小油点火技术应用.doc

神头电厂成功应用锅炉微油点火技术
山西神头发电有限责任公司山西神头发电有限责任公司拥有六台20万发电机组（两台苏联机组、四台捷克机组），现在已运行四台，因“上大压小”需要,关停#7、#8捷克机组。新建两台60万机组，国家已核准开工建设。两台100万机组，正在申报中，已进入山西省十二五发展规划。2010年计划发电46亿度，实际发电51亿度，截至2011年3月16日公司安全生产2047天。
    2008年8月首先应用CV公司锅炉微油点火技术在捷克#5炉进行了成功改造，然后在#6、#4、#3炉推广，全公司燃油消耗从2008年的5100吨，下降到2009年的760吨，2010年的730吨。已收回全部投资成本。下面介绍一些具体情况：
1.设备简介
山西神头发电有限责任公司#5锅炉系为捷克斯洛伐克土耳马其锅炉制造厂制造650t/h水平环绕式直流锅炉，1985年9月24日投产，“Π”形布置，中速磨正压直吹式燃烧系统，直流喷燃烧器，四角切圆燃烧。炉膛断面尺寸为11×12.445m，炉顶标高52.5 m。
 在水平烟道，沿烟气流动方向顺序布置有高温过热器、高温再热器。在竖井烟道由上到下依次布置有低温再热器、省煤器和回转式空气预热器。每台炉配置两台两分仓式回转空预器。热风分别送到喷燃器二次风箱和一次风机入口，再由一次风机送到各磨煤机。
 过热器系统内布置有三级减温器。再热器系统设一级减温器，在事故情况下使用。正常情况下，再热器温的调节使用低温再热器旁路。
1.1主要性能参数
 额定蒸发量               650t/h
 蒸汽压力                  17.46MPa
 蒸汽温度                  540℃
 再热蒸汽压力            3.78MPa
 再热蒸汽温度            540℃
 给水温度                  251℃
 最低稳燃负荷            380t/h
1.2热力计算数据
 容积热负荷              388778KJ/m3.h
 断面热负荷               138.6×105 KJ/m3.h
 炉膛出口过剩空气系数     1.26
 空预器后过剩空气系数     1.41
 炉膛出口温度             1142℃
 排烟温度                 141℃
 空预器进风温度           30℃
 锅炉燃煤量               109.5t/h
 锅炉效率                 89%
 再热蒸汽减温水量         12-20t/h
1.3制粉系统主要技术参数
 磨煤机出力               39.5t/h
 煤粉细度                 R90=35%  R200=7%
 原煤水份                 Wr=3.26%
 磨煤机出口风温           90℃ 
 磨煤机出口煤粉空气流量   14.82Nm3/s
 磨入口热风温度           290℃
1.4燃烧设备
锅炉配备四台MPS-190中速磨煤机，燃用平朔烟煤，其设计干燥无灰基挥发份为39%，收到基低位发热量为18.19MJ/kg，灰份39%，软化温度=1500℃。直流燃烧器四角布置，炉膛气流形成Ф1.6米假想切圆，每台磨供一层喷燃器。满负荷时三台磨运行，一台备用。
1.5燃料特性：
平朔烟煤：
低位发热量        18162.1KJ/Kg
工业分析：
可燃质挥发份      39.32%
工作质灰分        37%
工作质水分        3.26%
固有水分          2.35%
元素分析：
工作质含碳量      47.49%
工作质含氢量      3.25%
工作质含氧量      7.43%
工作质含氮量      1.02%
工作质含硫量      0.55%
煤的可磨性系数(哈氏)      45
灰的变形温度大于      1500℃
1.6燃油特性：   #0轻柴油
