等离子点火技术在大型锅炉上的应用

等离子点火技术在大型锅炉上的应用

利用煤炭代替石油，节约燃料已成为中国的基本能源政策。阳离子燃烧技术是一种新的煤炭制备工艺，适用于煤粉炉的燃烧过程。该技术经过几年的电厂实际应用已经全面成熟,特别是近年在600MW机组上取得了一些成功应用实验。1000MW机组在基建试运期间由于锅炉无法投磨或无法完全断油运行,大概要消耗燃油10000t。如果能投入等离子煤粉点火系统,将可以使整个试运期间的燃油消耗控制在500t以内,甚至不消耗燃油。这不仅节约了极其宝贵的石油资源,而且其节约下来的费用在能收回设备投资的前提下还可节约资金上千万元。基于此,北仑三期锅炉最后选定装置等离子点火。1u3000锅炉等离子点火燃烧器是利用在强磁场控制下的直流接触引弧放电,并在介质气压0.004~0.03MPa的条件下获得稳定功率的直流空气等离子体。该等离子体内含有大量活性粒子,这些粒子其内部有着上万摄氏度的高温。将该等离子体射流在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中,形成温度T>5000K的梯度极大的局部高温区(即等离子“火核”),煤粉颗粒通过该等离子“火核”时由于受到超高温的强烈作用,并在10-3s内迅速放出挥发分,并被破碎而再析出挥发分,从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行,使混合物组分的粒级发生了变化。因而使煤粉的燃烧速度加快,也有助于加速煤粉的燃烧,这样就大大减少点燃煤粉所需要的引燃能量,即以极低的点火功率使煤粉稳定点燃。等离子点火系统的核心部分是等离子发生器,它由线圈、阴极、阳极等组成。其中阴极材料采用具有高导电率、高导热、耐氧化的金属材料制成。阳极亦由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成,它们均采用水冷方式冷却,能承受电弧高温冲击。线圈在高温250℃情况下具有抗2000V的直流电压击穿能力,电源采用全波整流并具有恒流性能。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(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,生成等离子体。北仑三期2×1000MW机组锅炉是由东方锅炉(集团)有限公司制造的超超临界直流炉,单炉膛、平衡通风、固态排渣、前后墙对冲燃烧方式7r型锅炉。设计煤种:晋北烟煤1,校核煤种1:晋北烟煤2,校核煤种2:神华东胜煤。锅炉所配制粉系统为中速磨正压直吹式系统,每炉配6台ZGM133G型磨煤机(一台备用),煤粉细度R90=18.38%。每台磨煤机带一层8套燃烧器,前后墙布置,全炉共48套燃烧器。锅炉原设计采用两级点火,即高能点火器先点燃轻油油枪,轻油油枪再点燃煤粉。油系统原设计容量为30%BMCR,在配置等离子点火装置后降至按20%BMCR设计。锅炉配置的等离子点火系统由等离子点火设备及其辅助系统组成,等离子点火设备由等离子发生器、等离子燃烧器、电源整流柜、隔离变压器等组成,辅助系统由载体、冷却空气系统、冷却水系统、图像火检系统、热控系统、冷炉制粉系统、等离子燃烧器壁温监测系统、等离子一次风监测系统等组成。(1)等离子发生器及燃烧器北仑三期锅炉安装一台磨煤机对应的一层等离子燃烧器。选定把B磨对应的前墙下层8只HT-NR3燃烧器改造为等离子燃烧器,燃烧器采用一次风部分整体更换方式,原燃烧器中心筒取消,采用夹层冷却套筒。东锅厂负责将燃烧器原配油枪由中心筒位置改到二次风室中安装。等离子发生器采用轴向插入方式,在等离子投运期间,8台等离子燃烧器的最大出力可达到磨煤机计算出力的80%,等离子点火初期磨煤机出力为28t/h,此出力大于磨煤机的最低出力。(2)直流供电控制系统等离子发生器交流电源采用单元制,2台炉相互独立。等离子点火系统单台炉需8×150kVA(共计1200kVA)的AC380V电源,分别送至8台隔离变压器,再接至整流柜,输出的直流电送至就地等离子发生器以产生等离子电弧。整流柜采用硬接线方式与DCS系统进行接口。(3)冷却水系统为保护等离子发生器的正常工作,需用水冷却部分部件,冷却水采用除盐化学水,水温<40℃,单台等离子发生器冷却水量为8t/h。冷却水取自电厂闭式冷却水系统供水母管,回水回到原闭式冷却水回水母管。设2台管道增压泵(1用1备),冷却水经母管分别送至就地等离子发生器内。(4)等离子载体风系统等离子载体为稳压、洁净、干燥的压缩空气,载体风取自仪用压缩空气系统,压缩空气经母管、支管分别送至就地等离子发生器内。等离子发生器载体空气压力约15kPa,单台发生器流量为120Nm3/h。为减少对仪用压缩空气系统的影响,在等离子载体风系统中增加一台1m3储气罐(内衬不锈钢)。在等离子停用时,由另设的等离子图像火检冷却风机提供吹扫风,等离子载体和吹扫风通过气动闸阀进行切换,切换可通过远方操作完成。(5)冷炉制粉系统利用B磨煤机制备等离子点火所需的煤粉,采用冷风蒸汽加热方式(暖风器)提供热一次风,实现冷炉制粉。