火力发电厂点火系统优化

摘要:文章以某电厂600MW超临界机组为例,对锅炉的点火系统提出了改进方案,并比较了采用等离子点火技术和小油枪点火技术的技术特点和节油效果。

关键词:点火系统;等离子;小油枪;节油;油系统优化

中图分类号:TK227文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)22-0119-03

1概述

随着我国经济腾飞和国力的不断增强,我国已经成为仅次于美国的全球第二大石油消费国。但同时我国人均石油资源相对不足。在这种背景下,节约能源中的节油工作就具有极为重要的特殊意义。

鉴于国内石油资源有限,加之国际油价上涨,国内在火力发电厂锅炉节油点火、稳燃技术方面发展迅速,目前在技术上主要有三大流派:等离子点火技术、气化小油枪点火技术和高温空气无油点火技术。等离子点火技术是利用磁场控制电离产生的直流空气等离子体、形成高温“火核”引燃煤粉的技术,该技术已在国内得到广泛应用,目前已经投运和正在安装的机组已超过200台;气化小油枪点火技术是将雾化成超细的油滴在极短的时间内气化后引燃,产生高温点燃煤粉的技术,该技术已在多台单机容量300MW及以下机组使用,600MW机组已有少量的运行业绩;高温空气无油点火技术是利用中频感应产生高温空气引燃煤粉的技术,该技术为国家863计划《燃煤锅炉超低负荷洁净高效控制与运行技术的研究》项目的子课题,计划近期将进行验收。

本文将对某电厂2×600MW级超临界机组工程对锅炉采用的节油点火技术进行专题说明。

2 该电厂拟建设2台600MW级超临界燃煤发电机组,并同步建设脱硝和脱硫装置

2.1燃料

本工程设计煤种选用平顶山烟煤,校核煤种选用淮北烟煤,煤质资料见下表所示。锅炉点火及助燃油采用0号轻柴油。

2.2锅炉及制粉系统

本工程的建设规模为2×600MW级超临界机组,设计锅炉采用600MW级超临界压力燃煤直流锅炉,单炉膛,一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢架悬吊结构,锅。

本工程采用中速磨煤机正压直吹式冷一次风机系统,每台锅炉配置6台中速磨煤机,5台运行,1台备用。

3等离子点火技术介绍

3.1等离子点火机理

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,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,大大减少了促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。

3.2等离子发生器工作原理

等离子发生器是利用强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体的发生器,它由线圈、阴极、阳极等组成。其中阴极材料采用具有高导电率、高导热、耐氧化的金属材料制成。阳极亦由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成,它们均采用水冷方式冷却,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。其工作原理如图1。在冷却水及压缩空气满足条件后,首先设定电源(6)的工作输出电流(300～400A),当阴极(2)在直线电机(5)的推动下,与阳极(1)接触后,电源(6)按设定的工作电流工作,当输出电流达到工作电流后,直线电机(5)推动阴极(2)向后移动,当阴极离开阳极的瞬间,电弧建立起来,当阴极达到规定的放电间距后,在空气动力和磁场的作用下,装置产生稳定的电弧放电,生成等离子体。

3.3等离子点火系统组成

等离子点火系统由等离子点火设备及其辅助系统组成,等离子点火设备由等离子发生器、等离子燃烧器、电源柜、隔离变压器等组成,辅助系统由载体空气系统、冷却水系统、图像火检系统、热控系统、冷炉制粉系统、一次风在线监测系统、等离子燃烧器壁温监测系统等组成。

3.4等离子点火技术的应用范围

等离子点火技术的应用原则一般如下:

(1)煤质条件:Vdaf≥16%的贫煤、烟煤和褐煤,但褐煤只限于中速磨系统。

(2) 燃烧方式:四角切圆直流燃烧器或前后墙对冲旋流燃烧器。

3.5等离子点火在国内的应用现状

等离子点火在600MW及以上机组的应用业绩已经达到了150多台,产生了良好的经济效益和社会效益。

4小油枪少油点火技术介绍

4.1小油枪气化燃烧器工作原理

小油枪气化燃烧器的工作原理是:先利用压缩空气的高速射流将燃料油直接击碎,雾化成超细油滴进行燃烧,同时用燃烧产生的热量对燃料进行初期加热、扩容、后期加热,在极短的时间内完成油滴的蒸发气化,使油枪在正常燃烧过程中直接接触气体燃料,从而大大提高燃烧效率及火焰温度。气化燃烧后的火焰刚性极强、其传播速度超过声速,火焰中心温度超过1500℃～2000℃,可作为高温火核在煤粉燃烧器内直接点燃煤粉燃烧,从而实现锅炉启动、停止及低负荷稳燃。压缩空气主要用于点火时实现燃油雾化、正常燃烧时加速燃油气化及补充前期燃烧需要的氧量,高压风主要用于补充后期加速燃烧所需的氧量。

