姚孟电厂600MW等离子点火初步设计方案.docx
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姚孟电厂600MW等离子点火初步设计方案
姚孟第二发电有限责任公司2×600MW
超临界机组锅炉等离子点火系统
设计方案
®
徐州燃烧控制研究院有限公司
通过ISO9001标准质量体系认证
二〇〇六年三月
前言
2005年，我国电站点火和稳燃用油为600万吨，至2010年，总装机容量为6亿5千万千瓦，预计点火和稳燃的用油量为1000万吨。
原电力部颁布的试运导则中的规定，600MW机组试运期间燃油消耗的标准定量为9000吨，燃料费用十分可观。
徐州燃烧控制研究院有限公司（XCC）开发的等离子无油点火及稳燃技术是一项煤粉锅炉点火及稳燃过程中以煤代油的有效措施，对于新建机组，如果在机组试运初期投入等离子点火系统，将可以大大降低试运期间的燃油消耗，产生巨大的经济效益。
1、等离子煤粉点火技术的基本原理
1.1等离子煤粉点火机理
空气等离子体是靠空气作为等离子体形成气，等离体子形成气在等离子发生器阴极的电弧区形成被电离化的等离子气，这就是温度可高达4000～10000K的等离子火炬，用作点燃煤粉的高温热源。
被点燃的物质应是煤粉与空气的混合物。
等离子炬与空气煤粉混合物相接触遇到4000K以上的等离子炬，首先发生物理变化，由于两者温度相差极大，煤粉颗粒遇热急剧膨胀，在0.1～0.005秒内分裂成8～10个细微颗粒，此即所谓的热爆炸，这使煤粉表面反应面积急剧增大，对加快煤粉的热化学反应速度与反应能力非常有利。
同时，高温的等离子炬可使煤粉中挥发份的逸出速度加快，其成分包括CO、CO2、CH4、C6H6、N2和H2O，这些挥发份气体与等离子气相火炬直接相互作用进入气相反应阶段。
根据热化学反应原理，高温的等离子气体与挥发份气体化学反应活性加大，反应的活化能值降低，在这段反应过程中又可形成化学反应活性更大、活化能值更低的单个原子气体（O、H、N、C、S）、原子基团（NH、CH、CN、OH）以及电子气与相应的正负离子（C-、H-、CO-、N+、SI+、K+）,即所谓活化中心。
由于进入气相反应所产生数量巨大的更有利于燃烧的原子、原子基团、电子气以及各种正负离子将数倍的加快氧化反应，甚至达到爆炸反应的程度，在反应的过程中迅速释放出大量的热量加速残余焦碳气化并转入活化氧化反应过程。
1.2等离子发生器工作原理
等离子发生器工作原理图
等离子发生器为空气压缩，空气载体等离子发生器，它由前腔进气环、后腔进气环、阴极、阳极等组成。
其中阴、阳极材料均采用具有高导电率、高导热、耐氧化的特殊合金材料制成，它们均采用水冷方式冷却，能承受电弧高温冲击。
电源具有极强的短路恒流特性。
其工作原理见图1。
在冷却水及压缩空气满足条件后，首先设定电源（5）的工作输出电流（300～400A），当阴极
（2）之间的间隙被高频引弧器击穿后，电弧建立起来，电源（5）按设定的工作电流工作，调整输出电流使等离子发生器的输出功率达到点火要求，在空气动力的机械压缩作用下，装置产生稳定的放电电弧，生成等离子体。
2机组设备概况
2.1相关技术规范：
锅炉型式：
本期工程装设两台600MW燃煤发电机组，锅炉为超临界参数、，锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。
锅炉过热蒸汽流量：
1900t/h，锅炉保证效率（B-MCR）：
93%，燃烧器型式、布置方式：
前后墙对冲，空气预热器型式：
三分仓。
本工程位于河南省平顶山市区西南侧，场地自然地面高程在103.00～110.00m之间
2.2气象条件
2.2.1历年平均气温15.3℃
