等离子点火技术在河源电厂600MW机组上的应用研究 王浩

发表时间:2018/4/20   来源:《基层建设》2017年第35期   作者:王浩
[导读] 摘要:随着世界性的能源紧张,原油价格不断上涨,节约用油已经成为紧迫和长期的任务。

        深能合和电力(河源)有限公司  广东河源  517000
        摘要:随着世界性的能源紧张,原油价格不断上涨,节约用油已经成为紧迫和长期的任务。从我国石油供需情况看,工业用油约占石油消费量的一半,其中燃料油占工业用油的 35%左右。因此,解决好发电企业燃料油的节约和替代是缓解我国石油短缺的有效途径之一。近年来,火力发电厂中的节油工作越来越受到重视,少油和无油点火技术在燃煤锅炉上陆续应用。
        国内等离子点火节油效果明显、适应性强,获得广泛的应用。本文主要报告了等离子点火技术在河源发电厂 600MW 燃煤机组的应用研究工作及相应问题。
        关键词:等离子点火、燃烧器、燃煤机组、调试
        一、机组系统简介
        河源电厂2×600MW锅炉是哈尔滨锅炉厂有限责任公司根据三菱重工业株式会社(MHI)提供技术支持而设计、制造的超超临界变压运行直流锅炉,锅炉为单炉膛、Π型布置,配低NOX主煤粉燃烧器,分级燃烧技术和MACT型低NOX分级送风燃烧系统、反向墙式切圆燃烧方式。
        锅炉炉膛采用内螺纹管、垂直上升膜式水冷壁、循环泵启动系统、一次中间再热,调温方式除煤/水比外,还采用烟气分配挡板、燃烧器摆动、三级喷水或事故喷水等方式。锅炉为平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构,燃用神府东胜煤、晋北煤。
        二、等离子点火煤粉燃烧器工作原理
        等离子发生器为磁稳空气载体等离子发生器,它由线圈、阴极、阳极组成。等离子发生器的工作原理见图 2.1。其中阴极材料采用高导电率的金属材料或非金属材料制成。阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成,它们均采用水冷方式,以承受电弧高温冲击。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。其发火原理为:首先设定输出电流,当阴极 3 前进同阳极 2 接触后,整个系统具有抗短路的能力且电流恒定不变,当阴极缓缓离开阳极时,电弧在线圈磁力的作用下拉出喷管外部。具有 0.15MPa 压力的空气在电弧的作用下,被电离为高温等离子体,其能量密度高达 105~106W/cm2,该等离子体在点火燃烧器中形成  T >5000K 的梯度极大的局部高温火核, 煤粉颗粒通过等离子火核时,在极短时间内使煤粉中的挥发粉迅速解析,煤粉颗粒破裂粉碎,从而迅速燃烧。

 
        1.线圈 2.阳极 3.阴极 4.电源
        图2.1 等离子发生器工作原理图
        三、河源电厂 600MW 机组等离子点火系统技术方案
        1、等离子点火方案系统构成
        1.1等离子燃烧器
        根据锅炉的实际情况,设计将 A 层(最下层)4 台煤粉燃烧器改造为兼有等离子点火功能的等离子点火燃烧器。在锅炉点火和稳燃期间,该燃烧器具有等离子点火和稳燃功能,改造后 A 层燃烧器和 AA 层二次风将不再摆动。在锅炉正常运行时,该燃烧器具有主燃烧器功能。等离子点火煤粉燃烧器的各项外形尺寸完全按照锅炉原有的煤粉燃烧器接口尺寸设计,燃烧器前端与锅炉水冷壁平齐,后端与一次风管道弯头连接。
        1.2 等离子发生器
        每台炉共需 4 台等离子发生器,等离子发生器安装在等离子燃烧器上。等离子发生器主要功能:产生高温等离子体,为等离子燃烧器提供点火能量。
        1.3 隔离变压器
