等离子点火设计方案讨论稿.docx
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等离子点火设计方案讨论稿
河北西柏坡发电有限责任公司
三期扩建工程2×600MW超临界机组锅炉
等离子点火系统
初
步
设
计
方
案
烟台龙源电力技术有限公司
2005年8月
前言
长期以来,火力发电机组锅炉的启停及低负荷稳燃消耗大量燃料油。
据《2000年电力工业统计资料汇编》数字表明,2000年电力系统燃用燃料油1217.2万吨。
新建的火力发电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,要耗费大量的燃油。
根据原电力部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额为9000吨,燃料费用十分可观。
烟台龙源电力技术有限公司开发的煤粉锅炉等离子点火及稳燃技术是一项以煤代油实现煤粉锅炉点火及稳燃的有效措施。
该技术已成功应用于贫煤、烟煤和褐煤。
机组容量包括了50MW、100MW、125MW、135MW、150MW、200MW、300MW、330MW和600MW各等级的机组锅炉160余台,已经运行和正在执行合同的机组总容量超过60,000MW。
燃烧方式涵盖了切向燃烧直流燃烧器和墙式燃烧旋流燃烧器。
制粉系统包括中间储仓式、双进双出钢球磨直吹式、中速磨直吹式和风扇磨直吹式等各种类型。
对于新建机组,如果在机组试运初期投入等离子点火及稳燃系统,将可以大大降低试运期间的燃油消耗。
大唐电力集团公司托克托发电厂一、二期工程均为2×600MW汽轮发电机组,由于安装了等离子点火及稳燃系统,四台机组在试运期间的燃油消耗分别只有2800吨、1400吨、2000吨以及1050吨,大大低于同类型的其它机组,节油产生的经济效益十分可观。
西柏坡发电厂三期扩建工程为2×600MW汽轮发电机组,其锅炉型式与托克托发电厂二期工程相近,均为北京B&W公司墙式旋流燃烧器锅炉,在此基建工程中应用等离子点火及稳燃技术,必将节省大量基建投资,同时也为今后生产过程中的节能降耗,打下良好的设备基础。
1等离子煤粉点火技术基本原理
1.1等离子煤粉点火机理
等离子点火装置利用直流电流在一定介质气压的条件下接触引弧,并在强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体,该等离子体在点火燃烧器中形成T>4000K的梯度极大的局部高温火核,煤粉颗粒通过该等离子体火核时,在千分之一秒内迅速释放出挥发物,再造挥发份,并使煤粉颗粒破裂粉碎,从而迅速燃烧。
由于反映是在气固两相流中进行,高温等离子体使混合物发生了一系列物理化学变化,近而使煤粉的燃烧速度加快,达到点火并加速煤粉燃烧的目的,大大的减少了促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。
1.2等离子发生器工作原理
本发生器为强磁场控制下的空气
载体等离子发生器。
它由线圈、阴极
、阳极组成,其中阴极和阳极由高导
电率高导热率及抗氧化的特殊材料制成,以承受高温电弧冲击。
线圈在高温情况下具有抗直流高电压击穿能力。
电源采用全波整流并举有恒能性能,其发火原理为:
在一定输出电流条件下,当阴极3前进同阳极2接触后,系统处在短路状态,当阴极缓缓离开阳极时产生电弧,电弧在线圈磁场的作用下被拉出喷管外部。
压缩空气在电弧的作用下,被电离为高温等离子体,为点燃煤粉创造了良好条件。
设计中等离子点火装置的阴极进退执行机构的控制、电弧电功率的控制,冷却风、冷却水的监视均由同一个计算机控制系统完成。
2机组设备概况
西柏坡发电有限责任公司一、二期工程安装了4台300MW燃煤汽轮发电机组。
本期工程计划安装4×600MW超临界燃煤汽轮发电机组。
本次2×600MW燃煤汽轮发电机组锅炉为超临界参数变压运行直流炉,单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。
燃用神华烟煤、晋北烟煤。
