等离子点火在锅炉上的应用

等离子点火在锅炉上的应用

2004年，当汕头电厂一期扩建1.600mw工程图纸时，出现了等效火力站技术。由于使用等离子点火技术可行，在基建、调试阶段，可节油，有显著的经济效益，故决定使用等离子点火装置。因此，变更了设计，如等离子点火装置需使用的冷却水、压缩空气、配电等系统图纸都进行了修改或重新设计。2005年3月，等离子点火装置设备到货，经安装、调试，2005年8月投入锅炉吹管使用。该机组共吹管98次，滴油未用，从首次点火到168h试运行结束，共节约轻柴油5600多t，获得了巨大的经济效益。1等距器设计及燃料改造1.1电源及冷却水该机组采用的DLZ-200型等离子发生器为磁稳、空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极等组成。其中阴、阳极材料采用具有高导电率、高导热率、耐氧化的金属材料制成。阴、阳极均采用水冷方式冷却，以承受电弧高温冲击。线圈在高温250℃情况下具有抗2000V直流电压击穿能力，电源采用全波整流，具有恒流性能。其工作原理见图1。在冷却水及压缩空气满足条件后，首先设定电源的工作输出电流为300～400A。当阴极在直线电机的推动下，与阳极接触后，电源按设定的工作电流工作。当输出电流达到工作电流后，直线电机推动阴极向后移动，当阴极离开阳极的瞬间，电弧建立起来。当阴极达到规定的放电间距后，在空气动力和磁场的作用下，装置产生稳定的电弧放电，生成高温等离子体，此即可点燃煤粉。1.2组成系统的组成等离子点火装置由等离子发生器、等离子燃烧器、直流电源、交流供电系统等组成；辅助系统由载体空气系统、冷却水系统、图像火检系统、仪表及控制系统、冷炉制粉系统等组成，见图2。1.2.1发生器功率及寿命等离子点火装置主体设备由等离子燃烧器及等离子发生器组成。等离子发生器功率为60～120kW，阳极寿命在1000h以上；阴极寿命在50h以上，更换方便。等离子体输送管采用防磨损设计，等离子发生器及输送管可从燃烧器后端整体拆除，维护、检修方便。1.2.2等离子点火装置设备本炉安装6套等离子点火装置，布置在锅炉后墙下层（F层）燃烧器内，需提供交流380V、900kVA的电源。每套等离子点火装置的供电设备包括1台隔离变压器和1台电源控制柜。整流柜内功率组件采用三相全桥可控硅晶闸管整流功率组件，直流控制器采用西门子6RA70系列全数字控制整流装置。其整流和等离子发生器的引弧控制接口及水流、气压保护接口由S7-200控制，并且与可编程控制器实现总线式数字通讯。1.2.3燃烧、冷却设备为保护等离子点火装置，需用水冷却阴、阳极和线圈。水质要求除盐水，压力不小于0.4MPa，单个燃烧器用水量为6～8t/h，冷却设备压降不大于0.2MPa，冷却水温不大于35℃。冷却水水源取自锅炉房闭式冷却水，压力满足信号送主控PLC。1.2.4安装空气系统采用仪用压缩空气为等离子发生器提供载体风，气源压力为0.5～0.8MPa。1.2.5图像火检公司的安装为监视等离子点火燃烧器的火焰情况，方便运行人员进行燃烧调整，在加装的等离子点火燃烧器上各安装1套图像火检装置。具体方案为在燃烧器后端面的窥视孔位置安装1支图像火检探头，探头套管沿外旋流三次风风室一直向前延伸到燃烧器前端面。探头套管的前端内部安装有CCD摄像机，其视频信号送至集控室内九画面分割器，经处理后送1路到厂用闭路监视系统。由于现场原有的火检冷却风容量有限，增加2台离心风机（型号为NO9-194.5A,1运1备），为图像火检提供足够的冷却风，火检风与载体空气系统间设有联络门。1.2.6锅炉冷态启动采用直吹式制粉系统的锅炉在安装等离子点火装置时，要解决的首要问题是在锅炉冷态启动条件下，使磨煤机具备启动条件。设计中，采用在F层磨入口热风母管左端加装蒸汽加热器的方案，加热器的阻力需小于200Pa。