馮文會王天龍

(1.河北華電石家莊鹿華熱電有限公司,河北 石家莊 050200;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

1 概述

河北華電石家莊鹿華熱電有限公司1號鍋爐為π型汽包鍋爐,其蒸發(fā)量為1 170 t/h,采用單爐膛、平衡通風(fēng)、干式排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu),為亞臨界壓力、采用自然循環(huán)、一次中間再熱方式鍋爐。該鍋爐設(shè)計為中儲式制粉系統(tǒng),配置低速筒式鋼球磨煤機(jī),采用熱風(fēng)干燥送粉方式。燃燒器采用水平濃淡寬調(diào)節(jié)比(WR)燃燒器,爐膛燃燒方式為四角布置切向燃燒方式。

鍋爐設(shè)計煤種為50%晉中貧煤和50%晉中無煙煤的混煤。燃燒器每角共裝設(shè)16只噴嘴,由6只煤粉噴嘴,8只二次風(fēng)噴嘴1只OFA 噴嘴和2只三次風(fēng)噴嘴組成。在每個煤粉噴嘴周圍布置由二次風(fēng)組成的周界風(fēng)。低氮燃燒器改造后在鍋爐各燃燒器頂部標(biāo)高33.3 m 處布置兩層下部燃盡風(fēng)噴嘴(BAGP1、BAGP2),標(biāo)高37.5 m 處布置兩層上部燃盡風(fēng)噴嘴(UAGP1、UAGP2)。在燃燒器二次風(fēng)室中配置3 層共12 支油槍,按鍋爐30% MCR 工況設(shè)計,每只油槍的最大出力1.75 t/h。

鍋爐采用的大油槍燃油點火系統(tǒng),在機(jī)組全冷態(tài)整體啟動時平均消耗燃油量約60 t,較同類機(jī)組的燃油單耗明顯偏高,經(jīng)濟(jì)性較差。同時,未燃盡的油滴附著在脫硝選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)催化劑、空氣預(yù)熱器蓄熱元件和靜電除塵器電極上,影響這些設(shè)備的性能發(fā)揮;因在鍋爐啟動時燃油期間無法投運(yùn)靜電除塵器,容易造成脫硫石膏漿液嚴(yán)重污染,增加了石膏漿液的置換量和時間[1]。

2 大功率等離子點火系統(tǒng)改造方案

等離子燃煤點火技術(shù)的發(fā)展和大功率等離子點火技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合,突破了現(xiàn)有大型燃煤電廠等離子點火系統(tǒng)無法點燃貧煤、褐煤、難燃煤種的瓶頸,值得在其他火力發(fā)電新建或改造機(jī)組上推廣應(yīng)用[2]。THPI-300/600 型大功率等離子發(fā)生器已在國內(nèi)某電廠點燃空氣干燥基揮發(fā)分為12%～16%的貧煤,在襄陽電廠也點燃了貧煤與煙煤的混合煤[3],因此該點火系統(tǒng)對貧煤煤質(zhì)的具有一定的適應(yīng)性。本次改造對鹿華公司1號鍋爐A 層加裝THPI-300/600-01 型大功率等離子點火裝置,其點火功率在160～350 k W 范圍內(nèi)可連續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié),可以達(dá)到使設(shè)備性能優(yōu)化、提高裝置點火效果和節(jié)約燃油的目的。

具體改造的施工方案為:在1號鍋爐A 層配置4套等離子體煤粉點火設(shè)備,將A 層原有的煤粉燃燒器拆除,更換為4套全新的等離子點火煤粉燃燒器,同時配備等離子發(fā)生器及附屬配套設(shè)備,增加相應(yīng)的供配電系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。其中由含隔離變壓器、等離子體電源柜、電抗器等組成供配電系統(tǒng),由圖像火檢系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成電氣控制系統(tǒng),由壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)組成輔助系統(tǒng),其基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 等離子體煤粉點火及穩(wěn)燃裝置基本構(gòu)成

