等離子點(diǎn)火裝置配套改造與效益分析

馮培峰，王林，劉曉莎

(1.京能十堰熱電有限公司，湖北 十堰 442000；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)原油進(jìn)口量持續(xù)增加，火電行業(yè)的耗油量越來(lái)越受到關(guān)注。電站鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中需投用燃油點(diǎn)火，顯著增加了電力企業(yè)的發(fā)電成本[1]。減少機(jī)組鍋爐點(diǎn)火用油，能夠提高鍋爐啟停過(guò)程的安全性[2]，保護(hù)環(huán)保設(shè)備免受燃油污染[3]。等離子點(diǎn)火技術(shù)利用強(qiáng)磁場(chǎng)控制下獲得的穩(wěn)定功率的空氣等離子體去點(diǎn)燃具有一定揮發(fā)分的煤粉[4]，點(diǎn)火過(guò)程無(wú)燃油消耗[5-6]，大大提高了燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性[7-8]。等離子點(diǎn)火裝置的技術(shù)特點(diǎn)要求點(diǎn)火初期磨煤機(jī)給煤量維持在較低值，通常情況下該值會(huì)低于磨煤機(jī)的最小額定出力，這將會(huì)引發(fā)磨煤機(jī)顯著振動(dòng)，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行。如何解決等離子點(diǎn)火裝置所需的小煤量與磨煤機(jī)極小出力下劇烈振動(dòng)的問(wèn)題，是充分發(fā)揮等離子點(diǎn)火裝置節(jié)油優(yōu)勢(shì)、實(shí)現(xiàn)等離子點(diǎn)火技術(shù)可靠應(yīng)用的關(guān)鍵。

某電廠2×350 MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)工程，鍋爐燃燒器采用前后墻對(duì)沖布置，底層各燃燒器安裝有等離子點(diǎn)火裝置，前后墻共布置8只。為解決等離子點(diǎn)火裝置初期投用時(shí)磨煤機(jī)振動(dòng)大的問(wèn)題，對(duì)磨煤機(jī)實(shí)施了變頻改造。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，等離子點(diǎn)火裝置拉弧穩(wěn)定，磨煤機(jī)振動(dòng)降低至正常范圍，改造取得了較好的效果。磨煤機(jī)加裝變頻器作為等離子點(diǎn)火裝置的配套改造，充分發(fā)揮了設(shè)備節(jié)油優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生了顯著的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

1 等離子點(diǎn)火系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該機(jī)組采用了THPI-300/600-01型等離子發(fā)生器，以壓縮空氣等離子體為熱源，直接點(diǎn)燃煤粉，實(shí)現(xiàn)鍋爐無(wú)油冷態(tài)啟動(dòng)。

1.1 等離子點(diǎn)火系統(tǒng)組成

等離子點(diǎn)火系統(tǒng)主要由等離子體發(fā)生器、等離子點(diǎn)火燃燒器組成，輔助系統(tǒng)包括壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、圖像火檢系統(tǒng)、一次風(fēng)速在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和冷爐制粉系統(tǒng)等。等離子點(diǎn)火系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 離子點(diǎn)火系統(tǒng)組成示意

THPI-300/600-01型等離子體發(fā)生器由陰極、陽(yáng)極、前進(jìn)氣室、后進(jìn)氣室、引弧裝置、開(kāi)關(guān)電源、冷卻水腔等組成，功率在140～200 kW范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。等離子體發(fā)生器使用雙路載體風(fēng)來(lái)產(chǎn)生高溫等離子體，內(nèi)部采用同軸雙氣室結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極和陰極在工作時(shí)固定不動(dòng)，其間距保持恒定。在陰、陽(yáng)電極間加穩(wěn)定的大電流，將電極空心筒體中的壓縮空氣電離形成具有高溫導(dǎo)電特性的等離子體。前進(jìn)氣室進(jìn)來(lái)的壓縮空氣將等離子體壓縮，并由后進(jìn)氣室進(jìn)來(lái)的壓縮空氣將等離子體吹出陽(yáng)極筒體，形成連續(xù)穩(wěn)定的高溫等離子體流，可將煤粉直接點(diǎn)燃。壓縮空氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供潔凈、干燥、壓力穩(wěn)定的壓縮空氣，作為等離子體流的載體。等離子體發(fā)生器的陽(yáng)極、陰極和線(xiàn)圈工作在高溫環(huán)境，其冷卻水由電廠閉式水供應(yīng)。