锅炉运行方式:
带基本负荷并参与调峰。
制粉系统:
采用中速磨直吹式制粉系统,每炉配6台磨煤机(5台运行,1台备用),煤粉细度按200目筛通过量为75%,煤粉的均匀系数为1.1。
锅炉的主要设计参数见下表:
B-MCR
BRL
过热蒸汽:
最大连续蒸发量
t/h
1950
1852.4
额定蒸汽压力
MPa.g
25.41
25.28
额定蒸汽温度
℃
543
543
再热蒸汽:
蒸汽流量
t/h
1643.5
1557.6
进口/出口蒸汽压力
MPa.g
4.650/4.460
4.406/4.226
进口/出口蒸汽温度(B-MCR)
℃
300/569
296/569
给水温度
℃
283
280
2.1煤质
项目
符号
单位
设计煤种
(神华烟煤)
校核煤种1
(神华烟煤)
校核煤种2
(晋北烟煤)
收到基全水分
Mar
%
14.50
13~15
10.72
空气干燥基水分
Mad
%
7.1
6~10
收到基灰分
Aar
%
7.27
3~8.6
19.77
收到基碳
Car
%
63.94
61~65
55.56
收到基氢
Har
%
3.11
3.3~4.2
3.86
收到基氮
Nar
%
0.62
0.7~1.1
0.90
收到基硫
Sar
%
0.45
0.26~0.68
0.63
收到基氧
Oar
%
10.11
9.3~12.1
8.56
无灰干基挥发分
Vdaf
%
32.15
33~40
32.31
可磨系数(最低)
HGI
62
53
灰变形温度
DT
℃
1,100
1050~1150
1110
最低灰熔点
ST
℃
1,150
1100~1200
1190
灰半球温度
HT
℃
1,170
1110~1250
灰流动温度
FT
℃
1,210
1150~1300
1270
2.2燃烧系统
本锅炉燃烧系统配用B&W公司研制的煤种适应性优良的超低NOx的DRB-4ZTM型双调风旋流燃烧器,并设有16支OFA喷口,前、后墙对冲布置。
燃烧器布置在前、后墙的大风箱中。
前、后墙上各布置三层燃烧器,燃烧器处在同一个环行大风箱中,16支OFA喷口处在另一个环行大风箱中,环行大风箱共二个。
燃烧器每层在前、后墙上各布置六台,共36台燃烧器。
同墙、同层的六台燃烧器由同一台磨煤机供应煤粉。
燃烧器的结构见下图所示:
图1DRB-4ZTM型双调风旋流燃烧器结构示意图
油燃烧器的总输入热量为20%B-MCR,单只油燃烧器燃油量为800kg/h。
点火系统能满足程序控制,点火方式为高能电火花点燃轻油,然后点燃煤粉。
油燃烧器采用机械雾化方式,保证燃油雾化良好,燃烧完全。
每只油燃烧器卖方另外提供一个Q=600kg/h的雾化片。
3等离子煤粉点火系统的设计方案
根据西柏坡三期工程中锅炉燃烧器的特点,经过各方讨论,最终确定的改造方案为:
将锅炉前墙B层磨煤机对应的6支燃烧器同时改造为等离子点火煤粉燃烧器,这样改造的优点为锅炉及磨煤机在点火过程中的控制方式比较简单,等离子点火燃烧器的整体出力调节范围较宽,锅炉启动过程中可以取得较好的节油效果。
3.1等离子煤粉点火装置的设计
3.1.1等离子点火煤粉燃烧器的设计
基于等离子改造对锅炉的性能影响最小同时要求改造工作量最小的原则,我们提出了等离子点火燃烧器的改造方案,其结构如下图所示:
图3等离子点火燃烧器方案示意图
由于锅炉原有的DRB-4ZTM型双调风旋流燃烧器的一次风在燃烧器中心且没有旋流,本设计方案中将原燃烧器的一次风内筒从后端面向后整体拆除,替换为等离子点火燃烧器。
该燃烧器后端与一次风弯头相连,前端与原燃烧器平齐。
经过改装的弯头上装有等离子发生器,产生的等离子体通过长杆型的等离子体输送装置送到前端的点火位置,煤粉在这里被逐级点燃后喷入炉膛。
一次风弯头及燃烧器入口尺寸是经过仔细核算的,其通流面积与原燃烧器基本相同,以保证燃烧器阻力、一次风流速与原燃烧器相同;等离子点火燃烧器内部为两层中心筒套装的结构,不会对煤粉气流造成扰动,其通流面积与原燃烧器相同;原燃烧器的内、外二次风的旋流页片在结构上不做任何改动,其运行方式也保持不变。
