鍋爐啟動(dòng)和穩(wěn)燃技術(shù)的安全性分析

鍋爐啟動(dòng)和穩(wěn)燃技術(shù)的安全性分析

0燃煤鍋爐建立微油點(diǎn)火技術(shù)隨著國(guó)家節(jié)能減排要求的日益提高以及能源短缺的限制，中國(guó)的水電裝置在容量和參數(shù)方面正在發(fā)展。這意味著無(wú)論經(jīng)濟(jì)效益如何，還是隨著超出正常負(fù)荷的燃料消耗更多的燃料。由于國(guó)際能源緊缺,國(guó)內(nèi)外油價(jià)不斷上漲,特別是我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺油、少油的石油進(jìn)口大國(guó)［1］,因此開(kāi)展鍋爐啟動(dòng)微油點(diǎn)火,低負(fù)荷穩(wěn)燃節(jié)油研究,最大限度地減少鍋爐啟動(dòng)和穩(wěn)燃用油具有非常重要的意義。從國(guó)內(nèi)外燃煤鍋爐節(jié)油技術(shù)研究現(xiàn)狀來(lái)看,目前使用最成熟和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)有等離子點(diǎn)火和氣化微油點(diǎn)火技術(shù)［2，3］。本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)兩種主流節(jié)油技術(shù)進(jìn)行比較,分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,以便于電站企業(yè)合理選擇和使用。1稱重技術(shù)原理1.1煤粉顆粒的等離子體弧直接點(diǎn)火技術(shù)等離子點(diǎn)火技術(shù)利用直流電流在等離子載體空氣中接觸引弧,并在強(qiáng)磁場(chǎng)控制下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體,該等離子體在專門設(shè)計(jì)的燃燒器的中心燃燒筒中形成溫度T>5000K的、溫度梯度極大的局部高溫區(qū),煤粉顆粒通過(guò)該等離子“火核”受到高溫作用,并在10－3s內(nèi)迅速釋放出揮發(fā)物,使煤粉顆粒破裂粉碎,從而迅速燃燒。然后,以內(nèi)燃、逐級(jí)放大的方式,將整個(gè)燃燒器點(diǎn)燃［3］,實(shí)現(xiàn)用等離子弧直接點(diǎn)火的目的。整個(gè)等離子系統(tǒng)由等離子燃燒器、等離子發(fā)生器及其輔助系統(tǒng)、冷爐一次風(fēng)加熱系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等組成,見(jiàn)圖1所示。1.2微油氣化油槍燃燒的工作原理先利用壓縮空氣的高速射流將燃料油直接擊碎,霧化成超細(xì)油滴進(jìn)行燃燒,同時(shí)用燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)燃料進(jìn)行初期加熱,擴(kuò)容,后期加熱,在極短的時(shí)間內(nèi)完成油滴的蒸發(fā)氣化,使油槍在正常燃燒過(guò)程中直接燃燒氣體燃料,從而大大提高燃燒效率及火焰溫度。微油氣化油槍燃燒形成的高溫火焰使進(jìn)入一次室的濃相煤粉顆粒溫度急劇升高、破裂粉碎,并釋放出大量的揮發(fā)分迅速著火燃燒,然后由已經(jīng)著火燃燒的濃相煤粉在二次室內(nèi)與稀相煤粉混合并點(diǎn)燃稀相煤粉,實(shí)現(xiàn)煤粉的分級(jí)燃燒,燃燒能量逐級(jí)放大,達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的。系統(tǒng)構(gòu)成包括氣化微油燃燒器、燃油輸送系統(tǒng)、冷爐一次風(fēng)加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等部分組成［4］,見(jiàn)圖2所示。2關(guān)聯(lián)設(shè)備安全性分析燃燒器的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到鍋爐系統(tǒng)甚至整個(gè)電站系統(tǒng)的安全運(yùn)行,因此在鍋爐啟動(dòng)和穩(wěn)燃的節(jié)油技術(shù)實(shí)施過(guò)程中,對(duì)整個(gè)關(guān)聯(lián)設(shè)備的安全性分析顯得尤為重要。