等离子点火燃烧系统在电厂锅炉上的应用

等离子点火燃烧系统在电厂锅炉上的应用

广东省内电气工程煤粉炉的点火和低负荷稳定燃料采用燃料或轻油燃烧。在点火和低负荷下燃烧大量燃料会消耗大量燃料。随着厂网分开，竞价上网的实施，电厂为了提高自身的竞争力，必然想方设法减少燃油的耗量。等离子点火技术是一种新型燃烧技术，其原理是利用一定压力的空气做介质，在直流电流和强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体，该等离子体在点火燃烧器中形成局部高温，煤粉颗粒通过时被迅速点燃形成火炬喷入炉膛。广州恒运电厂6号锅炉首次在启动试运阶段就采用等离子点火燃烧系统，在机组启动、滑停和低负荷稳燃时，燃烧稳定，节油显著。1煤粉锅炉和点火器广州恒运电厂6号210MW机组1998年初投产，锅炉原来是DG680/13.7-15型燃油锅炉，燃用调和渣油。2003年10月，锅炉成功改造为DG680/13.7-20型自然循环、一次中间再热、单炉膛、固态排渣、燃煤汽包炉。该锅炉采用五层四角切圆布置水平浓淡燃烧器，二层油燃烧器，燃油采用0号轻柴油。制粉系统为冷一次风正压直吹式制粉系统，配五台北京电力设备总厂制造的ZGM80G型中速辊式磨煤机，四用一备，每台磨带一层煤燃烧器。锅炉设计燃料为山西大同烟煤，燃煤特性如表1。该炉共四支等离子燃烧器分别装在锅炉A层四支主燃烧器位置，替换锅炉原有的煤粉燃烧器。等离子点火器安装在燃烧器侧面，可以通过DCS或触摸屏进行控制。单套等离子设备的基本参数如下：2点火系统的组成等离子点火燃烧系统包括点火系统和辅助系统两大部分。点火系统由等离子燃烧器、等离子点火器、电源控制柜、隔离变压器、控制系统等组成；辅助系统由压缩空气系统、冷却水系统、图像火检系统等组成。2.1低热值燃烧煤粉技术等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，与以往的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉。广州恒运电厂6号锅炉采用的等离子点火燃烧器结构见图2。它由等离子引弧装置(阴极、阳极)、一级燃烧室、二级燃烧室，周界二次风等部分组成。2.2组件、解析组件等离子发生器用于产生电功率为50～150kW的空气等离子体，等离子发生器主要由阳极组件、阴极组件、线圈组件三大部分组成。阳极组件与阴极组件包括用来形成电弧的两个金属电极：阳极与阴极，在两电极间加稳定的大电流，将电极之间的空气电离形成具有高温导电特性等离子体。线圈通电产生强磁场，将等离子体压缩，并由压缩空气吹出阳极，形成可以利用的高温电弧。2.3控制柜控制回路等离子发生器电源系统是用来产生维持等离子电弧稳定的直流电源装置。其由隔离变压器和电源柜两大部分组成。AC380V、200kV·A(四路)电源分别经隔离变压器接至直流电源柜，输出的直流电送至就地点火装置上；运行人员通过触摸CRT调整控制柜输出的直流电压和电流。点火发生器与控制柜之间连接有信号电缆和动力电缆，动力电缆(2×120应与信号电缆隔离，单独提供AC220V、1kV·A电源给CRT和PLC。2.4监控器控制系统由PLC、CRT、通讯接口和数据总线构成。2.5式点火处理等离子载体为稳压、洁净、干燥的空气；空气经母管分别送至就地点火发生器内。现场的压缩空气系统可以满足要求。为保护等离子装置本身，需用水冷却阴、阳极和线圈。冷却水经母管分别送至就地点火发生器内，再分三路分别送入线圈和阴、阳极。现场安装冷却水箱和冷却器。四套点火燃烧器分别安装一只带CCD摄像机的火检探头，其视频信号送至集控室内四画面分割器，经处理后再送至工业电视，工业电视可同时监视四套等离子点火燃烧器的火焰。图像火检的冷却风由火检冷却风机提供，必须保证每只探头前风压不小于2000Pa，风量为70Nm3/h。3等离子点火点火器在机组启动之后的运行情况恒运电厂6号炉采用直吹式制粉系统，要实现无油点火启动，首先保证锅炉冷态启动时磨煤机入口风温满足磨煤机干燥出力的要求。如果能用蒸汽制热风或从临炉引入热风，理论上可以实现无油点火。但由于暂未设计用蒸汽制热风或从临炉引入热风系统，因而要先按常规投入不超过4支油枪暖炉约1h左右，以产生制粉用热风，而后才能投用等离子点火系统。调节磨煤机入口风量，维持磨出口一次风风速在20～24m/s左右。调节A层燃烧器周界风，维持此层周界风门在15%开度。维持锅炉下层4支油枪运行，同时按顺序启动1～4号等离子发生器，调节电弧功率在100kW左右。将磨煤机的运行模式切换到“等离子运行方式”，在制粉系统满足启动条件的情况下启动制粉系统。恒运电厂6号炉制粉系统所配备的磨煤机为ZGM80G型中速辊式磨煤机，该磨煤机制造厂提供的最小出力为7.47t/h。