1.2 等離子點(diǎn)火技術(shù)的特點(diǎn)

等離子點(diǎn)火燃燒器點(diǎn)火能量有限，通過(guò)特殊的燃燒器，先由等離子點(diǎn)火器點(diǎn)燃最內(nèi)層少量濃縮煤粉，再由燃燒的濃縮煤粉點(diǎn)燃中間層濃縮煤粉，最后由燃燒的中間層煤粉點(diǎn)燃整個(gè)燃燒器煤粉，所以等離子點(diǎn)火系統(tǒng)不能像大油槍一樣單獨(dú)運(yùn)行，必須和煤粉燃燒器同時(shí)投運(yùn)。

1.3 等離子點(diǎn)火裝置的適應(yīng)性

煙煤是采用等離子點(diǎn)火系統(tǒng)最理想的煤種，當(dāng)煤質(zhì)參數(shù)變化時(shí)，應(yīng)采取調(diào)整煤粉細(xì)度，煤粉濃度，一、二次風(fēng)速，風(fēng)粉混合物溫度及加大等離子體發(fā)生器的功率等措施來(lái)提高等離子技術(shù)的適應(yīng)性。

2 等離子點(diǎn)火存在的問(wèn)題及解決辦法

等離子點(diǎn)火的特點(diǎn)決定等離子點(diǎn)火系統(tǒng)必須和磨煤機(jī)同時(shí)運(yùn)行，超(超)臨界機(jī)組點(diǎn)火初期升溫升壓速度不能過(guò)快，所以給煤量不能過(guò)大，但是中速磨煤機(jī)若出力太小將會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)，一般最小出力不小于額定出力的25%。在點(diǎn)爐初期，過(guò)多的煤粉會(huì)帶來(lái)過(guò)快的升溫升壓速度，引起超(超)臨界機(jī)組高溫受熱面氧化皮脫落，最終導(dǎo)致受熱面堵塞、超溫爆管。

2.1 等離子點(diǎn)火存在的問(wèn)題

鍋爐點(diǎn)火初期的煤粉量受鍋爐初始燃燒率和磨煤機(jī)最小出力兩個(gè)因素影響。

超臨界機(jī)組點(diǎn)火初期必須嚴(yán)格控制升溫升壓速度，以免受熱面內(nèi)氧化皮脫落，對(duì)鍋爐造成危害。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鍋爐初始燃燒率為額定負(fù)荷時(shí)的5%左右，根據(jù)350 MW超臨界機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)總煤量約160 t/h、冷爐點(diǎn)火初期燃盡率85%計(jì)算，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的燃煤量不能超過(guò)9.4 t/h。

磨煤機(jī)的最小出力直接反映鍋爐啟動(dòng)時(shí)的輸入熱量，最小出力大于鍋爐初始燃燒率時(shí)，鍋爐的溫升速率會(huì)提高，如350 MW超臨界機(jī)組鍋爐配套的北京電力設(shè)備總廠ZGM95N-II型磨煤機(jī)燃用煙煤時(shí)設(shè)計(jì)最大出力為51.78 t/h，最小出力一般為最大出力的25%，即12.95 t/h，大于鍋爐初始燃燒率，導(dǎo)致采用純等離子點(diǎn)火的鍋爐操作困難。磨煤機(jī)的最小出力受到磨煤機(jī)類(lèi)型、干燥、研磨、通風(fēng)、基本出力、磨煤機(jī)振動(dòng)等因素制約，但主要影響因素是振動(dòng)，因此，如何減小磨煤機(jī)在最小額定出力下的振動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)與等離子點(diǎn)火裝置有效匹配的關(guān)鍵。

