锅炉启动和稳燃技术的安全性分析

锅炉启动和稳燃技术的安全性分析

0燃煤锅炉建立微油点火技术随着国家节能减排要求的日益提高以及能源短缺的限制，中国的水电装置在容量和参数方面正在发展。这意味着无论经济效益如何，还是随着超出正常负荷的燃料消耗更多的燃料。由于国际能源紧缺,国内外油价不断上涨,特别是我国是一个严重缺油、少油的石油进口大国［1］,因此开展锅炉启动微油点火,低负荷稳燃节油研究,最大限度地减少锅炉启动和稳燃用油具有非常重要的意义。从国内外燃煤锅炉节油技术研究现状来看,目前使用最成熟和应用最广泛的技术有等离子点火和气化微油点火技术［2，3］。本文对目前国内两种主流节油技术进行比较,分析各自的优缺点和适用范围,以便于电站企业合理选择和使用。1称重技术原理1.1煤粉颗粒的等离子体弧直接点火技术等离子点火技术利用直流电流在等离子载体空气中接触引弧,并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体,该等离子体在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中形成温度T>5000K的、温度梯度极大的局部高温区,煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用,并在10－3s内迅速释放出挥发物,使煤粉颗粒破裂粉碎,从而迅速燃烧。然后,以内燃、逐级放大的方式,将整个燃烧器点燃［3］,实现用等离子弧直接点火的目的。整个等离子系统由等离子燃烧器、等离子发生器及其辅助系统、冷炉一次风加热系统、电源系统、监测控制系统等组成,见图1所示。1.2微油气化油枪燃烧的工作原理先利用压缩空气的高速射流将燃料油直接击碎,雾化成超细油滴进行燃烧,同时用燃烧产生的热量对燃料进行初期加热,扩容,后期加热,在极短的时间内完成油滴的蒸发气化,使油枪在正常燃烧过程中直接燃烧气体燃料,从而大大提高燃烧效率及火焰温度。微油气化油枪燃烧形成的高温火焰使进入一次室的浓相煤粉颗粒温度急剧升高、破裂粉碎,并释放出大量的挥发分迅速着火燃烧,然后由已经着火燃烧的浓相煤粉在二次室内与稀相煤粉混合并点燃稀相煤粉,实现煤粉的分级燃烧,燃烧能量逐级放大,达到点火并加速煤粉燃烧的目的。系统构成包括气化微油燃烧器、燃油输送系统、冷炉一次风加热系统、控制系统及辅助系统等部分组成［4］,见图2所示。2关联设备安全性分析燃烧器的稳定运行关系到锅炉系统甚至整个电站系统的安全运行,因此在锅炉启动和稳燃的节油技术实施过程中,对整个关联设备的安全性分析显得尤为重要。2.1采用等离子和气化微油点火方式消除过热器氧化皮脱在冷炉点火阶段,由于煤粉燃尽延迟,导致屏底烟温升高,在低负荷工况下高温受热面存在超温风险,因此有必要对其受热面安全性进行分析。对于亚临界锅炉系统来说,应用已较成熟;而对于超临界机组,由于过热器和再热器的吸热比例提高,因此在启动初期的低负荷工况下受热面温升速率会更快。存在过热器氧化皮脱落的风险［6］。为避免此种情况的发生冷炉点火时应先投大油枪暖炉后再用等离子或气化微油点火方式。具体如镇江高资电厂安装等离子燃烧器后,为避免氧化皮脱落便在冷炉点时先投15~30min大油枪,然后再切换到等离子点火方式撤出大油枪,取得了不错的效果。因此建议在锅炉启动初期炉膛氧量维持在12%~15%、给水温度保持100℃左右、在保证点燃效果的前提下适度降低入炉煤热值,并可视具体受热面温升速度确定是否需要常规油枪烘炉。