王映奇

（山西世紀中試電力科學技術(shù)有限公司，山西太原 030001）

0 引言

2020年9月22日，中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！敝卫泶髿馕廴究滩蝗菥?，能源的清潔利用及高效利用成為環(huán)境治理的重要途徑[1]。

目前大型循環(huán)流化床鍋爐均采用床上點火、床下點火和聯(lián)合點火3種方式[2]，點火燃料一般采用0號輕柴油，燃燒后會產(chǎn)生大量的SO2、NOx等污染性氣體。在油槍霧化不良的情況下，極易發(fā)生床面結(jié)焦，而且未燃燼的燃油會隨著煙氣流動進入空預器、布袋除塵器，造成極大的安全隱患。

天然氣作為一種清潔、環(huán)保型優(yōu)質(zhì)能源，其主要由甲烷（85%）和少量乙烷（9%）、丙烷（3%）組成，發(fā)熱量一般可達到35 000～40 000 kJ/m3[3]，可以替代燃油用做循環(huán)流化床鍋爐啟動過程中的燃料。天然氣點火系統(tǒng)操作方便，燃燼率高，充分燃燒產(chǎn)物為二氧化碳和水，能從根源上有效降低污染物的排放；運行和維護費用僅為柴油點火費用的30%，對于新建電廠，可以節(jié)約上千萬元的初始投資和運行維護費用[4]；同時,燃燒產(chǎn)生的二氧化碳少于柴油，造成溫室效應低，有利于減少碳排放，是一種實現(xiàn)“碳中和”目標的重要手段。

1 設備及系統(tǒng)簡介

山西某電廠鍋爐為上海鍋爐廠自主研發(fā)的型號為SG-1198/25.7-M4606的350 MW級超臨界循環(huán)流化床鍋爐[5]。鍋爐點火采用床上、床下聯(lián)合點火方式，燃料采用天然氣。天然氣組成成分：φ（CH4）為94.011%，φ（C2H6）為3.185 4%，φ（C3H8）為0.454 1%，φ（i C4H10）為0.075 7%，φ（n C4H10）為0.081 3%，φ（i C5H12）為0.034 1%，φ（n C5H12）為0.015 2%，φ（C6+）為0.105 7%，φ（總烴）97.961%，相對密度為0.598 6，臨界溫度為197.24 K，φ（He）為0.029 6%，φ（H2）為0.013 1%，φ（N2）為0.214 1%，φ（CO2）為1.783 1%，ρ（H2S）為0 mg/m3，ρ（總硫）為0 mg/m3，密度為0.720 7 g/L，臨界壓力為4.653 MPa，高位發(fā)熱量37.84 MJ/m3，低位發(fā)熱量34.13 MJ/m3。

本廠天然氣氣源接自昆侖燃氣公司燃氣站，天然氣點火系統(tǒng)分為床上和床下兩部分，床上前墻布置4支氣槍，左右墻各2支氣槍，共8支氣槍。每臺床上燃燒器的額定出力為2 000 m3/h。每臺床上燃燒器由組合點火氣槍及其氣動推進裝置、主氣噴槍及其氣動推進裝置、穩(wěn)燃裝置等組成。組合點火氣槍由高能點火槍和點火氣槍組成。

床下后墻每個風道上配1臺風道燃燒器，共4支氣槍。每臺風道燃燒器的額定出力為600 m3/h。每臺風道燃燒器由1支點火槍及其氣動推進裝置、1支點火氣槍和1支主氣噴槍、1個穩(wěn)燃裝置、風道燃燒器殼體及3個可調(diào)節(jié)擋風板等組成。主氣噴槍燃氣噴出方向與風道內(nèi)風的流動方向一致，主氣噴槍安裝在旋流式穩(wěn)燃罩中心，穩(wěn)燃罩用于穩(wěn)定火焰。

