等離子點火在鍋爐上的應用

等離子點火在鍋爐上的應用

2004年，當汕頭電廠一期擴建1.600mw工程圖紙時，出現(xiàn)了等效火力站技術。由于使用等離子點火技術可行，在基建、調(diào)試階段，可節(jié)油，有顯著的經(jīng)濟效益，故決定使用等離子點火裝置。因此，變更了設計，如等離子點火裝置需使用的冷卻水、壓縮空氣、配電等系統(tǒng)圖紙都進行了修改或重新設計。2005年3月，等離子點火裝置設備到貨，經(jīng)安裝、調(diào)試，2005年8月投入鍋爐吹管使用。該機組共吹管98次，滴油未用，從首次點火到168h試運行結束，共節(jié)約輕柴油5600多t，獲得了巨大的經(jīng)濟效益。1等距器設計及燃料改造1.1電源及冷卻水該機組采用的DLZ-200型等離子發(fā)生器為磁穩(wěn)、空氣載體等離子發(fā)生器，它由線圈、陰極、陽極等組成。其中陰、陽極材料采用具有高導電率、高導熱率、耐氧化的金屬材料制成。陰、陽極均采用水冷方式冷卻，以承受電弧高溫沖擊。線圈在高溫250℃情況下具有抗2000V直流電壓擊穿能力，電源采用全波整流，具有恒流性能。其工作原理見圖1。在冷卻水及壓縮空氣滿足條件后，首先設定電源的工作輸出電流為300～400A。當陰極在直線電機的推動下，與陽極接觸后，電源按設定的工作電流工作。當輸出電流達到工作電流后，直線電機推動陰極向后移動，當陰極離開陽極的瞬間，電弧建立起來。當陰極達到規(guī)定的放電間距后，在空氣動力和磁場的作用下，裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧放電，生成高溫等離子體，此即可點燃煤粉。1.2組成系統(tǒng)的組成等離子點火裝置由等離子發(fā)生器、等離子燃燒器、直流電源、交流供電系統(tǒng)等組成；輔助系統(tǒng)由載體空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、圖像火檢系統(tǒng)、儀表及控制系統(tǒng)、冷爐制粉系統(tǒng)等組成，見圖2。1.2.1發(fā)生器功率及壽命等離子點火裝置主體設備由等離子燃燒器及等離子發(fā)生器組成。等離子發(fā)生器功率為60～120kW，陽極壽命在1000h以上；陰極壽命在50h以上，更換方便。等離子體輸送管采用防磨損設計，等離子發(fā)生器及輸送管可從燃燒器后端整體拆除，維護、檢修方便。1.2.2等離子點火裝置設備本爐安裝6套等離子點火裝置，布置在鍋爐后墻下層（F層）燃燒器內(nèi)，需提供交流380V、900kVA的電源。每套等離子點火裝置的供電設備包括1臺隔離變壓器和1臺電源控制柜。整流柜內(nèi)功率組件采用三相全橋可控硅晶閘管整流功率組件，直流控制器采用西門子6RA70系列全數(shù)字控制整流裝置。其整流和等離子發(fā)生器的引弧控制接口及水流、氣壓保護接口由S7-200控制，并且與可編程控制器實現(xiàn)總線式數(shù)字通訊。1.2.3燃燒、冷卻設備為保護等離子點火裝置，需用水冷卻陰、陽極和線圈。水質(zhì)要求除鹽水，壓力不小于0.4MPa，單個燃燒器用水量為6～8t/h，冷卻設備壓降不大于0.2MPa，冷卻水溫不大于35℃。冷卻水水源取自鍋爐房閉式冷卻水，壓力滿足信號送主控PLC。1.2.4安裝空氣系統(tǒng)采用儀用壓縮空氣為等離子發(fā)生器提供載體風，氣源壓力為0.5～0.8MPa。1.2.5圖像火檢公司的安裝為監(jiān)視等離子點火燃燒器的火焰情況，方便運行人員進行燃燒調(diào)整，在加裝的等離子點火燃燒器上各安裝1套圖像火檢裝置。具體方案為在燃燒器后端面的窺視孔位置安裝1支圖像火檢探頭，探頭套管沿外旋流三次風風室一直向前延伸到燃燒器前端面。探頭套管的前端內(nèi)部安裝有CCD攝像機，其視頻信號送至集控室內(nèi)九畫面分割器，經(jīng)處理后送1路到廠用閉路監(jiān)視系統(tǒng)。由于現(xiàn)場原有的火檢冷卻風容量有限，增加2臺離心風機（型號為NO9-194.5A,1運1備），為圖像火檢提供足夠的冷卻風，火檢風與載體空氣系統(tǒng)間設有聯(lián)絡門。1.2.6鍋爐冷態(tài)啟動采用直吹式制粉系統(tǒng)的鍋爐在安裝等離子點火裝置時，要解決的首要問題是在鍋爐冷態(tài)啟動條件下，使磨煤機具備啟動條件。