超臨界鍋爐等離子點火技術(shù)分析

超臨界鍋爐等離子點火技術(shù)分析

0等離子工程特點廣東威來油田一期工程采用2臺600噸寬臨面式機。鍋爐為前后墻對沖燃燒方式,由東方鍋爐廠有限公司生產(chǎn)。1、2號爐在基建中各安裝1層煙臺龍源電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的等離子點火和穩(wěn)燃裝置。每臺機組投產(chǎn)前,在熱沖洗、吹管、整組啟動、帶負荷、滿負荷168h試運過程中,等離子點火及穩(wěn)燃裝置開停30余次,運行300h以上,等離子點火器一次投入成功率99%。系統(tǒng)安全可靠,試運行全過程實現(xiàn)零油耗。本等離子工程的主要特點:(1)鍋爐點火前投電除塵器,煙囪不冒黑煙;(2)試運行及投產(chǎn)后零油耗操作;(3)停運燃油泵,等離子裝置實行熱備用?；?號機組試運中取得了重大節(jié)油效益,等離子點火裝置顯示出良好的操作和備用可靠性,每臺爐又安裝1層,計劃取消燃油系統(tǒng)。1等離子體燃燒煤粉的工藝優(yōu)化惠來電廠鍋爐燃用的煤質(zhì)特性見表1。從表1可看出,設(shè)計和校核煤種為中高揮發(fā)分煙煤。根據(jù)普華燃煤特性判斷指標,燃煤易著火、燃盡特性好。上述煤種在等離子燃燒器設(shè)計中,只要保證一次風(fēng)粉混合物與高溫等離子體的有效接觸面積,就能保證煤粉及時著火和穩(wěn)定燃燒。運行中只要控制好適當?shù)娘L(fēng)粉質(zhì)量濃度,即使在冷態(tài)點火也可保證高的燃盡率。2系統(tǒng)配置的特點等離子燃燒器安裝在前后墻下層原燃燒器內(nèi),稱作HT-NR3旋流等離子燃燒器。2.1等離子燃燒與原主燃燒一次風(fēng)筒的布置結(jié)合HT-NR3旋流式燃燒器特點,將其改造為兼有等離子點火和穩(wěn)燃功能的等離子燃燒器。即:在鍋爐點火和穩(wěn)燃時,作為等離子燃燒器使用;在鍋爐正常運行時作為主燃燒器運行。等離子燃燒器布置在旋流式燃燒器的一次風(fēng)筒內(nèi),其一、二、三級筒都為圓形,與鍋爐原主燃燒器一次風(fēng)筒的外型幾何尺寸相同,使等離子燃燒器與原主燃燒器一次風(fēng)出口氣流的流速保持一致;內(nèi)、外二次風(fēng)結(jié)構(gòu)不作任何修改,整個燃燒器流場、燃燒組織和原燃燒器基本保持一致。與原有燃燒器比較,只是一次風(fēng)筒內(nèi)的縮口和錐體被取消,運行中原有的四周濃縮變?yōu)橹行臐饪s。原有的濃縮含粉氣流接觸的是相對較冷的二次風(fēng),改后的燃燒器濃縮的煤粉集中在一次風(fēng)筒中心,接觸的是中心高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū),更容易著火,同時實現(xiàn)濃淡燃燒,降低NOx生成。2.2中心筒入口煤粉沒有完全點燃煤粉采用DLZ-200-Ⅳ型長等離子發(fā)生器,沿軸向插入燃燒器,將高溫等離子體送到中心筒入口,此處含粉氣流煤粉質(zhì)量濃度為0.30~0.35kg/kg,保證可靠地點燃煤粉。上述等離子發(fā)生器的特點是:等離子體輸送距離短,溫度衰降小;實現(xiàn)粉包火燃燒,保持燃燒器內(nèi)煤粉燃燒的還原性氣氛;有利于防止器壁超溫,防止燃燒器結(jié)渣。