暖风器要满足磨煤机出口一次风粉混合物温度要求。暖风器布置在B磨煤机入口热一次风的旁路风道上,其进口设一道热风关断门,出口设一道热风调节门。(6)图像火检系统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B层8支等离子燃烧器上各安装1套图像火检装置。等离子图像火检探头的冷却风由另设2台火检冷却风机(1用1备)提供。该风机同时提供等离子发生器的吹扫冷却风(等离子发生器停用时)。(7)壁温监测系统在等离子燃烧器内设有壁温监测系统,在线监测燃烧器壁温,以防止燃烧器超温。(8)一次风粉在线监测系统为进行等离子燃烧器前一次风速调平以保证等离子点火能安全稳定点燃,在等离子燃烧器对应的一次风管道上需装有一次风速在线监测装置。2等离子点火燃烧主燃系统点火器(1)等离子点火系统保证可以在锅炉冷态启动条件下配合磨煤机完成制粉,并在锅炉条件允许的情况下直接点燃煤粉,使机组在基建调试期间节约燃油。(2)等离子点火系统在使用过程中确保机组安全,能够在磨煤机28t/h出力的情况下稳定点燃,此出力大于磨煤机的最低出力,东方锅炉厂确认能够满足机组冷态启动时投入热负荷的要求。(3)等离子点火过程中火焰应连续、稳定,无爆燃。等离子燃烧器出力要与制粉系统、锅炉启动曲线相适应。(4)该层燃烧器具有等离子点火和稳燃功能;等离子点火燃烧器在锅炉达到锅炉不投油负荷(30%BMCR)后,作为主燃烧器使用时,其等离子燃烧器的性能同原东方锅炉的燃烧器的性能一致(包括NOX排放、燃烧器稳燃性、燃尽性、结渣性)。(5)等离子点火燃烧器在作为主燃烧器使用时应耐磨损、耐烧损,燃烧器本体部件、点火器的寿命应不低于锅炉主燃烧器的寿命。(6)等离子点火系统可以在主控室内DCS系统上进行远方操作完成点火过程,并有完善的控制系统保证系统的安全运行。3锅炉冷态投运的等离子点火改善煤粉燃烧性能的措施(1)安装一层燃烧器的等离子点火对前后墙对冲燃烧锅炉不能完全不投油从目前等离子点火技术及装置本身来说,能在锅炉冷态下直接点燃煤粉,且其出力能连续可调,是具备无油点火启动性能的。但安装上锅炉是否能实现无油点火启动,这得看这台锅炉的具体情况。如果该锅炉在全冷态状况下能承受得了一层燃烧器投运时的初始热冲击且其随后的升温升压不会太快,则该锅炉就能实行无油点火,否则就需先投油枪暖炉。东锅厂承诺北仑三期锅炉能承受8%以下的初始热冲击,但升温升压是否会太快现在还难以确定。对于无油启动直到机组满负荷,这关系到后续煤粉即没装等离子点火的燃烧器喷入煤粉的着火条件。对此,煤粉锅炉燃烧有2个重要的工况限制,一个是满足初始投粉条件的工况,锅炉没达到此负荷工况就不能投粉,一般该负荷是20%BMCR;二是不投油最低负荷工况,锅炉负荷大于该工况后才可停用助燃油枪,一般该负荷为30%BMCR。除此以外,不同燃烧方式的锅炉其煤粉着火的支撑条件是有区别的。当锅炉负荷大于不投油最低负荷后,对于配直流燃烧器的四角喷燃切向燃烧锅炉,能以相邻层燃烧器的稳定火焰作为点火能源支撑而不需投油枪。而对于配旋流燃烧器的前后墙对冲燃烧锅炉,在启动磨煤机投粉时还是需要点燃本层油枪作为点火能源支撑(这是由于两种燃烧方式其炉内的燃烧工况有区别。四角喷燃切向燃烧在炉内形成的是整体大火球,其燃烧器之间的相互支撑条件较好;前后墙对冲燃烧是以小火球方式出现,具有相对独立性,其燃烧器之间的相互支撑条件相对偏弱,特别是支撑对墙燃烧器的着火更是偏弱)。北仑三期锅炉只安装一层等离子点火装置,因此在锅炉冷态启动中就不能完全不投油。至少在两个情况下需要投用油枪:一是第二台磨煤机投运时,尤其是投运对墙燃烧器(因为第一台投运的装有等离子点火的磨煤机最大设计的出力是到锅炉负荷16%,还要增加投运1~2层油枪的热负荷一段时间,让锅炉负荷升至大于20%,使之具备第二台磨的投粉条件);二是随后投运的磨煤机在启动时都要短时投运对应层油枪。(2)要尽可能改善锅炉低负荷阶段煤粉燃尽效率低的问题等离子点火系统可以在锅炉冷态启动条件下配合磨煤机完成制粉,并能直接点燃煤粉,但在等离子点火初期及在锅炉低负荷阶段,煤粉的燃尽性是很不理想的。据几个电厂反映:在锅炉低负荷阶段如果不投入电气除尘器,在该阶段煤粉燃烧的飞灰可燃物可能高达20%。这个问题对锅炉安全运行很不利,特别是对装有脱硝装置的锅炉,催化剂区域如果因此积存过多的煤粉是个安全隐患。为此,在等离子点火系统的设计中考虑采取了2个措施。一是适当增大磨煤机入口暖风器的容量,尽量提高磨煤机出口温度;二是设法保留该层燃烧器的助燃油枪。另外我们在实际运行中还可采取一些措施,如充分利用磨煤机动态分离器的功能以提高煤粉细度;设法提高省煤器入口水温以尽量提高炉膛温度和一二次风温等。(3)等离子点火应充分在基建试运阶段发挥作用目前等离子点火装置的投资成本仍然很高,新建机组基建调试阶段用油量很大,如果在此阶段能很好地投运等离子点火,把大量的燃油节约下来,其经济效益是很可观的。大型机组等离子点火的投运情况不尽人意的具体原因归纳起来主要是3个:一是因启动锅炉供汽参数不足,暖风