华电西塞山等离子燃烧器0718

1、华电西塞山电厂600MW机组锅炉等离子点火及稳燃系统燃烧器改造初步设计方案 洛阳博耐特工程技术有限公司2008年7月目 录1 引言32 设备概况32.1 工程项目概况32.2系统概况和相关设备42.3燃料特性及灰成分特性42.4 燃烧器的型式52.5、磨煤机性能数据63、制粉系统主要参数83.1、磨煤机最低负荷工况下的主要运行参数（以下计算数据供参考）83.2、磨煤机BMCR工况下的主要运行参数94等离子点火系统的设计方案94.1 等离子点火燃烧器的布置方案94.2 冷态启动时煤粉的来源124.3 热风的来源124.4 等离子燃烧器运行与机组启动曲线相适应135、等离子燃烧器的设计131 引言

2、大型电站煤粉锅炉的点火和稳燃传统上大都采用燃油，近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格持续上涨，火力发电站燃油成本愈来愈高，为了减少火力电站对燃油的耗量，多年来,国内外的许多公司、研究机构都在此方面作了大量的试验、研究工作，也取得了一定的成绩，如提高煤粉的细度，提高风粉温度和二次风的预热温度，采用预燃室燃烧器，选用小油枪点火技术等等。等离子燃煤点火燃烧技术是最近5年来逐步兴起的一项新技术，它以高温空气等离子流（温度约3000K）在瞬间与煤粉微粒发生热化学反应，将煤粉加热至燃点以上，使进入炉膛的煤粉直接变为1000以上的高温火焰，实现锅炉的冷态启动和低负荷稳燃。这种与传统意义上完全不同的新工艺，

3、既能保证燃烧过程的经济性，又可以改善火电厂的生态条件。“煤粉锅炉等离子点火及稳燃技术”可以直接点燃煤粉代替燃油，且使用安全、经济、可靠。目前，等离子点火及稳燃技术已成功应用于100多台各种机组锅炉，机组容量等级从50MW到 600MW；燃用煤质包括贫煤、劣质烟煤、烟煤和褐煤；燃烧方式包括直流燃烧器切向燃烧和旋流燃烧器墙式燃烧；制粉系统类型包括采用中速磨、风扇磨和双进双出钢球磨的直吹式制粉系统，以及采用单进单出钢球磨的中储式制粉系统。在新建机组上采用等离子点火，既可节省大量燃油费，降低基建投资，又可免去投产后改造的重复投资。因此，等离子点火已在新建机组上大范围推广应用。我公司在引进俄罗斯先进的等

4、离子技术基础上，结合国内火力电站燃用贫煤和无烟煤多的特点，经过多年不懈努力而研发的2型等离子点火燃烧器，它以发生器功率大（最大功率为300KW）、能点燃劣质贫煤和无烟煤、关键件寿命能达到200小时、热效率高达93%三项技术指标而达到世界领先水平。2 设备概况2.1 工程项目概况西塞山电厂厂址位于湖北省黄石市西塞山区。本期扩建工程建设规模为2600MW级超超临界燃煤发电机组，由中国华电集团公司、美亚电力有限公司、黄石市投资公司三方分别按50、49、1的比例出资共同投资建设。黄石市位于湖北省东南部，长江中游南岸，地处武汉、九江间，东北临长江，与浠水县、蕲春县、武穴市隔江相望，北接鄂州市，西靠武汉市

5、江夏区，西南与咸宁市、通山县为邻，东南与江西省武宁县、瑞昌县接壤。本工程为西塞山电厂的扩建工程，在原有的2330MW机组的基础上扩建2680MW机组。电厂位于黄石市东部西塞山东南约2km。厂址南依黄荆山，北临长江，距长江干堤约400m，西面同大冶钢厂的170钢管厂相邻，黄石至讳源口公路西河路在厂址北面通过。厂址南侧为石板路220kV变电所。本期工程在一期工程东面的规划预留场地上进行扩建。2.2系统概况和相关设备本工程装设2台超超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、锅炉采用露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构型锅炉。燃烧器型式及布置方式：采用墙式切圆燃烧方式，共设置6层燃烧器