        每台炉共需4台隔离变压器。需提供4路交流380VAC  200kVA的电源分别至4台隔离变压器。隔离变压器的主要作用是隔离。
        1.4 等离子电源控制柜
        每台炉共需 4 台电源控制柜。需提供 4 路交流 220VAC 150W 的 UPS 电源至 4台电源控制柜,作为电源控制柜的控制电源。
        电源控制柜的主要作用是为等离子发生器提供可调节的直流电源,并对点火器实现程控。进出线方式为下进下出(所有控制信号由此柜与 DCS 接口)。电源控制柜内功率组件采用三相全桥可控硅晶闸管整流功率组件,晶闸管采用美国进口芯片,全桥可控硅整流方式整流效率高,技术成熟,保证了电源长期工作的可靠性。直流控制器采用西门子公司生产的 6RA70 系列全数字控制整流装置。该装置可以作为整流和等离子发生器的引弧控制接口、水流、气压保护接口,由西门子 S7-200 控制。
        1.5 载体空气系统
        等离子载体风选用高压离心风机系统,两台高压离心风机(包括附件及其连接管道)及就地控制系统,1台运行,一台备用,高压离心风机可以联锁联动,两台风机共用一个就地控制柜,具有就地/远方控制功能,都安装在锅炉零米。在两台高压离心风机出口母管上加装一台罗斯蒙德变送器在操作员站上作为监视就地母管压力。17.6米点火器就地的风管的压力开关分别从仪表组件上引入业主提供的保温保护箱内. 正常运行时母管出口压力为≥0.012MPa,就地点火器的水管压力≥0.009MPa。
        1.6  冷却水系统
        等离子电弧形成后,弧柱温度一般在  5000K  到  30000K  范围,因此对于形成电弧的等离子发生器的阴极和阳极必须通过水冷的方式来进行冷却,否则很快会被烧毁。通过大量实验总结出为保证好的冷却效果,需要冷却水以高的流速冲刷阳极和阴极,因此需要保证冷却水不低于 0.3MP  的压力。另外,冷却水温度不能高于 30℃,否则冷却效果差。为减少冷却水对阳极和阴极的腐蚀,要采用电厂的除盐化学水。
        1.7 图像火检及冷却风系统
        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,在等离子燃烧器上各安装 1 套图像火检装置。每台炉共4套。具体方案为在水冷壁的观火孔位置安装一支图像火检探头。探头套管的前端内部安装有 CCD 摄像机,其视频信号送至四画面分割器,处理后送一路经切换器到工业电视,运行人员可在点火初期同时监视四个等离子点火燃烧器的火焰。
        1.8  壁温测量装置
        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。每个燃烧器有两个壁温测量信号,壁温测量信号直接进入DCS系统,温度元件采用锴装E分度热电偶。
        2、等离子点火系统应用效果和存在的问题及建议
        河源电厂使用煤粉锅炉等离子点火技术,经过锅炉吹管、整定安全阀、汽机冲转、机组并网、电气试验、锅炉洗硅运行、机组带大负荷等试运阶段和机组运行锅炉的启停及低负荷稳燃,系统投运正常,未投燃油,减少了大量的燃料油消耗。
        2.1 经济效益分析
        2.1.1 直接经济效益
        按照 600MW汽轮发电机组调试运行要求,机组在试运期间要经过锅炉吹管、整定安全阀、汽机冲车、机组并网、电气试验、锅炉洗硅运行、机组带大负荷运行等许多阶段,根据电力部最新颁布的试运导则中的规定,600MW  机组试运期间燃油消耗的标准定量为  9000t。而河源发电厂,在试运期间,投入等离子无油点火系统,未投入燃油,经济效益十分显著。针对河源发电厂 2×600MW  工程汽轮发电机组,我们对采用等离子点火技术的节油效果作如下简单的计算(按两台机组计)。
        ①  节油计算
        按常规试运所需燃油耗费计算:(耗电费用未计)
