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)改造設計

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計過程。該設計改變了電廠超超臨界燃煤鍋爐采用等離子點火和輕質柴油穩(wěn)燃不環(huán)保且在鍋爐燃燒不穩(wěn)時難以及時投入的情況；通過改造可實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保多方面的良好效果。關鍵詞：鍋爐；穩(wěn)燃系統(tǒng)；天然氣；改造

某600 MW超超臨界燃煤電廠于2008年投產(chǎn)，一直采用等離子點火，原設計柴油助燃系統(tǒng)因油耗高、影響環(huán)保設施可靠性等問題而被長期棄用。2015年國家開始逐步放開電力市場，電廠必須通過節(jié)能減排、深度調峰等手段進行增收節(jié)支，這樣才能在激烈的市場競爭中得以生存。低負荷節(jié)能的常用措施有減少磨煤機、風機運行臺數(shù)等。這些措施易造成設備備用條件不足，當發(fā)生突發(fā)事件時鍋爐易發(fā)生燃燒失調、爐膛滅火的情況。另外，低負荷運行期間氧量較大，氮氧化物控制更加困難，因此研究并實施可靠且環(huán)保的穩(wěn)燃系統(tǒng)已勢在必行。

1 設備概述

某廠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，采用分級燃燒技術和MACT型低NOx分級送風燃燒系統(tǒng)、反向墻式切圓燃燒方式。鍋爐制粉系統(tǒng)為6臺型號為HP1003中速磨，正壓直吹，額定工況時5臺投運，1臺備用。每臺磨煤機供布置于爐墻四側同一層的4個燃燒器。鍋爐采用二級點火方式：高能電火花點火器－油槍－煤粉燃燒器。此外，還在最下層燃燒器設置了等離子直接點燃煤粉的燃燒方式。原油槍的技術參數(shù)如表1所示。

表1 原有油槍技術參數(shù)

近年來燃煤電廠成本壓力劇增，為降低成本，該電廠已在研究低負荷三臺磨運行、深度調峰等項目，最大限度地增收節(jié)支，提高經(jīng)濟生存能力，但同時低負荷穩(wěn)燃的風險大幅上升。為保證機組在安全可控的前提下有強大的市場競爭力，必須進行穩(wěn)燃系統(tǒng)改造。

2 改造方案選擇

對該廠現(xiàn)有設備情況進行研究后發(fā)現(xiàn)，微油機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。兩種技改思路的對比情況如表2所示。

表2 兩種技改思路的對比情況

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，更適合于燃煤電廠。2016年起，國家大力加強天然氣行業(yè)推廣和管控，很多省市都可為電廠配套相應管道工程，在省去了LNG氣化站約350萬元的投資以及日常運維成本后，其經(jīng)濟效益更加凸顯，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氣化站進行供氣，氣源壓力0．2 MPa，輸入管徑DN300 mm，最大流量1．3萬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%，燃氣低位熱值Qydw＝35 500 kJ／m3，燃氣密度ρ＝0．75 kg／m3。

天然氣點火穩(wěn)燃系統(tǒng)主要由天然氣燃燒器及配風系統(tǒng)、天然氣管線系統(tǒng)、安全保護報警及控制系統(tǒng)、LNG氣化站等組成。結合該廠鍋爐現(xiàn)有設備情況，擬拆除原AB層、EF層油槍，并對CD層油槍進行天然氣改造。

3．1 燃氣燃燒裝置選型

燃氣燃燒器采用一級點火，即高能點火槍直接點燃燃氣槍。根據(jù)經(jīng)驗，二級點火的小氣槍存在不安全因素。由于燃煤電站鍋爐爐內空氣擾動較為強烈，小氣槍火焰抗干擾能力差，存在點火困難、燃燒穩(wěn)定性差的問題，所以一級點火時可將燃燒器燃氣量調節(jié)到較小的流量。

燃氣槍設計為固定結構且不上下擺動，需將二次風噴口聯(lián)動銷軸拆除，并將二次風噴口水平固定。每臺燃燒器設置一套高能點火器及點火器的氣動推進器，實現(xiàn)自動點火。為保證設備穩(wěn)定運行，全部采用新購置設備。每臺燃燒器設置紫外線火檢，實時監(jiān)測燃燒情況。天然氣燃燒器結構示意圖如圖1所示。

