器分別裝在鍋爐A層四支主燃燒器位置，替換鍋爐原有的煤粉燃燒器。等離子點(diǎn)火器安裝在燃燒器側(cè)面，可以通過DCS或觸摸屏進(jìn)行控制。單套等離子設(shè)備的基本參數(shù)如下：2點(diǎn)火系統(tǒng)的組成等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)包括點(diǎn)火系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)兩大部分。點(diǎn)火系統(tǒng)由等離子燃燒器、等離子點(diǎn)火器、電源控制柜、隔離變壓器、控制系統(tǒng)等組成；輔助系統(tǒng)由壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、圖像火檢系統(tǒng)等組成。2.1低熱值燃燒煤粉技術(shù)等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來點(diǎn)燃煤粉的煤粉燃燒器，與以往的煤粉燃燒器相比，等離子燃燒器在煤粉進(jìn)入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點(diǎn)燃，并將火焰在燃燒器內(nèi)逐級放大，屬內(nèi)燃型燃燒器，可在爐膛內(nèi)無火焰狀態(tài)下直接點(diǎn)燃煤粉。廣州恒運(yùn)電廠6號鍋爐采用的等離子點(diǎn)火燃燒器結(jié)構(gòu)見圖2。它由等離子引弧裝置(陰極、陽極)、一級燃燒室、二級燃燒室，周界二次風(fēng)等部分組成。2.2組件、解析組件等離子發(fā)生器用于產(chǎn)生電功率為50～150kW的空氣等離子體，等離子發(fā)生器主要由陽極組件、陰極組件、線圈組件三大部分組成。陽極組件與陰極組件包括用來形成電弧的兩個金屬電極：陽極與陰極，在兩電極間加穩(wěn)定的大電流，將電極之間的空氣電離形成具有高溫導(dǎo)電特性等離子體。線圈通電產(chǎn)生強(qiáng)磁場，將等離子體壓縮，并由壓縮空氣吹出陽極，形成可以利用的高溫電弧。2.3控制柜控制回路等離子發(fā)生器電源系統(tǒng)是用來產(chǎn)生維持等離子電弧穩(wěn)定的直流電源裝置。其由隔離變壓器和電源柜兩大部分組成。AC380V、200kV·A(四路)電源分別經(jīng)隔離變壓器接至直流電源柜，輸出的直流電送至就地點(diǎn)火裝置上；運(yùn)行人員通過觸摸CRT調(diào)整控制柜輸出的直流電壓和電流。點(diǎn)火發(fā)生器與控制柜之間連接有信號電纜和動力電纜，動力電纜(2×120應(yīng)與信號電纜隔離，單獨(dú)提供AC220V、1kV·A電源給CRT和PLC。2.4監(jiān)控器控制系統(tǒng)由PLC、CRT、通訊接口和數(shù)據(jù)總線構(gòu)成。2.5式點(diǎn)火處理等離子載體為穩(wěn)壓、潔凈、干燥的空氣；空氣經(jīng)母管分別送至就地點(diǎn)火發(fā)生器內(nèi)。現(xiàn)場的壓縮空氣系統(tǒng)可以滿足要求。為保護(hù)等離子裝置本身，需用水冷卻陰、陽極和線圈。冷卻水經(jīng)母管分別送至就地點(diǎn)火發(fā)生器內(nèi)，再分三路分別送入線圈和陰、陽極?，F(xiàn)場安裝冷卻水箱和冷卻器。四套點(diǎn)火燃燒器分別安裝一只帶CCD攝像機(jī)的火檢探頭，其視頻信號送至集控室內(nèi)四畫面分割器，經(jīng)處理后再送至工業(yè)電視，工業(yè)電視可同時監(jiān)視四套等離子點(diǎn)火燃燒器的火焰。圖像火檢的冷卻風(fēng)由火檢冷卻風(fēng)機(jī)提供，必須保證每只探頭前風(fēng)壓不小于2000Pa，風(fēng)量為70Nm3/h。3等離子點(diǎn)火點(diǎn)火器在機(jī)組啟動之后的運(yùn)行情況恒運(yùn)電廠6號爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)無油點(diǎn)火啟動，首先保證鍋爐冷態(tài)啟動時磨煤機(jī)入口風(fēng)溫滿足磨煤機(jī)干燥出力的要求。如果能用蒸汽制熱風(fēng)或從臨爐引入熱風(fēng)，理論上可以實(shí)現(xiàn)無油點(diǎn)火。