超临界锅炉等离子点火技术分析

超临界锅炉等离子点火技术分析

0等离子工程特点广东威来油田一期工程采用2台600吨宽临面式机。锅炉为前后墙对冲燃烧方式,由东方锅炉厂有限公司生产。1、2号炉在基建中各安装1层烟台龙源电力技术有限公司生产的等离子点火和稳燃装置。每台机组投产前,在热冲洗、吹管、整组启动、带负荷、满负荷168h试运过程中,等离子点火及稳燃装置开停30余次,运行300h以上,等离子点火器一次投入成功率99%。系统安全可靠,试运行全过程实现零油耗。本等离子工程的主要特点:(1)锅炉点火前投电除尘器,烟囱不冒黑烟;(2)试运行及投产后零油耗操作;(3)停运燃油泵,等离子装置实行热备用。基于1号机组试运中取得了重大节油效益,等离子点火装置显示出良好的操作和备用可靠性,每台炉又安装1层,计划取消燃油系统。1等离子体燃烧煤粉的工艺优化惠来电厂锅炉燃用的煤质特性见表1。从表1可看出,设计和校核煤种为中高挥发分烟煤。根据普华燃煤特性判断指标,燃煤易着火、燃尽特性好。上述煤种在等离子燃烧器设计中,只要保证一次风粉混合物与高温等离子体的有效接触面积,就能保证煤粉及时着火和稳定燃烧。运行中只要控制好适当的风粉质量浓度,即使在冷态点火也可保证高的燃尽率。2系统配置的特点等离子燃烧器安装在前后墙下层原燃烧器内,称作HT-NR3旋流等离子燃烧器。2.1等离子燃烧与原主燃烧一次风筒的布置结合HT-NR3旋流式燃烧器特点,将其改造为兼有等离子点火和稳燃功能的等离子燃烧器。即:在锅炉点火和稳燃时,作为等离子燃烧器使用;在锅炉正常运行时作为主燃烧器运行。等离子燃烧器布置在旋流式燃烧器的一次风筒内,其一、二、三级筒都为圆形,与锅炉原主燃烧器一次风筒的外型几何尺寸相同,使等离子燃烧器与原主燃烧器一次风出口气流的流速保持一致;内、外二次风结构不作任何修改,整个燃烧器流场、燃烧组织和原燃烧器基本保持一致。与原有燃烧器比较,只是一次风筒内的缩口和锥体被取消,运行中原有的四周浓缩变为中心浓缩。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筒中心,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生成。2.2中心筒入口煤粉没有完全点燃煤粉采用DLZ-200-Ⅳ型长等离子发生器,沿轴向插入燃烧器,将高温等离子体送到中心筒入口,此处含粉气流煤粉质量浓度为0.30~0.35kg/kg,保证可靠地点燃煤粉。上述等离子发生器的特点是:等离子体输送距离短,温度衰降小;实现粉包火燃烧,保持燃烧器内煤粉燃烧的还原性气氛;有利于防止器壁超温,防止燃烧器结渣。2.3次热管煤粉质量浓度该装置在管道内实现煤粉浓缩,燃烧器前一次风管煤粉在0.20kg/kg的质量浓度或更低时,燃烧器中心筒内煤粉质量浓度大于等于0.30kg/kg。2.4风蒸汽加热器采用冷风蒸汽加热器及磨煤机最低出力进一步降低和启动控制技术,使等离子点火满足启动曲线的要求。燃煤全水分低于20%,采用冷风蒸汽加热器,磨煤机干燥出力可以满足。首台炉采用启动锅炉的蒸汽,第2台炉采用高压辅汽联箱的蒸汽。根据制粉系统主热风道的具体情况,加热器安装在磨煤机入口前主风道上,蒸汽压力0.8~1.0MPa、温度280~300℃。加热器进口空气温度20℃时,出口可加热至150~170℃,耗汽量为5~6t/h。暖磨时间一般0.5h可投给煤机,加热器运行1.5~2.0h可退出运行。2.5测接头的视角设计和应用(1)常规火焰检测无法适应等离子点火装置。等离子燃烧器由于是内燃式,燃烧器出口没有预燃区(黑龙区)。而且火焰是粉包火的结构,在燃烧器出口附近预燃区和着火区之间也没有明显的界线。对于火焰检测探头视角设计得较小的红外线探头,由于在燃烧器附近找不到明显的火焰着火区,因此无法实现有效的探测和保护。如果把探头对准的部位向炉膛中心延伸,达到燃尽区,又无法对本燃烧器火焰和背景火焰有效地加以分辨。因此,红外光和可见光火焰检测器,无法有效地对等离子点火火焰进行有效地检测和保护。(2)用图像全程监测火焰燃烧状况,对煤种和负荷变化影响适应性强,图像火焰检测系统适合等离子点火。具有特殊冷却风结构的CCD摄像探头安装在炉膛内燃烧器喷口侧向,对准本燃烧器着火区。火检探头一对一的视频信号通过系统接入集控室画面分割器后进显示器。