鍋爐廠等離子點火燃燒系統技術改造方案(22頁).doc
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上傳人:偷****
編號:591015
2022-09-21
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1、等離子點火燃燒系統技術改造方案一、 1爐相關設備概況 1、鍋爐概況:該爐為上海鍋爐廠生產的SG102518.24M848型亞臨界一次中間再熱自然循環鍋爐,單爐膛切向燃燒,平衡通風,露天布置,固體排渣。設計煤種為韓城貧煤,校核煤種為黃陵煙煤豐城煙煤。主要技術參數如下:額定蒸發量 1025t/h主蒸汽溫度541主蒸汽壓力 18.22MPa給水溫度278排煙溫度138.8燃料耗量134.56t/h鍋爐效率 91.85%鍋爐燃燒室燃燒器為四角切園布置,每角17層,其中二次風六層、油風室三層、一次風六層、頂部燃盡風二層。燃煤特性:項目單位設計煤種校核煤種A校核煤種B應用基碳56.2366.4745.792、應用基氫2.774.223.05應用基氧3.687.902.40應用基氮0.950.971.01應用基硫0.980.491.50應用基水份8.985.0410.02分析基水份1.070.550.57應用基灰份26.4114.9336.23可燃基揮發份18.3436.0922.83應用基低位發熱量Kcal/kg511161084375可磨性系數(哈氏)9948.389灰變形溫度t1150011601500灰變形溫度t2150012101500灰變形溫度t3150011901500 燃油特性油質: 0號輕柴油低位發熱量: 42000kJ/kg燃燒器主要參數風比()風速(m/s)風溫()一次風2523、5705二次風7145347周界風和頂部燃盡風各占15二次風量周界出口風速:40m/s油槍主要參數出力:1004500kg/h 霧化角:601002、制粉系統為中儲式、乏氣送粉。鋼球磨(4MZ3560)出力48.1t/h(R90=13%)一臺磨帶1層半6只噴嘴。給粉機(24TGF-9)出力:39t/h。送風機全壓:3186Pa。二、 等離子點火技術基本原理1、點火機理 本裝置利用直流電流(大于200A)在介質氣壓大于0.02 Mpa的條件下接觸拉開引弧,并在強磁場下獲得穩定功率的直流空氣等離子體,該等離子體在燃燒器的一次燃燒筒中形成 T5000K的梯度極大的局部高溫區,煤粉顆粒通過該等離子“火4、核”受到高溫作用,很快受熱,在0.001秒內迅速釋放出揮發物,并使煤粉顆粒破裂粉碎,從而迅速燃燒,由于反應是在氣相中進行, 使混合物組分的粒級發生了變化。因而使煤粉的燃燒速度加快,煤粉顆粒的受熱速度加快,也有助于加速煤粉的燃燒,這樣就大大地減少促使煤粉燃燒所需要的引燃能量E(E等=1/6E油)。同時,等離子體內含有大量化學活性的粒子,如原子(C、 H、O)、原子團(OH、H2、O2)、離子(O2-、H2-、OH-、O-、H+)和電子等,可加速化學轉換,促進燃料完全燃燒,除此之外,等離子體對于煤粉的作用,可比通常情況下提高20%-80%的揮發份,即等離子體有再造揮發份的效應,這對于點燃貧煤強化燃5、燒有特別的意義。2、燃燒機理根據高溫等離子體有限能量不可能同無限的煤粉量及風速相匹配的原則設計了多級燃燒器。它的意義在于應用多級放大的原理,使系統的風粉濃度、氣流速度處于一個十分有利于點火的工況條件,從而完成一個持續穩定的點火、燃燒過程。實驗證明運用這一原理及設計方法使單個燃燒器的出力可以從2T/H擴達到6T/H甚至更高。