2.1采用等離子和氣化微油點(diǎn)火方式消除過(guò)熱器氧化皮脫在冷爐點(diǎn)火階段,由于煤粉燃盡延遲,導(dǎo)致屏底煙溫升高,在低負(fù)荷工況下高溫受熱面存在超溫風(fēng)險(xiǎn),因此有必要對(duì)其受熱面安全性進(jìn)行分析。對(duì)于亞臨界鍋爐系統(tǒng)來(lái)說(shuō),應(yīng)用已較成熟;而對(duì)于超臨界機(jī)組,由于過(guò)熱器和再熱器的吸熱比例提高,因此在啟動(dòng)初期的低負(fù)荷工況下受熱面溫升速率會(huì)更快。存在過(guò)熱器氧化皮脫落的風(fēng)險(xiǎn)［6］。為避免此種情況的發(fā)生冷爐點(diǎn)火時(shí)應(yīng)先投大油槍暖爐后再用等離子或氣化微油點(diǎn)火方式。具體如鎮(zhèn)江高資電廠安裝等離子燃燒器后,為避免氧化皮脫落便在冷爐點(diǎn)時(shí)先投15~30min大油槍,然后再切換到等離子點(diǎn)火方式撤出大油槍,取得了不錯(cuò)的效果。因此建議在鍋爐啟動(dòng)初期爐膛氧量維持在12%~15%、給水溫度保持100℃左右、在保證點(diǎn)燃效果的前提下適度降低入爐煤熱值,并可視具體受熱面溫升速度確定是否需要常規(guī)油槍烘爐。2.2提高灰?guī)烊紵嗜紵实母叩团c煤種有很大關(guān)系,主要影響因素有煤的揮發(fā)分、水分、灰分、煤粉細(xì)度等。對(duì)于燃用神華煤,等離子點(diǎn)火的燃燒效率可以達(dá)到80%~95%,而氣化微油點(diǎn)火技術(shù)由于輸入熱量高燃燒效率更高一些,有必要探討不同灰分對(duì)飛灰可燃物的影響,見(jiàn)圖3所示。由圖3可知:燃燒效率不僅與飛灰可燃物的含量有關(guān),煤中的灰分對(duì)其影響也很大。等離子點(diǎn)火在燃用神華煤的鍋爐上,燃燒效率高達(dá)92%以上時(shí),也發(fā)生過(guò)空預(yù)器及灰?guī)斓亩稳紵?。特別是小油槍煤油混燒過(guò)程,當(dāng)小油槍油量較大時(shí)則更應(yīng)引起注意。從運(yùn)行電廠的整體使用情況看:點(diǎn)火初期的飛灰可燃物是比較高的,所以應(yīng)加強(qiáng)空預(yù)器的吹灰工作,防止尾部自燃現(xiàn)象的發(fā)生。2.3等離子體和氣化微油點(diǎn)火技術(shù)燃燒器的安全關(guān)乎整個(gè)機(jī)組的安全,燃燒器改造后易造成燃燒器出口空氣動(dòng)力狀況的變化。因此當(dāng)其作為主燃燒器使用時(shí),會(huì)對(duì)鍋爐安全性和經(jīng)濟(jì)性造成很大影響。如龍山電廠的2×600MW機(jī)組基建期間,氣化小油槍燃燒器燃燒不好而被迫使用大油槍,分別燃油1600t和2300t,節(jié)油效果變差,燃燒效率大幅度降低(如鶴壁電廠的600MW機(jī)組點(diǎn)火3h以后就發(fā)生空氣預(yù)熱器著火的主要原因就在于此),而且還會(huì)造成一次風(fēng)管堵塞現(xiàn)象的出現(xiàn)。等離子和氣化微油點(diǎn)火技術(shù)均采用在燃燒器內(nèi)分級(jí)燃燒,逐級(jí)放大的方式,燃燒器內(nèi)易造成超溫和結(jié)渣。為避免此類現(xiàn)象的發(fā)生,等離子燃燒器可采用軸向點(diǎn)火的方式以避免結(jié)渣。另外兩種技術(shù)均設(shè)置燃燒器壁溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng),防止其超溫?fù)p壞。其設(shè)計(jì)溫度為600℃,一般要求正常運(yùn)行溫度保持在450℃以下。具體來(lái)說(shuō),對(duì)于氣化微油技術(shù),為了保證燃燒器筒壁不被燒壞,不結(jié)渣,可采取以下措施:(1)采用氣膜冷卻,保證燃燒筒壁不被燒壞;(2)利用高速二次風(fēng)對(duì)燃燒器附近壁面進(jìn)行吹掃,防止結(jié)渣;(3)燃燒器采用耐高溫和耐磨損的材料制造。而對(duì)于等離子點(diǎn)火燃燒器來(lái)說(shuō),在該技術(shù)出現(xiàn)早期也采取氣膜冷卻技術(shù),但是在作為主燃燒器時(shí),氣膜結(jié)構(gòu)對(duì)于壁面的磨損嚴(yán)重,目前已采用壓差平衡式燃燒器代替［7］。