在锅炉冷态启动之初，这样大的煤粉量点燃喷入炉膛，会造成锅炉升温、升压速率的较难控制、水冷壁受热不均、锅炉整体膨胀不能保证等较多问题，上述现象要求给煤量不能增加太快，逐步增加到给煤量14～17t/h，达到等离子点火合适的一次风煤粉浓度，同时注意维持磨煤机出口温度80～85℃。等离子点火燃烧器投入运行的初期，要注意观察火焰的燃烧情况、电源功率的波动情况，发现异常，及时处理。等离子燃烧器投运点火正常后在保证安全的条件下应尽快退出运行的油枪，注意进行上层二次风的调整，防止锅炉升温、升压速率过快、水冷壁受热不均、再热器系统超温等问题。若等离子点火器发生断弧时，此时运行人员应及时投入断弧点火器上层的油枪，同时应认真检查断弧原因，待问题解决后再继续投入。当锅炉负荷升至最低稳燃负荷以上且等离子点火器在运行状态时，应及时将磨煤机运行方式切至正常运行方式，防止因等离子点火器断弧造成磨煤机跳闸。图3(a)、(b)、(c)为2003年10月23日23时24分机组启动过程中等离子点火燃烧器投用后主蒸汽升温升压及炉膛负压波动曲线。图中第0min等离子点火器开始拉弧，拉弧前共4只油枪运行；第4min启动磨煤机；第10min退出2只油枪；第16min退出第3只油枪；第26min退出最后1只油枪全烧煤粉。从图中可以看出C磨(对应A层等离子燃烧器)启动后主蒸汽温度升高很快，随着油枪及时退出运行，主汽升温、升压速率得到控制；炉膛负压波动在正常范围。恒运电厂6号炉可以在等离子点火装置投入运行时，仅C磨运行、C给煤机给煤量为14～17t/h，通过燃烧调整锅炉可断油全烧煤粉，煤粉着火正常，燃烧稳定，炉膛负压稳定，金属壁温正常，锅炉升温升压速率可满足冷态启动曲线的要求。4经济效益比较分析4.1按常规方法试运及产出基地所需费用的计算恒运电厂7号机组和6号机组是同类型机组，锅炉型号和制粉系统完全相同，2002年8月投产。7号炉未安装等离子点火系统，低负荷稳燃用油每天约10t，全年按150天计算。200MW机组试运期间燃油消耗的标准定量为1500t，而如果在试运期间投入等离子点火系统，可以将整个试运期间的燃油消耗控制在500t以内。以下计算取：燃油价格为0.35万元/t，燃油的低位发热量为4.145×104kJ/kg，设计煤种低位发热量为20315kJ/kg，原煤价格为0.028万元/t，厂用电价格为0.3元/(kW·h)。7号炉按常规方法试运及投产当年运行所需燃油耗费计算为：0.35×(1500+1500)=1050万元。6号炉安装等离子点火系统进行试运和投产当年所需费用计算为：(1)燃油耗费：节约燃油数量为2500t，则按发热量相等的原则所需的原煤费用为：(4.145×104×2500)×0.028/20315=142.8万元。原煤消耗：(4.145×104×2500)/20315=5101t。耗电费用：5101×(20+8.0)×0.3=4.28万元。(4)等离子点火系统购买、安装、调试费：360万元。(5)全年阴、阳极消耗、维护费用共计：25万元。在试运期间及投产当年投用等离子无油点火装置可为电厂节约投资：1050-175-142.8-4.28-360-25=342.92万元。从以上计算分析可以看出如果是大容量机组或调峰机组经济效益将更为可观，但对非调峰的小机组的经济性尚需另行分析。4.2除尘器对环境的影响按照常规，锅炉纯烧油或油煤混烧时，尾部二次燃烧的可能性较大，同时为避免未燃尽的油滴粘污电极，锅炉电除尘器无法正常投入，大量烟尘直接排放到大气中，给环境带来严重的污染，烟气中的粉尘会对锅炉受热面和引风机叶片造成磨损。采用等离子点火燃烧系统，电除尘器可以在锅炉点火初期正常投入，大大减少粉尘的排放量，避免了环境污染，同时由于无油助燃锅炉尾部二次燃烧的可能性大大减小，带来了显著的环保效益和经济效益。5油枪的故障分析存在的问题是恒运电厂6号炉不能实现机组无油点火启动，仍需保留一层油枪，主要是考虑制粉热风问题和等离子点火燃烧系统出现故障时的备用问题。等离子燃烧系统的任何环节出现问题，都无法进行点火，等离子燃烧器电流、电压波动较大、阴极使用期仅50h，这降低了系统的可靠性。6经济社会效益(1)恒运电厂6号炉安装等离子点火系统后，可以实现1台磨运行断油稳燃和长时间低负荷断油稳燃，调试时最低断油稳燃负荷30MW，锅炉着火正常，燃烧稳定，炉膛负压稳定，金属壁温正常，锅炉升温升压速率可满足启动曲线的要求。(2)采用等离子点火系统经济效益显著，在基建调试阶段采用效益更好，能为电厂节约大量的试运燃油和低负荷稳燃用油。(3)采用等离子点火系统启动和稳燃锅炉，尾部二次燃烧的可能性很小，可以使电除尘器在点火初期投入运行，避免了燃油助燃时电除尘器不能投入运行的弊端，减少了向大气排放的粉尘