锅炉等离子点火稳燃系统改造建设投资可行性研究报告.doc

等离子点火稳燃系统
可行性方案

一、前言
锅炉启动、停炉及低负荷助燃用油是构成电厂发电成本的重要组成部分。随着电力市场的开放，峰谷差加大使得机组启停调峰频繁，使用油量进一步增加。国家计委在《中国能源》白皮书中号召“研究、开发、应用以煤代油的技术和产品是正在执行的长期能源战略的一部分，鼓励全社会开展以煤代油的工作。”
国外等离子无油点火技术的研究开发已有20多年的历史，美国CE、B&W和西屋公司都做了不少的工作，前苏联和澳大利亚已初步掌握了等离子体点火技术。但在装置的可靠性、可控性、投资及设备寿命方面还存在着许多问题，尤其在点燃挥发分较低的贫煤更是一筹莫展。迄今国外许多大公司仍对该项课题进行着大量的研究，以期达到直接点燃煤粉的目的。
2．离离子点火技术基本原理
2.1 等离子点火机理
DLZ-200型等离子点火装置是利用直流电流在介质气压0.01～0.03MPa的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中形成温度T＞5000K的，温度梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在10-3秒内迅速释放出挥发物，使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行，使混合物组分的粒级发生了变化。因而使煤粉的燃烧速度加快，也有助于加速煤粉的燃烧，这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。
等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团（OH、H2、O2）、离子（O2－、H2－、OH－、O－、H＋）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧。
2.2等离子点火系统
等离子点火系统由等离子燃烧器及其输粉系统，直流供电及控制系统，辅助系统和热工监控系统组成。
隔离变压器
电源整流柜
控制系统
压缩空气
冷却水
等离子点火燃烧器
等离子发生器
数据总线
控制柜
#1
CRT
一次风
火焰

2.3等离子发生器及工作原理
采用集开放式磁稳与机械、电磁压缩于一体复合结构的等离子发生器，其功率为50～150kW连续可调.采用双拉伐尔喷管复式阳极，避免煤粉对其污染，其材料为具有高导热、高导电和不易氧化的特殊合金，寿命在500小时以上；
阴极为高速喷嘴、强化冷却结构，材料由特殊合金与铜质材料组合而成，寿命在50小时以上，且更换方便。阴、阳极的磁稳线圈均为水冷结构。突破了前人所用的等离子发生器电极结构与材料，成功的付诸工程应用。
采用了抗氧化特殊合金的阴、阳极，实现了以空气作为等离子载体，不需专供惰性气体保护电极，既简化了系统，又大幅度的降低了运行费用。
该等离子发生器和各型等离子燃烧器相配合已成功地点燃劣质烟煤、烟煤和褐煤。
DLZ-200型等离子发生器为磁稳，空气载体等离子发生器，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。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。
图2-1 等离子发生器工作原理图
2.4 等离子燃烧器
1）稳定可靠地点燃，确保点火过程中不爆燃、不二次燃烧；点火过程燃烧器不结渣、不烧坏。
2）不影响主燃烧器的主要性能。
首先是燃烧器出口气流的动量矩基本不变和燃烧器出口流场不变，否则在正常运行中可能引起结渣、超温、燃烧效率下降等问题；第二是燃烧器结构必须简单，阻力不能太大，以满足各燃烧器之间阻力匹配的要求；第三是燃烧器必须耐烧、耐磨，满足运行检修维护的要求。
3）燃烧器的出力可以在一定的范围内变动，以满足启动曲线的要求，同时满足作为主燃烧器时出力的要求。从最大限度的节约燃油的角度考虑，在设计上该燃烧器希望能满足在锅炉冷态点火时投入，锅炉升温升压速率能满足电厂运行规程的要求。
4）燃烧器的外形主要尺寸与原燃烧器相同，便于燃烧器的布置和与系统的接口。
该型燃烧器应用于丰城电厂等多台切向燃烧锅炉，壁温一般可以稳定地控制在6000C以下，最高不超过8000C，可以保证燃烧器的安全；投入运行后原主燃烧器的性能基本得到保证，未发现超温、结渣、燃烧不良等现象。