在锅炉点火启动阶段,等离子电弧可将通过燃烧器的煤粉直接点燃,喷入炉膛的是正在燃烧的煤粉;在锅炉高负荷运行阶段,等离子发生器停止工作,燃烧器仍按原设计的运行方式工作,此时一次风煤粉仍以直流方式喷入炉膛,且喷口处的一次风速与原燃烧器完全相同,内外旋流二次风的结构没有任何变化,所以在高负荷阶段,改造后的燃烧器各项性能(阻力、风速、喷口处流场分布等)与原燃烧器基本相同。
原DRB-4ZTM型双调风旋流燃烧器一次风筒内的煤粉均流器将被拆除,这将会影响到一次风内部的煤粉均匀性,我们在设计时将在燃烧器入口弯头内部加装煤粉导向、均流装置,以尽量消除此项结构变化的影响。
等离子点火燃烧器的一级、二级中心筒均利用其外层的冷一次风进行冷却,以保证燃烧器的安全运行。
燃烧器本体的材质选用耐热钢,可耐受1000℃以上的高温,在其局部关键部位安装有热电偶,供运行人员监视燃烧器的运行情况,防止燃烧器超温、结焦。
燃烧器中心的等离子电弧输送筒采用防磨损结构设计,其运行寿命可满足锅炉检修周期的要求。
等离子点火燃烧器的设计结构遵循先试验后工程的原则,在出厂前将在烟台龙源公司进行1:
1的热态点火试验,点火成功后再运至现场安装。
等离子点火燃烧器初步设计参数见下表:
序号
名称
单位
结果
备注
1
一次风管风速
m/s
18~30
点火状态
2
一次风温
℃
60
3
一次风量
t/h
17.2~20.6
4
煤粉量
t/h
4.0~7.0
5
煤粉浓度
kg/kg
0.25~0.4
6
喷口风速
m/s
60~68
喷口温度按1000℃
7
内环二次风速
m/s
23.9
8
外环二次风速
m/s
41.9
3.1.3等离子发生器的设计方案
等离子发生器采用本公司的定型产品,已应用于盘山发电厂、托克托一期、托克托二期、大同发电有限责任公司、镇江发电厂、军粮城电厂等近百台大型机组,性能可靠,运行稳定。
同时,针对DRB-4ZTM型双调风旋流燃烧器的结构特点,点火器前端采用了烟台龙源公司开发的拥有多项专利技术的等离子体输送装置,它可以通过狭长的管道将高度压缩的等离子体输送到燃烧器的点火位置,解决了旋流燃烧器结构设计上的难题。
等离子体输送管采用防磨损设计,可以耐受一次风煤粉气流的冲刷磨损,其运行寿命可以满足锅炉检修周期的要求,同时等离子发生器及输送管可从燃烧器后端整体拆除,维护、检修十分方便。
等离子发生器的阴极采用长寿命阴极,其保证的运行寿命为50小时,在托电一期的实际运行寿命可达80~100小时。
在控制系统增加了阴极寿命预测系统,可在阴极失效前报警,便于运行、检修人员及时更换。
图4阴极烧损质量与时间的曲线
以上设计的实施,不仅使阴极的使用寿命进一步延长,而且方便运行检修,可操作性增强,从而使设备的可靠性大大提高。
3.3电气系统设计
每套等离子点火装置的供电设备包括1台隔离变压器和1台电源控制柜,单台等离子点火装置电源控制设备的性能参数见下表:
序号
名称
单位
参数
1
电源及控制装置
额定电源电压
V
380-5%+10%
最大输入功率
KVA
200
最大输出直流电压(DC)
V
375
最大输出直流电流(DC)
A
400
正常工作电压范围(DC)
V
250-360
正常工作电流范围(DC)
A
290-320
适用频率范围
Hz
45-65
运行环境温度
℃
0-40
防护等级
IP20
隔离变压器绝缘等级
F级
2
电功率
最低输出功率
KW
50
最大输出功率
KW
150
额定输出功率
KW
85-110
现场每台锅炉需要安装6台隔离变压器和6台电源控制柜。
现场为每台锅炉的等离子点火系统提供6路380VAC/150KVA电源,电源的总容量为900KVA。
另外,电厂需要为2台冷却水泵和2台火检冷却风机提供电源。
等离子电气系统的具体电源取向和设备布置位置由河北电力设计院最终设计确定。
3.4磨煤机冷炉制粉方案设计
采用直吹式制粉系统的锅炉在安装等离子点火系统时所要解决的首要问题就是煤粉的来源问题。
本方案采用本炉制粉,其系统简单、运行方便,关键是解决制粉用热风的来源问题。
根据西柏坡发电厂三期机组的实际情况,同时借鉴其他工程的成功经验,本设计中采用在B磨煤机入口热风管道加装蒸汽加热器的方案。