在建立一級點火燃燒過程中我們采用了將經過濃縮的煤粉垂直送入等離子火炬中心區,10000的高溫等離子體同濃煤粉的匯合及所伴隨的物理化學過程使煤粉原揮發份的含量提高了80%,其點火延遲時間不大于1秒。點火燃燒器的性能決定了整個燃燒器運行的成敗,在設計上該燃燒器出力約為500-806、0kg/h,其噴口溫度不低于1200。另外我們利用了氣膜冷卻技術避免了煤粉的貼壁流動及掛焦,同時又解決了燃燒器的燒蝕問題。該區稱為第一區。第二區為混合燃燒區,在該區內一般采用“濃點濃”的原則,環形濃淡燃燒器的應用將淡粉流貼壁而濃粉摻入主點火燃燒器燃燒。這樣做的結果既利于混合段的點火,又冷卻了混合段的壁面。如果在特大流量條件還可采用多級點火。第三區為強化燃燒區,在一、二區內揮發分基本燃盡,為提高疏松炭的燃盡率采用提前補氧強化燃燒措施,提前補氧的原因在于提高該區的熱焓進而提高噴管的初速達到加大火焰長度提高燃盡度的目的, 所采用的氣膜冷卻技術亦達到了避免結焦的目的(1998年獲專利)。第四區為燃盡區7、,疏松碳的燃盡率,決定于火焰的長度。隨煙氣的溫升燃盡率逐漸加大。三、 等離子點火燃燒系統設計方案1#爐采用的等離子點火燃燒系統由等離子發生器、燃燒器、直流供電系統、控制系統、冷卻水系統、壓縮空氣系統、圖像火檢系統、風粉監測系統等構成。整流變壓器直流電源柜控制柜#1CRT控制系統數據總線一次風等離子發生器冷卻水等離子燃燒器DLZ-1載體風1、等離子發生器等離子發生器是用來產生高溫等離子電弧的裝置,其主要由陽極組件、陰極組件、線圈組件三大部分組成,還有支撐托架配合現場安裝。等離子發生器設計壽命為58年。陽極組件與陰極組件包括用來形成電弧的兩個金屬電極陽極與陰極,在兩電極間加穩定的大電流,將電極之間8、的空氣電離形成具有高溫導電特性等離子體,其中帶正電的離子流向電源負極形成電弧的陰極,帶負電的離子及電子流向電源的正極形成電弧的陽極。線圈通電產生強磁場,將等離子體壓縮,并由壓縮空氣吹出陽極,形成可以利用的高溫電弧。陽極組件由陽極、冷卻水道、壓縮空氣通道及殼體等構成。陽極導電面為具有高導電性的金屬材料鑄成,采用水冷的方式冷卻,連續工作時間大于500小時。為確保電弧能夠盡可能多的拉出陽極以外,在陽極上加裝壓弧套。陰極組件由陰極頭、外套管、內套管、驅動機構、進出水口、導電接頭等構成,陰極為旋轉結構的等離子發生器還需要加裝一套旋轉驅動機構。陰極頭為損耗件,導電面為具有高導電性的金屬材料鑄成,采用水冷的9、方式冷卻,連續工作時間大于50小時,更換方便,成本低廉。線圈組件由導電管繞成的線圈、絕緣材料、進出水接頭、導電接頭、殼體等構成。等離子發生器外形圖2、等離子點火燃燒器改造將四只等離子點火燃燒器分別安裝替換原一層1#4#角煤粉主燃燒器上,直接由相應的主一次風管來粉。在燃燒器的設計時重點考慮了如下幾個問題:A:由于直接改在主燃燒器上,應保證等離子點火燃燒器出力在高負荷工況下與原主燃燒器設計出力基本一致。從運行的調整、爐膛熱負荷的分配、防止超溫等方面考慮,可以滿足在高負荷工況,等離子發生器不投運的情況下,等離子燃燒器的出力與原燃燒器的出力基本一致。B:保證鍋爐在冷態啟動時煤粉能比較容易地被點燃。根據10、現場燃燒器的位置及等離子點火燃燒器在其它工程應用經驗,在距燃燒器噴口一定位置處,以12的傾角,等離子發生器斜插入燃燒器內。C:確保燃燒器噴口不結焦。燃燒器采用多級燃燒方式,確保煤粉的充分燃燒;燃燒器內有氣膜冷卻,預防結焦和燒損。 表1 等離子點火燃燒器主要設計參數名稱單位結果備注一次風管風速m/s24.0一次風溫20按冬季計算煤粉濃度kg/kg0.35燃燒器阻力Pa1000周界風風速m/s403、直流供電及控制系統(1)直流供電通過廠內原有AC6KV備用間隔提供一路800KVA(1臺爐)電源,增加一臺AC800KVA干式變壓器、四面低壓配電柜,接至四臺隔離變壓器(如下外形圖)、整流柜,輸出的直11、流電送至就地等離子發生器,以產生等離子電弧。