2 天然氣點火系統(tǒng)存在的問題及分析

2.1 點火困難且著火穩(wěn)定性差

山西某電廠天然氣母管設計壓力為0.4 MPa，工作壓力為0.36 MPa，床下燃燒器采用XRF-11-6100M型風道燃燒器，床上燃燒器型號為XRQ-21-20000A型，用于低負荷時穩(wěn)定燃燒。在調(diào)試期間，床上、床下燃燒器均存在“脫火”現(xiàn)象，燃燒器著火20 s左右，火焰根部距離噴槍目測0.5 m左右，隨之燃燒減弱，火焰劇烈閃爍，導致滅火情況頻發(fā)。燃燒器的點火成功率和著火穩(wěn)定性取決于火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合氣體的流速、濃度。天然氣槍頭在開始點火時，高能點火器產(chǎn)生的電火花把天然氣和空氣的混合氣點燃，開始局部燃燒反應，放出熱量，并把周圍可燃氣體又加熱到著火溫度，從而使火焰?zhèn)鞑ラ_來?；鹧?zhèn)鞑ニ俣仁怯商烊粴鈽岊^的設計與天然氣壓力所決定，當槍頭設計不合理或天然氣壓力過高時，天然氣和空氣混合后噴出的速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣炔黄ヅ洌瑢е禄鹧娉霈F(xiàn)斷火或脫火現(xiàn)象。

天然氣與空氣混合后的濃度也會影響點火成功率。當天然氣和空氣的混合濃度太大或是太小時，即使達到了正常點火溫度，也不能正常著火?；旌蠚怏w濃度太小時，著火后發(fā)出的熱量不足以把鄰近的可燃氣體加熱到著火溫度，造成點火困難；混合氣體濃度太大時，相對空氣不夠，也不能達到著火溫度燃燒，出現(xiàn)點火困難和著火穩(wěn)定性差的狀況。

2.2 床上燃燒器對床料加熱利用率低

機組多次啟動過程中發(fā)現(xiàn)，床上燃燒器投運以后，床溫溫升率緩慢，達到投煤溫度時間長。按照鍋爐廠設計要求冷態(tài)啟動時間為8 h，而現(xiàn)場實際冷態(tài)啟動時間為12 h。

由于床上燃燒器布置在布風板上部，并與布風板以一定角度斜插入爐膛。加上循環(huán)流化床特殊的燃燒方式，一次風攜帶物料上升過程中，床上燃燒器熱量未能與爐內(nèi)物料進行充分熱交換就被煙氣帶出爐膛，因此熱煙氣對爐內(nèi)物料的加熱利用率僅有40%左右[6]。另外，氣體燃料相比液體燃料，在同樣壓力等級下火焰剛性弱，受爐膛氣流和物料影響，很容易被吹滅，導致整個冷態(tài)啟動時間延長，耗氣量增加。

2.3 鍋爐燃燒異常時無法助燃

循環(huán)流化床鍋爐正常運行過程中，如發(fā)生給煤機斷煤、風量大幅波動、回料器返料不正常、煤質(zhì)變化等問題時，會導致床溫急劇下降，此時需及時投運燃燒器助燃，維持床溫在正常范圍內(nèi)?，F(xiàn)場多次發(fā)生此類情況時，燃燒器無法投運，導致被迫停爐。其原因是本廠設計天然氣壓力較高，一旦發(fā)生泄漏，極易發(fā)生爆炸。為安全起見，防止天然氣泄漏，按照鍋爐廠要求，當燃燒器退出運行時，需將爐前天然氣母管管道排空，再次投運時需再次進行氮氣置換。氮氣置換所需要時間約為1 h，當鍋爐燃燒出現(xiàn)異常時，不能快速投運燃燒器助燃。

2.4 火檢信號頻繁擺動

本廠燃燒器上留有火檢導管，火檢導管的尺寸為d 70×4 mm，火檢采用D-LX100一體化火焰檢測器。床上燃燒器在投運過程中，火檢模擬量信號頻繁閃爍、直至消失，就地觀察著火情況良好。