圖1 天然氣燃燒器結構示意圖

推薦采用強混式鋸齒形燃氣燃燒器，其具有以下特點：

1）采用強混技術，燃燒效率高，燃盡程度好；

2）調節(jié)性能好，調節(jié)比大；

3）獨有的穩(wěn)焰技術使得該燃氣燃燒器不回火、不脫火、不燒噴口、不結焦；

4）運行調節(jié)方便，且不產(chǎn)生沖墻、燃燒區(qū)域過熱或超溫等問題；

5）燃氣燃燒器出力與原油槍等熱值，能完全滿足鍋爐的啟動和輔助燃燒要求。

電站鍋爐燃氣點火穩(wěn)燃燃燒器一般采用鼓風式擴散燃燒器，由配風噴口、燃氣噴嘴、鋸齒形穩(wěn)焰器、配風器、點火槍、火檢及看火孔等組成。燃氣噴嘴上有數(shù)排3～10mm噴孔，燃氣以100～300 m／s的速率從小孔噴出，空氣通過配風器形成旋轉氣流與小孔出來的燃氣混合燃燒，噴嘴上的鋸齒形穩(wěn)焰體保證燃氣著火、燃燒穩(wěn)定以及燃氣與空氣的及時混合。點火槍用于冷態(tài)時點燃燃氣，火檢用于檢測火焰的燃燒情況。這種鋸齒形燃氣燃燒器已經(jīng)在幾十臺鍋爐上有使用業(yè)績，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

3．2 燃氣壓力

額定壓力燃氣是燃燒器的關鍵性能參數(shù)，對于保證燃燒器的穩(wěn)定性非常重要，燃氣噴嘴的噴孔流速主要取決于燃氣壓力。根據(jù)應用經(jīng)驗表明，燃氣額定壓力取50～60 kPa較為合適，燃氣燃燒器噴孔的流速根據(jù)公式計算，噴孔流速約為226 m／s。

3．3 燃燒器功率及出力

燃氣燃燒器功率滿足鍋爐點火及穩(wěn)燃要求，若系統(tǒng)原設計為油燃燒器，單臺燃氣燃燒器的額定功率等于原油槍的額定功率，原油槍的出力達到G＝2 000 kg／h即可滿足穩(wěn)燃。取原油熱值Qynet．cr＝42 900 kJ／kg，相應的燃氣燃燒器額定功率為

3．4 燃氣量

單臺燃燒器的額定燃氣量與燃燒器的額定功率及燃氣的熱值有關，燃氣量的計算式為

若取燃燒器的額定功率N＝23．83×103kW，燃氣熱值Qqnet．cr＝ 35 500 kJ／Nm3，相應的燃氣量為

另外，燃燒器的功率是可以調節(jié)的，調節(jié)范圍為額定出力的45%～150%。根據(jù)燃燒器出口壓力，通過每臺燃燒器對應的氣動調節(jié)閥進行壓力調節(jié)，壓力可在10～120 kPa范圍內調節(jié)，對應的燃氣量范圍為1 080～3 600 Nm3／h，對應的功率范圍在10．64～35．4 MW，燃氣量與功率及出力的調節(jié)范圍及幅度是一致的。

根據(jù)以上計算，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

燃氣燃燒所需的空氣量，取決于燃氣量及理論空氣量。空氣量的計算如下式

式中：V0k為燃氣的額定空氣量；Vq為燃氣量；α為過量空氣系數(shù)，一般取1．2。如燃燒器的額定燃氣量Vq＝2 416．6 Nm3／h，理論空氣量V0k＝9．64 Nm3／h，取過量空氣系數(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 燃氣燃燒裝置的布置

燃氣點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，利用原二次風噴口，標高與中心位置不變。

3．7 燃氣燃燒裝置配風系統(tǒng)

燃氣燃燒器采用原油風道的調節(jié)擋板進行燃氣燃燒器配風量的調節(jié)，通過二次風道將風送入燃氣燃燒器的配風器及二次風噴口，對燃氣燃燒進行配風及補風。由于原油槍的空氣量與燃氣的空氣量相當，所以原油風道的風量滿足燃氣燃燒器的需要。

