等離子點火技術(shù)在大型鍋爐上的應(yīng)用

利用煤炭代替石油，節(jié)約燃料已成為中國的基本能源政策。陽離子燃燒技術(shù)是一種新的煤炭制備工藝，適用于煤粉爐的燃燒過程。該技術(shù)經(jīng)過幾年的電廠實際應(yīng)用已經(jīng)全面成熟,特別是近年在600MW機(jī)組上取得了一些成功應(yīng)用實驗。1000MW機(jī)組在基建試運期間由于鍋爐無法投磨或無法完全斷油運行,大概要消耗燃油10000t。如果能投入等離子煤粉點火系統(tǒng),將可以使整個試運期間的燃油消耗控制在500t以內(nèi),甚至不消耗燃油。這不僅節(jié)約了極其寶貴的石油資源,而且其節(jié)約下來的費用在能收回設(shè)備投資的前提下還可節(jié)約資金上千萬元?；诖?北侖三期鍋爐最后選定裝置等離子點火。1u3000鍋爐等離子點火燃燒器是利用在強(qiáng)磁場控制下的直流接觸引弧放電,并在介質(zhì)氣壓0.004~0.03MPa的條件下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體。該等離子體內(nèi)含有大量活性粒子,這些粒子其內(nèi)部有著上萬攝氏度的高溫。將該等離子體射流在專門設(shè)計的燃燒器的中心燃燒筒中,形成溫度T>5000K的梯度極大的局部高溫區(qū)(即等離子“火核”),煤粉顆粒通過該等離子“火核”時由于受到超高溫的強(qiáng)烈作用,并在10-3s內(nèi)迅速放出揮發(fā)分,并被破碎而再析出揮發(fā)分,從而迅速燃燒。由于反應(yīng)是在氣相中進(jìn)行,使混合物組分的粒級發(fā)生了變化。因而使煤粉的燃燒速度加快,也有助于加速煤粉的燃燒,這樣就大大減少點燃煤粉所需要的引燃能量,即以極低的點火功率使煤粉穩(wěn)定點燃。等離子點火系統(tǒng)的核心部分是等離子發(fā)生器,它由線圈、陰極、陽極等組成。其中陰極材料采用具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱、耐氧化的金屬材料制成。陽極亦由高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率及抗氧化的金屬材料制成,它們均采用水冷方式冷卻,能承受電弧高溫沖擊。線圈在高溫250℃情況下具有抗2000V的直流電壓擊穿能力,電源采用全波整流并具有恒流性能。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(shè)定電源的工作輸出電流(300~400A),當(dāng)陰極在直線電機(jī)的推動下,與陽極接觸后,電源按設(shè)定的工作電流工作,當(dāng)輸出電流達(dá)到工作電流后,直線電機(jī)推動陰極向后移動,當(dāng)陰極離開陽極的瞬間,電弧建立起來,當(dāng)陰極達(dá)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,生成等離子體。北侖三期2×1000MW機(jī)組鍋爐是由東方鍋爐(集團(tuán))有限公司制造的超超臨界直流爐,單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、前后墻對沖燃燒方式7r型鍋爐。設(shè)計煤種:晉北煙煤1,校核煤種1:晉北煙煤2,校核煤種2:神華東勝煤。鍋爐所配制粉系統(tǒng)為中速磨正壓直吹式系統(tǒng),每爐配6臺ZGM133G型磨煤機(jī)(一臺備用),煤粉細(xì)度R90=18.38%。每臺磨煤機(jī)帶一層8套燃燒器,前后墻布置,全爐共48套燃燒器。鍋爐原設(shè)計采用兩級點火,即高能點火器先點燃輕油油槍,輕油油槍再點燃煤粉。油系統(tǒng)原設(shè)計容量為30%BMCR,在配置等離子點火裝置后降至按20%BMCR設(shè)計。鍋爐配置的等離子點火系統(tǒng)由等離子點火設(shè)備及其輔助系統(tǒng)組成,等離子點火設(shè)備由等離子發(fā)生器、等離子燃燒器、電源整流柜、隔離變壓器等組成,輔助系統(tǒng)由載體、冷卻空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、圖像火檢系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、冷爐制粉系統(tǒng)、等離子燃燒器壁溫監(jiān)測系統(tǒng)、等離子一次風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)等組成。