在锅炉冷态启动时，利用蒸汽将磨入口热风温度加热到制粉需要的温度。蒸汽加热器的汽源取自厂用高压辅助蒸汽，参数为1.3MPa（绝对压力）、250℃。加热器设计的进口空气温度为30℃，出口可加热至160℃。1.2.7制主机的设计等离子煤粉点火装置设有完善的控制系统，负责完成等离子煤粉点火装置内部各项设备的控制。其控制主机以AB公司的Controllogix可编程控制器为核心，它与整流柜内西门子的S7-200之间采用数据通讯，操作界面为1台工业液晶触摸屏，运行人员可以完成启弧、停弧、功率调节等操作，同时控制系统内部设有完善的保护逻辑。整套系统的控制可实现DCS和PLC两种操作方式。1.3低负荷燃烧方案综合考虑锅炉等离子点火中炉膛出口烟温的控制和磨煤机入口冷炉制粉蒸汽加热器的布置及燃烧器内部一次风改造量少等因素，确定在F层磨后墙下层6台燃烧器的一次风部分加装等离子发生器，从而将对应于F层磨煤机的6台HT-NR3燃烧器（见图3）改造为等离子燃烧器（见图4）。改造时，将图3中的内锥体、一次风弯头、缩口外套筒拔出，改由图4中等离子输送管、一次风弯头、一及二级燃烧室和外套筒代替。将等离子燃烧器布置在旋流式燃烧器的一次风筒内，二次风和三次风的结构不做修改，整个燃烧器旋流燃烧的方式不变。中心筒内由等离子发生器、一级中心筒燃烧室、二级内套筒燃烧室、三级外套筒等部分组成。等离子发生器采用中心轴向插入，整个燃烧器的流场、燃烧组织和原燃烧器基本保持一致。与原主燃烧器比较，正常运行中原有的四周浓缩改为中心浓缩，原有的浓缩含粉气流接触的是相对较冷的二次风。改后的燃烧器浓缩的煤粉集中在一次风管中心，接触的是中心高温烟气回流区，更容易着火，同时实现浓淡燃烧，降低NOx。燃烧器入口管段加装有浓淡分离装置，使一次风分成浓、淡2股气流，浓相进一级室，淡相进二级室。中心筒一级燃烧室引入浓缩后的含粉气流，等离子电弧与煤粉在此发生强烈反应，煤粉裂解，产生大量挥发分并被点燃；内套筒二级燃烧室中挥发分及煤粉继续燃烧，并将后续引入的煤粉点燃，实现分级燃烧。等离子点火燃烧器的一级、二级筒均利用其外层的冷一次风进行冷却。中心筒一级燃烧室壁安装有热电偶，防止超温、结焦。2冷态启动投磨顺序汕头电厂采用等离子点火技术改造后的燃烧器布置见图5。根据锅炉厂说明书，冷态启动投磨顺序是：投B、D层启动油枪→投E、C层磨→停B、D层启动油枪→投A、F层磨→投B、D层磨→退E层磨。经调研，并考虑到使用的煤种，几经改动，最后确定的冷态启动投磨顺序为：投F层等离子发生器及磨→投A层磨→投B、D层磨→投E或C磨。整个过程用等离子点火助燃，只有在投A、B或D磨时，启动点火油枪（出力为250kg/h），时间短，节油明显。3等离子点火试验由于安装了等离子点火装置，汕头电厂二期整个吹管和全套启动期间，都坚持用等离子点火和助燃，燃用神华煤，运行情况及参数如下：（1）拉弧间隙设定值45mm，由厂家给定。（2）点火电流设定值300A,20min后为290A，厂家根据煤质确定。（3）电功率不大于100kW，为单只发生器运行功率。（4）等离子燃烧器壁温不大于194℃。（5）载体风压0.014～0.017MPa；气源压力0.5～0.8MPa。（6）吹管时，F磨一次风量72～120t/h;F磨进口风温149～219.6℃；F磨出口温度50～74℃；F磨煤量15～48t/h。（7）炉内温度1000～1300℃，单F磨运行，1000℃为F磨对侧燃烧器附近温度。（8）启动时，烟囱排烟黑度良好，轻微黑色，投电除尘即刻消除。（9）吹管时，再热器壁温不大于498℃；吹管用煤1185.5t，共吹98次；吹管用油0；吹管给水量402～489t/h；吹管时主汽压力6.03～6.82MPa；吹管主汽温度400～505℃；吹管再热热端压力0.75～0.88MPa；吹管再热热端温度223～296℃。（10）单只等离子断弧试验15～20min；单F磨运行，燃烧良好；全部等离子断弧试验2min，单F磨运行，燃煤42t/h，燃烧良好。