針對鍋爐點火過程中火檢信號失去而引起燃燒器跳閘，初步判斷為火檢系統(tǒng)存在問題。據(jù)此，我們進行了必要檢查。首先將火檢探頭拆除，用強光手電“頻閃檔”對其照射，火檢強度與頻率顯示正常。其次檢查火檢安裝角度?；饳z探頭安裝角度應與燃燒器在一條直線上，爐膛內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)火檢安裝角度受床上燃燒器支氣噴槍的遮擋，影響火檢正常檢火，導致火檢信號頻繁擺動。

2.5 煙氣濕度大

天然氣點火過程中發(fā)現(xiàn)煙氣濕度大，停爐后檢查省煤器灰斗、輸灰管道、電袋除塵器等部位發(fā)現(xiàn)大量積水。

本工程用天然氣點火，點火系統(tǒng)設計熱負荷為20%的鍋爐最大連續(xù)出力，消耗天然氣18 400 m3/h。鍋爐吹管及整套試運行期間，在排除鍋爐受熱面泄漏的原因后，分析這些水來源于天然氣的燃燒產(chǎn)物。天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分是甲烷，天然氣燃燒化學方程式為CH4+2O2=CO2+2H2O（完全燃燒生成CO2和水）；2CH4+3O2=2CO+4H2O（不完全燃燒時生成CO和水）。標準狀況下天然氣的密度為0.717 4 kg/m3，按照天然氣消耗量18 400 m3/h計算，燃燒的天然氣總量為13 t/h，完全燃燒生成的水量為29 t/h，每次冷態(tài)啟動按鍋爐廠冷態(tài)啟動曲線為8 h，將產(chǎn)生近240 t水蒸氣，煙氣濕度近20%。大量燃燒生成的水蒸氣在尾部煙道及除塵器內(nèi)冷凝成液態(tài)水，嚴重影響鍋爐輸灰系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)的安全運行。

2.6 受外界環(huán)境影響大

天然氣存在間斷性、峰谷性。采用天然氣點火系統(tǒng)受外界制約較大，每次用氣需提前報計劃，而且必須在規(guī)定時間內(nèi)用完，特別是冬季啟動遇到天然氣緊缺時，嚴重影響機組正常啟動。有時天然氣母管壓力達不到設計壓力，導致氣槍出力降低，無法滿足機組升溫升壓速率。另外，非計劃用氣單價要比計劃用氣增加25%的費用，考慮機組啟動過程中諸多不確定因素，會導致用氣量增大，成本增加。

3 天然氣點火系統(tǒng)改造和優(yōu)化措施

3.1 更改燃燒器槍頭結(jié)構(gòu)

針對燃燒器“脫火”問題，需增強根部著火穩(wěn)定性，所以在槍頭四周對稱開8個d 4.9 mm的孔。同時將天然氣槍頭原來d 4.7 mm的孔擴為d 5.2 mm，降低燃燒器槍頭處天然氣流速，保證混合氣體傳播速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗥ヅ?。槍頭孔增大后，單只氣槍出力由原來的600 m3/h提升至800 m3/h，更有利于床料的升溫。通過改造以后，床下燃燒器無“脫火”現(xiàn)象，著火穩(wěn)定，火焰為淡藍色。

3.2 合理布置火檢位置

火檢安裝角度一定程度上影響了檢火，在火焰相對不穩(wěn)定的時候，火檢無法直接有效地檢測到天然氣火焰。這是因為火檢安裝螺紋接頭原預留焊接過程中，有一定的偏斜，導致火檢視角被支氣噴槍阻擋，且原預留的火檢視角范圍較小。因此，將所有火檢連接螺紋接頭與預留的導管焊縫切開，重新調(diào)整視角后焊接固定，燃燒器火檢工作正常。