        燃油消耗 :2×9000t
        燃油价格:0.5 万元/t
        燃油耗费:0.5×2×9000=9000(万元)
        机组采用等离子无油点火装置进行试运所需费用计算:
        1)原煤耗费:
        燃油的低位发热量为 4.18×104 kJ/kg,设计煤种低位发热量为 21230kJ/kg,
        原煤价格为 180 元/t,节约燃油数量为 9000t,则按发热量相等的原则所需的原煤
        费用为:
        2×9000×4.18×104×180/21230=637.93(万元)
        2)耗电费用
        设计煤种发热量:21385 kJ/kg
        原煤消耗:9000×4.18×104/21385=17592t
        制粉单耗:20kWh/t
        等离子燃烧器耗电:20kWh/t
        厂用电价格为 0.16 元/kWh   60
        耗电费用:2×17592×(20+20)×0.16= 22.52 万元
        3)设备费用:2×600 万元
        经过以上计算可知,在两台机组试运期间投用等离子无油点火装置可为电厂节约投资:9000-637.93-22.52-1200=7139.55 万元
        ②  燃油系统优化费用
        根据(火力发电厂设计技术规程>(DL5000-2000)8.4.3 的规定“:点火和启动助燃油罐的个数和容量,应根据单台锅炉容量、煤种、油种、燃油耗量以及来油方式和周期等因素综合考虑确定,并应满足以下要求:2000t/h 锅炉,为  2×(1500m3~2000m3)或 3×(1000m3~1500 m3)。按常规应执行条文规定的下限值,即设计油罐容量应为 3000m,正常储油为2500t。1 台 600MW 机组安装调试启动耗油约 9000t,正常一次启动的燃油量为 200~300t。根据 600MW 机组等离子点火技术的成功应用的节油效果分析,考虑到上述影响油罐容量选择的各种因素,本着减少电厂燃油耗量,降低投资的原则本工程设计 2 座 300m3油罐,与常规设计比较节约设备及安装费用约 80 万元。
        根据以上分析计算,河源发电厂 2×600MW  机组工程在采用等离子无油点火技术,优化点火及助燃油系统后,会给电厂带来 7139.55+80  =7199.55 万元的直接经济效益。
        2.1.2  间接经济效益
        按照常规的试运方法,机组在试运期间要长期低负荷运行,此期间锅炉纯烧油或油煤混烧,为避免未燃尽  的油滴沾污电极,锅炉电除尘器无法正常投入,大量烟尘直接排放到大气中,严重污染环境,同时烟气中的粉尘会对锅炉引风机叶片造成磨损,这些均给电厂带来间接的经济损失。在机组试运期间投入等离子无油点火系统,电除尘器可以在锅炉启动及低负荷期间正常投入,大大减少粉尘的排放量,减少了环境污染,给电厂带来显著的社会效益和经济效益。
        2.2  存在的问题及建议
        河源电厂 2 号机组在使用等离子点火过程中,出现过风速过高造成点火失败、#1 角风压较低所致等离子断弧和接点进灰尘后不能吸合造成#3 角拉弧失败等问题。其它电厂在使用过程中也出现过一些问题,分析出现问题的原因,才能有效地控制其发生,保证正常的运行。
        2.2.1 磨煤机制粉热风的运行控制