2.3次熱管煤粉質(zhì)量濃度該裝置在管道內(nèi)實現(xiàn)煤粉濃縮,燃燒器前一次風(fēng)管煤粉在0.20kg/kg的質(zhì)量濃度或更低時,燃燒器中心筒內(nèi)煤粉質(zhì)量濃度大于等于0.30kg/kg。2.4風(fēng)蒸汽加熱器采用冷風(fēng)蒸汽加熱器及磨煤機最低出力進一步降低和啟動控制技術(shù),使等離子點火滿足啟動曲線的要求。燃煤全水分低于20%,采用冷風(fēng)蒸汽加熱器,磨煤機干燥出力可以滿足。首臺爐采用啟動鍋爐的蒸汽,第2臺爐采用高壓輔汽聯(lián)箱的蒸汽。根據(jù)制粉系統(tǒng)主熱風(fēng)道的具體情況,加熱器安裝在磨煤機入口前主風(fēng)道上,蒸汽壓力0.8~1.0MPa、溫度280~300℃。加熱器進口空氣溫度20℃時,出口可加熱至150~170℃,耗汽量為5~6t/h。暖磨時間一般0.5h可投給煤機,加熱器運行1.5~2.0h可退出運行。2.5測接頭的視角設(shè)計和應(yīng)用(1)常規(guī)火焰檢測無法適應(yīng)等離子點火裝置。等離子燃燒器由于是內(nèi)燃式,燃燒器出口沒有預(yù)燃區(qū)(黑龍區(qū))。而且火焰是粉包火的結(jié)構(gòu),在燃燒器出口附近預(yù)燃區(qū)和著火區(qū)之間也沒有明顯的界線。對于火焰檢測探頭視角設(shè)計得較小的紅外線探頭,由于在燃燒器附近找不到明顯的火焰著火區(qū),因此無法實現(xiàn)有效的探測和保護。如果把探頭對準的部位向爐膛中心延伸,達到燃盡區(qū),又無法對本燃燒器火焰和背景火焰有效地加以分辨。因此,紅外光和可見光火焰檢測器,無法有效地對等離子點火火焰進行有效地檢測和保護。(2)用圖像全程監(jiān)測火焰燃燒狀況,對煤種和負荷變化影響適應(yīng)性強,圖像火焰檢測系統(tǒng)適合等離子點火。具有特殊冷卻風(fēng)結(jié)構(gòu)的CCD攝像探頭安裝在爐膛內(nèi)燃燒器噴口側(cè)向,對準本燃燒器著火區(qū)?；饳z探頭一對一的視頻信號通過系統(tǒng)接入集控室畫面分割器后進顯示器?？汕逦仫@示燃燒器噴口火焰有無及火焰狀態(tài)。2.6“等離子模式”的fsssFSSS中設(shè)計等離子燃燒器對應(yīng)的磨煤機有“等離子模式”與“正常模式”2種運行模式,并可互相切換,從而實現(xiàn)磨煤機FSSS邏輯切換功能。“正常模式”運行時,等離子燃燒器對應(yīng)的磨煤機維持原有的FSSS邏輯。對于“等離子模式”的FSSS進行必要的修改。這些改變,都以“或門”的方式增加邏輯,而不去修改原有的邏輯。3主要技術(shù)問題是低開口應(yīng)用的主要技術(shù)問題3.1必要的前提條件鍋爐燃用的煤種著火、燃盡性能良好、煤質(zhì)穩(wěn)定,是實現(xiàn)等離子無油點火和穩(wěn)燃的必要條件。根據(jù)惠來電廠和國內(nèi)采用等離子點火技術(shù)的經(jīng)驗,燃煤特性在以下范圍時:收到基揮發(fā)分Var大于等于20%、收到基灰分w(Aar)小于等于25%,即對于中高揮發(fā)分和高揮發(fā)分煙煤,等離子無油操作中著火穩(wěn)定,燃盡性能好。