历年极端最高气温42.6℃
历年极端最低气温-18.8℃
2.2.2湿度
平均相对湿度67%
2.2.3气压
历年平均气压1006.8hPa
2.2.4降水量、积雪深度
历年平均降水量754.6mm
历年最大降水量1323.6mm
历年最小降水量373.9mm
多年平均降水量742.4mm
历年最大积雪深度220mm
最大冻土深度140mm
2.2.5风
冬季主导风向NE频率14%
夏季主导风向NE频率9%
30年一遇10min平均最大风速39.7m/s（离地面10米高）
基本风压0.45kPa
2.3锅炉容量和主要参数：
锅炉容量和主要参数：
主蒸汽和再热蒸汽的压力、温度、流量等与汽轮机的参数相匹配，主蒸汽温度571℃，最大连续蒸发量（BMCR）为1900t/h，最终与汽轮机的VWO工况相匹配
锅炉型号：
DG1900/25.4-II1
锅炉主要参数：
过热蒸汽：
最大连续蒸发量（B-MCR）1900t/h
额定蒸发量（BRL）1807.9t/h
额定蒸汽压力25.4MPa.g
额定蒸汽温度571℃
再热蒸汽：
蒸汽流量（B-MCR/BRL）1607.6/1525.5t/h
进口/出口蒸汽压力（B-MCR）4.71/4.52MPa.a
进口/出口蒸汽压力（BRL）4.47/4.29MPa.a
进口/出口蒸汽温度（B-MCR）321/569℃
进口/出口蒸汽温度（BRL）315/569℃
给水温度（B-MCR/BRL）282/280℃
省煤器进口给水温度289
锅炉热力特性（B-MCR工况）：
干烟气热损失LG4.51%
氢燃烧生成水热损失LH0.38%
燃料中水份引起的热损失Lmf0.08%
空气中水份热损失LmA0.06%
未燃尽碳热损失Luc0.70%
辐射及对流热损失LR0.17%
未计入热损失LuA0.30%
计算热效率89.47%（按ASMEPTC4.1计算）】
计算热效率（按低位发热量）93.8%
制造厂裕量Lmm%
保证热效率（按低位发热量）
BMCR工况不低于%
BRL工况不低于93.49%
燃料消耗量266600kg/h
炉膛容积热负荷91kW/m3
炉膛断面热负荷4.98MW/m2
燃烧器区域壁面热负荷1.66MW/m2
空气预热器进风温度（一次/二次风）28/20℃
空气预热器出口热风温度
一次风温度324℃
二次风温度337℃
省煤器出口过剩空气系数α1.15
炉膛出口过剩空气系数α1.14
空气预热器出口烟气修正前温度124℃
空气预热器出口烟气修正后温度118℃
2.6煤质
煤质分析资料：
项目
单位
设计煤种
校核煤种
工
收到基低位发热值Qnet.ar
kJ/kg
kcal/kg
20340
4858.13
18540
4428.20
业
收到基全水份Mt
%
7.8
6.5
分
收到基灰份Aar
%
29.87
36.15
析
干燥无灰基挥发份Vdaf
%
34.91
31.86
空气干燥基水份Mad
%
1.07
1.06
元
收到基碳Car
%
52.04
47.67
素
收到基氢Har
%
4.04
3.66
分
收到基氧Oar
%
4.95
4.89
析
收到基氮Nar
%
1.01
0.88
收到基全硫St.ar
%
0.29
0.25
可磨性系数HGI
-
69
66
冲刷磨损指数（旋转法）
mg/kg
炉内气氛
-
灰变形温度DT
℃
>1500
>1400
灰软化温度ST
℃
>1500
>1400
灰熔化温度FT
℃
>1500
>1400
煤灰成分
项目
单位
设计煤种
校核煤种
SiO2
%
56.83
57.94
Al2O3
%
30.05
30.71
Fe2O3
%
4.56
4.21
灰
分
析
CaO
%
2.64