設計中，采用在F層磨入口熱風母管左端加裝蒸汽加熱器的方案，加熱器的阻力需小于200Pa。在鍋爐冷態(tài)啟動時，利用蒸汽將磨入口熱風溫度加熱到制粉需要的溫度。蒸汽加熱器的汽源取自廠用高壓輔助蒸汽，參數(shù)為1.3MPa（絕對壓力）、250℃。加熱器設計的進口空氣溫度為30℃，出口可加熱至160℃。1.2.7制主機的設計等離子煤粉點火裝置設有完善的控制系統(tǒng)，負責完成等離子煤粉點火裝置內(nèi)部各項設備的控制。其控制主機以AB公司的Controllogix可編程控制器為核心，它與整流柜內(nèi)西門子的S7-200之間采用數(shù)據(jù)通訊，操作界面為1臺工業(yè)液晶觸摸屏，運行人員可以完成啟弧、停弧、功率調(diào)節(jié)等操作，同時控制系統(tǒng)內(nèi)部設有完善的保護邏輯。整套系統(tǒng)的控制可實現(xiàn)DCS和PLC兩種操作方式。1.3低負荷燃燒方案綜合考慮鍋爐等離子點火中爐膛出口煙溫的控制和磨煤機入口冷爐制粉蒸汽加熱器的布置及燃燒器內(nèi)部一次風改造量少等因素，確定在F層磨后墻下層6臺燃燒器的一次風部分加裝等離子發(fā)生器，從而將對應于F層磨煤機的6臺HT-NR3燃燒器（見圖3）改造為等離子燃燒器（見圖4）。改造時，將圖3中的內(nèi)錐體、一次風彎頭、縮口外套筒拔出，改由圖4中等離子輸送管、一次風彎頭、一及二級燃燒室和外套筒代替。將等離子燃燒器布置在旋流式燃燒器的一次風筒內(nèi)，二次風和三次風的結構不做修改，整個燃燒器旋流燃燒的方式不變。中心筒內(nèi)由等離子發(fā)生器、一級中心筒燃燒室、二級內(nèi)套筒燃燒室、三級外套筒等部分組成。等離子發(fā)生器采用中心軸向插入，整個燃燒器的流場、燃燒組織和原燃燒器基本保持一致。與原主燃燒器比較，正常運行中原有的四周濃縮改為中心濃縮，原有的濃縮含粉氣流接觸的是相對較冷的二次風。改后的燃燒器濃縮的煤粉集中在一次風管中心，接觸的是中心高溫煙氣回流區(qū)，更容易著火，同時實現(xiàn)濃淡燃燒，降低NOx。燃燒器入口管段加裝有濃淡分離裝置，使一次風分成濃、淡2股氣流，濃相進一級室，淡相進二級室。中心筒一級燃燒室引入濃縮后的含粉氣流，等離子電弧與煤粉在此發(fā)生強烈反應，煤粉裂解，產(chǎn)生大量揮發(fā)分并被點燃；內(nèi)套筒二級燃燒室中揮發(fā)分及煤粉繼續(xù)燃燒，并將后續(xù)引入的煤粉點燃，實現(xiàn)分級燃燒。等離子點火燃燒器的一級、二級筒均利用其外層的冷一次風進行冷卻。中心筒一級燃燒室壁安裝有熱電偶，防止超溫、結焦。2冷態(tài)啟動投磨順序汕頭電廠采用等離子點火技術改造后的燃燒器布置見圖5。根據(jù)鍋爐廠說明書，冷態(tài)啟動投磨順序是：投B、D層啟動油槍→投E、C層磨→停B、D層啟動油槍→投A、F層磨→投B、D層磨→退E層磨。經(jīng)調(diào)研，并考慮到使用的煤種，幾經(jīng)改動，最后確定的冷態(tài)啟動投磨順序為：投F層等離子發(fā)生器及磨→投A層磨→投B、D層磨→投E或C磨。整個過程用等離子點火助燃，只有在投A、B或D磨時，啟動點火油槍（出力為250kg/h），時間短，節(jié)油明顯。3等離子點火試驗由于安裝了等離子點火裝置，汕頭電廠二期整個吹管和全套啟動期間，都堅持用等離子點火和助燃，燃用神華煤，運行情況及參數(shù)如下：（1）拉弧間隙設定值45mm，由廠家給定。（2）點火電流設定值300A,20min后為290A，廠家根據(jù)煤質(zhì)確定。（3）電功率不大于100kW，為單只發(fā)生器運行功率。（4）等離子燃燒器壁溫不大于194℃。（5）載體風壓0.014～0.017MPa；氣源壓力0.5～0.8MPa。（6）吹管時，F(xiàn)磨一次風量72～120t/h;F磨進口風溫149～219.6℃；F磨出口溫度50～74℃；F磨煤量15～48t/h。（7）爐內(nèi)溫度1000～1300℃，單F磨運行，1000℃為F磨對側燃燒器附近溫度。（8）啟動時，煙囪排煙黑度良好，輕微黑色，投電除塵即刻消除。（9）吹管時，再熱器壁溫不大于498℃；吹管用煤1185.5t，共吹98次；吹管用油0；吹管給水量402～489t/h；吹管時主汽壓力6.03～6.82MPa；吹管主汽溫度400～505℃；吹管再熱熱端壓力0.75～0.88MPa；吹管再熱熱端溫度223～296℃。