超超臨界燃煤鍋爐穩(wěn)燃系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

陳 銘

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源517025）

超超臨界燃煤鍋爐穩(wěn)燃系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

陳 銘

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源517025）

介紹了鍋爐穩(wěn)燃系統(tǒng)天然氣助燃改造的設(shè)計(jì)過(guò)程。該設(shè)計(jì)改變了電廠(chǎng)超超臨界燃煤鍋爐采用等離子點(diǎn)火和輕質(zhì)柴油穩(wěn)燃不環(huán)保且在鍋爐燃燒不穩(wěn)時(shí)難以及時(shí)投入的情況；通過(guò)改造可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保多方面的良好效果。關(guān)鍵詞：鍋爐；穩(wěn)燃系統(tǒng)；天然氣；改造

某600 MW超超臨界燃煤電廠(chǎng)于2008年投產(chǎn)，一直采用等離子點(diǎn)火，原設(shè)計(jì)柴油助燃系統(tǒng)因油耗高、影響環(huán)保設(shè)施可靠性等問(wèn)題而被長(zhǎng)期棄用。2015年國(guó)家開(kāi)始逐步放開(kāi)電力市場(chǎng)，電廠(chǎng)必須通過(guò)節(jié)能減排、深度調(diào)峰等手段進(jìn)行增收節(jié)支，這樣才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中得以生存。低負(fù)荷節(jié)能的常用措施有減少磨煤機(jī)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)等。這些措施易造成設(shè)備備用條件不足，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)鍋爐易發(fā)生燃燒失調(diào)、爐膛滅火的情況。另外，低負(fù)荷運(yùn)行期間氧量較大，氮氧化物控制更加困難，因此研究并實(shí)施可靠且環(huán)保的穩(wěn)燃系統(tǒng)已勢(shì)在必行。

1 設(shè)備概述

某廠(chǎng)鍋爐為超超臨界煤粉爐，單爐膛、Π型布置，配低NOx主煤粉燃燒器，采用分級(jí)燃燒技術(shù)和MACT型低NOx分級(jí)送風(fēng)燃燒系統(tǒng)、反向墻式切圓燃燒方式。鍋爐制粉系統(tǒng)為6臺(tái)型號(hào)為HP1003中速磨，正壓直吹，額定工況時(shí)5臺(tái)投運(yùn)，1臺(tái)備用。每臺(tái)磨煤機(jī)供布置于爐墻四側(cè)同一層的4個(gè)燃燒器。鍋爐采用二級(jí)點(diǎn)火方式：高能電火花點(diǎn)火器－油槍?zhuān)悍廴紵?。此外，還在最下層燃燒器設(shè)置了等離子直接點(diǎn)燃煤粉的燃燒方式。原油槍的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 原有油槍技術(shù)參數(shù)

近年來(lái)燃煤電廠(chǎng)成本壓力劇增，為降低成本，該電廠(chǎng)已在研究低負(fù)荷三臺(tái)磨運(yùn)行、深度調(diào)峰等項(xiàng)目，最大限度地增收節(jié)支，提高經(jīng)濟(jì)生存能力，但同時(shí)低負(fù)荷穩(wěn)燃的風(fēng)險(xiǎn)大幅上升。為保證機(jī)組在安全可控的前提下有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，必須進(jìn)行穩(wěn)燃系統(tǒng)改造。

2 改造方案選擇

對(duì)該廠(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備情況進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，微油機(jī)械霧化助燃改造和天然氣助燃改造兩種技改方案比較合適。兩種技改思路的對(duì)比情況如表2所示。

表2 兩種技改思路的對(duì)比情況

從表2可以看出，天然氣改造方案雖初期投資較大，但具有備用消耗少、環(huán)保效果好的優(yōu)勢(shì)，更適合于燃煤電廠(chǎng)。2016年起，國(guó)家大力加強(qiáng)天然氣行業(yè)推廣和管控，很多省市都可為電廠(chǎng)配套相應(yīng)管道工程，在省去了LNG氣化站約350萬(wàn)元的投資以及日常運(yùn)維成本后，其經(jīng)濟(jì)效益更加凸顯，因此最終選擇天然氣助燃改造方案。