1.72
TiO2
%
0.72
0.73
K2O
%
1.03
1.08
Na2O
%
0.54
0.54
MgO
%
0.64
0.50
SO3
%
0.81
1.19
MnO2
%
0.08
0.04
其它
%
2.10
1.34
飞
灰
比
电
阻
常温
Ω.cm
3.50×109
90℃
Ω.cm
9.52×1012
100℃
Ω.cm
1.332×1013
150℃
Ω.cm
3.92×1012
180℃
Ω.cm
1.10×1012
210℃
Ω.cm
2.03×1011
2.7燃烧系统
原东方日立煤粉燃烧器结构示意图
姚孟第二发电有限责任公司（以下简称姚孟电厂）600MW锅炉采用前后墙对冲燃烧的方式，每台锅炉共配有24只燃烧器，前后墙各12制，分三层对称布置在锅炉的前后墙。
燃烧器上配有直流内二次风，旋流外二次风，从大风箱来的二次风分两股进入到内层和外层，少量的内层二次风作引燃煤粉用，而大量的外层二次风用来补充已燃烧煤粉燃尽所需的空气，使之完全燃烧。
内层二次风为直流风，外层二次风为旋流风，旋流强度可以改变，其旋转气流能将炉膛内的高温烟气卷吸到煤粉着火区，使煤粉点燃和稳定燃烧。
采用这种分级送风的方式，不仅有利于煤粉的着火和稳燃，同时也有利于控制火焰中NOx的生成。
整台锅炉的24只燃烧器中12只燃烧器的外二次风顺时针方向旋转，另12只燃烧器逆时针方向旋转。
锅炉共配备了8启动油枪，24只点火油枪。
其中每只煤粉燃烧器边缘布置有点火油枪，同时在前墙中层和后墙中层煤粉燃烧器内布置有启动油枪。
每只点火油枪均配备一套高能点火装置，可对各燃烧器实现自动点火，启动油枪可用来暖炉、升压及引燃和稳燃所属的煤粉燃烧器。
启动油枪采用蒸汽雾化方式，点火油枪采用机械雾化方式，锅炉8支油枪的总出力约占锅炉出力的30%。
2.8制粉系统
每台炉配6台直吹式中速磨，各台磨煤机分别为各层的4支燃烧器供煤粉。
磨煤机型号：
HP983型。
锅炉（B-MCR）燃煤量：
266.69t/h（设计煤种）；292.64t/h（校核煤种）。
磨煤机入口风温为217.3℃。
3.等离子煤粉点火系统的设计方案
根据锅炉及燃烧器的特点，我们建议的改造方案为：
将锅炉A层后墙磨煤机对应的4支燃烧器改造为等离子点火煤粉燃烧器，该燃烧器后端弯头处装有等离子点火器，在锅炉点火启动阶段，点火器产生的等离子电弧可将通过燃烧器的煤粉直接点燃；在锅炉高负荷正常运行阶段，该燃烧器可作为正常主燃烧器使用，不会对锅炉性能造成影响。
这样改造的优点为现场改造工作量较小，锅炉及磨煤机在点火过程中的控制方式比较简单，锅炉启动过程中可以取得较好的节油效果。
3.1等离子煤粉点火装置的设计
3.1.1等离子点火煤粉燃烧器的设计
根据姚孟电厂燃烧器的结构特点，基于等离子改造对锅炉的性能影响最小同时要求改造工作量最小的原则，我们提出了等离子点火燃烧器的改造方案，其结构如下图所示：
等离子点火燃烧器方案示意图
由于锅炉原有的燃烧器的一次风在燃烧器中心没有旋流，本设计方案中将原燃烧器的一次风内筒从后端面向后整体拆除，替换为等离子点火燃烧器。
该燃烧器后端与一次风弯头相连，前端与原燃烧器平齐。
经过改装的弯头上装有等离子发生器，产生的等离子体通过长杆型的等离子体输送装置送到前端的点火位置，煤粉在这里被逐级点燃后喷入炉膛。
一次风弯头及燃烧器入口尺寸是经过仔细核算的，其通流面积与原燃烧器基本相同，以保证燃烧器阻力、一次风流速与原燃烧器相同；等离子点火燃烧器内部为两层中心筒套装的结构，不会对煤粉气流造成扰动，其通流面积与原燃烧器相同；原燃烧器的内、外二次风的风箱及其旋流叶片在结构上不做任何改动，其运行方式也保持不变。