可清晰地显示燃烧器喷口火焰有无及火焰状态。2.6“等离子模式”的fsssFSSS中设计等离子燃烧器对应的磨煤机有“等离子模式”与“正常模式”2种运行模式,并可互相切换,从而实现磨煤机FSSS逻辑切换功能。“正常模式”运行时,等离子燃烧器对应的磨煤机维持原有的FSSS逻辑。对于“等离子模式”的FSSS进行必要的修改。这些改变,都以“或门”的方式增加逻辑,而不去修改原有的逻辑。3主要技术问题是低开口应用的主要技术问题3.1必要的前提条件锅炉燃用的煤种着火、燃尽性能良好、煤质稳定,是实现等离子无油点火和稳燃的必要条件。根据惠来电厂和国内采用等离子点火技术的经验,燃煤特性在以下范围时:收到基挥发分Var大于等于20%、收到基灰分w(Aar)小于等于25%,即对于中高挥发分和高挥发分烟煤,等离子无油操作中着火稳定,燃尽性能好。3.2炉秆发生爆炸等离子点火时,投入煤粉之前,等离子发生器已启动拉弧,磨煤机启动以后又有煤粉喷入,从启动磨煤机到点燃为60~120s。在此期间并不进行炉膛吹扫。因此,着火后是否会发生爆炸,是等离子点火必须回答的问题。炉膛发生爆炸有3个要素:煤粉质量浓度、氧气、火源。对于烟煤,当煤粉空气混合物的质量浓度在0.3~0.6kg/m3,才有可能发生爆炸。不爆炸的煤粉质量浓度为0.1~0.2kg/m3,其确切的数值与煤种有关。在一次风含粉质量浓度为0.2kg/kg的条件下,根据对多台炉的计算,在磨煤机启动后180s内,炉膛内煤粉质量浓度远低于最低爆炸质量浓度。惠来电厂等离子点火装置成功投运,没有出现过锅炉爆燃,炉膛也未出现过正压。因此,等离子点火装置的点火是安全的。3.3燃烧与燃烧同时点火根据磨煤机出口一次风管路的阻力特性,并进行磨煤机一次风冷、热态调平试验,尽量保证每个燃烧器的风速一致。加装一次风速在线监测系统,方便于热态及时调整。采取这些措施后各燃烧器基本同时着火,个别燃烧器稍有延迟,但从启动磨煤机到点燃也不会超过《电站锅炉等离子点火应用指南》规定的时限。一层6台等离子燃烧器同时投入,在120s内可全部点燃着火。3.4燃烧与炉秆温度的控制美国《多燃烧器锅炉炉膛防外爆/内爆标准》NFPA85C规定每只燃烧器都必须配有专用点火器,不容许用相邻燃烧器和炙热的炉墙来引燃。惠来电厂600MW机组锅炉,配用HT-NR3燃烧器,其启动油枪为2t/h,布置在旋流式燃烧器的中心锥内。另一种油枪是点火油枪,出力只有200kg/h,斜向插入布置在HT-NR3燃烧器的二次风出口。启动时首先点燃启动油枪,然后投入其对应的燃烧器。当炉膛热负荷达到相当高的程度,在投入其他燃烧器之前,先投入侧插的200kg/h点火小油枪以后,再投入燃烧器。我国对启动和点火油枪的要求与美国不同。根据DL/T435—2004《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程》中,3.2.5C:“每个燃烧器煤粉喷口应配有点火器。如果某些不单独运行的燃烧器煤粉喷口,其相邻运行的燃烧器煤粉喷口能提供可靠的点火源时,可不设点火器。”的规定。只要能可靠地点燃可以不投入油枪。能可靠地点燃的关键,除了煤质符合设计要求之外,等离子燃烧器的出力尽可能加大,炉膛温度高成为点燃的关键。根据等离子点火中第2层燃烧器喷口处炉膛温度的测定结果,以炉膛出口烟温探针指示值为标准,确定投第2台磨煤机的时间。为对冲燃烧锅炉在等离子点火过程中不投点火油枪能安全稳定地投运第2层燃烧器取得了成功经验。3.5控制煤量、开大上二次风600MW机组锅炉,只要适当控制升温升压速度即可得到解决。如果发现再热器壁温超高,一是适当控制煤量以控制升温、升压速度;二是可适当开大上层二次风,降低火焰中心。即可控制炉膛出口烟气温度,降低再热器壁温。3.6点火控制的影响防止冷态点火锅炉尾部受热面二次燃烧的关键在于提高燃烧效率,运行中燃烧效率主要受以下因素影响:(1)一次风管风速的调平。一次风管调平是保证锅炉火焰不发生偏斜的重要措施。等离子点火中,能否迅速地点燃和燃尽,都与一次风速和煤粉质量浓度有关。因此,按制粉系统技术协议要求其风速误差应不大于5%,质量浓度分布不大于10%,就能较大地提高燃烧效率。(2)调节磨煤机出口分离器开度适当控制煤粉细度。含粉气流的质量浓度和细度对着火和燃尽都有较大影响,对于烟煤,煤粉细度控制在R90≈25%,对点燃和燃尽影响都不大。