2.2 現(xiàn)有解決辦法分析

目前，等離子點(diǎn)火及其穩(wěn)燃技術(shù)已應(yīng)用于燃用貧煤、煙煤的機(jī)組，越來(lái)越多的新建電廠直接設(shè)計(jì)為等離子點(diǎn)火系統(tǒng)，已建成的電廠則將傳統(tǒng)的燃油系統(tǒng)改造為等離子點(diǎn)火系統(tǒng)。等離子點(diǎn)火技術(shù)的代表性應(yīng)用有：國(guó)電肇慶熱電有限公司2×350 MW機(jī)組、內(nèi)蒙古東勝熱電有限公司2×330 MW機(jī)組、國(guó)電康平發(fā)電廠2×600 MW機(jī)組等直接設(shè)計(jì)等離子點(diǎn)火系統(tǒng)；河曲電廠2×600 MW機(jī)組將燃油系統(tǒng)改造為等離子點(diǎn)火系統(tǒng)。上述采用純等離子點(diǎn)火的電廠，為了防止點(diǎn)火初期給煤量過(guò)小而引起磨煤機(jī)劇烈振動(dòng)，采取了兩種措施：臨時(shí)措施是在點(diǎn)爐初期給變加載裝置拉桿加裝墊片，達(dá)到改變鋪煤量、減小振動(dòng)的目的；永久措施是對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行改造，加裝動(dòng)態(tài)分離器，通過(guò)調(diào)整動(dòng)態(tài)分離器調(diào)整回粉量來(lái)降低磨煤機(jī)出力，達(dá)到降低點(diǎn)火初期磨煤機(jī)最小出力的目的。上述改造方法存在以下缺點(diǎn)：加裝墊片需在停磨情況下拆開(kāi)液壓拉桿保護(hù)罩進(jìn)行，操作較為復(fù)雜，工藝要求高；加裝動(dòng)態(tài)分離器成本較高，投入產(chǎn)出比難以評(píng)估。

2.3 磨煤機(jī)電機(jī)變頻化改造

變頻器在電廠轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，但在磨煤機(jī)上使用不多。電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速后，可增大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍，減少耗電量，電機(jī)能夠做到低電流平緩啟動(dòng)，大大提升設(shè)備的使用效能。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)分析，決定在磨煤機(jī)電機(jī)上加裝變頻器。在點(diǎn)火初期，保持磨煤機(jī)的最小鋪煤量不變，利用變頻器將磨煤機(jī)電機(jī)頻率由50 Hz調(diào)整到40 Hz，磨煤機(jī)經(jīng)減速機(jī)后轉(zhuǎn)速降至27 r/min，實(shí)際制粉量降低至額定出力時(shí)的15%，已經(jīng)低于磨煤機(jī)的最小額定出力。由于鋪煤量沒(méi)有發(fā)生變化，所以磨煤機(jī)磨盤(pán)上的煤層厚度得到保障，故磨輥與磨盤(pán)間不發(fā)生顯著振動(dòng)，磨煤機(jī)得以平穩(wěn)運(yùn)行。磨煤機(jī)電機(jī)的變頻化改造，有效解決了等離子點(diǎn)火裝置要求降低磨煤機(jī)出力至15%額定負(fù)荷，而磨煤機(jī)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重振動(dòng)的問(wèn)題。

2.4 磨煤機(jī)電機(jī)變頻化改造需注意的問(wèn)題

磨煤機(jī)電機(jī)加裝變頻器無(wú)形中給磨煤機(jī)增加了一個(gè)故障點(diǎn)，如果變頻器故障則磨煤機(jī)需停止運(yùn)行，為了保證變頻器故障時(shí)磨煤機(jī)還可以繼續(xù)運(yùn)行，變頻器需要加裝旁路系統(tǒng)。通常情況下優(yōu)先選用手動(dòng)旁路，原因是自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)系統(tǒng)復(fù)雜，故障點(diǎn)多，故障率高，同時(shí)還有設(shè)備成本高昂、占地面積大等原因。

2.5 加裝變頻器帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益

某電廠350 MW機(jī)組磨煤機(jī)變頻改造后，等離子點(diǎn)火裝置運(yùn)行平穩(wěn)，磨煤機(jī)振動(dòng)在正常范圍內(nèi)。在鍋爐點(diǎn)火初期，變頻驅(qū)動(dòng)的磨煤機(jī)能夠明顯降低最小出力，大大減輕磨煤機(jī)振動(dòng)，還能在機(jī)組調(diào)峰低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)降低磨煤機(jī)的制粉電耗，最終達(dá)到節(jié)能降耗、提高鍋爐效率的目的。