在锅炉点火启动阶段，等离子电弧可将通过燃烧器的煤粉直接点燃，喷入炉膛的是正在燃烧的煤粉；在锅炉高负荷运行阶段，等离子发生器停止工作，燃烧器仍按原设计的运行方式工作，此时一次风煤粉仍以直流方式喷入炉膛，且喷口处的一次风速与原燃烧器完全相同，内二次风直流、外旋流二次风的结构没有任何变化，所以在高负荷阶段，改造后的燃烧器各项性能（阻力、风速、喷口处流场分布等）与原燃烧器基本相同。
等离子点火燃烧器的一级、二级中心筒均利用其外层的冷一次风进行冷却，以保证燃烧器的安全运行。
燃烧器本体的材质选用耐热钢，可耐受1000℃以上的高温，在其局部关键部位安装有热电偶，供运行人员监视燃烧器的运行情况，防止燃烧器超温、结焦。
燃烧器弯头采用内层碳化硅材料制采用瓷片等其它先进的防磨工艺制造。
我公司在设计燃烧器时，利用数值模拟软件FLUENT进行优化设计，上图为燃烧器热态的温度分布图，燃烧器设计好以后，制造1：
1的燃烧器进行试烧，最后定型。
3.1.2等离子发生器的设计方案
等离子发生器采用本公司的定型产品，性能可靠，运行稳定。
点火器前端采用了XCC开发的等离子体输送装置，它可以通过狭长的管道将高度压缩的等离子体输送到燃烧器的点火位置，解决了旋流燃烧器结构设计上的难题。
等离子体输送管采用防磨损设计，可以耐受一次风煤粉气流的冲刷磨损，其运行寿命可以满足锅炉检修周期的要求，同时等离子发生器及输送管可从燃烧器后端整体拆除，维护、检修十分方便。
等离子发生器外形图
等离子发生器的阴极采用长寿命阴极，其保证的运行寿命为200小时以上。
阳极的寿命达到500小时以上。
在点火控制系统增加了阴极寿命预测系统，可在阴极失效前报警，便于运行、检修人员及时更换。
3.2电气系统设计
每套等离子点火装置的供电设备1台开关电源控制柜，单台等离子点火装置电源控制设备的性能参数见下表：
序号
名称
单位
参数
1
电源及控制装置
额定电源电压
V
380-5％＋10％
最大输入功率
KVA
200
最大输出直流电压（DC）
V
375
最大输出直流电流（DC）
A
400
正常工作电压范围（DC）
V
250－360
正常工作电流范围（DC）
A
290－320
适用频率范围
Hz
45－65
运行环境温度
℃
0-40
防护等级
IP20
2
电功率
最低输出功率
KW
50
最大输出功率
KW
150
额定输出功率
KW
85－110
我公司生产的大功率一体化开关电源系统由多组逆变式开关电源单元及PLC组成,与三相全控桥式晶闸管整流电源相比，具有重量轻、体积小占地少、效率高、相应速度快输出波纹小、对电网的冲击小等优点，而且不需要单独的隔离变压器。
另外，开关电源由多个单元并联工作，采用了冗余控制技术，更换方便，使整个系统的可靠性大幅提高。
现场每台锅炉需要安装4台电源控制柜，其安装位置由电力设计院最终确定。
现场为每台锅炉的等离子点火系统提供4路380VAC/200KVA电源。
我公司的
另外，电厂需要为2台冷却水泵（380VAC/30kw×2）和2台火检冷却风机（380VAC/7.5kw×2）提供电源。
等离子电气系统的具体电源取向和设备布置位置由电力设计院最终设计确定。
3.3磨煤机冷炉制粉方案设计
等离子点火技术的应用，首先要解决的是煤粉来源，本次工程拟采以下3种方案,在征求用户和锅炉厂的意见后,最后确定。
3.3.1造热风联络管道，借用老机组热风制粉。
3.3.2在对应的磨煤机入口热风管道加装蒸汽换热器的方案,蒸汽来源于临炉或启动锅炉,换热器布置方案如下图所示：
蒸汽参数为1.0MPa（绝压）、300℃。
加热器设计的进口空气温度为30℃，出口可加热至180～200℃。
加热器的疏水排放至锅炉原暖风器疏水扩容器排水至定排扩容器的管道上。