3.2爐稈發(fā)生爆炸等離子點火時,投入煤粉之前,等離子發(fā)生器已啟動拉弧,磨煤機啟動以后又有煤粉噴入,從啟動磨煤機到點燃為60~120s。在此期間并不進行爐膛吹掃。因此,著火后是否會發(fā)生爆炸,是等離子點火必須回答的問題。爐膛發(fā)生爆炸有3個要素:煤粉質(zhì)量濃度、氧氣、火源。對于煙煤,當煤粉空氣混合物的質(zhì)量濃度在0.3~0.6kg/m3,才有可能發(fā)生爆炸。不爆炸的煤粉質(zhì)量濃度為0.1~0.2kg/m3,其確切的數(shù)值與煤種有關(guān)。在一次風(fēng)含粉質(zhì)量濃度為0.2kg/kg的條件下,根據(jù)對多臺爐的計算,在磨煤機啟動后180s內(nèi),爐膛內(nèi)煤粉質(zhì)量濃度遠低于最低爆炸質(zhì)量濃度?；輥黼姀S等離子點火裝置成功投運,沒有出現(xiàn)過鍋爐爆燃,爐膛也未出現(xiàn)過正壓。因此,等離子點火裝置的點火是安全的。3.3燃燒與燃燒同時點火根據(jù)磨煤機出口一次風(fēng)管路的阻力特性,并進行磨煤機一次風(fēng)冷、熱態(tài)調(diào)平試驗,盡量保證每個燃燒器的風(fēng)速一致。加裝一次風(fēng)速在線監(jiān)測系統(tǒng),方便于熱態(tài)及時調(diào)整。采取這些措施后各燃燒器基本同時著火,個別燃燒器稍有延遲,但從啟動磨煤機到點燃也不會超過《電站鍋爐等離子點火應(yīng)用指南》規(guī)定的時限。一層6臺等離子燃燒器同時投入,在120s內(nèi)可全部點燃著火。3.4燃燒與爐稈溫度的控制美國《多燃燒器鍋爐爐膛防外爆/內(nèi)爆標準》NFPA85C規(guī)定每只燃燒器都必須配有專用點火器,不容許用相鄰燃燒器和炙熱的爐墻來引燃?；輥黼姀S600MW機組鍋爐,配用HT-NR3燃燒器,其啟動油槍為2t/h,布置在旋流式燃燒器的中心錐內(nèi)。另一種油槍是點火油槍,出力只有200kg/h,斜向插入布置在HT-NR3燃燒器的二次風(fēng)出口。啟動時首先點燃啟動油槍,然后投入其對應(yīng)的燃燒器。當爐膛熱負荷達到相當高的程度,在投入其他燃燒器之前,先投入側(cè)插的200kg/h點火小油槍以后,再投入燃燒器。我國對啟動和點火油槍的要求與美國不同。根據(jù)DL/T435—2004《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程》中,3.2.5C:“每個燃燒器煤粉噴口應(yīng)配有點火器。如果某些不單獨運行的燃燒器煤粉噴口,其相鄰運行的燃燒器煤粉噴口能提供可靠的點火源時,可不設(shè)點火器?！钡囊?guī)定。只要能可靠地點燃可以不投入油槍。能可靠地點燃的關(guān)鍵,除了煤質(zhì)符合設(shè)計要求之外,等離子燃燒器的出力盡可能加大,爐膛溫度高成為點燃的關(guān)鍵。根據(jù)等離子點火中第2層燃燒器噴口處爐膛溫度的測定結(jié)果,以爐膛出口煙溫探針指示值為標準,確定投第2臺磨煤機的時間。為對沖燃燒鍋爐在等離子點火過程中不投點火油槍能安全穩(wěn)定地投運第2層燃燒器取得了成功經(jīng)驗。3.5控制煤量、開大上二次風(fēng)600MW機組鍋爐,只要適當控制升溫升壓速度即可得到解決。