4 天然氣管線系統(tǒng)設計

本項目天然氣氣源采用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 燃氣母管線系統(tǒng)

燃氣管線系統(tǒng)按燃氣壓力選用中壓管道（0．01 MPa＜p≤0．2 MPa）系統(tǒng)輸送，管線系統(tǒng)包括燃氣母管線系統(tǒng)、單臺爐燃氣分管線系統(tǒng)、燃氣支管線系統(tǒng)。

燃氣母管線系統(tǒng)是指從計量站來氣到鍋爐房的管線，要求計量站燃氣壓力為0．2 MPa，流量為13 000 Nm3／h，通過DN300 mm無縫鋼管從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閥、吹掃閥、壓力表。

4．2 單臺爐燃氣分管線系統(tǒng)

從兩臺爐天然氣母管道附近，由1條DN300 mm管道將天然氣引至每臺鍋爐點火平臺，且在適當位置繞爐膛1圈。該管路上布置1臺手動球閥（分爐總入口門）、1臺氣動快速關斷球閥、1臺流量計、1臺就地壓力表、1臺壓力變送器及6臺壓力開關等。在該管道手動球閥前還布置有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。在流量計前布置1條DN50 mm吹掃置換管路，設置1臺手動球閥、1臺就地壓力表、1臺氣動球閥及1臺止回閥等，在該管路最遠處布置1條DN25 mm疏水管路，該疏水管路上布置2臺手動球閥。

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，用于對應各個角的天然氣燃燒器。該DN150 mm管路上布置手動球閥、氣動調節(jié)閥、氣動快速關斷球閥、管道阻火器、壓力變送器、就地壓力表各1臺，并與燃氣燃燒器用金屬軟管相連。在DN150 mm手動球閥后設置1路DN25 mm放空管。該放空管上布置1臺手動球閥、1臺氣動放空閥，放空管引至DN100 mm放空母管。在氣動快速關斷球閥后將原油槍霧化蒸汽管路接至對應燃氣燃燒器，用于燃氣燃燒器吹掃。

4．5 天然氣管線系統(tǒng)的設計計算

燃氣高位熱值Qydw＝37 400 kJ／m3，燃氣密度ρ＝0．75 kg／m3，燃氣壓力設定為P＝50 kPa。為滿足鍋爐穩(wěn)燃，需同時投運4臺燃氣燃燒器，單臺氣槍設計燃氣量為2 400 Nm3／h，單臺爐最大設計燃氣量為9 600 Nm3／h。

4．6 天然氣泄露監(jiān)測系統(tǒng)

為保證燃氣系統(tǒng)的安全，按規(guī)定配備天然氣檢漏裝置，每臺爐布置5只可燃氣體探測器，燃燒器閥組4只及母管閥組1只，將全部可燃氣體探測器信號接入DCS系統(tǒng)。當有天然氣泄漏時，發(fā)出報警信號，保證鍋爐安全運行。

5 結語

目前國內電力行業(yè)形勢日益嚴峻，超超臨界燃煤電廠雖在業(yè)內具有煤耗低、減排效果好等優(yōu)勢，但隨著國家對節(jié)能環(huán)保的要求不斷加強，要適應各種不利的市場局面，必須深入研究低負荷優(yōu)化節(jié)能和穩(wěn)燃技術。2016年間，國務院、發(fā)改委、能源局、工商總局等多部門先后出臺多項政策，分別涉及天然氣領域的官網(wǎng)開放、價格改革、成本審核、壟斷合規(guī)等方面。很多省市在大幅擴大天然氣管道鋪設面積，有的甚至已為電廠這種大型用戶免費進行配套設施建設，電廠只需完成廠內設備改造即可，省去LNG約350萬投資，且無需氣站的運維成本，改造經(jīng)濟性大幅提升。天然氣穩(wěn)燃改造，為燃煤電廠引入清潔的助燃技術，不僅能為電廠提高市場競爭力提供技術依托，還能顯著提升電廠環(huán)保經(jīng)濟性能，是極佳的技改方案。

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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，研究方向為電廠安全、節(jié)能、環(huán)保等方面技術。