3 天然氣改造概述

天然氣穩(wěn)燃系統(tǒng)采用LNG氣化站進(jìn)行供氣，氣源壓力0．2 MPa，輸入管徑DN300 mm，最大流量1．3萬(wàn)m3／h，天然氣高位發(fā)熱量為37．4 MJ／m3，Rhon為0．62 kg／m3；CH4體積比為93．9%，燃?xì)獾臀粺嶂礠ydw＝35 500 kJ／m3，燃?xì)饷芏圈眩?．75 kg／m3。

天然氣點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)主要由天然氣燃燒器及配風(fēng)系統(tǒng)、天然氣管線(xiàn)系統(tǒng)、安全保護(hù)報(bào)警及控制系統(tǒng)、LNG氣化站等組成。結(jié)合該廠(chǎng)鍋爐現(xiàn)有設(shè)備情況，擬拆除原AB層、EF層油槍?zhuān)?duì)CD層油槍進(jìn)行天然氣改造。

3．1 燃?xì)馊紵b置選型

燃?xì)馊紵鞑捎靡患?jí)點(diǎn)火，即高能點(diǎn)火槍直接點(diǎn)燃燃?xì)鈽?。根?jù)經(jīng)驗(yàn)，二級(jí)點(diǎn)火的小氣槍存在不安全因素。由于燃煤電站鍋爐爐內(nèi)空氣擾動(dòng)較為強(qiáng)烈，小氣槍火焰抗干擾能力差，存在點(diǎn)火困難、燃燒穩(wěn)定性差的問(wèn)題，所以一級(jí)點(diǎn)火時(shí)可將燃燒器燃?xì)饬空{(diào)節(jié)到較小的流量。

燃?xì)鈽屧O(shè)計(jì)為固定結(jié)構(gòu)且不上下擺動(dòng)，需將二次風(fēng)噴口聯(lián)動(dòng)銷(xiāo)軸拆除，并將二次風(fēng)噴口水平固定。每臺(tái)燃燒器設(shè)置一套高能點(diǎn)火器及點(diǎn)火器的氣動(dòng)推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火。為保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，全部采用新購(gòu)置設(shè)備。每臺(tái)燃燒器設(shè)置紫外線(xiàn)火檢，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒情況。天然氣燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 天然氣燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

推薦采用強(qiáng)混式鋸齒形燃?xì)馊紵?，其具有以下特點(diǎn)：

1）采用強(qiáng)混技術(shù)，燃燒效率高，燃盡程度好；

2）調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)比大；

3）獨(dú)有的穩(wěn)焰技術(shù)使得該燃?xì)馊紵鞑换鼗?、不脫火、不燒噴口、不結(jié)焦；

4）運(yùn)行調(diào)節(jié)方便，且不產(chǎn)生沖墻、燃燒區(qū)域過(guò)熱或超溫等問(wèn)題；

5）燃?xì)馊紵鞒隽εc原油槍等熱值，能完全滿(mǎn)足鍋爐的啟動(dòng)和輔助燃燒要求。

電站鍋爐燃?xì)恻c(diǎn)火穩(wěn)燃燃燒器一般采用鼓風(fēng)式擴(kuò)散燃燒器，由配風(fēng)噴口、燃?xì)鈬娮?、鋸齒形穩(wěn)焰器、配風(fēng)器、點(diǎn)火槍、火檢及看火孔等組成。燃?xì)鈬娮焐嫌袛?shù)排3～10mm噴孔，燃?xì)庖?00～300 m／s的速率從小孔噴出，空氣通過(guò)配風(fēng)器形成旋轉(zhuǎn)氣流與小孔出來(lái)的燃?xì)饣旌先紵?，噴嘴上的鋸齒形穩(wěn)焰體保證燃?xì)庵稹⑷紵€(wěn)定以及燃?xì)馀c空氣的及時(shí)混合。點(diǎn)火槍用于冷態(tài)時(shí)點(diǎn)燃燃?xì)?，火檢用于檢測(cè)火焰的燃燒情況。這種鋸齒形燃?xì)馊紵饕呀?jīng)在幾十臺(tái)鍋爐上有使用業(yè)績(jī)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3．2 燃?xì)鈮毫?/p>