发热量            41800KJ/Kg
20℃时比重        800—830Kg/m3
20℃时粘度(哈氏)  1.2—1.67
灰分不大于        0.025%
含硫量不大于      0.2%
水分              无痕迹
闪点              +65℃
凝固点不高于      +10℃
实际胶质不大于    7mm/10cm3
机械杂质          无
2、微油点火技术基本原理
2.1微油气化燃烧原理
微油气化燃烧的工作原理是: 先利用一定的油压进行一级简单机械雾化，将燃料油挤压、撕裂、破碎，形成微小油滴，再利用压缩空气的高速射流将燃料油微小油滴二次直接击碎，雾化成超细油滴进行燃烧，产生超细油滴后通过高能点火器引燃，同时巧妙地利用燃烧产生的热量对燃油进行加热、扩容，使燃油在极短的时间内蒸发气化。由于燃油是在气化状态下燃烧，可以大大提高燃油火焰温度，并急剧缩短燃烧时间。气化燃烧后的火焰（图1）传播速度快、火焰呈蓝色，中心温度高达1500～2000℃，可作为高温火核在煤粉燃烧器内直接点燃一级煤粉，从而实现电站锅炉启动、停止以及低负荷稳燃。
2.2微油点火燃烧器工作原理
冷炉微油点火燃烧器的工作原理是：微油气化油枪与高强度油燃烧室配合，燃烧后形成温度很高的油火焰。高温油火焰引入煤粉燃烧器一级燃烧区，当浓相煤粉通过气化燃烧高温火核时，煤粉温度急剧升高、破裂粉碎，释放出大量的挥发份，并迅速着火燃烧；已着火燃烧的浓相煤粉在二次室内与稀相煤粉混合并点燃稀相煤粉，实现了煤粉的分级燃烧（图2），燃烧能量逐级放大，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大大减少煤粉燃烧所需引燃能量。满足了锅炉启、停及低负荷稳燃的需求。气膜冷却二次风主要用于保护喷口安全，防止结焦烧损及补充后期燃烧所需氧量。

图1  微油气化燃烧火焰状况                                图2 煤粉燃烧火焰状况
3、系统设计
根据现场实际情况,将4套微油点火及稳燃燃烧器替换原锅炉最下层的四只喷燃器，取代原有的主燃烧器，作为锅炉点火燃烧器和主燃烧器使用,可满足锅炉启、停或低负荷稳燃的要求。
微油气化直接点煤粉燃烧系统由微油点火系统、煤粉燃烧系统、控制系统、辅助系统、空气加热系统五部分组成。
3.1微油点火系统设计
3.1.1气化小油枪
主油枪、辅助油枪。
3.1.2 燃油系统
不锈钢管、油门、过滤器、燃油软管。
3.1.3 压缩空气系统
钢管、气动球阀、气动球阀、空气软管。
3.1.4高压风系统
钢管、风软管。
3.2煤粉燃烧系统设计
3.2.1煤粉燃烧器结构
拆除该炉1号磨带最下层原4个煤粉燃烧器部件，整套点火微油枪从燃烧器45°方向插入，改造成微油点火燃烧器。保留原燃烧器的燃烧功能，喷口出口净面积与原喷口相比无变化，喷口一次风速维持原设计值。
3.2.2燃烧器出力计算
燃烧器出力设计应保证微油量气化燃烧煤粉燃烧器的热功率与启动锅炉所需油枪的热功率相等，即4只微油量气化煤粉燃烧器功率至少与原启动油燃烧器的热功率相等。
3.2.3 送粉管道参数计算
一次风管管径φ560×12mm。
（a）  煤粉浓度及风速核算
C(气流密度ρ=1.°一次风粉温度取80 0kg/m3),在单角粉量一定（6.0t/h）的前提下，风速选择为20 m/s计算煤粉浓度为0.46kg/kg时，符合设计要求。
（b） 系统阻力计算
一次风管阻力包括沿程阻力、局部阻力及煤粉加速损失，由于微油量点火送粉管道仍用原有管道，因此管道阻力没有变化。对于燃烧器改后阻力约增加400pa左右。
3.2.4煤粉浓缩器
煤粉浓缩分配器的作用是将一次风气流进行风粉分离，形成浓、稀两股煤粉气流分别导出。由于高浓度煤粉具有着火温度、着火热降低易被点燃的特点，因此微油煤粉燃烧器设计成多级燃烧能量逐级放大结构，将浓侧煤粉流引入燃烧器的一次室，被高温气化燃烧油火焰点燃，稀相侧煤粉被引入二次室被浓相煤粉火焰点燃，稀侧煤粉流兼有冷却一次室壁面，防止一次室结焦或烧损及补充的作用。