（10）單只等離子斷弧試驗15～20min；單F磨運行，燃燒良好；全部等離子斷弧試驗2min，單F磨運行，燃煤42t/h，燃燒良好。（11)168h試運行期間，總煤量40353.4t;F磨煤量7271.3t；給水量1699～1896.5t/h。（12)168h試運行期間，電功率77.14～609.32MW，機組發(fā)電平均功率為1.00023Ne。（13)168h試運行期間，主汽壓力22.42～24.93MPa；主汽溫度551.9～580.2℃；再熱熱端壓力4.025～4.086MPa；再熱熱端溫度552.2～566.6℃。（14)168h試運行期間，飛灰可燃物2.14%。（15)168h試運行期間，爐內(nèi)溫度986～1408℃，見圖6。（16）滿負荷NOx排放濃度170.6mg/m3,2次觀測值取最大值，廠家保證值不大于400mg/m3。上述運行參數(shù)及情況是在沒有做鍋爐燃燒調(diào)整的情況下得出的。從初次點火到168h試運行止，沒發(fā)生因等離子不能點燃煤粉而需投油的情況。啟動時即可投入電除塵，煙囪沒有冒黑煙現(xiàn)象，這一點比燒油情況好，同時尾部空預器不會因沾油而產(chǎn)生二次燃燒，引風機葉片磨損也小。在等離子點火啟動過程中，鍋爐升溫、升壓曲線滿足要求。機組冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)均能實現(xiàn)等離子點火無油啟動。在168h試運行期間，F(xiàn)磨燃煤量占總煤量18%，最大出力54.6t/h；主、再熱汽壓、汽溫符合要求。加裝等離子點火裝置后，NOx排放沒有增加。4．系統(tǒng)運行及經(jīng)濟效益估算在沒有等離子點火裝置啟動時，必須先點B、D2層啟動油槍，然后啟C、E層磨，待C、E磨穩(wěn)定后，停B、D層啟動油槍。但有等離子點火裝置后，首先啟動的是等離子燃燒器F磨，然后A磨，再B或D磨。后一種方式中，配等離子燃燒器的F磨取代了前一種方式中的B、D層啟動油槍，兩者熱量接近，啟動油槍流量為2.2t/h，全部運行26.4t/h（可單只運行）。這說明在啟動初期，大約在60%額定熱負荷前，F(xiàn)磨輸入煤量可折算成節(jié)省的燃油量。從DCS歷史站上統(tǒng)計（統(tǒng)計時，總煤量閾值取為120t/h，約50%額定熱負荷，這樣計算的省油量偏低），得到F磨在整套啟動期間，截止到進入168h試運行時共燃煤17196t，代油煤量為8900t。整個吹管期間，只有F磨運行，共燃煤1185.5t，這部分煤可全部折算成節(jié)油量。據(jù)上述分析和數(shù)據(jù)，該電廠二期1×600MW機組從點火吹管到168h試運行結束，得到的經(jīng)濟效益估算如下：(1）收入。（8900t+1185.5t）×（23323t/41863t）×4800元/t=2697.0732萬元。(2）支出。原煤耗費：（8900t+1185.5t）×410元/t=413.5055萬元；制粉耗電：（8900t+1185.5t）×7.9kW·h/t×0.35元/t=2.7886萬元；等離子耗電：（8900t+1185.5t）×20kW·h/t×0.35元/（kW·h）=7.0599萬元。改造費：570.0000萬元。(3）效益。收入-支出=1703.7192萬元。5等離子體點火裝置應將社會主義分配方式轉化為經(jīng)濟增長、改善國內(nèi)煤水資源量表汕頭電廠二期1×600MW機組鍋爐為超臨界直流爐，配墻式對沖燃燒系統(tǒng)，這對等離子點火裝置來說是不利的。從爐側方面講，較之切園燃燒，墻式燃燒傳熱傳質(zhì)條件差；從鍋側方面講，由于直流爐無汽包，蓄熱能力差，要求爐側負荷跟隨能力強。該電廠等離子燃燒裝置設計出力為3～7t/h（單只燃燒器），實際運行為2.5～8.0t/h，大負荷時可斷弧上升到9t/h左右，燃燒較好。等離子點火裝置在該電廠的應用取得了成功。經(jīng)過調(diào)研、安裝、檢驗、調(diào)試、運行的實踐，筆者建議：如果再多安裝1層或幾層等離子燃燒裝置，可以實現(xiàn)無油點火鍋爐，但投資會再增加1倍或幾倍。筆者認為在當前和今后一段時期內(nèi)，采用等離子點火裝置和點火小油槍相配合，在設計和設備訂貨時統(tǒng)籌考慮，效果會較好。這是因為：（1）有2種點火裝置存在，系統(tǒng)更可靠。（2）節(jié)油主要在助燃，有1層等離子點火裝置即可，這樣設計燃油少