气化小油枪(图2)由进油管、压缩空气管、高压风管、蒸发气化管、储存器、喷嘴、稳燃腔等构成。工作过程是由进油管来油首先进入蒸发气化管进行初期加热气化,获得一定压力、温度的油气混合燃料再进入储存器进行扩容气化,之后经过油嘴高速喷出进入稳燃腔进行燃烧,利用稳燃腔壁面和火焰的高温辐射加速完成燃料的后期加热气化,实现气化燃烧。压缩空气主要用于点火时实现燃油雾化、正常燃烧时加速燃油气化及补充前期燃烧需要的氧量;高压风主要用于补充后期加速燃烧所需的氧量。

4.2直接点燃煤粉的工作原理

电站锅炉的启、停及稳燃用油枪通常布置在二次风喷嘴中,它的热功率比较大,一般出力为1.5～2.0t/h。在锅炉点火或稳燃阶段,首先由大油枪提高炉膛温度,高温烟气在通过对流、辐射换热将热量传递给一次风射流,大油枪燃油中仅有1/4的发热量参与了煤粉射流的点火,因此导致锅炉耗油量较大。将小油枪布置在一次风喷嘴中,该油枪的发热量全部用于煤粉气流的升温点燃,形成煤粉火焰与油火焰成相互支持,着火稳定,从而产生以煤代油的燃烧效果。

由理论计算分析,采用10～20kg/h的小油枪实现主燃烧器3～5t/h煤粉的直接点燃是不可能的,点火能量远远满足不了煤粉着火热的需要,为此小油量气化燃烧直接点燃煤粉技术采用了逐级燃烧方式,首先由小油枪直接点燃300～500kg/h、浓度为0.4～0.6kg/kg的煤粉,煤粉在快速加热时挥发物迅速析出着火,在煤粒表面燃烧产生的热量使煤粒表面形态及孔隙结构发生很大变化,提高了煤焦的反应性能和燃烧速率,改善煤粉的燃烧特性,使得这一部分煤粉极易着火,然后由能量得到放大的火炬再直接点燃更多的煤粉(1kg煤粉燃烧可点燃20kg左右的煤粉),最终实现利用小油量直接点燃热功率相当于主燃烧器的煤粉量。通过工业性试验得出:利用小油量技术通过煤粉多级燃烧器可点燃煤粉3～5t/h。

多级煤粉燃烧器由一次燃烧室、二次燃烧室、周界冷却二次风等构成。其工作过程是由小油枪气化燃烧产生的高温火焰,首先点燃进入一次室的浓相煤粉,然后再由已点燃的浓相煤粉进入二次室点燃稀相煤粉,最后喷入炉膛继续燃烧,可获得较大的热能,满足锅炉启、停及低负荷稳燃的需求。

4.3小油枪点火系统的主要技术参数

小油枪点火系统的主要技术参数如下:

油压:0.6～0.8MPa;

单只油枪出力:15～20kg/h(针对贫煤,带辅助油枪单套出力30~40kg/h);

压缩空气压力:0.25～0.3MPa;

压缩空气流量:0.9Nm3/min左右;

油枪高压风压力:5000Pa左右;

油枪高压风流量:500m3/h左右;

气化油枪燃烧火焰中心温度:1500℃～2000℃;

送粉及燃烧系统: 一次风风速:20～30m/s;

可点燃煤粉量3～5t/h;

送粉风温:厂房内空气温度;

二次风风量:根据燃烧器壁温控制,保证燃烧器壁温不超过450℃。

4.4小油枪点火技术应用范围

相对而言,小油枪点火技术对煤种的适应性要比等离子点火技术宽的多,可广泛适用于贫煤、烟煤、褐煤及优质的无烟煤,可适用四角切圆、对冲燃烧方式及中间储藏式、直吹式制粉系统。

4.5小油枪点火技术应用现状

小油枪点火技术是上世纪末发展起来的一种少油点火技术,目前国内的生产厂家较多,比较知名的厂家主要有烟台龙源、徐州燃烧控制研究院有限公司、浙江大学等,目前小油枪点火技术已逐步应用到了600MW机组上来。

5节油点火技术的技术经济论证

5.1节油点火技术的选择

如前所述,等离子点火装置对于煤种有一定的适应性,挥发份只是衡量能否应用等离子点火技术的重要指标之一,等离子点火技术的应用对燃煤的灰分、水分也有一定的要求,过于难燃的煤种是不应采用等离子点火装置的。一般而言当Vdaf

