國(guó)家能源蓬萊發(fā)電有限公司 徐西俊 程孝峰 孫亞偉 張蓬亮 韓剛 煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司 李明 張治湖 王鵬

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為2×300MW 機(jī)組，鍋爐采用常規(guī)的四角切圓燃燒方式，燃燒器為擺動(dòng)燃燒器，共有6 層，磨煤機(jī)采用雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，煤粉細(xì)度R90=18%。該鍋爐采用等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)，目前存在智能化程度不高、調(diào)節(jié)手段不完善等問(wèn)題。具體表現(xiàn)為低負(fù)荷穩(wěn)燃時(shí)，等離子投入的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不明確，不能進(jìn)行有效地智能判斷和投入。等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)載體風(fēng)和冷卻水系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的手段不完善，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不完善。隨著電廠智能化的不斷提升，等離子體點(diǎn)火技術(shù)的智能化程度需要不斷提高，本文進(jìn)行智能化等離子體點(diǎn)火控制技術(shù)研究與應(yīng)用。

2 等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)

等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)如圖1所示。傳統(tǒng)的煤粉鍋爐啟動(dòng)方式是在點(diǎn)火初期首先點(diǎn)燃數(shù)只大油槍，當(dāng)爐膛內(nèi)的溫度達(dá)到一定要求后再投入煤粉。這種點(diǎn)火方式將消耗大量燃油，經(jīng)濟(jì)性較差，且有一定的環(huán)境污染。等離子體煤粉點(diǎn)火技術(shù)，利用超高溫的等離子體替代油槍，直接在燃燒器內(nèi)部點(diǎn)燃煤粉，可以做到無(wú)油點(diǎn)火。

圖1 等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)

2.1 等離子體燃燒器

等離子體煤粉燃燒器如圖2所示。

圖2 等離子體煤粉燃燒器

等離子體燃燒器是等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的重要組成部分，點(diǎn)火時(shí)，煤粉火焰在其內(nèi)部燃燒，正常運(yùn)行時(shí)，具有主燃燒器功能。等離子體燃燒器的噴口面積與原燃燒器基本一致，保證改造后噴口一次風(fēng)速基本不變，不改變鍋爐的燃燒組織。等離子體燃燒器屬于濃淡分離煤粉燃燒器，其通過(guò)燃燒器后部的彎頭將煤粉濃縮到中心位置，濃淡燃燒有利于降低NOx 的生成，從原理上保證改造后鍋爐的NOx不升高。通過(guò)多次性能試驗(yàn)表明，改造等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)后，鍋爐的NOx沒(méi)有升高。

2.2 等離子體發(fā)生器

等離子體發(fā)生器是等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的核心部件，其安裝在燃燒器彎頭處，通過(guò)接觸引弧，在強(qiáng)磁場(chǎng)下可以獲得穩(wěn)定的等離子體。等離子體溫度可達(dá)5000K 以上，通過(guò)特殊裝置可以將等離子體送到燃燒器的中心位置。當(dāng)濃縮煤粉通過(guò)時(shí)被迅速點(diǎn)燃，劇烈燃燒，并形成穩(wěn)定的火焰。大部分煤粉在燃燒器內(nèi)部就被點(diǎn)燃，少部分進(jìn)入爐膛繼續(xù)燃燒。等離子體煤粉點(diǎn)火設(shè)備對(duì)于適合的煤質(zhì)在設(shè)計(jì)上可完全替代電廠的油槍點(diǎn)火設(shè)備。

本工程燃用的煤質(zhì)為煙煤，燃燒性能很好，容易點(diǎn)燃，所使用的等離子體點(diǎn)火功率較小，為70～120kW。等離子體發(fā)生器如圖3所示。

圖3 等離子體發(fā)生器

2.3 電源系統(tǒng)

等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的電源部分一般由以下設(shè)備構(gòu)成：電源柜、動(dòng)力轉(zhuǎn)接箱、冷卻水泵電動(dòng)機(jī)及其控制柜、冷卻風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)及其控制柜、動(dòng)力電纜、測(cè)量和控制電纜等。

常規(guī)等離子體點(diǎn)火電氣系統(tǒng)需要的電源的容量（單臺(tái)機(jī)組）為如下。

一是整流柜進(jìn)線電源為380VAC，300kVA每路。

二是冷卻水泵：380VAC，22kW每臺(tái)。

三是控制電源：220VAC，16A每路。

四是電動(dòng)門電源：380VAC，5A每路。

2.4 冷卻水系統(tǒng)