2.4等離子或氣化微油點(diǎn)火裝置助燃系統(tǒng)可以說(shuō),對(duì)于兩種點(diǎn)火技術(shù)來(lái)說(shuō),低負(fù)荷穩(wěn)燃性能是大家尤為關(guān)心的問(wèn)題,因?yàn)樗清仩t節(jié)油最明顯的階段之一,也直接關(guān)系著鍋爐的安全運(yùn)行和正常啟動(dòng)。當(dāng)鍋爐接近或達(dá)到最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷以下時(shí),等離子點(diǎn)火或氣化微油點(diǎn)火設(shè)備可投入以幫助機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷。但如果配置等離子或氣化微油點(diǎn)火裝置的制粉系統(tǒng)處于停備狀態(tài),穩(wěn)燃及時(shí)性則會(huì)急劇下降,因?yàn)橹品巯到y(tǒng)啟動(dòng)需要投入消防蒸汽3~5min,在這種情況下燃燒器可能起不到穩(wěn)燃作用。特別是在事故狀態(tài)下,如原煤倉(cāng)篷煤、落煤管堵塞及給煤機(jī)、磨煤機(jī)故障、一次風(fēng)管泄漏等狀況時(shí),都會(huì)造成等離子或氣化微油點(diǎn)火燃燒器不能投入,而此時(shí)如果不能及時(shí)投入,則可能造成機(jī)組非停。因此,機(jī)組運(yùn)行維護(hù)中,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)該制粉系統(tǒng)的檢查、監(jiān)督和修理工作［8］。從這種角度來(lái)說(shuō),兩種節(jié)油裝置的助燃效果顯然不及大油槍。對(duì)于煤質(zhì)較差,低負(fù)荷穩(wěn)燃有困難且已采用等離子或氣化微油點(diǎn)火技術(shù)的電廠,不能忽視大油槍及油系統(tǒng)的定期維護(hù)和試驗(yàn)工作,仍要保證大油槍投入的可靠性。3可靠性分析3.1等離子裝置的運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題等離子點(diǎn)火易損部件主要是陰極和陽(yáng)極,一般陰極的壽命在30~120h之間,陽(yáng)極的壽命在500~1000h之間,根據(jù)拉弧時(shí)間的長(zhǎng)短,制造廠設(shè)計(jì)了陰、陽(yáng)極壽命監(jiān)測(cè)裝置,可作為更換時(shí)的參考,但因陰極的壽命相對(duì)較短,等離子裝置使用期間,運(yùn)行維護(hù)人員必須通過(guò)加強(qiáng)監(jiān)視和維護(hù),以提高其可靠性。由于陰陽(yáng)極壽命變化區(qū)間較大,增加了運(yùn)行和維護(hù)的工作量,為解決這一問(wèn)題,目前制造單位正在進(jìn)行如何保證陰、陽(yáng)極壽命穩(wěn)定的研究［9］。另外,等離子點(diǎn)火斷弧是威脅點(diǎn)火安全的主要問(wèn)題,而點(diǎn)火斷弧的主要影響因素為載體風(fēng)的品質(zhì)。目前可采用儀用壓縮空氣作為等離子載體來(lái)保證載體風(fēng)的品質(zhì)以保證設(shè)備的安全。3.2小油槍的維護(hù)氣化微油點(diǎn)火技術(shù)最常見(jiàn)的故障是小油槍堵塞造成滅火。對(duì)于煙煤來(lái)說(shuō),由于油槍出力低,霧化裝置孔徑較小,油管路內(nèi)的雜物極易造成油槍堵塞,導(dǎo)致燃燒器滅火,威脅點(diǎn)火的安全;另外小油槍積炭堵塞,也是其主要故障之一。因此,保證氣化微油點(diǎn)火技術(shù)可靠性的關(guān)鍵在于油管路的施工工藝,必須用氬弧焊打底,電焊蓋面;油管路則必須采用蒸汽吹掃后才能充油以防止小油槍斷油。而對(duì)于小油槍維護(hù)方面,主要是需要注意濾網(wǎng)和油槍頭的清理,必須保證油的質(zhì)量、管道干凈,并可依據(jù)濾網(wǎng)壓差的變化來(lái)做好定期清理工作,以保證小油槍投入的可靠性。