最新丰城等离子设计方案汇总.docx
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最新丰城等离子设计方案汇总
丰城等离子设计方案汇总
丰城发电厂2×660MW机组
等离子点火系统设计方案
（第一版）
拟稿：
校对：
审核：
批准：
烟台龙源电力技术有限公司
2004年2月
前言
长期以来，火力发电机组锅炉的启停及低负荷稳燃消耗大量的燃料油。
据《2000年电力工业统计资料汇编》数字表明，2000年电力系统燃用燃料油1217.2万吨。
近几年电力系统采取了一些减少燃油的措施，目前，全国每年电站锅炉（不包括工业锅炉）的点火和稳燃用油估计在250万吨以上，直接费用每年超过60亿元人民币。
新建的火力发电机组在试运期间要经过锅炉吹管、整定安全阀、汽机冲车、机组并网、电气试验、锅炉洗硅运行、机组带大负荷运行等许多阶段，此期间由于锅炉无法投磨或无法完全断油运行，因此要耗费大量的燃油。
根据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。
烟台龙源电力技术有限公司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。
大唐公司托克托电厂一期工程为2×660MW汽轮发电机组，由于在1、2号锅炉上安装了等离子点火系统，两台机组在试运期间的燃油消耗分别只有2800吨和1400吨，大大低于同类型的其它机组，节油产生的经济效益十分可观。
江西丰城电厂新建工程为2×660MW汽轮发电机组，为在该工程应用等离子点火设备，达到同样的节油效果，烟台龙源公司进行了进一步的开发试验，并提出了《江西丰城电厂新建工程锅炉等离子点火系统设计方案》，供各方讨论。
1等离子煤粉点火技术基本原理
1.1等离子煤粉点火机理
等离子点火装置利用直流电流在一定介质气压的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体，该等离子体在点火燃烧器中形成T>4000K的梯度极大的局部高温火核，煤粉颗粒通过该等离子体火核时，在千分之一秒内迅速释放出挥发物，再造挥发份，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。
由于反映是在气固两相流中进行，高温等离子体使混合物发生了一系列物理化学变化，近而使煤粉的燃烧速度加快，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大大的减少了促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。
1.2等离子发生器工作原理
DLZ-200型等离子发生器为磁稳，空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极等组成。
其中阴极材料采用具有高导电率、高导热、耐氧化的金属材料制成。
阳极亦由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式冷却，以承受电弧高温冲击。
线圈在高温250℃情况下具有抗2000V的直流电压击
穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。
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（6）的工作输出电流（300～400A），当阴极
（2）在直线电机（5）的推动下，与阳极
（1）接触后，电源（6）按设定的工作电流工作，当输出电流达到工作电流后，直线电机（5）推动阴极
（2）向后移动，当阴极离开阳极的瞬间，电弧建立起来，当阴极达到规定的放电间距后，在空气动力和磁场的作用下，装置产生稳定的电弧放电，生成等离子体。
图1：
等离子发生器工作原理图
2机组设备概况
丰城电厂新建2×660MW工程，锅炉为上海锅炉厂SG2102/25.4-MXXX型锅炉，本锅炉为超临界参数变压运行直流炉，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型炉。
2.1锅炉容量和主要参数：
锅炉主要参数：
名称
单位
BMCR
BRL
主蒸汽流量
t/h
2102
2001.7
主蒸汽温度
oC
571
571
主蒸汽压力
MPa（g）
25.4