干式變壓器、低壓配電柜、隔離變壓器、整流柜布置在兩臺機組中間6.3米B、C間。整流柜內功率組件采用三相全橋可控硅晶閘管整流功率組件,晶閘管采用美國進口芯片,全橋可控硅整流方式整流效率高,技術成熟,保證了電源長期工作的可靠性。直流控制器采用西門子公司生產的6RA70系列全數字控制整流裝置。該裝置可以作為整流和等離子發生器的引弧控制接口、水流、氣壓保護接口,并且與其他計算機實現總線式的數字通訊。(2)控制系統 方案一、直接納入DCS系統控制,整流柜、風機、水泵的控制采用硬接線進入DCS系統。具體I/O清單見附表。方案二、系統控制主機采用西門子S7-30012、可編程控制器為核心,S7-300與各電源柜之間為數據通訊,集控室內操作界面采用工業液晶顯示屏設置參數、功能。保護報警信號鍋爐MFT、給粉機跳閘(4點)、等離子點火器運行正常(4點)、運行故障、等離子點燃燒器超溫,S7-300通過硬接線進入DCS。 等離子電源系統用隔離變壓器參數:額定電壓:0.38/0.36KV額定功率:200KVA額定頻率:50HZ相數:三相接線方式:/ Y冷卻風式:自然冷卻絕緣等級:F絕緣水平:AC3/3溫升:100K選用材料:30Q130冷軋有取向硅鋼片、環氧樹脂真空澆注.隔離變壓器的主要作用是隔離。一次繞阻接成三角形,使3次諧波能夠通過,減少高次諧波的影響;二次繞組接成13、星型,可得到零線,避免等離子發生器帶電。電源柜外形尺寸及安裝尺寸如下圖所視:電源柜為前后開門結構。前門上方安裝有三塊表從左到右分別為系統實際電壓表、系統實際電流表、系統給定電流表,下方為排氣孔。電源柜技術參數如下:額定輸入電壓(1): 3AC400(+15%/-20%)額定輸入電流: 332A額定頻率: 45-65HZ額定直流輸出電壓: 485V額定直流輸出電流: 400A過載能力: 180%額定輸出功率: 194KW額定直流電流下的功耗:1328W電子電路電源額定供電電壓: 2AC380(-25%) 460(+15%); In=1A或1AC190(-25%) 230(+15%); In=2A14、(-35% 1 分鐘)冷卻風扇額定電壓: 3AC400( 15%) 50HZ額定電流: 0.3A額定流量: 570m3/h噪音等級: 73dBA運行環境溫度: 040(2) 強迫風冷存儲和運輸溫度: -25+70安裝海拔高度: 額定直流電流下1000M (3)環境等級(DIN IEC 721-3-3) :3K3防護等級(DIN 40050 IEC144):IP00說明: (1) 電源柜進線電壓可低于額定電壓(由參數P078設置,400V裝置可用于85V輸入電壓)。輸出電壓也相應降低。(2) 指定的直流輸出電壓,在進線電壓低于5%(額定輸入電壓)時也能達到。(3) 負載系數K1(直流電流)同冷卻15、溫度有關。(4) 負載系數K2與安裝高度有關。(5) 總的衰減系數K=K1K2。電源柜正面視圖如圖3.7所示,電源柜后視圖如下圖所示。電源柜正面圖 電源柜后視圖其中主要部件為: 冷卻風機:用來冷卻柜內控制元件。 整流裝置。 熔斷器:電流過載保護。 電源開關:控制電源柜內冷卻風機的啟停。 電源開關:電源柜控制電源。 端子排:電源柜與外部設備的接口。 直流控制器6RA70。 直流平波電抗器。控制變壓器:將柜內交流380V電源轉變成交流220V電源供控制回路使用。 直流24V電源:用于電極的接觸檢測。V1-V6六個晶閘管(KP1000A/1200V)接成三相全控整流橋。三相橋式全控整流電路為三相半波16、共陰極組與共陽極組的串聯,因此整流電路在任何時刻都必須有兩個晶閘管導通,才能形成導電回路,其中一個晶閘管是共陰極的,另一個晶閘管是共陽極的,所以必須對兩組中要導通的一對晶閘管同時給觸發脈沖。