等离子点火燃烧器主要设计参数如表2－1。
表2-1 等离子点火燃烧器主要设计参数（根据试验后得出）
序号
名称
单位
结果
备注
1
一次风管风速
m/s

等离子点火器投运状态
2
一次风温
℃

等离子点火器投运状态
3
一次风量
t/h

4
煤粉量
t/h

5
煤粉浓度
kg/kg

6
喷口风速
m/s

喷口温度按1000℃
7
燃烧器阻力
Pa

含浓缩装置

二、 锅炉设备概况
2.1 锅炉
2X220T／H上海锅炉厂生产的四角切圆煤粉炉。该锅炉为单炉膛Π型布置、负压燃烧。
2.2 制粉系统
2X220T／H制粉系统为钢球磨中储式，锅炉间有绞龙输粉。
燃用煤质
1
全水分 Mt(%)
38..05

水分 Mad
5.6

灰分 Ad
14.46

挥发分 Vdaf
46.12
2.3 燃烧器
燃烧器为直流燃烧器，共两层，每层4台。
三、等离子点火系统设计方案
锅炉采用的点火系统由等离子发生器及燃烧器，直流供电系统，控制系统，冷却水系统，载体风系统，图像火检系统等构成。

3.1 等离子发生器及燃烧器
等离子点火燃烧装置结构由等离子发生器、一级燃烧室、二级燃烧室、周界二次风等组成，每只燃烧器装2只壁温测点，共4点，送入DCS系统。
等离子发生器用于产生50—150KW的等离子体电弧来点燃煤粉，由阴极 、阳极和线圈等组成。
一级燃烧室：煤粉与高温等离子电弧发生强烈的电化学反应，煤粉裂解，产生大量挥发份并被点燃，约占煤粉总量的五分之一。
二级燃烧室：挥发份及煤粉燃烧。
周界二次风：冷却二级燃烧室及补充二级燃烧室喷出的未燃尽固定碳在炉膛内燃烧所需的空气。
抚顺望花热电厂等离子点火单炉改造将2只等离子点火燃烧器分别安装在下层对角的2只煤粉主燃烧器上，直接由相应的主一次风管来粉。在燃烧器的设计时重点考虑了如下几个问题：
A:由于直接改造主燃烧器，应保证等离子点火燃烧器出力在高负荷工况下与原主燃烧器设计出力基本一致。从运行的调整、炉膛热负荷的分配、防止超温等方面考虑，可以满足在高负荷工况，等离子点火装置不投运的情况下，等离子燃烧器的出力与原燃烧器的出力基本一致。
B:保证锅炉在冷态启动时煤粉能比较容易地被点燃。
C:确保燃烧器喷口不结焦。燃烧器采用多级燃烧方式，确保煤粉的充分燃烧；燃烧器内有气膜冷却，预防结焦和烧损。
表1 等离子点火燃烧器主要设计参数
名称
单位
结果
备注
一次风管风速
m/s
16-22