額定壓力燃?xì)馐侨紵鞯年P(guān)鍵性能參數(shù)，對(duì)于保證燃燒器的穩(wěn)定性非常重要，燃?xì)鈬娮斓膰娍琢魉僦饕Q于燃?xì)鈮毫?。根?jù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，燃?xì)忸~定壓力取50～60 kPa較為合適，燃?xì)馊紵鲊娍椎牧魉俑鶕?jù)公式計(jì)算，噴孔流速約為226 m／s。

3．3 燃燒器功率及出力

燃?xì)馊紵鞴β蕽M(mǎn)足鍋爐點(diǎn)火及穩(wěn)燃要求，若系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為油燃燒器，單臺(tái)燃?xì)馊紵鞯念~定功率等于原油槍的額定功率，原油槍的出力達(dá)到G＝2 000 kg／h即可滿(mǎn)足穩(wěn)燃。取原油熱值Qynet．cr＝42 900 kJ／kg，相應(yīng)的燃?xì)馊紵黝~定功率為

3．4 燃?xì)饬?/p>

單臺(tái)燃燒器的額定燃?xì)饬颗c燃燒器的額定功率及燃?xì)獾臒嶂涤嘘P(guān)，燃?xì)饬康挠?jì)算式為

若取燃燒器的額定功率N＝23．83×103kW，燃?xì)鉄嶂礠qnet．cr＝ 35 500 kJ／Nm3，相應(yīng)的燃?xì)饬繛?/p>

另外，燃燒器的功率是可以調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)范圍為額定出力的45%～150%。根據(jù)燃燒器出口壓力，通過(guò)每臺(tái)燃燒器對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，壓力可在10～120 kPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)的燃?xì)饬糠秶鸀? 080～3 600 Nm3／h，對(duì)應(yīng)的功率范圍在10．64～35．4 MW，燃?xì)饬颗c功率及出力的調(diào)節(jié)范圍及幅度是一致的。

根據(jù)以上計(jì)算，改造中共涉及4×2 416．6＝9 666．4 Nm3／h，約為7%的BMCR燃料量，符合鍋爐穩(wěn)燃需求。

3．5 空氣量

燃?xì)馊紵璧目諝饬?，取決于燃?xì)饬考袄碚摽諝饬??？諝饬康挠?jì)算如下式

式中：V0k為燃?xì)獾念~定空氣量；Vq為燃?xì)饬?；α為過(guò)量空氣系數(shù)，一般取1．2。如燃燒器的額定燃?xì)饬縑q＝2 416．6 Nm3／h，理論空氣量V0k＝9．64 Nm3／h，取過(guò)量空氣系數(shù)α＝1．2，燃燒器的額定空氣量為

Vk＝V0k×Vq×α＝2 416．6×9．64×1．2＝27 955．2 Nm33．6 燃?xì)馊紵b置的布置

燃?xì)恻c(diǎn)火燃燒器的布置位置與原油燃燒器相同，四角布置在CD，EF層原油燃燒器噴口內(nèi)，利用原二次風(fēng)噴口，標(biāo)高與中心位置不變。

3．7 燃?xì)馊紵b置配風(fēng)系統(tǒng)