(1)等離子發(fā)生器及燃燒器北侖三期鍋爐安裝一臺磨煤機(jī)對應(yīng)的一層等離子燃燒器。選定把B磨對應(yīng)的前墻下層8只HT-NR3燃燒器改造為等離子燃燒器,燃燒器采用一次風(fēng)部分整體更換方式,原燃燒器中心筒取消,采用夾層冷卻套筒。東鍋廠負(fù)責(zé)將燃燒器原配油槍由中心筒位置改到二次風(fēng)室中安裝。等離子發(fā)生器采用軸向插入方式,在等離子投運期間,8臺等離子燃燒器的最大出力可達(dá)到磨煤機(jī)計算出力的80%,等離子點火初期磨煤機(jī)出力為28t/h,此出力大于磨煤機(jī)的最低出力。(2)直流供電控制系統(tǒng)等離子發(fā)生器交流電源采用單元制,2臺爐相互獨立。等離子點火系統(tǒng)單臺爐需8×150kVA(共計1200kVA)的AC380V電源,分別送至8臺隔離變壓器,再接至整流柜,輸出的直流電送至就地等離子發(fā)生器以產(chǎn)生等離子電弧。整流柜采用硬接線方式與DCS系統(tǒng)進(jìn)行接口。(3)冷卻水系統(tǒng)為保護(hù)等離子發(fā)生器的正常工作,需用水冷卻部分部件,冷卻水采用除鹽化學(xué)水,水溫<40℃,單臺等離子發(fā)生器冷卻水量為8t/h。冷卻水取自電廠閉式冷卻水系統(tǒng)供水母管,回水回到原閉式冷卻水回水母管。設(shè)2臺管道增壓泵(1用1備),冷卻水經(jīng)母管分別送至就地等離子發(fā)生器內(nèi)。(4)等離子載體風(fēng)系統(tǒng)等離子載體為穩(wěn)壓、潔凈、干燥的壓縮空氣,載體風(fēng)取自儀用壓縮空氣系統(tǒng),壓縮空氣經(jīng)母管、支管分別送至就地等離子發(fā)生器內(nèi)。等離子發(fā)生器載體空氣壓力約15kPa,單臺發(fā)生器流量為120Nm3/h。為減少對儀用壓縮空氣系統(tǒng)的影響,在等離子載體風(fēng)系統(tǒng)中增加一臺1m3儲氣罐(內(nèi)襯不銹鋼)。在等離子停用時,由另設(shè)的等離子圖像火檢冷卻風(fēng)機(jī)提供吹掃風(fēng),等離子載體和吹掃風(fēng)通過氣動閘閥進(jìn)行切換,切換可通過遠(yuǎn)方操作完成。(5)冷爐制粉系統(tǒng)利用B磨煤機(jī)制備等離子點火所需的煤粉,采用冷風(fēng)蒸汽加熱方式(暖風(fēng)器)提供熱一次風(fēng),實現(xiàn)冷爐制粉。暖風(fēng)器要滿足磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉混合物溫度要求。暖風(fēng)器布置在B磨煤機(jī)入口熱一次風(fēng)的旁路風(fēng)道上,其進(jìn)口設(shè)一道熱風(fēng)關(guān)斷門,出口設(shè)一道熱風(fēng)調(diào)節(jié)門。(6)圖像火檢系統(tǒng)為監(jiān)視等離子點火燃燒器的火焰情況,方便運行人員進(jìn)行燃燒調(diào)整,在B層8支等離子燃燒器上各安裝1套圖像火檢裝置。等離子圖像火檢探頭的冷卻風(fēng)由另設(shè)2臺火檢冷卻風(fēng)機(jī)(1用1備)提供。該風(fēng)機(jī)同時提供等離子發(fā)生器的吹掃冷卻風(fēng)(等離子發(fā)生器停用時)。(7)壁溫監(jiān)測系統(tǒng)在等離子燃燒器內(nèi)設(shè)有壁溫監(jiān)測系統(tǒng),在線監(jiān)測燃燒器壁溫,以防止燃燒器超溫。(8)一次風(fēng)粉在線監(jiān)測系統(tǒng)為進(jìn)行等離子燃燒器前一次風(fēng)速調(diào)平以保證等離子點火能安全穩(wěn)定點燃,在等離子燃燒器對應(yīng)的一次風(fēng)管道上需裝有一次風(fēng)速在線監(jiān)測裝置。2等離子點火燃燒主燃系統(tǒng)點火器(1)等離子點火系統(tǒng)保證可以在鍋爐冷態(tài)啟動條件下配合磨煤機(jī)完成制粉,并在鍋爐條件允許的情況下直接點燃煤粉,使機(jī)組在基建調(diào)試期間節(jié)約燃油。(2)等離子點火系統(tǒng)在使用過程中確保機(jī)組安全,能夠在磨煤機(jī)28t/h出力的情況下穩(wěn)定點燃,此出力大于磨煤機(jī)的最低出力,東方鍋爐廠確認(rèn)能夠滿足機(jī)組冷態(tài)啟動時投入熱負(fù)荷的要求。(3)等離子點火過程中火焰應(yīng)連續(xù)、穩(wěn)定,無爆燃。等離子燃燒器出力要與制粉系統(tǒng)、鍋爐啟動曲線相適應(yīng)。