等離子體發(fā)生器工作原理如圖2所示,利用等離子發(fā)生器產(chǎn)生直流電將壓縮空氣氣體電離,產(chǎn)生直流空氣等離子體,該等離子體功率穩(wěn)定,可定向流動,在燃燒器的一級燃燒筒中形成溫度大于4 000 K、梯度極大的局部高溫區(qū),該等離子體“火核”將煤粉顆粒進(jìn)行高溫加熱,能在極端時間內(nèi)(3～10 s)迅速將煤粉顆粒的揮發(fā)分釋放,同時破裂粉碎煤粉顆粒,釋放出的揮發(fā)分被迅速點燃,揮發(fā)分燃燒后釋放出大量熱量,從而點燃煤粉中的碳顆粒,達(dá)到著火燃燒的目的。

圖2 等離子體發(fā)生器工作原理

點火過程中煤粉的著火溫度直接影響因素是煤粉濃度和煤粉揮發(fā)分含量。適當(dāng)提高煤粉揮發(fā)分有利于點火成功,鹿華公司的中儲式制粉系統(tǒng)在點火前可制備較高揮發(fā)分的煤粉用于點火來增加點火可靠性,但煤粉揮發(fā)分受電廠燃用煤質(zhì)固化影響可調(diào)節(jié)程度不高,因此煤粉濃度成為點火過程需要控制的另一個關(guān)鍵因素。合適的煤粉濃度對點火成功非常有利,過高的煤粉濃度會導(dǎo)致燃燒氧量不足,且容易帶走點火初期的熱量,過低的煤粉濃度也不利于積累點火熱能,因此鹿華公司通過在等離子燃燒器前一次風(fēng)管上加裝可調(diào)節(jié)開度的一次風(fēng)調(diào)門來控制一次風(fēng)風(fēng)速,通過調(diào)節(jié)給粉機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整給煤粉的量,可以較好的改變進(jìn)入點火區(qū)煤粉濃度分布,調(diào)整煤粉濃度在合理范圍內(nèi)。

等離子點火裝置采用雙模式運(yùn)行方式,在鍋爐點火啟動階段,等離子體發(fā)生器作為點火熱源投入運(yùn)行,發(fā)揮點火功能。在鍋爐正常運(yùn)行時,等離子燃燒器可作為主燃燒器使用,等離子發(fā)生器退出運(yùn)行作為助燃備用。因為改造后的燃燒器外形尺寸及風(fēng)粉混合氣流特性與原設(shè)計的煤粉燃燒器特性基本一致,所以不影響鍋爐的正常運(yùn)行,將對鍋爐燃燒的影響降至最低。這種改造方式大大減少了現(xiàn)場工作量,且降低了等離子設(shè)備對鍋爐和磨煤機(jī)在點火過程中的控制要求,在鍋爐啟動過程中可以取得較好的節(jié)油效果。等離子體點火燃燒器的主要性能參數(shù)為供粉量2～15 t/h,一次風(fēng)溫160℃,一次風(fēng)速18～27 m/s,燃燒器壁面溫度≤600 ℃,燃燒器阻力≤800 Pa。使用的煤質(zhì)指標(biāo)為:空干基水分(Mad)1.25%,空干基灰分(Aad)35.49%,干燥基灰分(Ad)35.94%,空干基揮發(fā)分(Vad)11.58%,干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)18.31%,空氣干燥基固定碳(FC,ad)51.68%,弾筒發(fā)熱量(Qb,ad)21.04 kJ/g。

3 等離子點火系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的問題

由于大功率等離子點火系統(tǒng)在330 MW 低揮發(fā)分貧煤機(jī)組鍋爐上的運(yùn)行經(jīng)驗較少,在初次使用等離子點火裝置過程中存在煤粉燃燒情況不佳的問題,且在后續(xù)使用中冷卻水流量低、電弧斷弧、燃燒器壁溫高等問題頻發(fā),鹿華公司對以上問題逐一進(jìn)行了分析和解決。

3.1 首次點火啟動時煤粉燃燒不穩(wěn)