但是对于劣质烟煤,煤粉细度对点燃和燃尽影响较大。控制分离器的开度,使煤粉变细,同时也可增加磨煤机的循环倍率,降低磨煤机初始出力,有利于满足启动曲线要求。(3)初始投入煤量应尽可能满足点火最佳质量浓度的要求,点燃以后再将投入煤量适当降低,以满足启动曲线的要求。煤粉质量浓度对于点燃和燃尽很重要。最佳点火质量浓度一般在0.30~0.35kg/kg。在启磨初期,短时间内适当提高出力,有利于提高煤粉质量浓度,有利于缩短着火时间,提高燃尽率,减少尾部受热面二次燃烧的风险。待点燃着火且燃烧稳定后再降低磨煤机出力,这对满足启动曲线的要求是有利的。(4)点火初期短时间维持较低的一次风速。点火初期因含粉气流质量浓度较低,一次风管路堵粉的可能较小,一次风速度可控制在18m/s左右,并维持较高的等离子发生器功率;待点燃后适当提高一次风速,降低等离子发生器功率。(5)点火初期适当控制二次风。在内燃方式下,由于一次风率一般在15%~30%,煤粉在高度欠氧的还原性气氛中燃烧,燃烧效率很难提高。因此,后续二次风的调整非常重要。对于旋流燃烧器,等离子点火装置投运前,内、外二次风应关小,着火稳定后,视火焰情况,再逐步开大。(6)点火初期加强空气预热器吹灰和电除尘排灰。冷态点火开始1h内飞灰可燃物较高,为防止锅炉尾部二次燃烧,应加强空气预热器蒸汽吹灰,除尘器排灰,灰库袋式除尘器振打和灰库排灰等。3.7在正常运行中，无论老少装置是否能够满足原装置的最大设计输出，都可以得到很大的设备由于燃烧器断面未变,出口方向未变,阻力基本不变,燃烧器出力不受影响。3.8火炬结渣预防结渣等离子燃烧器是内燃式燃烧器,在还原性气氛下运行,造成灰熔点较大下降,使燃烧器容易结渣。为防止结渣的发生,采用沿轴向插入燃烧器的长杆形等离子发生器,燃烧器运行实现粉包火结构。运行中加强燃烧器壁温监视,及时调整燃烧器出力、一次风速、等离子发生器电流,能有效地防止燃烧器结渣现象。3.9等离子点火技术对燃烧的影响(1)影响燃烧组织的三大要素是:炉膛轮廓设计选型;炉膛整体燃烧组织;燃烧器本身的结构形式。(2)等离子点火技术对前2项无任何影响,等离子燃烧器的结构基本不影响燃烧组织。各类型电厂锅炉考核试验报告及惠来电厂的实践证明对锅炉效率和NOx的排放未造成影响。3.10对原系统逻辑进行部分修改等离子点火是一种特殊的点火启动过程,原有FSSS系统中的一些保护条件如“油燃烧器着火”条件不能采用。为此,对原FSSS系统逻辑进行部分修改。这种修改,对FSSS的正常功能不会造成影响。成熟的与FSSS接口技术,点火监控进入DCS,含粉一次风在线检测,燃烧器壁温在线检测等,可确保等离子点火的安全稳定。3.11在锅炉冷态点火前，电除垢器应开始工作点火前先后投入电除尘器灰斗加热装置、电除尘器,防止灰斗积灰、消除烟囱冒黑烟,减少粉尘排放。保护了环境,延长了极板的运行寿命。4应注意零油耗操作中应注意的主要问题4.1冷条件下的地板干燥(1)点火前投灰斗加热装置;(2)点火前电除尘器投入运行;(3)满负荷时灰斗加热装置退出运行。4.2提高煤粉燃烧质量(1)在暖磨至磨煤机出口风温77~80℃时,给煤机可投入;(2)投煤初始,磨煤机出口风粉温度应控制大于等于65℃,以提高点火初始煤粉燃尽率;(3)初投时维持一次风管煤粉质量浓度0.30~0.35kg/kg,稳定着火后将磨煤机出力降低(一次风管煤粉质量浓度可调整到~0.20kg/kg),防止偏离启动曲线;(4)为降低飞灰可燃物质量分数,此时应维持较高的等离子发生器电流,较低的一次风速,低的锅炉二次风率;(5)加强空气预热器吹灰及电除尘器、灰库等处放灰,防止尾部受热面二次燃烧;(6)防止燃烧器超温。4.3一次风速下炉秆出口烟温探针测投安全(1)在投运前,等离子燃烧器应达到最大出力,维持较高的一次风速;(2)炉膛出口烟温探针测得大于400℃时,投第2层燃烧器安全可靠;(3)投第2台磨煤机后,同时适当下调等离子燃烧器对应的磨煤机出力,以满足升温曲线要求。4.4等离子燃烧运行(1)等离子点火系统具有优良的低负荷稳燃性能,投运6台等离子燃烧器运行,能可靠地保证锅炉燃烧稳定;(2)等离子燃烧器对应磨煤机一次风管煤粉质量浓度控制不超过0.5kg/kg;(3)应注意防止燃烧器管壁超温。4.5投等离子燃烧(1)机组降负荷至50%,维持3台磨煤机运行;(2)停1台磨煤机后投等离子