加热器布置方案如下图所示:
图5:
蒸汽加热器布置图
蒸汽加热器的汽源取自厂用高压辅助蒸汽,参数为1.3MPa(绝压)、320℃。
加热器设计的进口空气温度为30℃,出口可加热至160~170℃。
工程中磨煤机入口冷风管道上原设计只有一个φ630的冷风调节挡板,在锅炉冷态启动初期,此调节挡板的漏风会降低磨入口风温影响磨煤机的启动。
为在锅炉冷态启动时等离子点火系统运行期间保证磨入口风温,本方案要求在B磨入口冷风管道上增加一道电动关断挡板。
电动关断挡板的控制应在DCS中实现。
3.5控制系统与FSSS、DCS接口设计
3.5.1等离子点火系统的控制方案
等离子点火系统自身设有一套控制系统,其控制主机采用西门子S7-300可编程控制器为核心,S7-300与各电源柜之间为数据通讯,操作界面为设于集控室内的一台10.4”工业液晶触摸屏,运行人员在此进行启弧、停弧、功率调节、参数设置等操作。
等离子点火系统中的冷却水泵、火检冷却风机的控制也在此触摸屏上完成。
3.5.2锅炉FSSS逻辑修改
锅炉进行等离子点火系统改造后,需对原FSSS系统进行部分逻辑修改,以满足锅炉利用等离子点火系统启动的要求。
结合机组特点,建议对FSSS逻辑进行如下修改:
●在FSSS中设计B磨煤机“正常运行模式”与“等离子运行模式”两种运行模式,并可相互切换,从而实现磨煤机FSSS逻辑切换功能;
●“正常运行模式”运行时,B磨煤机维持原有的FSSS逻辑;
●由S7-300送6个接点信号给锅炉DCS系统,分别代表6台等离子点火器运行正常,“等离子运行模式”运行时,B磨煤机FSSS启动条件中增加6台等离子点火器运行正常的条件,同时略去点火能量满足的条件;
●在主控室光字牌上增加“等离子点火装置故障”信号,任一角等离子点火装置异常时,S7-300送信号至光字牌发声光报警;
●任一角等离子点火装置异常时,DCS自动投入断弧燃烧器对应的油枪;
●当B磨在“等离子运行模式”下运行时,任意两角等离子装置工作故障,联锁停B磨煤机,此逻辑在FSSS中由6个等离子点火器运行信号判别;
●当B磨在“等离子运行模式”运行时,B磨煤机跳闸,联锁等离子点火器跳闸;
●锅炉MFT时,等离子点火器应跳闸,并禁启;
●B磨煤机运行时,B层燃烧器的火焰保护仍采用锅炉原有的火检装置,炉膛灭火保护逻辑不变。
等离子点火系统的各项控制均在S7-300控制器内部完成,与锅炉DCS的接口仅包含少量的DI/DO点,清单如下:
●DCS输出信号:
MFT信号
B磨煤机跳闸信号
●等离子点火系统输出信号:
等离子点火器运行信号共6点
等离子点火系统故障报警信号送光字牌
3.6等离子煤粉点火辅助系统设计
3.6.1辅助系统设计的内容
辅助系统设计的内容包括四部分:
1)压缩空气系统的设计
2)冷却水系统的设计
3)图像火检监测系统的设计
4)一次风风速测量在现监测系统的设计
3.6.2压缩空气系统的设计
等离子发生器采用稳压、洁净、干燥的空气作为等离子载体。
根据电厂压缩空气系统的配置情况,可利用电厂的杂用压缩空气系统为等离子发生器供气。
压缩空气系统设计的主要参数如下:
Ø最低气压:
0.1Mpa(调节阀后0.05Mpa);
Ø最高气压:
0.4Mpa;
Ø空气压力调节范围:
0.12~0.3Mpa
Ø消耗量(单台等离子发生器):
150Nm3/h
Ø含油量:
小于10mg/m3(空气)
3.6.3冷却水系统的设计
为保护等离子装置本身,需用水冷却阴、阳极和线圈。
单个燃烧器用水量为10t/h,其中线圈用水采用无压回水(出口为大气压);出入口压差不小于0.2Mpa。
冷却水采用除盐化学水,经母管分别送至就地点火发生器内,再分三路分别送入线圈和阴、阳极,就地安装压力表、压力开关和手动阀,压力满足信号送回主控PLC。
冷却水系统设计的基本参数如下:
Ø最小压力:
0.20Mpa
Ø正常压力:
0.4Mpa
Ø最大压力:
0.5Mpa
Ø最大流量:
10t/h
Ø等离子发生器冷却水差压0.2~0.3Mpa
Ø水质要求:
除盐水,温度≤40℃
冷却水水源取自锅炉除盐水补水箱,回水返回除盐水箱。