如果發(fā)現(xiàn)再熱器壁溫超高,一是適當控制煤量以控制升溫、升壓速度;二是可適當開大上層二次風(fēng),降低火焰中心。即可控制爐膛出口煙氣溫度,降低再熱器壁溫。3.6點火控制的影響防止冷態(tài)點火鍋爐尾部受熱面二次燃燒的關(guān)鍵在于提高燃燒效率,運行中燃燒效率主要受以下因素影響:(1)一次風(fēng)管風(fēng)速的調(diào)平。一次風(fēng)管調(diào)平是保證鍋爐火焰不發(fā)生偏斜的重要措施。等離子點火中,能否迅速地點燃和燃盡,都與一次風(fēng)速和煤粉質(zhì)量濃度有關(guān)。因此,按制粉系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議要求其風(fēng)速誤差應(yīng)不大于5%,質(zhì)量濃度分布不大于10%,就能較大地提高燃燒效率。(2)調(diào)節(jié)磨煤機出口分離器開度適當控制煤粉細度。含粉氣流的質(zhì)量濃度和細度對著火和燃盡都有較大影響,對于煙煤,煤粉細度控制在R90≈25%,對點燃和燃盡影響都不大。但是對于劣質(zhì)煙煤,煤粉細度對點燃和燃盡影響較大?？刂品蛛x器的開度,使煤粉變細,同時也可增加磨煤機的循環(huán)倍率,降低磨煤機初始出力,有利于滿足啟動曲線要求。(3)初始投入煤量應(yīng)盡可能滿足點火最佳質(zhì)量濃度的要求,點燃以后再將投入煤量適當降低,以滿足啟動曲線的要求。煤粉質(zhì)量濃度對于點燃和燃盡很重要。最佳點火質(zhì)量濃度一般在0.30~0.35kg/kg。在啟磨初期,短時間內(nèi)適當提高出力,有利于提高煤粉質(zhì)量濃度,有利于縮短著火時間,提高燃盡率,減少尾部受熱面二次燃燒的風(fēng)險。待點燃著火且燃燒穩(wěn)定后再降低磨煤機出力,這對滿足啟動曲線的要求是有利的。(4)點火初期短時間維持較低的一次風(fēng)速。點火初期因含粉氣流質(zhì)量濃度較低,一次風(fēng)管路堵粉的可能較小,一次風(fēng)速度可控制在18m/s左右,并維持較高的等離子發(fā)生器功率;待點燃后適當提高一次風(fēng)速,降低等離子發(fā)生器功率。(5)點火初期適當控制二次風(fēng)。在內(nèi)燃方式下,由于一次風(fēng)率一般在15%~30%,煤粉在高度欠氧的還原性氣氛中燃燒,燃燒效率很難提高。因此,后續(xù)二次風(fēng)的調(diào)整非常重要。對于旋流燃燒器,等離子點火裝置投運前,內(nèi)、外二次風(fēng)應(yīng)關(guān)小,著火穩(wěn)定后,視火焰情況,再逐步開大。(6)點火初期加強空氣預(yù)熱器吹灰和電除塵排灰。冷態(tài)點火開始1h內(nèi)飛灰可燃物較高,為防止鍋爐尾部二次燃燒,應(yīng)加強空氣預(yù)熱器蒸汽吹灰,除塵器排灰,灰?guī)齑匠龎m器振打和灰?guī)炫呕业取?.7在正常運行中，無論老少裝置是否能夠滿足原裝置的最大設(shè)計輸出，都可以得到很大的設(shè)備由于燃燒器斷面未變,出口方向未變,阻力基本不變,燃燒器出力不受影響。3.8火炬結(jié)渣預(yù)防結(jié)渣等離子燃燒器是內(nèi)燃式燃燒器,在還原性氣氛下運行,造成灰熔點較大下降,使燃燒器容易結(jié)渣。