2.2提高灰库燃烧效率燃烧效率的高低与煤种有很大关系,主要影响因素有煤的挥发分、水分、灰分、煤粉细度等。对于燃用神华煤,等离子点火的燃烧效率可以达到80%~95%,而气化微油点火技术由于输入热量高燃烧效率更高一些,有必要探讨不同灰分对飞灰可燃物的影响,见图3所示。由图3可知:燃烧效率不仅与飞灰可燃物的含量有关,煤中的灰分对其影响也很大。等离子点火在燃用神华煤的锅炉上,燃烧效率高达92%以上时,也发生过空预器及灰库的二次燃烧。特别是小油枪煤油混烧过程,当小油枪油量较大时则更应引起注意。从运行电厂的整体使用情况看:点火初期的飞灰可燃物是比较高的,所以应加强空预器的吹灰工作,防止尾部自燃现象的发生。2.3等离子体和气化微油点火技术燃烧器的安全关乎整个机组的安全,燃烧器改造后易造成燃烧器出口空气动力状况的变化。因此当其作为主燃烧器使用时,会对锅炉安全性和经济性造成很大影响。如龙山电厂的2×600MW机组基建期间,气化小油枪燃烧器燃烧不好而被迫使用大油枪,分别燃油1600t和2300t,节油效果变差,燃烧效率大幅度降低(如鹤壁电厂的600MW机组点火3h以后就发生空气预热器着火的主要原因就在于此),而且还会造成一次风管堵塞现象的出现。等离子和气化微油点火技术均采用在燃烧器内分级燃烧,逐级放大的方式,燃烧器内易造成超温和结渣。为避免此类现象的发生,等离子燃烧器可采用轴向点火的方式以避免结渣。另外两种技术均设置燃烧器壁温监测系统,防止其超温损坏。其设计温度为600℃,一般要求正常运行温度保持在450℃以下。具体来说,对于气化微油技术,为了保证燃烧器筒壁不被烧坏,不结渣,可采取以下措施:(1)采用气膜冷却,保证燃烧筒壁不被烧坏;(2)利用高速二次风对燃烧器附近壁面进行吹扫,防止结渣;(3)燃烧器采用耐高温和耐磨损的材料制造。而对于等离子点火燃烧器来说,在该技术出现早期也采取气膜冷却技术,但是在作为主燃烧器时,气膜结构对于壁面的磨损严重,目前已采用压差平衡式燃烧器代替［7］。2.4等离子或气化微油点火装置助燃系统可以说,对于两种点火技术来说,低负荷稳燃性能是大家尤为关心的问题,因为它是锅炉节油最明显的阶段之一,也直接关系着锅炉的安全运行和正常启动。当锅炉接近或达到最低不投油稳燃负荷以下时,等离子点火或气化微油点火设备可投入以帮助机组稳定负荷。但如果配置等离子或气化微油点火装置的制粉系统处于停备状态,稳燃及时性则会急剧下降,因为制粉系统启动需要投入消防蒸汽3~5min,在这种情况下燃烧器可能起不到稳燃作用。特别是在事故状态下,如原煤仓篷煤、落煤管堵塞及给煤机、磨煤机故障、一次风管泄漏等状况时,都会造成等离子或气化微油点火燃烧器不能投入,而此时如果不能及时投入,则可能造成机组非停。因此,机组运行维护中,应重点加强该制粉系统的检查、监督和修理工作［8］。从这种角度来说,两种节油装置的助燃效果显然不及大油枪。对于煤质较差,低负荷稳燃有困难且已采用等离子或气化微油点火技术的电厂,不能忽视大油枪及油系统的定期维护和试验工作,仍要保证大油枪投入的可靠性。3可靠性分析3.1等离子装置的运行维护问题等离子点火易损部件主要是阴极和阳极,一般阴极的寿命在30~120h之间,阳极的寿命在500~1000h之间,根据拉弧时间的长短,制造厂设计了阴、阳极寿命监测装置,可作为更换时的参考,但因阴极的寿命相对较短,等离子装置使用期间,运行维护人员必须通过加强监视和维护,以提高其可靠性。