25.31
再热器进口压力
MPa（g）
4.63
4.37
再热器进口温度
oC
322
316
再热器出口压力
MPa（g）
4.43
4.19
再热器出口温度
oC
569
569
再热蒸汽流量
t/h
1760.9
1673
给水温度
oC
283
280
2.2锅炉热力特性（B-MCR工况）：
干烟气热损失LG4.66%
氢燃烧生成水热损失LH0.20%
燃料中水份引起的热损失Lmf0.06%
空气中水份热损失LmA0.09%
未燃尽碳热损失Luc0.74%
辐射及对流热损失LR0.18%
未计入热损失LuA0.3%
计算热效率（按ASMEPTC4.1计算）
计算热效率（按低位发热量）93.77%
制造厂裕量Lmm0.35%
保证热效率（按设计煤种低位发热量）
BMCR工况不低于93.42%
BRL工况不低于93.5%
燃料消耗量267.40t/h
炉膛容积热负荷85.6kW/m3
炉膛断面热负荷4.823MW/m2
燃烧器区域壁面热负荷1.79MW/m2
空气预热器进风温度20℃
空气预热器出口热风温度：
一次风温度332℃
二次风温度338℃
省煤器出口过剩空气系数α1.2
炉膛出口过剩空气系数α1.2
空气预热器出口烟气修正前温度134℃
空气预热器出口烟气修正后温度128.3℃
2.3煤种
项目
单位
设计煤
校核煤1
校核煤2
校核煤3
产地
淮南
丰城煤
黄陵
平顶山
工
收到基低位发热值Qnet.ar
kJ/kg
22410
18600
24910
21000
业
收到基全水份Mt
%
6.80
11．
6.16
6.50
分
收到基灰份Aar
%
25.31
30.00
18.61
29.00
析
干燥无灰基挥发份Vdaf
%
34.60
22.84
38.59
30.50
空气干燥基水份Mad
%
0.57
1.60
0.70
元
收到基碳Car
%
55.18
47.53
62.98
54.99
素
收到基氢Har
%
4.09
3.05
4.09
2.87
分
收到基氧Oar
%
6.50
5.62
2.4
4.95
析
收到基氮Nar
%
1.32
1.18
1.01
1.19
收到基全硫St.ar
%
0.80
1.62
0.98
0.50
可磨性系数HGI
-
63.0
78
60.5
84.0
冲刷磨损指数Ke
-
炉内气氛
-
灰变形温度DT
℃
1220
1500
1220
1220
灰软化温度ST
℃
>1450
1500
1260
>1450
灰熔化温度FT
℃
>1450
>1500
1300
>1450
煤灰成分：
项目
单位
设计煤
校核煤1
校核煤2
校核煤3
SiO2
%
51.23
54.90
53.64
51.09
Al2O3
%
33.98
32.12
17.12
31.67
Fe2O3
%
5.19
7.09
5.08
3.80
灰
分
析
CaO
%
1.45
0.64
6.63
4.95
TiO2
%
1.56
0.4
0.48
1.18
K2O
%
0.93
1.29
1.33
<1.7
Na2O
%
0.69
1.10
0.44
<0.4
MgO
%
0.92
0.46
1.67
0.84
SO3
%
1.32
0.017
6.28
2.67
P2O5
%
0.658
0.24
0.98
2.4点火及助燃用油
油种：
0号轻柴油
运动粘度（20℃时）3.0～8.0厘沱（cst）
实际胶质＜70mg/100ml
酸度＜10mgKOH/100ml
硫含量＜1.0%
水份痕迹
机械杂质无
凝固点≯0℃
闭口闪点不低于65℃
低位发热值Qnet.ar~42000kJ/kg
2.5燃烧系统
本炉采用四角切向布置的摆动燃烧器，热态运行中，一、二次风喷口均可作上下摆动，其中二次风喷嘴摆角为±？
°，一次风喷嘴摆角为±？
°。
燃烧器与水冷壁采用法兰连接，？
只直流式燃烧器分？
层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，在炉膛中呈切圆方式燃烧。
油燃烧器的总输入热量按？
%B-MCR计算。
布置有？
层油燃烧器，每支油枪的出力为？
Kg/h。
2.6制粉系统？
锅炉制粉系统为中速磨煤机、冷一次风机正压直吹式系统。
一台炉设6台MPS225辊盘式中速磨煤机，两台离心式密封风机，6台电子称重式皮带给煤机。
燃烧设计煤种时，5台运行，1台备用。
锅炉设计煤粉细度R90=12%。
磨煤机型号：