為防止結(jié)渣的發(fā)生,采用沿軸向插入燃燒器的長桿形等離子發(fā)生器,燃燒器運行實現(xiàn)粉包火結(jié)構(gòu)。運行中加強燃燒器壁溫監(jiān)視,及時調(diào)整燃燒器出力、一次風(fēng)速、等離子發(fā)生器電流,能有效地防止燃燒器結(jié)渣現(xiàn)象。3.9等離子點火技術(shù)對燃燒的影響(1)影響燃燒組織的三大要素是:爐膛輪廓設(shè)計選型;爐膛整體燃燒組織;燃燒器本身的結(jié)構(gòu)形式。(2)等離子點火技術(shù)對前2項無任何影響,等離子燃燒器的結(jié)構(gòu)基本不影響燃燒組織。各類型電廠鍋爐考核試驗報告及惠來電廠的實踐證明對鍋爐效率和NOx的排放未造成影響。3.10對原系統(tǒng)邏輯進行部分修改等離子點火是一種特殊的點火啟動過程,原有FSSS系統(tǒng)中的一些保護條件如“油燃燒器著火”條件不能采用。為此,對原FSSS系統(tǒng)邏輯進行部分修改。這種修改,對FSSS的正常功能不會造成影響。成熟的與FSSS接口技術(shù),點火監(jiān)控進入DCS,含粉一次風(fēng)在線檢測,燃燒器壁溫在線檢測等,可確保等離子點火的安全穩(wěn)定。3.11在鍋爐冷態(tài)點火前，電除垢器應(yīng)開始工作點火前先后投入電除塵器灰斗加熱裝置、電除塵器,防止灰斗積灰、消除煙囪冒黑煙,減少粉塵排放。保護了環(huán)境,延長了極板的運行壽命。4應(yīng)注意零油耗操作中應(yīng)注意的主要問題4.1冷條件下的地板干燥(1)點火前投灰斗加熱裝置;(2)點火前電除塵器投入運行;(3)滿負荷時灰斗加熱裝置退出運行。4.2提高煤粉燃燒質(zhì)量(1)在暖磨至磨煤機出口風(fēng)溫77~80℃時,給煤機可投入;(2)投煤初始,磨煤機出口風(fēng)粉溫度應(yīng)控制大于等于65℃,以提高點火初始煤粉燃盡率;(3)初投時維持一次風(fēng)管煤粉質(zhì)量濃度0.30~0.35kg/kg,穩(wěn)定著火后將磨煤機出力降低(一次風(fēng)管煤粉質(zhì)量濃度可調(diào)整到~0.20kg/kg),防止偏離啟動曲線;(4)為降低飛灰可燃物質(zhì)量分數(shù),此時應(yīng)維持較高的等離子發(fā)生器電流,較低的一次風(fēng)速,低的鍋爐二次風(fēng)率;(5)加強空氣預(yù)熱器吹灰及電除塵器、灰?guī)斓忍幏呕?防止尾部受熱面二次燃燒;(6)防止燃燒器超溫。4.3一次風(fēng)速下爐稈出口煙溫探針測投安全(1)在投運前,等離子燃燒器應(yīng)達到最大出力,維持較高的一次風(fēng)速;(2)爐膛出口煙溫探針測得大于400℃時,投第2層燃燒器安全可靠;(3)投第2臺磨煤機后,同時適當下調(diào)等離子燃燒器對應(yīng)的磨煤機出力,以滿足升溫曲線要求。4.4等離子燃燒運行(1)等離子點火系統(tǒng)具有優(yōu)良的低負荷穩(wěn)燃性能,投運6臺等離子燃燒器運行,能可靠地保證鍋爐燃燒穩(wěn)定;(2)等離子燃燒器對應(yīng)磨煤機一次風(fēng)管煤粉質(zhì)量濃度控制不超過0.5kg/kg;(3)應(yīng)注意防止燃燒器管壁超溫。4.5投等離子燃燒(1)機組降負荷至50%,維持3臺磨煤機運行;(2)停1臺磨煤機后投等離子