(4)該層燃燒器具有等離子點火和穩(wěn)燃功能;等離子點火燃燒器在鍋爐達(dá)到鍋爐不投油負(fù)荷(30%BMCR)后,作為主燃燒器使用時,其等離子燃燒器的性能同原東方鍋爐的燃燒器的性能一致(包括NOX排放、燃燒器穩(wěn)燃性、燃盡性、結(jié)渣性)。(5)等離子點火燃燒器在作為主燃燒器使用時應(yīng)耐磨損、耐燒損,燃燒器本體部件、點火器的壽命應(yīng)不低于鍋爐主燃燒器的壽命。(6)等離子點火系統(tǒng)可以在主控室內(nèi)DCS系統(tǒng)上進(jìn)行遠(yuǎn)方操作完成點火過程,并有完善的控制系統(tǒng)保證系統(tǒng)的安全運行。3鍋爐冷態(tài)投運的等離子點火改善煤粉燃燒性能的措施(1)安裝一層燃燒器的等離子點火對前后墻對沖燃燒鍋爐不能完全不投油從目前等離子點火技術(shù)及裝置本身來說,能在鍋爐冷態(tài)下直接點燃煤粉,且其出力能連續(xù)可調(diào),是具備無油點火啟動性能的。但安裝上鍋爐是否能實現(xiàn)無油點火啟動,這得看這臺鍋爐的具體情況。如果該鍋爐在全冷態(tài)狀況下能承受得了一層燃燒器投運時的初始熱沖擊且其隨后的升溫升壓不會太快,則該鍋爐就能實行無油點火,否則就需先投油槍暖爐。東鍋廠承諾北侖三期鍋爐能承受8%以下的初始熱沖擊,但升溫升壓是否會太快現(xiàn)在還難以確定。對于無油啟動直到機(jī)組滿負(fù)荷,這關(guān)系到后續(xù)煤粉即沒裝等離子點火的燃燒器噴入煤粉的著火條件。對此,煤粉鍋爐燃燒有2個重要的工況限制,一個是滿足初始投粉條件的工況,鍋爐沒達(dá)到此負(fù)荷工況就不能投粉,一般該負(fù)荷是20%BMCR;二是不投油最低負(fù)荷工況,鍋爐負(fù)荷大于該工況后才可停用助燃油槍,一般該負(fù)荷為30%BMCR。除此以外,不同燃燒方式的鍋爐其煤粉著火的支撐條件是有區(qū)別的。當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于不投油最低負(fù)荷后,對于配直流燃燒器的四角噴燃切向燃燒鍋爐,能以相鄰層燃燒器的穩(wěn)定火焰作為點火能源支撐而不需投油槍。而對于配旋流燃燒器的前后墻對沖燃燒鍋爐,在啟動磨煤機(jī)投粉時還是需要點燃本層油槍作為點火能源支撐(這是由于兩種燃燒方式其爐內(nèi)的燃燒工況有區(qū)別。四角噴燃切向燃燒在爐內(nèi)形成的是整體大火球,其燃燒器之間的相互支撐條件較好;前后墻對沖燃燒是以小火球方式出現(xiàn),具有相對獨立性,其燃燒器之間的相互支撐條件相對偏弱,特別是支撐對墻燃燒器的著火更是偏弱)。北侖三期鍋爐只安裝一層等離子點火裝置,因此在鍋爐冷態(tài)啟動中就不能完全不投油。至少在兩個情況下需要投用油槍:一是第二臺磨煤機(jī)投運時,尤其是投運對墻燃燒器(因為第一臺投運的裝有等離子點火的磨煤機(jī)最大設(shè)計的出力是到鍋爐負(fù)荷16%,還要增加投運1~2層油槍的熱負(fù)荷一段時間,讓鍋爐負(fù)荷升至大于20%,使之具備第二臺磨的投粉條件);二是隨后投運的磨煤機(jī)在啟動時都要短時投運對應(yīng)層油槍。(2)要盡可能改善鍋爐低負(fù)荷階段煤粉燃盡效率低的問題等離子點火系統(tǒng)可以在鍋爐冷態(tài)啟動條件下配合磨煤機(jī)完成制粉,并能直接點燃煤粉,但在等離子點火初期及在鍋爐低負(fù)荷階段,煤粉的燃盡性是很不理想的。據(jù)幾個電廠反映:在鍋爐低負(fù)荷階段如果不投入電氣除塵器,在該階段煤粉燃燒的飛灰可燃物可能高達(dá)20%。這個問題對鍋爐安全運行很不利,特別是對裝有脫硝裝置的鍋爐,催化劑區(qū)域如果因此積存過多的煤粉是個安全隱患。為此,在等離子點火系統(tǒng)的設(shè)計中考慮采取了2個措施。一是適當(dāng)增大磨煤機(jī)入口暖風(fēng)器的容量,盡量提高磨煤機(jī)出口溫度;二是設(shè)法保留該層燃燒器的助燃油槍。另外我們在實際運行中還可采取一些措施,如充分利用磨煤機(jī)動態(tài)分離器的功能以提高煤粉細(xì)度;設(shè)法提高省煤器入口水溫以盡量提高爐膛溫度和一二次風(fēng)溫等。(3)等離子點火應(yīng)充分在基建試運階段發(fā)揮作用目前等離子點火裝置的投資成本仍然很高,新建機(jī)組基建調(diào)試階段用油量很大,如果在此階段能很好地投運等離子點火,把大量的燃油節(jié)約下來,其經(jīng)濟(jì)效益是很可觀的。大型機(jī)組等離子點火的投運情況不盡人意的具體原因歸納起來主要是3個:一是因啟動鍋爐供汽參數(shù)不足,暖風(fēng)