改造完成后在機(jī)組首次啟動調(diào)試時,該等離子燃燒器的燃燒效果不佳,火焰明亮程度未達(dá)到實驗室的效果,火焰狀態(tài)不穩(wěn)定。判斷為風(fēng)粉分布的均勻性較差,改造時只對原煤粉燃燒器進(jìn)行了更換,對煤粉管道內(nèi)的風(fēng)粉流場未做分析,導(dǎo)致燃燒器前一次風(fēng)管道布置不合理,煤粉濃度的均勻性較差。

解決方案為:重新對等離子點火燃燒器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,從結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)了對煤粉的濃縮效果。同時,為了提高等離子燃燒器入口煤粉的均勻性,將燃燒器彎頭前膨脹節(jié)移至下端的水平煤粉管道上,增加了風(fēng)粉混合的時間,提高風(fēng)粉混合的均勻性,改造后的燃燒效果達(dá)到預(yù)期效果,燃燒狀態(tài)穩(wěn)定,火焰明亮。

3.2 冷卻水流量低報警

當(dāng)3臺以上機(jī)組等離子運(yùn)行時,間歇性發(fā)“504水流量低”,經(jīng)常引起等離子斷弧。首先在1號角和4號角等離子點火裝置上屏蔽了水流量開關(guān)信號,但是當(dāng)3臺以上機(jī)組等離子運(yùn)行時,該故障依舊存在。經(jīng)分析直流柜接線邏輯,初步懷疑“氣源壓力低”也可以觸發(fā)此類報警。故將1號角和4號角等離子點火裝置的氣源壓力開關(guān)短接,此后1號角和4號角未出現(xiàn)此類報警,2號角和3號角也出現(xiàn)此類報警,為驗證是否為氣源壓力低問題,故只將2號角和3號角的氣源壓力開關(guān)短接,在以后的運(yùn)行中均未出現(xiàn)“水流量低”故障。通過以上處理措施,可以判定導(dǎo)致“水流量低”故障的真正原因是“氣源壓力低”。

解決方案為:本次改造引用的壓縮空氣氣源為機(jī)組灰用壓縮空氣,該氣源在輸灰泵工作時壓力存在波動,導(dǎo)致氣壓不滿足等離子點火裝置運(yùn)行需要,因此將灰用壓縮空氣氣源改為氣壓相對穩(wěn)定的儀用壓縮空氣,同時對直流柜進(jìn)行部分控制線路的整改及PLC 邏輯更新,使水流量及氣壓節(jié)點判斷更精準(zhǔn),并修改跳閘邏輯,增加延時跳閘條件,在壓縮空氣氣壓低于下限5 s后再觸發(fā)跳閘條件。

3.3 電弧斷弧

為保證大功率等離子點火設(shè)備的功率及穩(wěn)定性,電壓要維持在450～500 V 附近,其陰陽極間隙要求比較高,大約控制在1.2 mm 附近。此次頻繁報“運(yùn)行斷弧”時,等離子運(yùn)行電壓普遍在400 V上下,后調(diào)大陰陽極間隙后,等離子運(yùn)行電壓提升到450 V 以上后趨于穩(wěn)定,再未出現(xiàn)“運(yùn)行斷弧”。

解決方案為:對等離子現(xiàn)有高頻點火器進(jìn)行改造,新的點火系統(tǒng)既保證了較大間隙時等離子的起弧成功率,也保證了等離子運(yùn)行時的穩(wěn)定。同時,加強(qiáng)點火裝置陰陽極的表面打磨清理,每次使用完等離子點火裝置后應(yīng)將陰陽極進(jìn)行打磨處理,確保設(shè)備的良好備用。

3.4 燃燒器壁溫高

等離子燃燒器壁溫有時達(dá)到800 ℃以上,經(jīng)檢查一級筒內(nèi)有輕微結(jié)焦現(xiàn)象,處理完畢后,壁溫基本可控制在700～750 ℃,經(jīng)停運(yùn)后檢查便無結(jié)焦現(xiàn)象。