冷却水系统的所有管材、阀门、泵壳、叶轮均选用不锈钢,不会对水箱的水质造成影响。
在锅炉固定端0m安装2台冷却水泵。
3.6.4图像火检监测系统的设计
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,在经过改造的等离子点火燃烧器上各安装1套图像火检装置。
具体方案为在燃烧器后端面的窥视孔位置安装一支图像火检探头,探头套管沿外旋流二次风风室一直向前延伸到燃烧器前端面。
探头套管的前端内部安装有CCD摄像机,其视频信号送至集控室内九画面分割器,经处理后送到全炉膛火焰电视,运行人员可在点火初期同时监视六个等离子点火燃烧器的火焰,并可以随时切换至全炉膛火焰。
图像火检探头的安装位置见下图:
图6图像火检探头安装示意图
由于现场原有的火检冷却风容量有限,需要增加2台火检冷却风机为6支图像火检探头提供冷却风。
在等离子点火器停止工作以后,压缩空气系统停止供气,图像火检冷却风系统将同时为等离子点火器供冷却风。
3.6.5一次风风速测量系统的设计说明
为便于等离子煤粉燃烧器煤粉浓度、速度的控制,在进行改造的磨煤机出口六根一次风管上各安装一套风速在线监测装置,用于在线监测磨出口一次风速,方便运行人员进行燃烧调整。
一次风速系统设计见下图。
图7一次风速系统设计图
由靠背管产生差压信号,通过取压管将压力信号传入差压变送器,为防止取压管堵粉,接入压缩空气吹扫,由2个三通电磁阀进行吹扫和正常测量切换。
在压缩空气总管设置调节阀调整和稳定压缩空气压力。
整个系统的控制通过安装于主控室的PLC完成,显示和控制通过10.4”触摸屏完成。
3.6设计界限及供货范围
烟台龙源公司负责等离子点火系统内部的设计及供货工作,与现场的接口位置如下:
1、燃烧系统:
煤粉燃烧器入口弯头(含)以后的所有设备。
2、电气系统:
隔离变压器进线端以后等离子点火系统范围内的所有电气设备及电缆,并提供相关的保护定值整定参数;冷却水泵、火检冷却风机控制柜进线端以后的设备及电缆。
3、冷却水系统:
锅炉500m3除盐水箱以后的所有设备及管材。
4、压缩空气系统:
炉前压缩空气母管以后的所有设备及管材。
5、图像火检系统:
从图像火检探头至主控室工业电视之间的所有设备及电缆。
6、控制系统:
等离子点火设备内部控制所需的所有设备,同时负责将DCS所需的信号送至DCS进线端子。
7、冷炉制粉系统:
磨煤机入口热风加热器,空气侧包括风道进出口法兰,蒸汽侧包括从厂用蒸汽母管至疏水排放点之间的阀门及管材。
单台锅炉等离子点火系统的设备清单如下:
序号
设备名称
规格或型号
数量
备注
1
等离子点火器装置及其控制系统
等离子点火器
DLZ-200
6台
电源控制柜
ZLG-200
6台
隔离变压器
ZSG-380/380
6台
燃烧器
DLZ-200-tkt
6台
点火器就地控制箱
6套
控制系统(PLC及触摸屏)
1套
2
冷炉制粉系统
蒸汽加热器
1套
一次风速在线测量装置
6套
DN600插板风门
1只
管道、仪表及阀门
满足系统要求
3
冷却水系统
冷却水泵
2
含控制箱
冷却水管道、仪表及阀门
满足系统要求
4
压缩空气管道、仪表及阀门
满足系统要求
5
图像火检
6套
包括图像火检探头、九画面分割器等
火检冷却风机
2
含控制箱
管道、仪表及阀门
满足系统要求
6
电缆(动力及信号电缆)
满足现场需要
4运行方式说明
4.1运行方式选择的原则
1)运行方式的选择要以保证锅炉的安全为首要出发点。
2)对应大型直吹式制粉系统锅炉,运用等离子煤粉点火技术不强求实现完全无油启动,而以省油为目的。
4.2运行方式说明
锅炉的燃烧系统在进行了等离子点火装置及制粉系统的改造后,西柏坡发电厂三期的磨煤机为ZGM113N型中速辊式磨煤机,最小出力为15.88t/h,具备了冷态直接点燃煤粉、实现无油点火启动的能力。
此后,机组可利用等离子点火燃烧器完成汽轮机冲转、发电机并网等工作,此期间油枪可部分或全部退出运行,锅炉不再消耗燃油。
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