MPS225
分离器型式：
磨辊加载方式：
标准出力（磨100％负荷）：
58t/h
最大计算出力（设计煤种）：
67.54t/h
最小出力：
t/h
最大通风量（磨100％负荷）：
kg/s
计算通风量（BMCR）：
kg/s
最小通风量：
kg/s
保证出力下磨煤机轴功率：
kW
磨煤机转速：
r/min
磨煤机阻力（包括分离器、煤粉分配箱）
磨煤机最大通风阻力（磨100％负荷）：
kPa
磨煤机计算通风阻力（BMCR）：
kPa
磨煤机进口静压（BMCR）：
kPa
一次风管道尺寸：
3等离子煤粉点火系统的设计方案
3.1设计方案说明
丰城新建工程中锅炉的24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角，煤粉和空气从四角送入，每台机组设有6台MPS225型磨煤机，各台磨煤机分别为各层的4支燃烧器供煤粉。
根据机组的上述特点，为达到最佳的节油效果同时保证运行控制方便的角度出发，初步设计的等离子改造方案为：
将锅炉A层的4支煤粉燃烧器改造为等离子点火煤粉燃烧器。
在锅炉点火启动过程中，等离子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，喷入炉膛的是已被完全点燃的煤粉，这样机组在启动过程中不用投入油枪，仅利用A磨煤机及等离子点火系统即可完成锅炉启动、汽轮机冲车、发电机并网并带电负荷，此时炉膛温度已达到较高水平，可以不投或仅投入较少的燃油即可启动第二台磨煤机继续升负荷，使机组达到较好的节油效果。
3.2等离子煤粉点火装置的设计
3.2.1等离子燃烧器的设计原则
1）稳定可靠地点燃，确保点火过程中不爆燃、不二次燃烧；点火过程燃烧器不结渣、不烧坏。
2）不影响主燃烧器的主要性能。
首先是燃烧器出口气流的动量矩基本不变和燃烧器出口流场不变，否则在正常运行中可能引起结渣、超温、燃烧效率下降等问题；第二是燃烧器结构必须简单，阻力不能太大，以满足各燃烧器之间阻力匹配的要求；第三是燃烧器必须耐烧、耐磨，满足运行检修维护的要求。
3）燃烧器的出力可以在一定的范围内变动，以满足启动曲线的要求，同时满足作为主燃烧器时出力的要求。
从最大限度的节约燃油的角度考虑，在设计上该燃烧器希望能满足在锅炉冷态点火时投入，锅炉升温升压速率能满足电厂运行规程的要求。
4）燃烧器的外形主要尺寸及接口尺寸与原燃烧器相同，便于燃烧器的布置和与系统的接口。
3.2.2等离子燃烧器的结构设计
等离子点火燃烧器结构示意图见下图2（参考类似工程）。
等离子燃烧器是能否安全稳定地点燃的核心，同时作为主燃烧器又必须满足主燃烧器的原有性能。
该工程将采用最新型的等离子燃烧器。
其实际结构，遵循先试验后工程的原则，将在得到锅炉厂燃烧器的结构图、电厂提供试验煤粉后，通过1：
1的热态试验后确定。
其主要结构如下：
等离子燃烧器由等离子发生器、中心筒一级燃烧室、内套筒二级燃烧室，方形外套筒等部分组成。
中心筒一级燃烧室：
引入浓缩后的含粉气流，等离子电弧与煤粉在此发生强烈的电化学反应，煤粉裂解，产生大量挥发份并被点燃；
内套筒二级燃烧室：
挥发份及煤粉继续燃烧，并将后续引入的煤粉点燃，实现分级燃烧；
上述结构保证了安全稳定地点燃，并使燃烧器在2500～6000kg/h（待确认）的出力范围内能稳定的燃烧。
外套筒：
利用高速含粉气流冷却二级燃烧室，同时将部分煤粉推入炉膛燃烧；
设燃烧器壁温监视测点，便于随时对壁温进行调整，既有利于点火又可防止燃烧器被烧坏。
序号
名称
单位
结果
备注
1
一次风管风速
m/s
18.0-24.0
等离子点火器投运状态
2
一次风温
℃
63～70
等离子点火器投运状态
3
一次风量
t/h
4
煤粉量
t/h
5-8.0
根据试验结果可望提高
5
煤粉浓度
kg/kg
0.3-0.5
6
喷口风速
m/s
40～50
喷口温度按1000℃
7
燃烧器阻力
Pa
＜1000
含浓缩装置
等离子点火燃烧器主要设计参数如下表。
图2等离子点火燃烧器方案示意图
3.2.3等离子发生器的设计方案
采用集开放式磁稳与机械、电磁压缩于一体复合结构的等离子发生器，其功率为50～150kW连续可调.采用双拉伐尔喷管复式阳极，避免煤粉对其污染，其材料为具有高导热、高导电和不易氧化的特殊合金，寿命在1000小时以上；阴极为高速喷嘴、强化冷却结构，材料由特殊合金与铜质材料组合而成，寿命在50小时以上，且更换方便。