3.3 定值及邏輯優(yōu)化

定值優(yōu)化：本廠天然氣工作壓力為0.36 MPa，根據(jù)廠家及設計院提供的資料，要求天然氣母管壓力小于0.19 MPa，延時2 s后觸發(fā)氣體燃料跳閘GFT（gas fuel trip）。在實際點火啟動過程中，隨著床上燃燒器的投運，天然氣母管壓力經(jīng)常低于0.19 MPa，從而觸發(fā)GFT，導致床上、床下燃燒器全部停運。根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)整試驗發(fā)現(xiàn)，天然氣母管壓力在小于0.19 MPa時也可以穩(wěn)定燃燒，通過與鍋爐廠討論后決定將定值改為0.05 MPa，既能防止天然氣在燃燒器出口流速低于燃燒速度時造成“回火”，又不會由于母管壓力低頻繁觸發(fā)導致GFT。

邏輯優(yōu)化：根據(jù)廠家說明書要求，燃燒器點火氣槍（主氣槍）排空閥前快關閥非關且點火氣槍（主氣槍）進氣快關閥非關延時10 s，且火檢無火延時2 s，判斷燃燒器是否著火。實際點火過程中發(fā)現(xiàn)判斷有火的時間2 s較短，按照標準要求燃氣燃燒器點火（主火）安全時間應≤5 s[7-8]?，F(xiàn)改為燃燒器點火氣槍（主氣槍）排空閥前快關閥非關且點火氣槍（主氣槍）進氣快關閥非關延時10 s，且火檢無火延時5 s，判斷燃燒器是否著火。

3.4 燃燒參數(shù)調(diào)整

燃燒著火穩(wěn)定性還取決于混合氣體的濃度。因此對一次流化風量與二次風量也進行了調(diào)整，使天然氣與空氣混合后濃度在合理范圍內(nèi)。通過多次點火試驗，維持一次流化風量160 000 m3/h，二次風量150 000 m3/h、二次風壓5～6 kPa，點火二次風門開度25%，點火上二次風門開度為5%，下一次風門開度5%，可以穩(wěn)定著火。同時注意，點燃床上第一支槍時，床上母管壓力控制在0.1～0.15 MPa，更容易著火。著火以后迅速開啟床上天然氣母管調(diào)節(jié)閥，維持母管壓力穩(wěn)定，避免天然氣母管壓力大幅度波動[9]。

3.5 縮短啟動時間和減少天然氣用量

針對天然氣點火過程中生成水蒸氣較大的問題，主要采取的措施就是縮短機組啟動時間，減小天然氣用量，盡早投煤。通過輔汽將給水溫度提高至100℃以上；控制給水流量，在保證水冷壁壁溫偏差不大且床溫較低情況下，適當降低給水流量，減少啟動初期水沖洗帶走的熱量；提前投運一、二次風暖風器，將風溫提高至50℃以上；在保證床料流化狀態(tài)下盡量降低一次流化風量，保證點火風室溫度在850～900℃范圍內(nèi)；每次停爐以后建議更換床料，可適當縮短啟動時間。

4 結(jié)論

a）通過對燃燒器槍頭結(jié)構(gòu)以及邏輯、參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，燃燒器著火穩(wěn)定，基本能滿足循環(huán)流化床鍋爐冷態(tài)啟動的需求。

b）床上燃燒器無爐內(nèi)物料，其加熱效果弱，建議增大床下燃燒器出力。

c）冷態(tài)啟動過程中煙氣濕度大，通過縮短機組冷態(tài)啟動時間、減小天然氣用量等措施，煙氣濕度下降效果顯著。

實踐證明，天然氣點火在循環(huán)流化床鍋爐啟動中的應用是比較理想的。本文從系統(tǒng)、運行調(diào)節(jié)方面對天然氣點火過程中遇到的一系列問題進行了分析，通過對天然氣點火系統(tǒng)進行改造、優(yōu)化等措施，使各項參數(shù)均能滿足循環(huán)流化床鍋爐啟動要求，為天然氣點火系統(tǒng)在循環(huán)流化床鍋爐啟動過程中穩(wěn)定運行提供了寶貴的經(jīng)驗。