由于阴阳极寿命变化区间较大,增加了运行和维护的工作量,为解决这一问题,目前制造单位正在进行如何保证阴、阳极寿命稳定的研究［9］。另外,等离子点火断弧是威胁点火安全的主要问题,而点火断弧的主要影响因素为载体风的品质。目前可采用仪用压缩空气作为等离子载体来保证载体风的品质以保证设备的安全。3.2小油枪的维护气化微油点火技术最常见的故障是小油枪堵塞造成灭火。对于烟煤来说,由于油枪出力低,雾化装置孔径较小,油管路内的杂物极易造成油枪堵塞,导致燃烧器灭火,威胁点火的安全;另外小油枪积炭堵塞,也是其主要故障之一。因此,保证气化微油点火技术可靠性的关键在于油管路的施工工艺,必须用氩弧焊打底,电焊盖面;油管路则必须采用蒸汽吹扫后才能充油以防止小油枪断油。而对于小油枪维护方面,主要是需要注意滤网和油枪头的清理,必须保证油的质量、管道干净,并可依据滤网压差的变化来做好定期清理工作,以保证小油枪投入的可靠性。但是从两种节油技术的综合考虑和比较来看,气化微油点火技术由于比等离子点火系统简单、可靠性高一些则更具优势。4与等离子和气化微油点火技术的经济比较对与等离子和气化微油点火的经济性比较和分析,主要从初投资与运行和维护成本、节约费用等方面进行考虑。为了便于比较,全部按燃用神华煤的600MW机组锅炉进行。采用等离子或气化微油点火技术一般只需改造直吹式制粉系统的1台磨煤机所对应的燃烧器即可,共4台燃烧器。目前1台锅炉改造4个等离子燃烧器的最新价格约350万元,若选用与等离子系统功能相当的气化微油燃烧器系统,成本约200万元。基建调试过程中等离子基本可以做到100%的节油率,因此,本处等离子和气化微油点火技术的节油率和节油量分别按100%、95%;3000t、150t进行经济效益分析;而正常运行时长均按照100小时/年进行计算。目前市场燃油价格约为6150元/t,原煤价格约为600元/t,经过计算,可得出两种技术的燃烧器在括基建调试期和正常运行期间的费用情况如表1所示。由表1所示可知,等离子与气化微油点火燃烧器在节油能力方面效果明显,每年节约费用分别为212.51、196.91万元,并且初投资的回收年限分别仅为1.65和1.02年。这些对比结论对于我国电厂的经济性运行以及节能减排能起到很好的积极效应。5热面温升速度确定和运行维护对于燃用神华煤的亚临界锅炉,等离子点火和微油点火技术安全性均较高;气化微油点火装置在应对煤质劣化方面具有优势。对于超临界机组,由于过热器、再热器吸热比例的增大,在小负荷工况下的受热面温升速率也会增大,建议启动初期炉膛氧量维持在12%~15%、给水温度保持100℃左右,在保证点燃效果的前提下适度降低入炉煤热值,并可视具体受热面温升速度确定是否需要常规油枪烘炉。采用等离子或气化微油点火技术后,不能忽视原有大油枪的维护与定期试验工作,应保证常规油枪处于可靠的备用状态。气化微油点火装置系统简单,维护量较小,可靠性较高;等离子点火装置由于系统复杂、阴极寿命较短,因此需要通过加大维护工作量保证系统运行的可靠性。按照目前的设备和燃油价格水平计算,基建机组选用等离子点火技术较微油点火技术较经济,而在役机组进行改造选用气化微油点火技术较为经济,虽然两者差距不大,但是节油效益均非常显著,因此对于基建机组和即将进行大修的机组建议进行节油点火装置改造以节省燃油成本。根据目前技术水平