但是從兩種節(jié)油技術(shù)的綜合考慮和比較來(lái)看,氣化微油點(diǎn)火技術(shù)由于比等離子點(diǎn)火系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠性高一些則更具優(yōu)勢(shì)。4與等離子和氣化微油點(diǎn)火技術(shù)的經(jīng)濟(jì)比較對(duì)與等離子和氣化微油點(diǎn)火的經(jīng)濟(jì)性比較和分析,主要從初投資與運(yùn)行和維護(hù)成本、節(jié)約費(fèi)用等方面進(jìn)行考慮。為了便于比較,全部按燃用神華煤的600MW機(jī)組鍋爐進(jìn)行。采用等離子或氣化微油點(diǎn)火技術(shù)一般只需改造直吹式制粉系統(tǒng)的1臺(tái)磨煤機(jī)所對(duì)應(yīng)的燃燒器即可,共4臺(tái)燃燒器。目前1臺(tái)鍋爐改造4個(gè)等離子燃燒器的最新價(jià)格約350萬(wàn)元,若選用與等離子系統(tǒng)功能相當(dāng)?shù)臍饣⒂腿紵飨到y(tǒng),成本約200萬(wàn)元?；ㄕ{(diào)試過(guò)程中等離子基本可以做到100%的節(jié)油率,因此,本處等離子和氣化微油點(diǎn)火技術(shù)的節(jié)油率和節(jié)油量分別按100%、95%;3000t、150t進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析;而正常運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)均按照100小時(shí)/年進(jìn)行計(jì)算。目前市場(chǎng)燃油價(jià)格約為6150元/t,原煤價(jià)格約為600元/t,經(jīng)過(guò)計(jì)算,可得出兩種技術(shù)的燃燒器在括基建調(diào)試期和正常運(yùn)行期間的費(fèi)用情況如表1所示。由表1所示可知,等離子與氣化微油點(diǎn)火燃燒器在節(jié)油能力方面效果明顯,每年節(jié)約費(fèi)用分別為212.51、196.91萬(wàn)元,并且初投資的回收年限分別僅為1.65和1.02年。這些對(duì)比結(jié)論對(duì)于我國(guó)電廠的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行以及節(jié)能減排能起到很好的積極效應(yīng)。5熱面溫升速度確定和運(yùn)行維護(hù)對(duì)于燃用神華煤的亞臨界鍋爐,等離子點(diǎn)火和微油點(diǎn)火技術(shù)安全性均較高;氣化微油點(diǎn)火裝置在應(yīng)對(duì)煤質(zhì)劣化方面具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于超臨界機(jī)組,由于過(guò)熱器、再熱器吸熱比例的增大,在小負(fù)荷工況下的受熱面溫升速率也會(huì)增大,建議啟動(dòng)初期爐膛氧量維持在12%~15%、給水溫度保持100℃左右,在保證點(diǎn)燃效果的前提下適度降低入爐煤熱值,并可視具體受熱面溫升速度確定是否需要常規(guī)油槍烘爐。采用等離子或氣化微油點(diǎn)火技術(shù)后,不能忽視原有大油槍的維護(hù)與定期試驗(yàn)工作,應(yīng)保證常規(guī)油槍處于可靠的備用狀態(tài)。氣化微油點(diǎn)火裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)單,維護(hù)量較小,可靠性較高;等離子點(diǎn)火裝置由于系統(tǒng)復(fù)雜、陰極壽命較短,因此需要通過(guò)加大維護(hù)工作量保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。按照目前的設(shè)備和燃油價(jià)格水平計(jì)算,基建機(jī)組選用等離子點(diǎn)火技術(shù)較微油點(diǎn)火技術(shù)較經(jīng)濟(jì),而在役機(jī)組進(jìn)行改造選用氣化微油點(diǎn)火技術(shù)較為經(jīng)濟(jì),雖然兩者差距不大,但是節(jié)油效益均非常顯著,因此對(duì)于基建機(jī)組和即將進(jìn)行大修的機(jī)組建議進(jìn)行節(jié)油點(diǎn)火裝置改造以節(jié)省燃油成本。根據(jù)目前技術(shù)水平