（11)168h试运行期间，总煤量40353.4t;F磨煤量7271.3t；给水量1699～1896.5t/h。（12)168h试运行期间，电功率77.14～609.32MW，机组发电平均功率为1.00023Ne。（13)168h试运行期间，主汽压力22.42～24.93MPa；主汽温度551.9～580.2℃；再热热端压力4.025～4.086MPa；再热热端温度552.2～566.6℃。（14)168h试运行期间，飞灰可燃物2.14%。（15)168h试运行期间，炉内温度986～1408℃，见图6。（16）满负荷NOx排放浓度170.6mg/m3,2次观测值取最大值，厂家保证值不大于400mg/m3。上述运行参数及情况是在没有做锅炉燃烧调整的情况下得出的。从初次点火到168h试运行止，没发生因等离子不能点燃煤粉而需投油的情况。启动时即可投入电除尘，烟囱没有冒黑烟现象，这一点比烧油情况好，同时尾部空预器不会因沾油而产生二次燃烧，引风机叶片磨损也小。在等离子点火启动过程中，锅炉升温、升压曲线满足要求。机组冷态、温态和热态均能实现等离子点火无油启动。在168h试运行期间，F磨燃煤量占总煤量18%，最大出力54.6t/h；主、再热汽压、汽温符合要求。加装等离子点火装置后，NOx排放没有增加。4．系统运行及经济效益估算在没有等离子点火装置启动时，必须先点B、D2层启动油枪，然后启C、E层磨，待C、E磨稳定后，停B、D层启动油枪。但有等离子点火装置后，首先启动的是等离子燃烧器F磨，然后A磨，再B或D磨。后一种方式中，配等离子燃烧器的F磨取代了前一种方式中的B、D层启动油枪，两者热量接近，启动油枪流量为2.2t/h，全部运行26.4t/h（可单只运行）。这说明在启动初期，大约在60%额定热负荷前，F磨输入煤量可折算成节省的燃油量。从DCS历史站上统计（统计时，总煤量阈值取为120t/h，约50%额定热负荷，这样计算的省油量偏低），得到F磨在整套启动期间，截止到进入168h试运行时共燃煤17196t，代油煤量为8900t。整个吹管期间，只有F磨运行，共燃煤1185.5t，这部分煤可全部折算成节油量。据上述分析和数据，该电厂二期1×600MW机组从点火吹管到168h试运行结束，得到的经济效益估算如下：(1）收入。（8900t+1185.5t）×（23323t/41863t）×4800元/t=2697.0732万元。(2）支出。原煤耗费：（8900t+1185.5t）×410元/t=413.5055万元；制粉耗电：（8900t+1185.5t）×7.9kW·h/t×0.35元/t=2.7886万元；等离子耗电：（8900t+1185.5t）×20kW·h/t×0.35元/（kW·h）=7.0599万元。改造费：570.0000万元。(3）效益。收入-支出=1703.7192万元。5等离子体点火装置应将社会主义分配方式转化为经济增长、改善国内煤水资源量表汕头电厂二期1×600MW机组锅炉为超临界直流炉，配墙式对冲燃烧系统，这对等离子点火装置来说是不利的。从炉侧方面讲，较之切园燃烧，墙式燃烧传热传质条件差；从锅侧方面讲，由于直流炉无汽包，蓄热能力差，要求炉侧负荷跟随能力强。该电厂等离子燃烧装置设计出力为3～7t/h（单只燃烧器），实际运行为2.5～8.0t/h，大负荷时可断弧上升到9t/h左右，燃烧较好。等离子点火装置在该电厂的应用取得了成功。经过调研、安装、检验、调试、运行的实践，笔者建议：如果再多安装1层或几层等离子燃烧装置，可以实现无油点火锅炉，但投资会再增加1倍或几倍。笔者认为在当前和今后一段时期内，采用等离子点火装置和点火小油枪相配合，在设计和设备订货时统筹考虑，效果会较好。这是因为：（1）有2种点火装置存在，系统更可靠。（2）节油主要在助燃，有1层等离子点火装置即可，这样设计燃油少