可采用兩種辦法:一種是給每個觸發脈沖的寬度大于60(一般取80100),稱寬脈沖觸發;另一種是在觸發某一號晶閘管的同時給前一號晶閘管補發一個脈沖,相當于用兩個窄脈沖等效替代大于60的寬脈沖,稱雙脈沖觸發。等離子電源柜采用的是雙脈沖觸發方式。整流原理圖 電源柜接線原理圖SIEMENS大功率直流調速裝置6RA70是給直流調速電機配備的調速器,其內部有兩套整流電路分別用于電機電樞回路和電機的勵磁回路。電機電樞回路17、采用的是三相全控橋式整流電路,勵磁回路采用的是單向全控橋式整流電路。等離子電源柜正是采用6RA70的電樞回路來提供穩定的直流電源。直流平波電抗器,由于DLZ-200型等離子發生器是直流接觸引弧,因此在啟動階段電源要工作在低電壓(020V),大電流(260300A)的短路狀態,這對功率組件是極其不利的。同時,由于等離子發生器在引弧瞬間會產生強烈的沖擊負荷,即使是在正常工作情況下,由于電弧在陰極和陽極之間旋轉產生電壓跳變,也要求電源要有極強的恒流能力。這就要求平波電抗器要有足夠的感抗。從平波的角度講當然是電感量越大越好,但是一味的增加電感抗,不僅會增加設備的成本,同時由于其尺寸過于龐大而不利于設備18、的推廣使用。因此,在電抗容量設計上,通過大量實驗工作最后定為500A,2.1MH的電抗器,其平波效果較為理想。選用S7-200 CPU224 可編程控制器來對直流電源和電極動作進行控制,實現等離子點火器的自動點火。具體方案如下:使用USS協議通過CPU224上的通訊口PORT0與6RA70的通訊口X172之間的進行數據交換,以完成對主電路的操作控制和各類狀態信息的讀出和條件判斷等,實現直流電源的控制。電極控制信號及點火必須的壓縮空氣壓力、冷卻水壓力等信號直接接入CPU224固有的開關量輸入輸出。通過CPU224內部的邏輯運算,實現點火裝置的自動控制。按等離子發生器工作的特點和要求編制的控制程序19、保證了點火過程可順利地進行,并對點火工作過程各裝置提供了有效的監控和保護。根據系統要求啟動等離子點火裝置要分遙控/本控兩種方式。在本控操作時,通過電氣操作柜對直流電流和陰極位置可以隨時進行必要的調整,以適應不同煤種和工況條件下的點火參數需求。4、冷卻水系統 為保護等離子發生器本身,需用水冷卻陰、陽極及線圈,;冷卻水為除鹽化學水,系統壓力保持在0.20.5Mpa之間,水溫40,單臺設備用水量約8T/H,共計32t/h。可利用廠閉式冷卻水供水母管作為水源,通過管道水泵(流量40t/h、揚程50m)升壓至等離子發生器,回水至閉式冷卻水回水母管,每臺發生器來水管路裝有壓力開關,壓力滿足信號送至電源控制20、柜,保證等離子點火燃燒器投入時冷卻水不間斷。冷卻水管道泵布置在鍋爐零米。冷卻水系統圖5、載體空氣系統載體空氣是等離子電弧的介質,等離子電弧形成后,通過線圈形成的強磁場的作用壓縮成為壓縮電弧,需要載體空氣以一定的流速吹出陽極才能形成可利用的電弧。因此,等離子點火系統的需要配備載體空氣系統,載體空氣的要求是潔凈的而且是壓力穩定的。具體實現方案如下:等離子載體風選用高壓離心風機系統,既用于為等離子發生器提供載體又為4路圖象火檢探頭提供冷卻風。高壓離心風機布置在鍋爐運轉層原火檢冷卻風機附近。 等離子載體風及圖像火檢冷卻風系統圖6、一、二次風系統一次風系統應能連續、均勻地給等離子點火燃燒器提供煤粉,不應21、出現積粉和斷粉現象。由于本次改造在最下層主燃燒器上進行,仍利用原有的煤粉管道,保證風速在1830m/s之間連續可調,使煤粉濃度在0.250.55Kg/Kg范圍內。等離子燃燒器在二次大風箱內,作為其周界風。