等離子體電弧形成以后，弧柱溫度一般保持在5000K 以上，因此等離子體發(fā)生器必須進(jìn)行冷卻，目前采用水冷方式。為了保證其良好的冷卻效果，冷卻水溫不能太高，一般不能高于40℃，冷卻水壓力0.4～0.8MPa，發(fā)生器的冷卻水進(jìn)出口壓差應(yīng)大于0.4MPa，單臺(tái)發(fā)生器冷卻水流量≥7t/h。一般情況下，等離子體點(diǎn)火冷卻水系統(tǒng)取自鍋爐閉式冷卻水系統(tǒng)，如果鍋爐閉式冷卻水水量不足，則需要采用水箱。

2.5 載體風(fēng)系統(tǒng)

形成等離子體電弧需要有相應(yīng)的介質(zhì)，一般采用空氣作為介質(zhì)。等離子體電弧形成以后，需要空氣以一定的流速吹出陽(yáng)極，以形成可利用的電弧。電廠一般使用儀用壓縮空氣作為介質(zhì)，要求壓縮空氣潔凈無(wú)油、壓力穩(wěn)定、干燥，儀用壓縮空氣母管壓力較高，通過(guò)減壓閥對(duì)其進(jìn)行減壓，以達(dá)到等離子體發(fā)生器使用要求。為了減少電廠壓縮空氣的消耗，在每臺(tái)等離子體發(fā)生器的儀表組件中都裝有切換閥門，當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生器停止工作后，通過(guò)切換閥將載體風(fēng)切換到冷卻風(fēng)進(jìn)行持續(xù)吹掃，不再消耗儀用壓縮空氣。冷卻風(fēng)可由火檢風(fēng)機(jī)或鍋爐冷一次風(fēng)提供。

2.6 冷爐制粉熱風(fēng)加熱系統(tǒng)

鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)要啟動(dòng)、制粉，必須有熱風(fēng)持續(xù)通過(guò)磨煤機(jī)，一般可以使用蒸汽加熱器或者燃油加熱器。本項(xiàng)目煤質(zhì)為煙煤，水分較小，且風(fēng)道布置空間較大，故采用的是冷風(fēng)蒸汽加熱系統(tǒng)。其加熱汽源來(lái)自鍋爐輔助蒸汽聯(lián)箱，壓力為0.8MPa，溫度為300℃，通過(guò)布置多根雙金屬翅片管的蒸汽加熱器把冷風(fēng)加熱到160℃，滿足磨煤機(jī)運(yùn)行的要求。

冷風(fēng)蒸汽加熱器按布置方式為在改造層對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)入口熱風(fēng)管道隔絕門和調(diào)節(jié)門的旁路上，安裝一臺(tái)冷風(fēng)蒸汽加熱器，前后分別設(shè)熱風(fēng)隔絕門和熱風(fēng)調(diào)節(jié)門。此方案的優(yōu)點(diǎn)是在鍋爐冷態(tài)等離子體點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，任意側(cè)熱一次風(fēng)母管都能供磨煤機(jī)一次風(fēng)，可靠性高，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，原風(fēng)道側(cè)運(yùn)行，旁路側(cè)沒(méi)有風(fēng)通過(guò)加熱器，不會(huì)因?yàn)榧訜崞髟黾幽ッ簷C(jī)一次風(fēng)阻力。但旁路風(fēng)道的安裝尺寸較大，需要兩臺(tái)風(fēng)門，要求有足夠的安裝空間。

2.7 火焰監(jiān)視系統(tǒng)

為了可以在等離子體點(diǎn)火過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火焰燃燒情況，方便運(yùn)行人員進(jìn)行燃燒調(diào)整，需要設(shè)置一套火焰監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含圖像火焰監(jiān)視探頭、冷卻風(fēng)管道、畫面分割器、全爐膛火焰電視燈等。其中圖像火焰監(jiān)視探頭安裝在煤粉燃燒器外二次風(fēng)箱內(nèi)，其觀測(cè)角度達(dá)到90°，每支圖像火焰監(jiān)視探頭連接一路冷卻風(fēng)為其冷卻，防止探頭燒損。探頭內(nèi)部有CCD攝像機(jī)，通過(guò)鏡頭觀測(cè)到的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻電纜送到控制室的畫面分割器，經(jīng)處理后送到全爐膛火焰電視或大屏中顯示。圖像火焰監(jiān)視探頭冷卻風(fēng)一般取自專用冷卻風(fēng)機(jī)，其母管風(fēng)壓一般高于3500Pa，保證有足夠的風(fēng)冷卻鏡頭，保護(hù)鏡頭不被燒損。停爐后，必須等到爐膛溫度降到其耐熱溫度后，才可以停運(yùn)冷卻風(fēng)機(jī)。圖像火焰監(jiān)視系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 圖像火焰監(jiān)視系統(tǒng)

本項(xiàng)目增加了火檢鏡組，同時(shí)對(duì)火檢柜進(jìn)行了升級(jí)改造，更換了視頻分配器和下位機(jī)，升級(jí)了火檢的邏輯判斷模型，增加了對(duì)煤粉火焰判斷的準(zhǔn)確性。