但由于暫未設(shè)計用蒸汽制熱風(fēng)或從臨爐引入熱風(fēng)系統(tǒng)，因而要先按常規(guī)投入不超過4支油槍暖爐約1h左右，以產(chǎn)生制粉用熱風(fēng)，而后才能投用等離子點(diǎn)火系統(tǒng)。調(diào)節(jié)磨煤機(jī)入口風(fēng)量，維持磨出口一次風(fēng)風(fēng)速在20～24m/s左右。調(diào)節(jié)A層燃燒器周界風(fēng)，維持此層周界風(fēng)門在15%開度。維持鍋爐下層4支油槍運(yùn)行，同時按順序啟動1～4號等離子發(fā)生器，調(diào)節(jié)電弧功率在100kW左右。將磨煤機(jī)的運(yùn)行模式切換到“等離子運(yùn)行方式”，在制粉系統(tǒng)滿足啟動條件的情況下啟動制粉系統(tǒng)。恒運(yùn)電廠6號爐制粉系統(tǒng)所配備的磨煤機(jī)為ZGM80G型中速輥式磨煤機(jī)，該磨煤機(jī)制造廠提供的最小出力為7.47t/h。在鍋爐冷態(tài)啟動之初，這樣大的煤粉量點(diǎn)燃噴入爐膛，會造成鍋爐升溫、升壓速率的較難控制、水冷壁受熱不均、鍋爐整體膨脹不能保證等較多問題，上述現(xiàn)象要求給煤量不能增加太快，逐步增加到給煤量14～17t/h，達(dá)到等離子點(diǎn)火合適的一次風(fēng)煤粉濃度，同時注意維持磨煤機(jī)出口溫度80～85℃。等離子點(diǎn)火燃燒器投入運(yùn)行的初期，要注意觀察火焰的燃燒情況、電源功率的波動情況，發(fā)現(xiàn)異常，及時處理。等離子燃燒器投運(yùn)點(diǎn)火正常后在保證安全的條件下應(yīng)盡快退出運(yùn)行的油槍，注意進(jìn)行上層二次風(fēng)的調(diào)整，防止鍋爐升溫、升壓速率過快、水冷壁受熱不均、再熱器系統(tǒng)超溫等問題。若等離子點(diǎn)火器發(fā)生斷弧時，此時運(yùn)行人員應(yīng)及時投入斷弧點(diǎn)火器上層的油槍，同時應(yīng)認(rèn)真檢查斷弧原因，待問題解決后再繼續(xù)投入。當(dāng)鍋爐負(fù)荷升至最低穩(wěn)燃負(fù)荷以上且等離子點(diǎn)火器在運(yùn)行狀態(tài)時，應(yīng)及時將磨煤機(jī)運(yùn)行方式切至正常運(yùn)行方式，防止因等離子點(diǎn)火器斷弧造成磨煤機(jī)跳閘。圖3(a)、(b)、(c)為2003年10月23日23時24分機(jī)組啟動過程中等離子點(diǎn)火燃燒器投用后主蒸汽升溫升壓及爐膛負(fù)壓波動曲線。圖中第0min等離子點(diǎn)火器開始拉弧，拉弧前共4只油槍運(yùn)行；第4min啟動磨煤機(jī)；第10min退出2只油槍；第16min退出第3只油槍；第26min退出最后1只油槍全燒煤粉。從圖中可以看出C磨(對應(yīng)A層等離子燃燒器)啟動后主蒸汽溫度升高很快，隨著油槍及時退出運(yùn)行，主汽升溫、升壓速率得到控制；爐膛負(fù)壓波動在正常范圍。恒運(yùn)電廠6號爐可以在等離子點(diǎn)火裝置投入運(yùn)行時，僅C磨運(yùn)行、C給煤機(jī)給煤量為14～17t/h，通過燃燒調(diào)整鍋爐可斷油全燒煤粉，煤粉著火正常，燃燒穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，金屬壁溫正常，鍋爐升溫升壓速率可滿足冷態(tài)啟動曲線的要求。4經(jīng)濟(jì)效益比較分析4.1按常規(guī)方法試運(yùn)及產(chǎn)出基地所需費(fèi)用的計算恒運(yùn)電廠7號機(jī)組和6號機(jī)組是同類型機(jī)組，鍋爐型號和制粉系統(tǒng)完全相同，2002年8月投產(chǎn)。7號爐未安裝等離子點(diǎn)火系統(tǒng)，低負(fù)荷穩(wěn)燃用油每天約10t，全年按150天計算。200MW機(jī)組試運(yùn)期間燃油消耗的標(biāo)準(zhǔn)定量為1500t，而如果在試運(yùn)期間投入等離子點(diǎn)火系統(tǒng)，可以將整個試運(yùn)期間的燃油消耗控制在500t以內(nèi)。以下計算?。