6、。锅炉运行方式：主要承担基本负荷并具有一定的调峰能力。锅炉最低稳燃负荷（不投油助燃时）为30%B-MCR。制粉系统采用中速磨煤机冷一次风机正压直吹式制粉系统，每台炉配6台HP1003Dyn中速磨煤机。燃用设计煤种时，5台运行，1台备用。每台磨煤机带一层燃烧器，共六层24只火嘴。2.3燃料特性及灰成分特性本工程设计煤种采用（75-65%）陕西黄陵烟煤与（25-35%）河南贫煤混合，校核煤种1为陕西黄陵烟煤，校核煤种2采用陕西黄陵烟煤与河南贫瘦煤混合。煤质成份分析数据如下表1：项 目符号单位设计煤种校核煤种1校核煤种2煤种及产地混 煤烟煤混 煤收到基碳Car%55.8153.0650.34收到基氢

7、Har%3.102.883.03收到基氧Oar%7.378.796.48收到基氮Nar%0.910.810.66收到基硫Sar%0.570.710.56收到基水分Mar%8.127.2710.01收到基灰Aar%24.1226.4828.92空干基水分Mad%1.381.753.83干燥无灰基挥发分Vdaf%28.6630.1024.44低位发热量Qnet.arkJ/kg212232055019522kCal/kg506949084663可磨系数HGI/636568KVT1/1.2591.2891.333磨损指数Ke/3.113.774.13灰变形温度DT132213161326灰软化温度ST

8、135413241376灰熔化温度FT1392137214182.4 燃烧器的型式燃烧器型式为低NOx、PM切向摆动式燃烧器，三菱重工（MHI）开发的低NOx PM（Pollution Minimum）燃烧器其原理是利用燃烧器入口弯头的离心分离作用将煤粉气流分成上下浓淡两股(垂直浓淡)，分别进入炉膛，浓相煤粉浓度高所需着火热少，利于着火和稳燃；淡相补充后期所需的空气，利于煤粉的燃尽，同时浓淡燃烧均偏离化学当量燃烧，有利于降低NOx的生成。每台锅炉配24只PM燃烧器。PM燃烧器局部示意图见图1(参照图纸)。 图1 PM燃烧器局部示意图2.5磨煤机性能数据磨煤机性能数据(取自招标文件) 如下表2：

9、序号项目单位设计煤种校核煤种1校核煤种21磨煤机出力哈氏可磨性系数HGI/556568最大出力t/h74.9080.075.6计算出力t/h55.8448.150.7保证出力t/h67.4172.0068.04最小出力t/h18.7320.0018.902磨煤机通风量最大通风量t/h103103103计算通风量t/h92.586.689.4保证出力下的通风量t/h98.998.998.9最小通风量t/h72.172.172.13磨煤机入口干燥介质温度2182002134磨煤机转速r/min33.0133.0133.015磨煤机通风阻力(包括分离器、煤粉分配箱)最大通风阻力Pa500050005

10、000通风阻力(保证出力)Pa460846084608计算通风阻力Pa4032353137676磨煤机密封风系统磨煤机的密封风量Nm3/min959595磨煤机的密封风与一次风压的差值Pa200020002000锅炉(B-MCR)燃煤量： 279 t/h (设计煤种) 240.5t/h (校核煤种) 253.5 t/h (校核煤种) 3制粉系统主要参数3.1磨煤机最低负荷工况下的主要运行参数（以下计算数据供参考）采用等离子点火技术时，为满足锅炉升温升压曲线的要求，磨煤机必须在低负荷工况下运行，该工况也就是等离子点火初期的工况。主要运行参数见下表3。 表3 等离子点火工况主要参数序号项目单位公

11、式结果1磨煤机最小出力t/h取自磨煤机技术协议18.732磨煤机最小空气流量kg/s取自磨煤机技术协议(72.1t/h)20.0283磨煤机密封风量m3/min取自磨煤机技术协议954磨煤机密封风量kg/s1.987锅炉BMCR工况下耗煤量t/h取自磨煤机技术协议2798一次风温本工况取75759一次风管直径m61010mm10一次风管通流面积m20.592/40.2733一次风密度kg/m31.285273/(273+75)101510/1013251.0111等离子点火初始一次风量kg/s20.028+1.9822.00812等离子点火初始一次风管风速m/s22.008/1.01/4/0.

