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(huì)消耗大量燃料。隨著廠網(wǎng)分開(kāi)，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的實(shí)施，電廠為了提高自身的競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)控制下獲得穩(wěn)定功率的定向流動(dòng)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(guò)時(shí)被迅速點(diǎn)燃形成火炬噴入爐膛。廣州恒運(yùn)電廠6號(hào)鍋爐首次在啟動(dòng)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(dòng)、滑停和低負(fù)荷穩(wěn)燃時(shí)，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(hào)210MW機(jī)組1998年初投產(chǎn)，鍋爐原來(lái)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(hào)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(tái)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(tái)磨帶一層煤燃燒器。鍋爐設(shè)計(jì)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(guò)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(lái)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(jí)放大，屬內(nèi)燃型燃燒器，可在爐膛內(nèi)無(wú)火焰狀態(tài)下直接點(diǎn)燃煤粉。廣州恒運(yùn)電廠6號(hào)鍋爐采用的等離子點(diǎn)火燃燒器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。它由等離子引弧裝置(陰極、陽(yáng)極)、一級(jí)燃燒室、二級(jí)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(yáng)極組件、陰極組件、線(xiàn)圈組件三大部分組成。陽(yáng)極組件與陰極組件包括用來(lái)形成電弧的兩個(gè)金屬電極：陽(yáng)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(xiàn)圈通電產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，將等離子體壓縮，并由壓縮空氣吹出陽(yáng)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(lái)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(guò)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(hào)電纜和動(dòng)力電纜，動(dòng)力電纜(2×120應(yīng)與信號(hào)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(xiàn)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(chǎng)的壓縮空氣系統(tǒng)可以滿(mǎn)足要求。為保護(hù)等離子裝置本身，需用水冷卻陰、陽(yáng)極和線(xiàn)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(xiàn)圈和陰、陽(yáng)極。現(xiàn)場(chǎng)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(hào)送至集控室內(nèi)四畫(huà)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(shí)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(dòng)之后的運(yùn)行情況恒運(yùn)電廠6號(hào)爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)無(wú)油點(diǎn)火啟動(dòng)，首先保證鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)磨煤機(jī)入口風(fēng)溫滿(mǎn)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(wú)油點(diǎn)火。但由于暫未設(shè)計(jì)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(guò)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(mén)在15%開(kāi)度。維持鍋爐下層4支油槍運(yùn)行，同時(shí)按順序啟動(dòng)1～4號(hào)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(mǎn)足啟動(dòng)條件的情況下啟動(dòng)制粉系統(tǒng)。恒運(yùn)電廠6號(hào)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(dòng)之初，這樣大的煤粉量點(diǎn)燃噴入爐膛，會(huì)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(wèn)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(shí)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(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)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?zhuān)⒁膺M(jìn)行上層二次風(fēng)的調(diào)整，防止鍋爐升溫、升壓速率過(guò)快、水冷壁受熱不均、再熱器系統(tǒng)超溫等問(wèn)題。若等離子點(diǎn)火器發(fā)生斷弧時(shí)，此時(shí)運(yùn)行人員應(yīng)及時(shí)投入斷弧點(diǎn)火器上層的油槍?zhuān)瑫r(shí)應(yīng)認(rèn)真檢查斷弧原因，待問(wèn)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(shí)，應(yīng)及時(shí)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(shí)24分機(jī)組啟動(dòng)過(guò)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(dòng)曲線(xiàn)。圖中第0min等離子點(diǎn)火器開(kāi)始拉弧，拉弧前共4只油槍運(yùn)行；第4min啟動(dòng)磨煤機(jī)；第10min退出2只油槍?zhuān)坏?6min退出第3只油槍?zhuān)坏?6min退出最后1只油槍全燒煤粉。從圖中可以看出C磨(對(duì)應(yīng)A層等離子燃燒器)啟動(dòng)后主蒸汽溫度升高很快，隨著油槍及時(shí)退出運(yùn)行，主汽升溫、升壓速率得到控制；爐膛負(fù)壓波動(dòng)在正常范圍。恒運(yùn)電廠6號(hào)爐可以在等離子點(diǎn)火裝置投入運(yùn)行時(shí)，僅C磨運(yùn)行、C給煤機(jī)給煤量為14～17t/h，通過(guò)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(mǎn)足冷態(tài)啟動(dòng)曲線(xiàn)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(jì)算恒運(yùn)電廠7號(hào)機(jī)組和6號(hào)機(jī)組是同類(lèi)型機(jī)組，鍋爐型號(hào)和制粉系統(tǒng)完全相同，2002年8月投產(chǎn)。7號(hào)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(jì)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(gè)試運(yùn)期間的燃油消耗控制在500t以?xún)?nèi)。以下計(jì)算?。喝加蛢r(jià)格為0.35萬(wàn)元/t，燃油的低位發(fā)熱量為4.145×104kJ/kg，設(shè)計(jì)煤種低位發(fā)熱量為20315kJ/kg，原煤價(jià)格為0.028萬(wàn)元/t，廠用電價(jià)格為0.3元/(kW·h)。7號(hào)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(jì)算為：0.35×(1500+1500)=1050萬(wàn)元。6號(hào)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(jì)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(wàn)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(wàn)元。(4)等離子點(diǎn)火系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)、安裝、調(diào)試費(fèi)：360萬(wàn)元。(5)全年陰、陽(yáng)極消耗、維護(hù)費(fèi)用共計(jì)：25萬(wàn)元。在試運(yùn)期間及投產(chǎn)當(dāng)年投用等離子無(wú)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(wàn)元。從以上計(jì)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(duì)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(duì)環(huán)境的影響按照常規(guī)，鍋爐純燒油或油煤混燒時(shí)，尾部二次燃燒的可能性較大，同時(shí)為避免未燃盡的油滴粘污電極，鍋爐電除塵器無(wú)法正常投入，大量煙塵直接排放到大氣中，給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的污染，煙氣中的粉塵會(huì)對(duì)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(shí)由于無(wú)油助燃鍋爐尾部二次燃燒的可能性大大減小，帶來(lái)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(wèn)題是恒運(yùn)電廠6號(hào)爐不能實(shí)現(xiàn)機(jī)組無(wú)油點(diǎn)火啟動(dòng)，仍需保留一層油槍?zhuān)饕强紤]制粉熱風(fēng)問(wèn)題和等離子點(diǎn)火燃燒系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的備用問(wèn)題。等離子燃燒系統(tǒng)的任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都無(wú)法進(jìn)行點(diǎn)火，等離子燃燒器電流、電壓波動(dòng)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(huì)效益(1)恒運(yùn)電廠6號(hào)爐安裝等離子點(diǎn)火系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)1臺(tái)磨運(yùn)行斷油穩(wěn)燃和長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷斷油穩(wěn)燃，調(diào)試時(shí)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(mǎn)足啟動(dòng)曲線(xiàn)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(dòng)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(shí)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