蒸汽加热器供汽管道上设1只电动截止阀，此阀门的控制在DCS中实现。
3.3.3采用小油枪加热风道进行热风冷炉制粉。
在对应的磨煤机热风管路上增加热风旁路管道。
旁路中装有小流量的油枪。
在冷炉状态时，通过小油枪产生的热量加热冷风。
达到磨煤机制粉条件。
实现冷炉制粉。
加热器布置在磨煤机入口风门另设的旁路上加热器进口设一个电动隔绝风门，加热器出口设一个电动调节风门（或布置在主风道上并另设空旁路,此时只需在旁路上设一台隔绝风门），。
小油枪配有火检、全炉膛电视等保护措施。
保证油枪在管路中的安全运行。
3.5控制系统与FSSS、DCS接口设计
3.5.1等离子点火系统的控制方案
等离子点火系统自身设有一套控制系统，其控制主机采用西门子S7-300可编程控制器为核心，S7-300与各电源柜之间为数据通讯，操作界面为设于集控室内的一台10.4”工业液晶触摸屏，运行人员在此进行启弧、停弧、功率调节、参数设置等操作。
等离子点火系统中的冷却水泵、火检冷却风机的控制也在此触摸屏上完成。
等离子控制系统中的PLC通过MODIBUS通讯协议与DCS进行数据交换，运行人员可在DCS中完成有关等离子点火设备的所有操作和必须的监视在触摸屏上完成DCS与触摸屏的操作权限切换。
等离子控制系统与DCS的I/O清单见附件。
等离子点火系统的控制保留西门子S7-200PLC，四台电源柜与S7-300PLC通过PROFIBUS通讯连接。
在现场需要增设一台控制柜（800×600×2200，颜色为国标2000版82-13淡黄灰），触摸屏安装在控制柜的柜门上，可方便等离子点火系统的独立调试。
现场需要为控制柜提供一路220VAC/5A的UPS电源。
3.5.2锅炉FSSS逻辑修改
锅炉进行等离子点火系统改造后，需对原FSSS系统进行部分逻辑修改，以满足锅炉利用等离子点火系统启动的要求。
结合机组特点，建议对FSSS逻辑进行如下修改：
●在FSSS中设计B磨煤机“正常运行模式”与“等离子运行模式”两种运行模式，并可相互切换，从而实现磨煤机FSSS逻辑切换功能；
●“正常运行模式”运行时，B磨煤机维持原有的FSSS逻辑；
●由S7-300送4个接点信号给锅炉DCS系统，分别代表4台等离子点火器运行正常，“等离子运行模式”运行时，B磨煤机FSSS启动条件中增加4台等离子点火器运行正常的条件，同时略去点火能量满足的条件；
●在声光报警系统中增加“等离子点火装置故障”信号，任一支等离子点火装置异常时，S7-300送信号至光字牌发声光报警；
●在声光报警系统中增加“等离子燃烧器超温”信号，任一支等离子点火燃烧器壁温超温时，S7-300送信号至光字牌发声光报警；
●当B磨在“等离子运行模式”下运行时，任意2支等离子装置工作故障，联锁停B磨煤机，此逻辑在FSSS中由4个等离子点火器运行信号判别；
●B磨煤机跳闸，联锁等离子点火器跳闸；
●锅炉MFT时，等离子点火器应跳闸，并禁启；
●B磨煤机运行时，B层燃烧器的火焰保护仍采用锅炉原有的火检装置，炉膛灭火保护逻辑不变。
另外，B煤机入口冷风管道上增加的关断挡板应增加以下控制逻辑：
●B磨入口冷风调整挡板开度大于5%时，关断挡板禁关；
●B磨入口冷风调整挡板由关位打开至开度大于5%时，关断挡板联锁打开。
3.6等离子煤粉点火辅助系统设计
辅助系统设计的内容包括以下四部分：
1）压缩空气系统的设计
2）冷却水系统的设计
3）图像火检监测系统的设计
4）一次风风速在线监测系统的设计
3.6.1压缩空气系统的设计
等离子发生器采用稳压、洁净、干燥的空气作为等离子载体。
根据电厂压缩空气系统的配置情况，可利用电厂的杂用压缩空气系统为等离子发生器供气，供气母管上增设一套空气过滤器。
压缩空气系统设计的主要参数如下：
Ø最低气压：