在托电一期的实际运行寿命可达80～100小时。
参见图3阴极烧损质量与时间的曲线。
在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。
阴、阳极的磁稳线圈均为水冷结构。
突破了前人所用的等离子发生器电极结构与材料，成功的付诸工程应用。
图3阴极烧损质量与时间的曲线
采用了抗氧化特殊合金的阴、阳极，实现了以空气作为等离子载体，不需专供惰性气体保护电极，既简化了系统，又大幅度的降低了运行费用。
等离子发生器作为本公司的定型产品，和各型等离子燃烧器相配合已成功地点燃贫煤、劣质烟煤、烟煤和褐煤。
已应用于盘山发电厂、托克托一期、大同第二发电厂、军粮城电厂等多台大型机组，性能可靠，运行稳定。
其外形图见图4及附录。
图4复合式等离子发生器
3.3电气系统设计
由于每台锅炉安装了4套等离子点火装置，每套装置需要用户提供380VAC/200KVA的电源，所以每台锅炉在点火阶段需要用户提供4路共计800KVA的电源。
电源分别经隔离变压器接至等离子控制柜，输出的直流电送至就地点火装置上，运行人员通过安装在主控室立盘上的触摸CRT进行引弧、停弧操作，并可调整控制柜输出的直流电压和电流。
应考虑现场每台机组的低压配电备用容量，决定是否需要增设新的点火变压器为等离子点火系统供电。
为节约电厂的改造成本，每两台锅炉的等离子点火装置可共用一套等离子电源柜和隔离变压器，在电源柜出口设切换设备，运行人员可分别选择两台锅炉的等离子点火装置供电进行点火。
但按此方案改造，共用电源系统的两台锅炉不能同时利用等离子点火设备进行点火。
电气系统设备的布置及安装位置选择的原则：
通风良好、环境温度不超过40℃、环境洁净、无漏水、无粉尘污染、与等离子燃烧器距离较近、便利设备运输及安装。
具体电源取向及电源柜、隔离变压器的布置应由电力设计院根据系统要求设计确定。
单台等离子点火电源控制装置性能参数见下表：
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
隔离变压器绝缘等级
F级
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
另外，电厂需要为2台冷却水泵（380VAC/22kw×2）和2台火检冷却风机（380VAC/7.5kw×2）提供电源。
等离子电气一次系统见附图。
3.4磨煤机冷炉制粉方案设计
采用直吹式制粉系统的锅炉在安装等离子点火系统时所要解决的首要问题就是煤粉的来源问题。
本方案采用本炉制粉，其系统简单、运行方便，关键是解决制粉用热风的来源问题。
热风的来源可采取邻炉来风或另设旁路以电加热或蒸汽为热源自制热风，保证锅炉冷态启动时，磨煤机入口风温满足磨煤机干燥出力的要求。
根据江西丰城电厂新建机组的实际情况，同时借鉴相关的成功经验，本设计中采用在A磨煤机入口热风管道加装蒸汽加热器的方案。
加热器系统示意图如下图所示。
蒸汽加热器的汽源参数及布置等具体方案需与各方协商确定。
图5：
蒸汽加热器系统示意图
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
方案一:
另设触摸屏方式
等离子控制系统适应性较宽，能自成独立的系统，控制主机选用SimensS7—300系列可编程控制器。
人机界面选用日本Digital公司的液晶显示触摸屏，型号为GP-2500。
工程师工作站可以选用任一型号PC机，工程师可以在工作站上对整个系统进行组态，调整。
运行人员可以在触摸屏上对整个等离子点火煤粉燃烧器及系统进行监视和启弧、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。
方案一只要把触摸屏（10英寸,增强色16位）安装在集控室便于操作的立盘上，控制系统安装在800×600的安装板上，安装板固定在立盘后面。
与锅炉DCS的接口仅包含少量的DI/DO点，清单如下：
●DCS输出信号：
MFT信号
A磨煤机跳闸信号
●等离子点火系统输出信号：
等离子点火器运行信号共4点
等离子点火系统故障报警信号送光字牌
其中大唐盘山和托克托基建工程以及多数改造工程均采用此方案。
方案一的优点是整套系统简单，可靠。
方案二:
DCS操作方式
等离子操作控制可纳入DCS系统，成为DCS控制系统的一部分。
把等离子的控制做到DCS画面上，可以方便运行人员操作，便于管理。
元宝山电厂即采用这种方案，但在控制柜保留了触摸屏，以便调试。