小油枪点火技术对煤种的适应性要比等离子点火技术宽的多,可广泛适用于贫煤、烟煤、褐煤及优质的无烟煤,但小油枪点火技术由于起步较晚,在大型火电项目上应用业绩不如等离子点火技术应用的广泛。

本工程设计煤种和校核煤种的干燥无灰基挥发份分别为33.72%、20.12%,从煤质资料、制粉系统、燃烧方式而言,本工程采用等离子点火技术或少油点火技术均是可行的。

5.2节油效果分析

根据中国电力企业联合会技经中心〔2007〕7号文《关于调整和修改火力发电厂工程基建阶段燃油和蒸汽用量标准及其计算公式的通知》,单台600MW机组试运行期间消耗的燃油定量约为4621t,采用等离子点火或其它节油点火方式时,耗油量按规定数量的0.2倍计算。根据该文件的规定,采用等离子点火技术或少油点火技术后,2×600MW整个试运期间的可节约燃油7393.6t。

以下我们以采用等离子点火为例来计算其节油效果的经济性,如采用小油枪点火技术,也可得出相同的结论,除设备本身的费用和系统耗电外,其计算方法相同。

(1)节约燃油的费用

7393.6t×5580元/t=4125.6 万元(轻柴油价格按5580元/t计算)

(2)燃煤替代燃油的费用

设计煤种的低位发热量:20.8MJ/kg

轻柴油的低位发热量:42.0 MJ/kg

标准煤的低位发热量:29.31 MJ/kg

标煤价格:550元/t

原煤价格:550×20.8/29.31=390.31元/t

燃煤替代燃油的费用

7393.6×42/20.8×390.31=582.7万元

(3)制粉电耗和等离子点火电耗费用

中速磨制粉系统的制粉电耗:23kWh/t

单台中速磨煤机的运行出力:≌56t/台

单台等离子点火燃烧器的功耗:200kVA

每台锅炉等离子点火燃烧器的数量:4只

等离子点火系统的电耗:4×200/56=14.3 kWh/t

成本电价:0.234元/kWh

燃煤替代燃油的数量:7393.6×42/20.8=14929t

采用等离子点火的耗电费用

14929×(23+14.3)×0.234=13.0万元

(4)等离子点火系统的设备费用

单台锅炉的整套等离子点火系统费用: 600万元/台炉

(5)试运期间两台炉的总费用

4125.6-582.7-13.0-2×600=2329.9万元

通过以上的分析计算可知,采用等离子点火技术后,在调试运行期间,除收回投资外,还可以节省约2300万元,机组投入商业运行后,每年还可节省冷态、热态锅炉启动的燃油费用。

6油罐及供油系统的容量选择

根据目前的工程应用情况,锅炉采用等离子点火技术或少油点火技术后,燃油系统仍应保留,但可适当减小燃油系统容量,在初设阶段,应根据炉型、燃煤特性、耗油量、燃油来源和运输条件等研究确定油罐容量和燃油系统的设计流量;锅炉厂应根据节油点火装置的特点,适当减小油枪的出力(一般2×600MW机组燃油系统的出力按15~20%BMCR锅炉输入热量计算,设置2×500m3油罐)。

本工程锅炉点火及助燃油采用0号轻柴油,汽车运油,交通方便,不存在制约交通运输的瓶颈,理论上讲采用等离子点火技术或小油枪点火技术后2×500m3油罐可满足本期工程2×600MW机组的需要。

7结论

根据本工程的煤质情况,采用等离子点火技术或小油枪点火技术均是可行的,在机组调试运行阶段即可收回投资并可节省约2300万元,机组投入商业运行后,每年还可节约锅炉冷热态启动的燃油费用。

采用等离子点火技术或小油枪点火技术后,油罐及供油系统的容量可适当减小,鉴于本工程的燃油系统需要兼顾老厂的2台300MW机组的用油,本工程建议采用2台1000m3的油罐。

参考文献

[1] 徐通模,金定安,温龙.锅炉燃烧设备[J].西安交通大学,2006,(11).

[2] 岑可法,周昊,池作和.大型电站锅炉安全及优化运行技术[M].中国电力出版社,2003.

[3] 许晋源,徐通模.燃烧学[M].西安交通大学,2008.

[4] 金维强.大型锅炉运行[M].中国电力出版社,1998.

[5] 哈尔滨普华煤燃烧技术开发中心.大型煤粉锅炉燃烧设备性能设计方法[M].哈尔滨工业大学出版社,2002.

作者简介:顾英春(1977-),女,辽宁凤城人,武汉锅炉股份有限公司工程师,研究方向:锅炉燃烧专业设计。