0.1Mpa（调节阀后0.05Mpa）；
Ø最高气压：
0.4Mpa；
Ø空气压力调节范围：
0.12~0.3Mpa
Ø消耗量（单台等离子发生器）：
80Nm3/h
Ø含油量：
小于10mg/m3（空气）
3.6.2冷却水系统的设计
为保护等离子装置本身，需用水冷却阴、阳极。
单个燃烧器用水量为10t/h；出入口压差不小于0.2Mpa。
冷却水要求为除盐水，经母管分别送至就地点火发生器内，再分两路分别送入和阴、阳极，就地安装压力表、压力开关和手动阀，压力满足信号送回主控PLC。
冷却水系统设计的基本参数如下：
Ø最小压力：
0.20Mpa
Ø正常压力：
0.4Mpa
Ø最大压力：
0.5Mpa
Ø最大流量：
10t/h
Ø等离子发生器冷却水差压0.2～0.3Mpa
Ø水质要求：
除盐水，温度≤40℃
等离子冷却水取自厂内闭式循环水系统，增设2台冷却水泵，水泵设于锅炉0m固定端，其进水取自闭式水换热器出口母管，回水至闭式水膨胀水箱。
冷却水系统的管材选用不锈钢（1Cr18Ni9）。
3.6.3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九画面分割器，经处理后送到全炉膛火焰电视，运行人员可在点火初期同时监视4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画面。
，
由于现场原有的火检冷却风容量有限，需要增加2台火检冷却风机为4支图像火检探头提供冷却风。
在等离子点火器停止工作以后，压缩空气系统停止供气，图像火检冷却风系统将同时为等离子点火器供冷却风。
3.6.4一次风风速测量系统的设计说明
为便于等离子煤粉燃烧器煤粉浓度、速度的控制，在B磨煤机出口六根一次风管上各安装一套风速在线监测装置，用于在线监测磨出口一次风速，方便运行人员进行燃烧调整。
风速测量装置由靠背管产生差压信号，通过取压管将压力信号传入差压变送器。
为防止取压管堵粉，接入压缩空气进行反吹扫，由2个三通电磁阀进行吹扫和正常测量切换。
在压缩空气总管设置调节阀调整和稳定压缩空气压力。
整个系统的控制通过安装于主控室的PLC完成，显示和控制通过10.4”触摸屏完成。
4.设计界限及供货范围
XCC等离子点火系统内部的设计及供货工作，与现场的接口位置如下：
1、燃烧系统：
煤粉燃烧器入口弯头（含）以后的所有设备。
2、电气系统：
隔离变压器进线端以后等离子点火系统范围内的所有电气设备及电缆；冷却水泵、火检冷却风机控制柜进线端以后的设备及电缆。
3、冷却水系统：
冷却水取水、回水点之间的所有设备及管材。
4、压缩空气系统：
炉前压缩空气母管以后的所有设备及管材（含空气过滤器）。
5、图像火检系统：
从图像火检探头至主控室工业电视之间的所有设备及电缆。
6、控制系统：
等离子点火设备内部控制所需的所有设备，同时负责将DCS所需的信号送至DCS进线端子。
7、冷炉制粉系统：
磨煤机入口热风加热器，空气侧包括风道进出口法兰，蒸汽侧包括从厂用蒸汽母管至疏水排放点之间的阀门及管材。
5.经济效益分析
5.1直接经济效益分析
600MW锅炉试运期间油耗约为5000吨,费用约为2500万元
如果使用等离子点火,根据热值相同的结果,耗煤量约为10500吨,电煤的价格为400吨,煤粉的费用为420万元。
制粉电耗约为20kW．h/t
等离子点火耗电为20kW．h/t
厂用电价格为0.16元/kW．H
试运期间耗电费用约为0.16×10500（20+20）=6.72元
试运行期间节约燃料费用：
2500-420-6.72＝2073万元
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