周界風的目的是既保證煤粉燃燒充分,又保護燃燒器不被燒壞。7、圖像火檢系統采用圖像火檢系統監視等離子點火燃燒器的火焰。四套點火燃燒器分別安裝一只帶CCD攝像機的火檢探頭,其視頻信號送至集控室內四畫面分割器,經處理后再送至工業電視,工業電視可同時監視四套等離子點火燃燒器的火焰。火檢探頭采用軍用CCD直接攝取煤粉燃燒的火焰圖像,圖像清晰,不失真。為使CCD避開爐內高溫,每只探頭均采用長工作距監測鏡頭22、。探頭外層加裝了隔熱機構,有效組斷二次風傳導熱及爐膛輻射熱。探頭前部采用特種耐溫玻璃能抗1500熔融灰渣對鏡面的沖刷,鏡面長期光滑無損。每只探頭均需通入冷卻風,一方面冷卻CCD和鏡頭,另一方面冷卻風通過探頭組合弧形冷卻風噴射機構,可避免飛灰、焦塊污染鏡頭。探頭風阻:進口風質P1=2000Pa時,冷卻風Q=64 Nm3/h探頭外徑:69mmCCD工作電壓:U=12V/DC輸出信號:標準Pal制式視頻信號在冷卻風正常工作情況下耐溫1200火檢探頭的冷卻風由高壓離心風機提供=風。8、風粉監測系統對于煤粉鍋爐,均衡各燃燒器的出力,合理配置燃燒器噴口的煤粉濃度和出口速度是鍋爐安全、經濟運行的重要條件和保23、證。風粉監測系統為運行中及時有效地進行燃燒調整提供條件和依據,電廠已具有測風速功能,不需再增加風粉在線測量系統。9、燃燒器壁溫測量為了確保等離子燃燒器的安全運行,在燃燒器的相應位置安裝了監視壁面溫度的熱電偶。熱電偶的安裝位置是根據數臺等離子燃燒器的工業應用情況和燃燒器工作狀態下的溫度場確定的。安裝位置如下圖所示。熱電偶的型號主要為K分度或鎧裝熱電偶。壁溫測量10、 等離子點火相關設備熱工聯鎖及定值等離子發生器啟弧聯鎖條件PLC與電源控制柜間的通訊正常冷卻水壓力0.15Mpa壓縮空氣壓力0.10bar啟動命令發出等離子發生器啟弧等離子發生器斷弧保護PLC與電源控制柜間的通訊異常冷卻水壓力0.1524、Mpa壓縮空氣壓力0.05bar停止命令發出等離子發生器斷弧給粉機啟動條件等離子“點火狀態”投入等離子發生器電弧正常給粉機啟動命令發出給粉機啟動 A:等離子“助燃狀態”投入給粉機啟動命令發出給粉機啟動B:給粉機跳閘保護等離子“點火狀態投入等離子發生器斷弧給粉機跳閘 A: B:4臺相應給粉機跳閘4臺相應一次風門全關MFT四、 生產及安裝1、等離子燃燒系統設計、生產周期為3個月。2、安裝可安排在電廠小修、中修或大修。五、 投資預算六、 效益預測1、爐熱備用狀態啟動:直接投入等離子點火燃燒系統,實現無油點火。2、鍋爐冷備用狀態啟動:先采用油槍點火,達到投粉條件,啟動等離子點火燃燒系統,停油槍。按一般25、情況300MW機組每次啟動只須6t油即可。如具備鄰爐送粉條件,可實現無油點火啟動。3、低負荷穩燃:直接投入等離子點火燃燒系統,實現無油穩燃。4、成本核算(按每小時計):電耗4100kw0.3元kw.h120元h 陰極頭損耗:4500元50h40元h 煤粉:8t/h300元t2400元/h(按平均每小時耗油4 t,煤熱值為油的1/2) 制粉成本:8th20元t160元h 等離子點火燃燒系統成本共計:2720元油成本:4t/h3000元t12000元/h5、效益核算:等離子點火燃燒系統成本只占油成本:27201200023 按2002年,兩臺爐耗油2385t,平均1臺爐1192.5t,若冷態啟爐2次,耗油26t12t。 如使用等離子點火燃燒系統節省的費用為: (1192.5t12t)3000元/t(1-23%)273萬元七、 其他效益采用等離子點火燃燒系統實施以煤代油的技術改造,可以節省高品位能源,對于煤多油少的我國能源結構來說具有戰略意義,不僅有經濟效益,社會效益也非常顯著。由于無油點火時可投電除塵器,克服了燃油點火時冒黑煙造成的環境污染,改善了環境條件。