一次风温
℃
20

一次风量
m3/h

煤粉量
t/h

煤粉浓度
kg/kg
0.3-0.5

喷口风速
m/s

喷口温度按1100℃
燃烧器阻力
Pa
1000

二次风管风速
m/s

燃烧器改造示意图

3.2 直流供电及控制系统
电厂在6000V工作段提供容量为400KVA的AC 380V电源，分二路分别送至二台隔离变压器，再接至整流柜，输出的直流电送至就地等离子发生器以产生等离子电弧。
两台载体冷却风机，其中一路须取自380VAC保安段。
二路冷却水泵电源。
本系统控制主机可采用PLC控制方式,在控制室内加装触摸屏，利用触摸屏对等离子启、停弧进行控制，另外，亦可根据电厂要求，将等离子点火控制系统以硬接线的方式或通讯的方式直接进入电厂DCS控制系统进行控制。
等离子点火系统电源的容量（单台机组）如下：
1) 隔离变进线电源： 380VAC 200kVA/每路 (共2路，分别取自两段)
2) 整流柜控制电源（UPS）： 220VAC 10A/每路 (共2路)
3) 等离子冷却水泵： 380VAC kW/每台 (共2台，取自两段)
4) 等离子冷却风机： 380VAC kW/每台 (共2台，一路取自保安段)
5) 控制电源1（UPS送至火检柜分配）： 220VAC 25A/每路 (共1路)
6) 控制电源2（送至火检柜分配）： 220VAC 25 A/每路 (共1路)
3.3 冷却水系统
为保护等离子发生器本身，需用水冷却阴、阳极及线圈，；冷却水为除盐化学水，系统压力保持在0.3—0.4MPa之间，水温＜40℃，单台发生器用水量约8t/h。回水均采用无压回水（出口为大气压）。
冷却水采用单独的闭式循环冷却系统，由冷却水泵、冷却器（安装于冷却水箱回水入口，水源取自现场工业水，换热面积约30m2；如未设水箱该冷却器可取消）及阀门、管路组成，冷却水泵一用一备，运行泵跳，备用泵自启，冷却水压低，备用泵自启。冷却水箱、水泵安装于锅炉零米两炉之间。（如厂用闭式水可以的话，可考虑取消冷却水箱）
等离子点火器前来水管路加装手动阀门、压力表和压力开关；水压低信号送至整流柜。
冷却水泵设备规范: 型号：
流量： 50 m3
扬程： 80 m
电机功率：22 kw
3.4载体冷却风系统的设计
仪用压缩空气母管压力0.4~0.8MPa，在等离子压缩空气每层母管上安装进口减压阀组，对仪用压缩空气进行减压和进一步稳定压力。
等离子发生器前有载体风仪表组件，组件上安装手动阀、压力表和压力开关用来控制载体风压力，经过仪表组件后，进入等离子发生器的压缩空气压力为5~10kPa，压力满足信号送到控制系统，单台发生器压缩空气流量为60Nm3/h。单台炉等离子发生器总载体风量为120 Nm3/h。
在每层等离子压缩空气母管上设气动阀门，在每台等离子发生器仪表组件前装气动阀门，等离子发生器停止工作后，可在DSC中操作切换到火检冷却风进行吹扫和冷却，不再消耗仪用压缩空气。冷却风压力为4kPa，单台发生器冷却风耗量为50m3/h，单台炉等离子发生器总冷却风量为100m3/h。
3.5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四画面分割器，经处理后送到工业电视，运行人员可在点火初期同时监视两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。
图像火检探头的冷却风取自仪用压缩空气。
四、经济效益分析
4.1．预期达到的技术经济指标
4、1、1安全可靠：
新建机组实施等离子点火稳燃系统的设计，将最大限度地利用机组的原设计已有资源，尽可能减少对原配套设备（主要是锅炉）和系统的改变，以简化系统、减少投资、方便运行维护，减少对原设计的干扰。对锅炉本体只需将下层2只燃烧器改为等离子燃烧器，并配以相应的辅助系统和控制系统即可完成改造。由于采取了一系列技术措施，根据已投产的多台机组的实践经验，该改造安全可靠，也不会影响主燃烧器的基本性能。
工程投资（单炉）：
等离子体设备投资 120万元
工程建设投资 40万元
合计 160万元
4、1、2 经济效益
2X220T／H锅炉，根据以往经验年点火及稳燃期间燃用油约700吨，综合价位按0.5万元/T，折合人民币 350 万元。安装等离子体点火设备的投资及建设投资约为320万元，等离子体设备使用的电力和燃煤费用为80万，等离子体设备的维护费用与燃油系统的维护费用基本持平，因此设备安装的头一年半中，节省的燃用燃油费用与安装等离子体设备的总投资的费用基本持平，第二年开始，按照节油80%计算，可节省燃油费用240万元，等离子体设备的维护及使用费用约为80万元，因此全年可以节约200万元以上。
项目的投资回报期为1.5年左右。
4、1、3环保效益
按照常规燃油的点火方式，，此期间锅炉纯烧油或油煤混烧，为避免未燃尽的油滴粘污电极，锅炉电除尘器无法正常投入，大量烟尘直接排放到大气中，给环境带来严重的污染，同时烟气中的粉尘会对锅炉引风机叶片造成磨损，这些均给电厂带来间接的经济损失。
在机组试运期间投入等离子体点火系统，电除尘器可以在锅炉启动及低负荷期间正常投入，大大减少粉尘的排放，避免了环境污染和引风机磨损，给电厂带来显著的社会效益和经济效益。
五、工程进度
工程计划根据机组改建的计划进度，安装、调试的总工期约为30天。
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