        直吹式制粉系统锅炉应用等离子点火的首要问题是锅炉启动时磨煤机的干燥出力问题。在该机组设计方案中,通过在 A 磨煤机人口热风道上增加等离子暖风器,使磨煤机在锅炉冷态启动初期即可投人运行。但暖风器在实际运行中出现的主要问题是经暖风器加热后一次风达不到设计值。由于暖风器蒸汽来源于厂辅汽联箱,要想通过提高暖风器人口蒸汽压力、温度来提高风温,会受到辅汽系统允许压力的限制,通过多次试验,采取了在磨煤机启动前提前  1 h 投人暖风器运行、加大疏水、提高辅汽压力到 0.8~0.9 MPa 等方法,使磨煤机入口一次风温达到 150  ℃,当 A 磨煤机给煤量为 15t/h 时,磨煤机出口风温达到 60~65℃,基本满足磨煤机的干燥出力要求。在  A 磨煤机运行  2 h 后,空气预热器后一次风温即可达到  170 ℃,暖风器可以退出运行,顺利解决了磨煤机的冷炉制粉问题。
        2.2.2  提高燃尽率,防止炉膛爆破、二次燃烧
        要提高燃尽率就要对各项参数的有效控制,如煤质、等离子点火功率、煤粉细度、煤粉浓度、煤粉湿度、一次风速度、一次风温度等。其中煤粉细度至关重要,调节磨煤机分离器开度,适当控制煤粉细度。煤粉浓度直接影响顺利点燃:初始投入煤量应小于 BMCR 工况下锅炉总燃煤量的 8%,点燃以后再将投入功率控制到  BMCR 下总投入功率的 5%。点火初期因含粉气流浓度较低,一次风管路
        堵粉的可能较小,可将一次风速度控制在 18  m/s  以下,并适当提高点火功率,待点燃后再适当提高一次风速,降低点火功率。即使煤质好,为了避免等离子燃烧器结洫,一次风速也不宜高于 28 m/s,否则将使燃烧效率下降较多,飞灰可燃物大幅度增加。
        2.2.3  等离子断弧
        从其他电厂应用等离子点火的实际情况看,等离子在拉弧及运行过程中易出现断弧现象,从而造成大量未燃煤粉进入炉膛。断弧的主要原因是作为等离子载体的空气含水、含油及压力波动大,目前各电厂多利用电厂的杂用压缩空气系统为等离子发生器供气,而杂用压缩空气一般不经油、水分离和干燥,同时由于用气点较多,压力扰动较大。本工程由 2 台等离子风机为等离子提供载体,并且台风机互为备用,充分保证了供气的品质和压力。在机组整个调试过程中,除阴极烧损完造成断弧外,基本未出现其他非正常断弧现象。
        2.2.4 阴极使用寿命
        等离子发生器在各厂应用中普遍存在阴极头使用寿命短的问题,阴极头设计使用寿命为 80 h。根据实际经验,在阴极头累计使用超过  30 h 后,应加强监视等离子运行状况,加强阴阳极和线圈的温度监视,以便及时更换阴极头,防止因阴极寿命问题引起突然断弧,造成系统的意外扰动。对于等离子点火装置,启弧时高温区在阴极头上,在等离子拉弧运行过程中,阴极材料会逐渐烧损,因此要保证阴极的寿命就必须很好地冷却阴极头。在此工程中设计了 2 台等离子冷却水泵,并互为备用,以保证充分冷却阴极头,同时为防止冷却水管路内部结垢,冷却水采用除盐水。为了进一步提高阴极的使用寿命,在调试期间,对等离子点火器冷却水压力和空气压力进行了优化调整试验,原设计冷却水压力为 0.4 MPa、空气压力为 1.5~4.5kPa,在实践中将冷却水提高压力 0.5 MPa,空气压力调整到 8
        kPa。改进后运行情况表明,阴极耗损速度减小,点火器阴极寿命可以达到  80~100 h,充分保证了等离子燃烧器长时间安全稳定运行。
        参考文献:
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        [2] 刘瑜,陈牧.浅谈燃煤电厂无燃油系统设计的可能性.湖北电力.
        [3] 徐程宏,刘庆鑫,温智勇.燃煤锅炉应用等离子点火技术的起动特性分析.广东电力,
        [4] 路春美,王永征.煤燃烧理论与技术.北京 :地震出版社.
        [5] 黄锏,叶玲,牛涛,等.等离子点火燃烧装置电站燃煤节能环保新技术.节能与环保。
        [6] 李相林,李文蛟,李林教.新型点火技术在节约燃油方面的试验研究.节能技术,

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