3.2.5气膜风冷却系统
气化微油点火及稳燃燃烧器气膜冷却风有两部分组成，一部分由油枪套筒的油配风作为高强度油燃烧室冷却风，原一次风作为一次燃烧室的冷却，另一部分由内旋流二次风改为二次室冷却风。改造保留原有风门，风道等部件。
3.2.6送粉系统
由于将微油点火燃烧器改在最下层4只主燃烧器处，作为点火兼有主燃烧器的功能，因此送粉系统可以完全利用原有4只送粉管道，包括一次风给粉管道，无需增加新的设备和管道。
3.3控制系统设计
微油点火的控制与监测系统就是用于微油直接点煤粉过程中，实现微油点火装置启停状态控制与过程参数（压力、温度等）的采集与监测，以及锅炉安全保护与联锁。
3.3.1微油点火主要逻辑
㈠　启动逻辑
     满足启动允许条件，往DCS发出“启动”指令，就地控制柜接到启动指令后接通高能点火器点火，同时自动开启燃油阀，油枪燃烧稳定4-5秒后（火检有火证实），自动开启压缩空气阀，完成启动过程。高能点火器启动后15秒后自动停止。
㈡　灭火保护
根据DCS具体情况组态。
㈢　停止逻辑
在微油枪停止时，一般应在燃油阀关闭后，保持压缩空气阀继续延迟十分钟关闭，以达到冷却和吹扫微油枪的效果。
㈣　给煤机启动
气化点火油枪火焰证实（作为点火启动时启动条件）着火稳定后或锅炉点火能量满足（作为主燃烧器使用时），可启动给煤机给煤。
㈤  锅炉FSSS/BMS逻辑的修改
为保证机组的安全及微油枪点火系统的正常运行，结合200MW机组FSSS/BMS的设计特点，对FSSS/BMS逻辑进行以下修改：
在FSSS中设计1号磨煤机“正常运行模式”（FSSS/BMS逻辑维持）与“微油运行模式” （FSSS/BMS逻辑退出）两种运行模式，并可相互切换，从而实现1号磨煤机BMS逻辑切换功能。其他磨煤机的逻辑功能不变。
4、问题解答
4.1 锅炉尾部二次燃烧问题
锅炉尾部烟道引起二次燃烧的主要原因是由于大油枪雾化不好燃烧不完全，使未燃烧的油滴进入尾部烟道，从而停积在尾部烟道上。受烟道内高温烟气的加热气化从而引起二次燃烧。微油点火不会发生尾部烟道二次燃烧，其主要原因如下：
1）微油枪出力非常微小，燃烧非常充分，不存在剩余未燃烬的油滴进入尾部烟道，因此尾部烟道包括空预器不会由于剩余的油滴气化自燃而引起二次燃烧。
2）锅炉冷态启动采用微油点火初期时(0.5～1h)，煤粉燃烧效率不高，在85％左右，剩余未燃烬的煤粉确实进入了尾部烟道。但是由于煤粉的挥发份已完全燃烬，因此进入锅炉尾部烟道的未燃烬煤粉中的可燃部分基本是固定碳，固定碳的着火非常困难（着火点1000℃左右），而尾部烟道达不到这么高的温度和烟气中的含氧量较低（一般为5-8%左右），因此没有引发二次燃烧的条件。
另外，为了加强运行的安全性，在利用微油点火进行锅炉冷态启动时，可以增加尾部烟道及空气预热器吹扫的次数，来减少未燃烬煤粉的堆积量。
大量微油改造工程实践也表明，进行微油改造后机组运行安全可靠，未发生任何二次燃烧的事故。
4.2 燃烧器使用寿命问题
煤粉燃烧器由一次室和二次室组成，燃烧顺序是油点燃一次室煤粉，再由一次室火焰点燃二次室煤粉，最后喷入炉膛燃烧，一次室安装在二次室内，它存在影响寿命的问题是可能产生磨损或结焦烧损。
a磨损问题:
在前墙下层主燃烧器上改造，由于它除锅炉启停及稳燃功能外，还代替了主燃烧器运行，因此磨损是一个主要问题，主要集中在一次室，所以设计时在煤粉气流冲刷部位采用耐磨合金材料与粘贴耐磨陶瓷块方案，提高其抗磨性。同时在该处设计较低一次风速，由于磨损与速度的三次方成正比，因此可大大降低磨损速率，一次室寿命可保证6年，二次室寿命可保证8年。
在设计一次室时考虑磨损后更换方便，采用活动式的，即把一次风弯头卸开即能抽出一次室，现场检修人员能灵活操作和更换，首次一次室更换由厂家按成本价提供备件。
b烧损问题:
关于结焦烧损问题，由于燃烧器采用了多级多层风膜冷却技术，燃烧器壁温始终保持在600℃以下，因此，不会产生结焦或烧损问题，截止目前已运行的各个电厂工程中（包括燃用易结焦煤锅炉）均未出现结焦烧损问题。
5、微油点火系统改造情况