3 等離子技術(shù)綜合效益分析

磨煤機(jī)經(jīng)過(guò)變頻化改造后，能夠更好地適應(yīng)等離子點(diǎn)火裝置對(duì)煤量的要求，提升點(diǎn)火及穩(wěn)燃系統(tǒng)的整體使用效能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷爐無(wú)油啟動(dòng)與無(wú)油低負(fù)荷穩(wěn)燃。

3.1 環(huán)保效益

在鍋爐點(diǎn)火及低負(fù)荷穩(wěn)燃階段，由于電除塵器無(wú)法投入運(yùn)行，煙氣中粉塵量大，對(duì)環(huán)境造成較大污染。此時(shí)投用等離子點(diǎn)火裝置，既可避免污油滴引起的尾部煙道二次燃燒，又可保護(hù)環(huán)保設(shè)備，避免油霧污染電除塵器極板。當(dāng)排煙達(dá)到一定的溫度時(shí)，即可較早投用電除塵器，減少飛灰排放，減輕灰粒對(duì)引風(fēng)機(jī)葉片的磨損，給電廠帶來(lái)顯著的環(huán)保效益。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

等離子點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行磨煤機(jī)變頻化改造后，與常規(guī)微油點(diǎn)火系統(tǒng)相比，調(diào)試工期縮短，施工項(xiàng)目及工作量減少。從初投資、運(yùn)行成本、節(jié)約費(fèi)用等方面對(duì)兩者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，以某電廠350 MW機(jī)組為例，對(duì)比計(jì)算了設(shè)備投資、調(diào)試期間費(fèi)用及正常運(yùn)行期間費(fèi)用，見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備投資情況 萬(wàn)元

從表1可知，微油點(diǎn)火系統(tǒng)的投資包括燃油系統(tǒng)接入、油管油槍配套、吹掃及消防附屬設(shè)備等，經(jīng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，微油點(diǎn)火系統(tǒng)總投資為496.7萬(wàn)元，比安裝等離子系統(tǒng)節(jié)約43.3萬(wàn)元。

調(diào)試期間，鍋爐的平均運(yùn)行時(shí)間為408 h，正常運(yùn)行期間每年投用等離子的時(shí)間為150 h，不考慮燃煤成本，調(diào)試期間的各項(xiàng)成本對(duì)比見(jiàn)表2，正常運(yùn)行期間的各項(xiàng)成本對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 調(diào)試期間成本對(duì)比 萬(wàn)元

從表2可知，調(diào)試期間等離子點(diǎn)火的運(yùn)行成本較微油系統(tǒng)節(jié)約169.4萬(wàn)元；從表3可知，正常運(yùn)行期間，等離子點(diǎn)火比微油系統(tǒng)每年節(jié)省84.2萬(wàn)元。

表3 正常運(yùn)行期間成本對(duì)比 萬(wàn)元

綜上所述，電廠采用等離子點(diǎn)火技術(shù)，其基建投資較微油系統(tǒng)高43.3萬(wàn)元，但調(diào)試和正常運(yùn)行的綜合運(yùn)維成本較微油系統(tǒng)低253.3萬(wàn)元。等離子點(diǎn)火技術(shù)無(wú)油庫(kù)建設(shè)投資，減少了燃油運(yùn)輸費(fèi)用并簡(jiǎn)化了消防設(shè)施投資，有利于電廠降低成本，提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了更好地適應(yīng)等離子點(diǎn)火技術(shù)對(duì)煤量的要求，進(jìn)一步降低磨煤機(jī)出力至最小額定出力以下，同時(shí)確保磨煤機(jī)不發(fā)生明顯振動(dòng)，提出了磨煤機(jī)變頻化改造的技術(shù)方案。改造后，等離子點(diǎn)火裝置穩(wěn)定性顯著提高，磨煤機(jī)運(yùn)行安全平穩(wěn)，實(shí)際應(yīng)用效果良好，有利于降低運(yùn)行成本，環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益良好。

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