等離子點火燃燒系統(tǒng)在電廠鍋爐上的應用

廣東省內(nèi)電氣工程煤粉爐的點火和低負荷穩(wěn)定燃料采用燃料或輕油燃燒。在點火和低負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)的實施，電廠為了提高自身的競爭力，必然想方設法減少燃油的耗量。等離子點火技術是一種新型燃燒技術，其原理是利用一定壓力的空氣做介質(zhì)，在直流電流和強磁場控制下獲得穩(wěn)定功率的定向流動空氣等離子體，該等離子體在點火燃燒器中形成局部高溫，煤粉顆粒通過時被迅速點燃形成火炬噴入爐膛。廣州恒運電廠6號鍋爐首次在啟動試運階段就采用等離子點火燃燒系統(tǒng)，在機組啟動、滑停和低負荷穩(wěn)燃時，燃燒穩(wěn)定，節(jié)油顯著。1煤粉鍋爐和點火器廣州恒運電廠6號210MW機組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)為冷一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配五臺北京電力設備總廠制造的ZGM80G型中速輥式磨煤機，四用一備，每臺磨帶一層煤燃燒器。鍋爐設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。等離子點火器安裝在燃燒器側(cè)面，可以通過DCS或觸摸屏進行控制。單套等離子設備的基本參數(shù)如下：2點火系統(tǒng)的組成等離子點火燃燒系統(tǒng)包括點火系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)兩大部分。點火系統(tǒng)由等離子燃燒器、等離子點火器、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等離子燃燒器是借助等離子發(fā)生器的電弧來點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入燃燒器的初始階段就用等離子弧將煤粉點燃，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)下直接點燃煤粉。廣州恒運電廠6號鍋爐采用的等離子點火燃燒器結構見圖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電特性等離子體。線圈通電產(chǎn)生強磁場，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火裝置上；運行人員通過觸摸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應與信號電纜隔離，單獨提供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)總線構成。2.5式點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火發(fā)生器內(nèi)，再分三路分別送入線圈和陰、陽極。現(xiàn)場安裝冷卻水箱和冷卻器。四套點火燃燒器分別安裝一只帶CCD攝像機的火檢探頭，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)視四套等離子點火燃燒器的火焰。圖像火檢的冷卻風由火檢冷卻風機提供，必須保證每只探頭前風壓不小于2000Pa，風量為70Nm3/h。3等離子點火點火器在機組啟動之后的運行情況恒運電廠6號爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，要實現(xiàn)無油點火啟動，首先保證鍋爐冷態(tài)啟動時磨煤機入口風溫滿足磨煤機干燥出力的要求。如果能用蒸汽制熱風或從臨爐引入熱風，理論上可以實現(xiàn)無油點火。但由于暫未設計用蒸汽制熱風或從臨爐引入熱風系統(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，而后才能投用等離子點火系統(tǒng)。調(diào)節(jié)磨煤機入口風量，維持磨出口一次風風速在20～24m/s左右。調(diào)節(jié)A層燃燒器周界風，維持此層周界風門在15%開度。維持鍋爐下層4支油槍運行，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。將磨煤機的運行模式切換到“等離子運行方式”，在制粉系統(tǒng)滿足啟動條件的情況下啟動制粉系統(tǒng)。恒運電廠6號爐制粉系統(tǒng)所配備的磨煤機為ZGM80G型中速輥式磨煤機，該磨煤機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，達到等離子點火合適的一次風煤粉濃度，同時注意維持磨煤機出口溫度80～85℃。等離子點火燃燒器投入運行的初期，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。等離子燃燒器投運點火正常后在保證安全的條件下應盡快退出運行的油槍，注意進行上層二次風的調(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。若等離子點火器發(fā)生斷弧時，此時運行人員應及時投入斷弧點火器上層的油槍，同時應認真檢查斷弧原因，待問題解決后再繼續(xù)投入。當鍋爐負荷升至最低穩(wěn)燃負荷以上且等離子點火器在運行狀態(tài)時，應及時將磨煤機運行方式切至正常運行方式，防止因等離子點火器斷弧造成磨煤機跳閘。圖3(a)、(b)、(c)為2003年10月23日23時24分機組啟動過程中等離子點火燃燒器投用后主蒸汽升溫升壓及爐膛負壓波動曲線。圖中第0min等離子點火器開始拉弧，拉弧前共4只油槍運行；第4min啟動磨煤機；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行，主汽升溫、升壓速率得到控制；爐膛負壓波動在正常范圍。恒運電廠6號爐可以在等離子點火裝置投入運行時，僅C磨運行、C給煤機給煤量為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)濟效益比較分析4.1按常規(guī)方法試運及產(chǎn)出基地所需費用的計算恒運電廠7號機組和6號機組是同類型機組，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火系統(tǒng)，低負荷穩(wěn)燃用油每天約10t，全年按150天計算。200MW機組試運期間燃油消耗的標準定量為1500t，而如果在試運期間投入等離子點火系統(tǒng)，可以將整個試運期間的燃油消耗控制在500t以內(nèi)。以下計算取：燃油價格為0.35萬元/t，燃油的低位發(fā)熱量為4.145×104kJ/kg，設計煤種低位發(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)方法試運及投產(chǎn)當年運行所需燃油耗費計算為：0.35×(1500+1500)=1050萬元。6號爐安裝等離子點火系統(tǒng)進行試運和投產(chǎn)當年所需費用計算為：(1)燃油耗費：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。耗電費用：5101×(20+8.0)×0.3=4.28萬元。(4)等離子點火系統(tǒng)購買、安裝、調(diào)試費：360萬元。(5)全年陰、陽極消耗、維護費用共計：25萬元。在試運期間及投產(chǎn)當年投用等離子無油點火裝置可為電廠節(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組或調(diào)峰機組經(jīng)濟效益將更為可觀，但對非調(diào)峰的小機組的經(jīng)濟性尚需另行分析。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)境帶來嚴重的污染，煙氣中的粉塵會對鍋爐受熱面和引風機葉片造成磨損。采用等離子點火燃燒系統(tǒng)，電除塵器可以在鍋爐點火初期正常投入，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)濟效益。5油槍的故障分析存在的問題是恒運電廠6號爐不能實現(xiàn)機組無油點火啟動，仍需保留一層油槍，主要是考慮制粉熱風問題和等離子點火燃燒系統(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，都無法進行點火，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)濟社會效益(1)恒運電廠6號爐安裝等離子點火系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)1臺磨運行斷油穩(wěn)燃和長時間低負荷斷油穩(wěn)燃，調(diào)試時最低斷油穩(wěn)燃負荷30MW，鍋爐著火正常，燃燒穩(wěn)定，爐膛負壓穩(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)采用等離子點火系統(tǒng)經(jīng)濟效益顯著，在基建調(diào)試階段采用效益更好，能為電廠節(jié)約大量的試運燃油和低負荷穩(wěn)燃用油。(3)采用等離子點火系統(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火初期投入運行，避免了燃油助燃時電除塵器不能投入運行的弊端，減少了向大氣排放的粉塵