喝加蛢r格為0.35萬元/t，燃油的低位發(fā)熱量為4.145×104kJ/kg，設(shè)計煤種低位發(fā)熱量為20315kJ/kg，原煤價格為0.028萬元/t，廠用電價格為0.3元/(kW·h)。7號爐按常規(guī)方法試運(yùn)及投產(chǎn)當(dāng)年運(yùn)行所需燃油耗費(fèi)計算為：0.35×(1500+1500)=1050萬元。6號爐安裝等離子點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)和投產(chǎn)當(dāng)年所需費(fèi)用計算為：(1)燃油耗費(fèi)：節(jié)約燃油數(shù)量為2500t，則按發(fā)熱量相等的原則所需的原煤費(fèi)用為：(4.145×104×2500)×0.028/20315=142.8萬元。原煤消耗：(4.145×104×2500)/20315=5101t。耗電費(fèi)用：5101×(20+8.0)×0.3=4.28萬元。(4)等離子點(diǎn)火系統(tǒng)購買、安裝、調(diào)試費(fèi)：360萬元。(5)全年陰、陽極消耗、維護(hù)費(fèi)用共計：25萬元。在試運(yùn)期間及投產(chǎn)當(dāng)年投用等離子無油點(diǎn)火裝置可為電廠節(jié)約投資：1050-175-142.8-4.28-360-25=342.92萬元。從以上計算分析可以看出如果是大容量機(jī)組或調(diào)峰機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益將更為可觀，但對非調(diào)峰的小機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性尚需另行分析。4.2除塵器對環(huán)境的影響按照常規(guī)，鍋爐純燒油或油煤混燒時，尾部二次燃燒的可能性較大，同時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(huán)境帶來嚴(yán)重的污染，煙氣中的粉塵會對鍋爐受熱面和引風(fēng)機(jī)葉片造成磨損。采用等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)，電除塵器可以在鍋爐點(diǎn)火初期正常投入，大大減少粉塵的排放量，避免了環(huán)境污染，同時由于無油助燃鍋爐尾部二次燃燒的可能性大大減小，帶來了顯著的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。5油槍的故障分析存在的問題是恒運(yùn)電廠6號爐不能實(shí)現(xiàn)機(jī)組無油點(diǎn)火啟動，仍需保留一層油槍，主要是考慮制粉熱風(fēng)問題和等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)故障時的備用問題。等離子燃燒系統(tǒng)的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都無法進(jìn)行點(diǎn)火，等離子燃燒器電流、電壓波動較大、陰極使用期僅50h，這降低了系統(tǒng)的可靠性。6經(jīng)濟(jì)社會效益(1)恒運(yùn)電廠6號爐安裝等離子點(diǎn)火系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)1臺磨運(yùn)行斷油穩(wěn)燃和長時間低負(fù)荷斷油穩(wěn)燃，調(diào)試時最低斷油穩(wěn)燃負(fù)荷30MW，鍋爐著火正常，燃燒穩(wěn)定，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，金屬壁溫正常，鍋爐升溫升壓速率可滿足啟動曲線的要求。(2)采用等離子點(diǎn)火系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益顯著，在基建調(diào)試階段采用效益更好，能為電廠節(jié)約大量的試運(yùn)燃油和低負(fù)荷穩(wěn)燃用油。(3)采用等離子點(diǎn)火系統(tǒng)啟動和穩(wěn)燃鍋爐，尾部二次燃燒的可能性很小，可以使電除塵器在點(diǎn)火初期投入運(yùn)行，避免了燃油助燃時電除塵器不能投入運(yùn)行的弊端，減少了向大氣排放的粉塵