燃?xì)馊紵鞑捎迷惋L(fēng)道的調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行燃?xì)馊紵髋滹L(fēng)量的調(diào)節(jié)，通過(guò)二次風(fēng)道將風(fēng)送入燃?xì)馊紵鞯呐滹L(fēng)器及二次風(fēng)噴口，對(duì)燃?xì)馊紵M(jìn)行配風(fēng)及補(bǔ)風(fēng)。由于原油槍的空氣量與燃?xì)獾目諝饬肯喈?dāng)，所以原油風(fēng)道的風(fēng)量滿(mǎn)足燃?xì)馊紵鞯男枰?/p>

4 天然氣管線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目天然氣氣源采用LNG氣化站直供，氣源出口壓力0．2 MPa，管徑取DN300 mm，最大輸出流量13 000 Nm3／h，天然氣高位發(fā)熱量37．4 MJ／m3，Rhon為0．62 kg／m3；CH4體積比93．9%。

4．1 燃?xì)饽腹芫€(xiàn)系統(tǒng)

燃?xì)夤芫€(xiàn)系統(tǒng)按燃?xì)鈮毫x用中壓管道（0．01 MPa＜p≤0．2 MPa）系統(tǒng)輸送，管線(xiàn)系統(tǒng)包括燃?xì)饽腹芫€(xiàn)系統(tǒng)、單臺(tái)爐燃?xì)夥止芫€(xiàn)系統(tǒng)、燃?xì)庵Ч芫€(xiàn)系統(tǒng)。

燃?xì)饽腹芫€(xiàn)系統(tǒng)是指從計(jì)量站來(lái)氣到鍋爐房的管線(xiàn)，要求計(jì)量站燃?xì)鈮毫?．2 MPa，流量為13 000 Nm3／h，通過(guò)DN300 mm無(wú)縫鋼管從LNG氣化站直接取氣至1＃，2＃鍋爐處。在鍋爐房前鋼管上安裝手動(dòng)閥、吹掃閥、壓力表。

4．2 單臺(tái)爐燃?xì)夥止芫€(xiàn)系統(tǒng)

從兩臺(tái)爐天然氣母管道附近，由1條DN300 mm管道將天然氣引至每臺(tái)鍋爐點(diǎn)火平臺(tái)，且在適當(dāng)位置繞爐膛1圈。該管路上布置1臺(tái)手動(dòng)球閥（分爐總?cè)肟陂T(mén)）、1臺(tái)氣動(dòng)快速關(guān)斷球閥、1臺(tái)流量計(jì)、1臺(tái)就地壓力表、1臺(tái)壓力變送器及6臺(tái)壓力開(kāi)關(guān)等。在該管道手動(dòng)球閥前還布置有1路DN100 mm放空管路，聯(lián)通各分、支管路放空管路后引至爐頂，總放空管高于爐頂2 m。在流量計(jì)前布置1條DN50 mm吹掃置換管路，設(shè)置1臺(tái)手動(dòng)球閥、1臺(tái)就地壓力表、1臺(tái)氣動(dòng)球閥及1臺(tái)止回閥等，在該管路最遠(yuǎn)處布置1條DN25 mm疏水管路，該疏水管路上布置2臺(tái)手動(dòng)球閥。

4．3 各角天然氣分管道

從爐前圍繞的DN300mm天然氣分管道上，四角引出4條DN150 mm天然氣分管道，用于對(duì)應(yīng)各個(gè)角的天然氣燃燒器。該DN150 mm管路上布置手動(dòng)球閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)快速關(guān)斷球閥、管道阻火器、壓力變送器、就地壓力表各1臺(tái)，并與燃?xì)馊紵饔媒饘佘浌芟噙B。在DN150 mm手動(dòng)球閥后設(shè)置1路DN25 mm放空管。該放空管上布置1臺(tái)手動(dòng)球閥、1臺(tái)氣動(dòng)放空閥，放空管引至DN100 mm放空母管。在氣動(dòng)快速關(guān)斷球閥后將原油槍霧化蒸汽管路接至對(duì)應(yīng)燃?xì)馊紵?，用于燃?xì)馊紵鞔祾摺?/p>