解決方案為:嚴(yán)格控制壁溫在600～750 ℃,如長時間壁溫控制800 ℃以上,易出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。壁溫控制可通過以下途徑來實現(xiàn):

a.提高一次風(fēng)速:一般每次調(diào)整2 m/s左右,觀察壁溫的變化情況;

b.降低等離子發(fā)生器功率:當(dāng)風(fēng)速手段使用后,還可考慮降低等離子發(fā)生器功率來控制壁溫,即修改操作畫面上的“等離子設(shè)定電流”,可根據(jù)需要調(diào)低至400 A;

c.降低給粉機(jī)轉(zhuǎn)速或停運(yùn)給粉機(jī)進(jìn)行吹掃:從近幾次啟動經(jīng)驗看,采用提高一次風(fēng)速及降低等離子發(fā)生器功率的手段便可較好控制壁溫,如仍未控制,則可考慮降低給粉機(jī)轉(zhuǎn)速或停運(yùn)給粉機(jī)吹掃(吹掃5～10 min)方式。如果壁溫采取各種手段無法控制下來,則需及時停運(yùn)檢查燃燒器內(nèi)是否有結(jié)焦現(xiàn)象,如有結(jié)焦現(xiàn)象需及時進(jìn)行除焦處理。

4 等離子點火裝置的優(yōu)化措施

a.等離子點火在冷爐初期升溫升壓速度較慢,因此采用等離子點火的時間較大油槍點火時間需提前3 h,以便留出充足的鍋爐升溫升壓時間。

b.應(yīng)及早投入等離子暖風(fēng)器,暖風(fēng)器將風(fēng)溫從常溫加熱至130～140 ℃至少需30 min。

c.初期等離子點火的參數(shù)控制:等離子發(fā)生器功率300 k W,給粉機(jī)轉(zhuǎn)速300～350 r/min,風(fēng)溫130～140 ℃。

d.隨著風(fēng)速的增加,火焰穩(wěn)定性、連續(xù)性變差[4],因此點火過程中要及時記錄機(jī)組啟動時各等離子裝置投入的一次風(fēng)速和給粉機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)生器功率等參數(shù),找到最佳匹配發(fā)生器功率的一次風(fēng)粉濃度,并在點火的過程中,根據(jù)煤粉著火情況,有根據(jù)的加以調(diào)整。投粉前風(fēng)速控制在18 m/s(給粉機(jī)畫面風(fēng)速),投粉后根據(jù)著火及壁溫情況可提高至20～22 m/s。

e.當(dāng)出現(xiàn)A 層風(fēng)速非操作下降趨勢明顯且壁溫高于750 ℃,需及停運(yùn)對應(yīng)給粉機(jī),抽出等離子發(fā)生器,檢查等離子燃燒器內(nèi)是否有結(jié)焦現(xiàn)象,如有必須及時清除。同時,每次等離子點火后應(yīng)及時檢查等離子燃燒內(nèi)是否有結(jié)焦現(xiàn)象。

f.燃燒器按照三級燃燒筒進(jìn)行設(shè)計,高溫部位使用的是特種耐熱鑄鋼,采用整體澆注的制造方式,這種耐熱鋼可耐受1 200 ℃的高溫,可以在600 ℃下長期運(yùn)行。本次改造設(shè)有溫度監(jiān)視測點,布置在二、三級燃燒筒壁面,為監(jiān)視燃燒器壁溫提供依據(jù)。在使用過程中應(yīng)根據(jù)燃燒器壁溫變化及時進(jìn)行運(yùn)行方式調(diào)整和控制,當(dāng)壁溫運(yùn)行到500 ℃時及時向值班員發(fā)出報警信號,當(dāng)壁溫達(dá)到600 ℃并繼續(xù)上升時,應(yīng)采取有效的措施控制?？梢来尾扇〗档桶l(fā)生器功率、降低一次風(fēng)風(fēng)速、降低給粉機(jī)轉(zhuǎn)速、停止等離子發(fā)生器運(yùn)行、停止燃燒器運(yùn)行并通風(fēng)冷卻的方式控制燃燒器壁溫。

5 結(jié)束語

通過對大功率等離子點火裝置在貧煤機(jī)組上的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié),及時優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)措施,可以解決等離子點火裝置在運(yùn)行中存在部分問題,提高使用大功率等離子點火裝置的可靠性,優(yōu)化鍋爐啟、停過程。同時,通過優(yōu)化設(shè)備系統(tǒng),可促進(jìn)大功率等離子點火裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。