12、2733（4为一台磨对应一层4只燃烧器）20.01913等离子点火初始煤粉(原煤)浓度kg/kg18.73/22.008/3.60.23614等离子点火初期煤粉燃烧效率%8515等离子点火初期投入煤粉占BMCR耗煤量的百分数%18.730.85/2791005.69等离子点火初期磨煤机用最小出力工况，投入煤粉量占BMCR工况耗煤量的5.69%，该煤粉量能满足锅炉冷态启动允许投入热量要求。等离子点火初期时一次风管道风速为20.019m/s18m/s，也能保证管道中不积粉。满足等离子点火工况一次风速要求。3.2磨煤机BMCR工况下的主要运行参数锅炉MCR工况的主要运行参数见下表4。 表4 BMCR

13、工况运行时的主要参数 序号项目单位公 式结果1磨煤机计算出力（BMCR）t/h取自磨煤机技术协议55.842磨煤机计算通风量（BMCR）kg/s取自磨煤机技术协议92.5t/h25.6943磨煤机密封风量m3/min取自磨煤机技术协议954磨煤机密封风量kg/s1.987锅炉BMCR工况下耗煤量t/h取自磨煤机技术协议2798一次风温本工况取75759一次风管直径m61010mm10一次风管通流面积m20.5902/40.2733一次风密度kg/m31.285273/(273+75)101510/1013251.0111一次风量kg/s25.694+1.9827.67412一次风管风速m/s2

14、7.674/1.01/4/0.273325.06413煤粉(原煤)浓度kg/kg55.84/27.674/3.60.560可见：锅炉MCR工况运行时的燃烧器运行工况为：一次风管道风速为25.064 m/s，煤粉(原煤)浓度0.56 kg/kg。4等离子点火系统的设计方案等离子点火系统仅为整个机组的一部分，它的使用必须满足机组的整体需要，同时又受到机组原设计的限制。对于华电黄石电厂燃用烟煤或混煤的600MW级超超临界燃煤机组、采用直吹式制粉系统的大容量机组，应用等离子点火技术要解决的主要问题有：点火用燃烧器的设计、煤粉的来源、热风的来源、等离子点火装置投入时是否满足锅炉升温曲线等。4.1 等离子

15、点火燃烧器的布置方案等离子发生器需要安装在煤粉燃烧器中才能构成等离子点火器以点燃煤粉，这就使得在系统设计最初，必须首先确定用于安装等离子发生器的煤粉燃烧器的布置。等离子燃烧器的布置方式主要有以下三种可能：将PM燃烧器浓相燃烧器改为等离子燃烧器的方式；将最底层油燃烧器改为等离子燃烧器的方式； 取消PM燃烧器分离器，改现有主燃烧器为兼有等离子点火功能燃烧器的方式；4.1.1、将PM燃烧器浓相燃烧器改为等离子燃烧器的方式将PM燃烧器浓相燃烧器改为等离子燃烧器，在PM燃烧器淡相侧一次粉管上加装隔离门，在点火时关闭，正常运行时打开，保留原PM燃烧器的性能不变。浓相燃烧器现有风箱截面尺寸为： 738 mm

16、592mm。淡相燃烧器现有风箱截面尺寸为： 738 mm460mm。如果将PM燃烧器浓相燃烧器改为等离子燃烧器，其设计的通流面积（或出力）不能低于PM燃烧器原有通流面积的75%，才能满足点火期间燃烧器出力和点火区一次风速要求。虽然没有PM燃烧器浓淡相一次粉管的准确尺寸，根据浓淡相燃烧器现有风箱截面尺寸和一次风管尺寸为61010推算，PM燃烧器浓相侧一次粉管的通径约为450 mm。其设计达到原PM燃烧器出力的74.09%（450450/（590590）=74.09%）。一次风速为20.019/74.09%=27.019 m/s(磨煤机最低运行工况下，一次风管道风速为20.019m/s)。根据等离

17、子燃烧器的设计要求，将点火区一次风速控制在18m/s左右为宜如果将PM燃烧器浓相燃烧器改为等离子燃烧器，燃烧器出力和点火区一次风速要求均难以满足要求。4.1.2、将最底层油燃烧器改为等离子燃烧器油燃烧器现有风箱截面尺寸为： 738 mm458mm。由于一次风管尺寸为61010，磨煤机最低运行工况下风速为20.019m/s。根据等离子燃烧器的设计要求，将点火区一次风速控制在18m/s左右为宜，如果将等离子燃烧器喷口设计为0.440 mm0.440mm。则等离子燃烧器点火区的风速为：20.0190.2733/0.1936 = 28.260 m/s，点火区的风速过大。如果将等离子燃烧器喷口设计为0.