4．5 天然氣管線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

燃?xì)飧呶粺嶂礠ydw＝37 400 kJ／m3，燃?xì)饷芏圈眩?．75 kg／m3，燃?xì)鈮毫υO(shè)定為P＝50 kPa。為滿(mǎn)足鍋爐穩(wěn)燃，需同時(shí)投運(yùn)4臺(tái)燃?xì)馊紵?，單臺(tái)氣槍設(shè)計(jì)燃?xì)饬繛? 400 Nm3／h，單臺(tái)爐最大設(shè)計(jì)燃?xì)饬繛? 600 Nm3／h。

4．6 天然氣泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為保證燃?xì)庀到y(tǒng)的安全，按規(guī)定配備天然氣檢漏裝置，每臺(tái)爐布置5只可燃?xì)怏w探測(cè)器，燃燒器閥組4只及母管閥組1只，將全部可燃?xì)怏w探測(cè)器信號(hào)接入DCS系統(tǒng)。當(dāng)有天然氣泄漏時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保證鍋爐安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)電力行業(yè)形勢(shì)日益嚴(yán)峻，超超臨界燃煤電廠(chǎng)雖在業(yè)內(nèi)具有煤耗低、減排效果好等優(yōu)勢(shì)，但隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求不斷加強(qiáng)，要適應(yīng)各種不利的市場(chǎng)局面，必須深入研究低負(fù)荷優(yōu)化節(jié)能和穩(wěn)燃技術(shù)。2016年間，國(guó)務(wù)院、發(fā)改委、能源局、工商總局等多部門(mén)先后出臺(tái)多項(xiàng)政策，分別涉及天然氣領(lǐng)域的官網(wǎng)開(kāi)放、價(jià)格改革、成本審核、壟斷合規(guī)等方面。很多省市在大幅擴(kuò)大天然氣管道鋪設(shè)面積，有的甚至已為電廠(chǎng)這種大型用戶(hù)免費(fèi)進(jìn)行配套設(shè)施建設(shè)，電廠(chǎng)只需完成廠(chǎng)內(nèi)設(shè)備改造即可，省去LNG約350萬(wàn)投資，且無(wú)需氣站的運(yùn)維成本，改造經(jīng)濟(jì)性大幅提升。天然氣穩(wěn)燃改造，為燃煤電廠(chǎng)引入清潔的助燃技術(shù)，不僅能為電廠(chǎng)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供技術(shù)依托，還能顯著提升電廠(chǎng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)性能，是極佳的技改方案。

［1］ 劉眾擎，何宏舟，莊煌煌．天然氣助燃超細(xì)無(wú)煙煤粉燃燒器設(shè)計(jì)要點(diǎn)概述［J］．工業(yè)鍋爐，2015（2）：1－5．

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［3］ 劉圣勇，張百良，劉志剛，等．電站鍋爐天然氣點(diǎn)火裝置的設(shè)計(jì)與研究［J］．熱能動(dòng)力工程，2002，17（2）：180－182．

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A Study on the Renovation Design of the Stable Combustion System of the Ultra－Supercritical Coal－Fired Boiler

CHEN Ming
（Shenzhen Energy Hopewell Power（Heyuan）Co．，Ltd．，Heyuan Guangdong517025，P．R．China）

Plasma ignition and stable combustion with light diesel oil are applied in the ultra supercritical coal fired boiler of the power plant．However，the fuel system is not environmentally friendly and the plasma igniter can not work in timewhen the combustion is not stable．This paper introduces the design process of the natural gas combus tion supporting renovation for the stable combustion system of the boiler，which can solve the above mentioned prob lems and realize energy conservation and environmental protection．

boiler；stable combustion system；natural gas；renovation

TK124

A

1008 8032（2017）03 0037 04

2017－03－21

陳 銘（1984－），工程師，研究方向?yàn)殡姀S(chǎng)安全、節(jié)能、環(huán)保等方面技術(shù)。