在2008年#5机A修、#6机B修、2009年#4机B修、2010年#3机c修。为提高节能效益，降低锅炉启动及助燃用油量，在此期间#5、#6、#4、#3炉分别加装了“微油点火系统”，生产厂家为“CV节能环保科技开发有限公司”。
系统设计就是将四套微油点火系统及稳燃燃烧器替换原#5、#6炉最下层四支喷燃器，#4、#3炉改造#2、#4、#6、#8喷燃器作为锅炉点火燃烧器和主燃烧器使用，每个配备一支主油枪和一支辅助油枪，微油系统从原锅炉燃油系统接入。
安装微油点火系统过程中检修与运行人员共同把关，运行人员对微油点火系统认真调试，精心操作，经过两年多的使用，锅炉燃烧稳定，微油点火浓淡型喷燃器投入正常，运行参数基本达到设计值，极大地提高了锅炉运行的安全性和经济性，为我公司节约了大量的设备检修费用、燃油费用、机组启停费用。
（一）综合分析：
1、启动
在#5、#6机A、B修后首次启动时，首先试用“微油量点火系统”点火启动，但主要因为燃油油质差、杂质含量多使油滤网堵塞，试验未成功。但经过清理油罐更换新#0柴油，冲洗油管道，清理、更换油滤网后，至2009年8月启动情况如下:
（1）#5炉启动4次，共用油46.2T（其中一次因#51磨大修小油枪不能投运，用油31.9T）。节约燃油88.8T（与使用大油枪比较）。
（2）#6炉启动4次，共用油12.1T（平均每次3.025T）。节约燃油122.9T（与使用大油枪比较）。
（3）#4炉启动1次，共用油43.35T（因#41磨入口大瓦温度高停运处理24小时）。节约燃油76.65T（与使用大油枪比较）。
  2、助燃
（1） 燃用油更换为#0柴油后，经过几次助燃试验，效果比较满意，基本达到了稳燃作用，同时经过1年多的运行观察和比较，节油量比较明显。如：2008年11月10日，停#61引风机处理振动大，两台磨运行，煤质差，投用小油枪6个多小时，观察燃烧比较稳定，共用燃油4T，节约大量燃油。（比大油枪节油14T）。
（2）2009年7月3日02时15分#4炉投四支小油枪，负荷由140MW降至95MW。02：46、停#42引风机（处理液联滤网堵）。02：50、停#41磨（钢球筛选装置检查）。04：15、启#42引风机。04：45、#4炉撤四支小油枪，05：00、启#41磨。共用燃油0.8T，节约大量燃油。（比大油枪节油4.2T）。
 3、现状
现#3、#4、#5、#6炉微油点火系统已全部投入正常运行，并与大油枪配合使用，在助燃时首先投用小油枪，然后根据实际运行工况的需要，适当投入部份大油枪，起到了稳燃、节油的效果，同时操作人员已熟练掌握了小油枪的操作和使用方法，能够满足锅炉冷、热态启动、各种事故情况的投油助燃。
（二）经验教训：
（1）2009年2月15日#6炉小修后启动，使用小油枪14小时55分，用油10.45吨，平均每小时用油0.6967吨。如果使用大油枪，平均每小时用油按8吨计算，使用大油枪14小时55分合计用油120吨，节约燃油109.65吨，仅此项降低锅炉启动成本888165元（每吨-20号柴油按8100元计算）。节能降耗效果显著。
（2）锅炉点火初期，煤粉燃烬率低，在烟气中含有可燃物，必须做好防止尾部烟道再燃烧工作。
（3）油系统中有杂质，小油枪头及滤网有堵塞现象，锅炉每次启动前应进行清理或更换。
6、结论
6.1采用微油量点火技术后，锅炉可实现微油量的启、停及稳燃，节油率在90%以上，综合节能效益80%。另外，采用该技术可实现锅炉点炉初期和低负荷稳燃期间投入电除尘，有益于环保。
6.2微油量点火技术改造在四只主燃烧器上进行，利用微油量气化燃烧煤粉燃烧器替代原煤粉燃烧器，既有点火功能又具有主燃烧器功能，送粉利用原送粉管道。整个系统改造简单，运行维护量小，投资费用低。
6.3我公司四台炉利用锅炉微油点火技术改造后效果达到设计要求，锅炉油枪原设计为八个大油枪，每小时至少耗油4吨，锅炉冷态启动一次用油在40吨以上，每年需要大量柴油，增加了机组启动成本。改造后锅炉一次冷态启动用油在4吨以下，节油率90%以上。每吨柴油按8100元计算，锅炉每次冷态启动节油按36吨计算，启动3.36次即可收回投资成本。