18、690 mm0.440mm，等离子燃烧器喷口高宽比太小，内部的煤粉分布很不均匀，水平两侧的煤粉量较大。由S1180.590.5920.019得： S1 303955 mm2。取喷口高度为540mm，则宽度为560mm。因此，采用将最底层油燃烧器改为等离子燃烧器得等离子燃烧器设计方案时，需增加现有油燃烧器喷口高度82mm。同时，为了确保其他燃烧器的摆动灵活，应将等离子燃烧器朝水冷壁方向缩回一段。4.1.3、取消PM燃烧器分离器，改现有主燃烧器为兼有等离子点火功能燃烧器借鉴国内同类型600MW级超超临界机组PM燃烧器改造为等离子点火燃烧器的经验，可以取消PM燃烧器分离器，将PM燃烧器浓淡相燃烧器合

19、二为一，改造为一只直流燃烧器，兼有等离子点火功能燃烧器；本工程设计煤种、校核煤种1、校核煤种2的收到基氧含量均大于6%，煤质较好，可以不需要利用PM燃烧器强化燃烧的作用；将PM燃烧器改造为等离子点火燃烧器后，PM燃烧器原来的浓淡效果用等离子燃烧器的中心浓四周淡替代。因一次风管尺寸为610mm10mm，可以将黄石电厂的单个PM燃烧器改为单个等离子燃烧器，燃烧器通流截面尺寸为550mm550mm，喷口外尺寸为600mm600mm即可。在上述结构尺寸下，在锅炉点火初期，一次风管道风速为20.019m/s时，等离子燃烧器点火区风速为VcVc = 20.0190.2733/(0.550.55) = 18

20、.086m/s在锅炉MCR运行期间，一次风管道风速为25.064m/s时，等离子燃烧器点火区风速为Vy：Vy = 25.0640.2733/(0.550.55) = 22.645 m/s。上述一次风管道风速参数非常适合等离子点火需要的工况。因此，推荐改造A层主燃烧器为等离子燃烧器的方案。由于整组燃烧器是摆动的，因此，需要将与该层燃烧器相连的摆动结构解列。综合比较上述等离子燃烧器改造方式，第一种方式燃烧器出力和点火区一次风速要求均难以满足要求。第二种和第三种方式，改现有主燃烧器为兼有等离子点火功能燃烧器的方案系统简单，不需要改变油燃烧器喷口的高度。推荐采用此方案，取消PM燃烧器分离器，改现有主燃

21、烧器为兼有等离子点火功能燃烧器4.2 冷态启动时煤粉的来源为等离子燃烧器提供满足细度、浓度和温度要求的煤粉是锅炉实现冷态等离子点火启动的必要条件。对于中速磨制粉系统必须解决锅炉冷态启动时煤粉来源，本方案采用由A磨煤机自行制粉的方案。4.3 热风的来源采用原设计的磨煤机为等离子燃烧器供粉的一个主要问题是，冷态启动磨煤机制粉过程中的热风来源。可以采用增加辅助加热系统的方法来提供冷态启磨时需要的热风。辅助加热设备可以采用蒸汽加热器、电加热器、燃气加热器或燃油加热器等。因黄石电厂燃用烟煤，启动磨煤机的热风温度不高，当燃用校核煤种和设计煤种时，磨煤机入口热风温度为150160即可满足磨煤机启动条件，因此，采用蒸汽加热器的方式即可。采用蒸汽加热器的系统图见图1、图2。 图1 蒸汽加热（汽侧）系统示意图 图2 蒸汽加热（风侧）系统示意图4.4 等离子燃烧器运行与机组启动曲线相适应根据超超临界锅炉的运行规定，锅炉冷态启动初期要求如下：初始燃烧率不得超过锅炉燃烧率的8；锅炉启动中炉水的温升率为1.5/min，对应启动初期的压力升高率为0.035MPa/min。所以要使等离子燃烧器投入满足机组冷态启动的要求，