等离子控制系统和DCS的连接方式有两种，一种采用硬接线的连接方式，该方式安全可靠，但需要增加DCS的硬件模块，具体I/O清单见下表。
其中军粮诚，平凉，恒运等电厂等离子改造选用该方案。
另一种连接为软通讯方式和DCS进行数据交换。
该通讯方式可支持MODIBUS协议，PROFIBUS协议或TCP/IP协议等。
其中佳木斯电厂同上海新华DCS，巨化电厂同和利时DCS，元宝山电厂同INFO90DCS等均采用通讯方式和DCS进行联系，且整套控制系统完整，运行安全可靠。
DCS增加的硬件I/O清单
DO
启动#1冷却水泵
启动#2冷却水泵
启动#1火检风机
启动#2火检风机
停止#1冷却水泵
停止#2冷却水泵
停止#1火检风机
停止#2火检风机
备用#1冷却水泵
备用#2冷却水泵
备用#1火检风机
备用#2火检风机
MFT跳闸（至PLC）
断弧报警
（热工信号）
A磨跳闸（至PLC）
B磨跳闸（至PLC）
DI
#1冷却水泵运行
#2冷却水泵运行
#1火检风机运行
#2火检风机运行
#1水泵遥控/就地
#2水泵遥控/就地
#1风机遥控/就地
#2风机遥控/就地
冷却水泵出口压力低
冷却风机出口压力低
备用
备用
以下为单只等离子燃烧器通讯点，根据改造燃烧器数量乘4。
DI
#1通讯正常（PLC来）
#1水流量满足（PLC来）
#1整流器正常（PLC来）
#1断弧报警（PLC来）
#1遥控/就地（PLC来）
#1风压满足（PLC来）
#1启弧成功（PLC来）
备用
AI
#1角设定电流（PLC来）
#1角实际电流（PLC来）
#1角设定电流（PLC来）
#1一次风速（PLC来）
#1-1壁温热电偶（K）
#1-2壁温热电偶（K）
DO
#1启动（至PLC）
#1角停止（至PLC）
#1角电流增（至PLC）
#1角电流减（至PLC）
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。
结合新建机组特点，同时参考其它直吹式制粉锅炉的改造经验，初步建议对FSSS逻辑进行如下修改：
●在FSSS中设计A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，A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，A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；
●在主控室光字牌上增加“等离子点火装置故障”信号，任一角等离子点火装置异常时，S7-300送信号至光字牌发声光报警；
●任一角等离子点火装置异常时，DCS自动投入断弧燃烧器对应的油枪；
●当A磨在“等离子运行模式”下运行时，任意两角等离子装置工作故障，联锁停A磨煤机，此逻辑在FSSS中由4个等离子点火器运行信号判别；
●当A磨在“等离子运行模式”运行时，A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；
●A磨煤机运行时，A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。
3.6等离子煤粉点火辅助系统设计
3.6.1辅助系统设计的内容
辅助系统设计的内容包括四部分：
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）一次风风速测量在线监测系统的设计
3.6.2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。
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：
0.01~0.02Mpa
Ø消耗量（单台等离子发生器）：
150Nm3/h
Ø含油量：
小于10mg/m3（空气）
在等离子点火器停止工作以后，为节约压缩空气，将停止为等离子点火器供压缩空气，此时为冷却点火器并达到密封的效果，将由图像火检冷却风系统为等离子点火器供冷却风。
参见附图。
另外，等离子压缩空气系统也可以用高压离心风机代替，具体方案可以另行商定。
3.6.3冷却水系统的设计
为保护等离子装置本身，需用水冷却阴、阳极和线圈。
单个燃烧器用水量为10t/h，其中线圈用水
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