2.8 一次風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)

對(duì)于等離子體點(diǎn)火技術(shù)，為了穩(wěn)定地點(diǎn)燃煤粉，適合的一次風(fēng)速是相當(dāng)關(guān)鍵的因素。如果點(diǎn)火時(shí)一次風(fēng)速過(guò)高，煤粉不易點(diǎn)燃，容易造成脫火，火檢檢測(cè)不到火焰會(huì)引起磨煤機(jī)跳閘；一次風(fēng)速太低，則可能造成煤粉管道堵塞，還可能造成燃燒器噴口燒損，所以必須對(duì)一次風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一次風(fēng)速測(cè)量裝置安裝在改造磨出口一次風(fēng)煤粉管道上，采用耐磨靠背管進(jìn)行測(cè)量，可輸出4～20mA信號(hào)，并帶自動(dòng)清灰功能。

2.9 控制系統(tǒng)

等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，所有操作基本都可以在控制室DCS畫面上完成。并且對(duì)鍋爐原邏輯系統(tǒng)進(jìn)行修改，設(shè)有點(diǎn)火模式和穩(wěn)燃模式，保證使用等離子體點(diǎn)火時(shí)的安全性。

使用等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐啟動(dòng)前需要進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行主要分兩個(gè)階段：一是在鍋爐啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行等離子體燃燒器的點(diǎn)火性能試驗(yàn)，驗(yàn)證其對(duì)實(shí)際入爐煤粉的點(diǎn)燃能力、發(fā)生器斷弧后復(fù)燃的能力、煤粉量加大后火焰亮度及煤粉燃盡情況、燃燒器壁溫升高的幅度速率情況、磨煤機(jī)的出力范圍試驗(yàn)及各項(xiàng)聯(lián)鎖和保護(hù)的工作情況。二是進(jìn)行穩(wěn)定燃燒后的第二臺(tái)磨煤機(jī)的投運(yùn)試驗(yàn)、鍋爐低負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)燃試驗(yàn)、鍋爐溫升試驗(yàn)等。檢驗(yàn)第二層煤粉是否被引燃，點(diǎn)火過(guò)程是否滿足機(jī)組啟動(dòng)曲線。

3 項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容

圖像火檢系統(tǒng)具有采集信息豐富、判斷準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過(guò)與等離子體點(diǎn)火技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)節(jié)油點(diǎn)火系統(tǒng)智能閉環(huán)控制，對(duì)圖像火檢系統(tǒng)技術(shù)也是一次質(zhì)的飛躍。智能化點(diǎn)火技術(shù)在提升產(chǎn)品性能的同時(shí)，提高了火電機(jī)組智能化程度。本項(xiàng)目利用圖像火檢技術(shù)判斷鍋爐燃燒狀態(tài)，結(jié)合鍋爐燃燒相關(guān)參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)，并進(jìn)行點(diǎn)火和穩(wěn)燃智能優(yōu)化調(diào)整[1]。本項(xiàng)目主要內(nèi)容為如下，一是采用全新的圖像火焰檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)對(duì)等離子體點(diǎn)火初期燃燒不穩(wěn)定的過(guò)程優(yōu)化火焰燃燒判斷判據(jù)，可以保證等離子體點(diǎn)火全過(guò)程火檢的投入，準(zhǔn)確判斷鍋爐等離子體燃燒器燃燒狀態(tài)。二是對(duì)等離子體點(diǎn)火冷卻水、載體風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，增加控制閥門、儀表和變送器，具備風(fēng)量和水量的參數(shù)反饋、自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。三是通過(guò)采集鍋爐一次風(fēng)、燃燒器壁溫、整流柜電流等多路輸入?yún)?shù)，在DCS系統(tǒng)邏輯組態(tài)進(jìn)行控制，達(dá)到等離子體點(diǎn)火的控制、等離子體發(fā)生器功率的自動(dòng)調(diào)整。

4 項(xiàng)目實(shí)施效果

經(jīng)調(diào)試，各設(shè)備運(yùn)行正常，通過(guò)全新的圖像火焰檢測(cè)技術(shù)和等離子點(diǎn)火系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)智能化判斷?？梢詫?shí)現(xiàn)等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)的智能化控制啟動(dòng)、調(diào)整。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，配合火電廠靈活性改造，提高鍋爐運(yùn)行的智能化水平，并提高機(jī)組運(yùn)行的安全性。

5 結(jié)論

全新圖像火焰檢測(cè)技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定、檢測(cè)準(zhǔn)確，智能化等離子體點(diǎn)火技術(shù)成為技術(shù)亮點(diǎn)，系統(tǒng)性能明顯提升，達(dá)到智能化啟動(dòng)及穩(wěn)燃需求，可以根據(jù)鍋爐燃燒實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)智能化燃燒調(diào)節(jié)，提高火電機(jī)組智能化程度。