天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)在超臨界循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用

王映奇

（山西世紀(jì)中試電力科學(xué)技術(shù)有限公司，山西太原 030001）

0 引言

2020年9月22日，中國(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！敝卫泶髿馕廴究滩蝗菥?，能源的清潔利用及高效利用成為環(huán)境治理的重要途徑[1]。

目前大型循環(huán)流化床鍋爐均采用床上點(diǎn)火、床下點(diǎn)火和聯(lián)合點(diǎn)火3種方式[2]，點(diǎn)火燃料一般采用0號(hào)輕柴油，燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的SO2、NOx等污染性氣體。在油槍霧化不良的情況下，極易發(fā)生床面結(jié)焦，而且未燃燼的燃油會(huì)隨著煙氣流動(dòng)進(jìn)入空預(yù)器、布袋除塵器，造成極大的安全隱患。

天然氣作為一種清潔、環(huán)保型優(yōu)質(zhì)能源，其主要由甲烷（85%）和少量乙烷（9%）、丙烷（3%）組成，發(fā)熱量一般可達(dá)到35 000～40 000 kJ/m3[3]，可以替代燃油用做循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的燃料。天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)操作方便，燃燼率高，充分燃燒產(chǎn)物為二氧化碳和水，能從根源上有效降低污染物的排放；運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用僅為柴油點(diǎn)火費(fèi)用的30%，對(duì)于新建電廠，可以節(jié)約上千萬(wàn)元的初始投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用[4]；同時(shí),燃燒產(chǎn)生的二氧化碳少于柴油，造成溫室效應(yīng)低，有利于減少碳排放，是一種實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要手段。

1 設(shè)備及系統(tǒng)簡(jiǎn)介

山西某電廠鍋爐為上海鍋爐廠自主研發(fā)的型號(hào)為SG-1198/25.7-M4606的350 MW級(jí)超臨界循環(huán)流化床鍋爐[5]。鍋爐點(diǎn)火采用床上、床下聯(lián)合點(diǎn)火方式，燃料采用天然氣。天然氣組成成分：φ（CH4）為94.011%，φ（C2H6）為3.185 4%，φ（C3H8）為0.454 1%，φ（i C4H10）為0.075 7%，φ（n C4H10）為0.081 3%，φ（i C5H12）為0.034 1%，φ（n C5H12）為0.015 2%，φ（C6+）為0.105 7%，φ（總烴）97.961%，相對(duì)密度為0.598 6，臨界溫度為197.24 K，φ（He）為0.029 6%，φ（H2）為0.013 1%，φ（N2）為0.214 1%，φ（CO2）為1.783 1%，ρ（H2S）為0 mg/m3，ρ（總硫）為0 mg/m3，密度為0.720 7 g/L，臨界壓力為4.653 MPa，高位發(fā)熱量37.84 MJ/m3，低位發(fā)熱量34.13 MJ/m3。

本廠天然氣氣源接自昆侖燃?xì)夤救細(xì)庹?，天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)分為床上和床下兩部分，床上前墻布置4支氣槍，左右墻各2支氣槍，共8支氣槍。每臺(tái)床上燃燒器的額定出力為2 000 m3/h。每臺(tái)床上燃燒器由組合點(diǎn)火氣槍及其氣動(dòng)推進(jìn)裝置、主氣噴槍及其氣動(dòng)推進(jìn)裝置、穩(wěn)燃裝置等組成。組合點(diǎn)火氣槍由高能點(diǎn)火槍和點(diǎn)火氣槍組成。

床下后墻每個(gè)風(fēng)道上配1臺(tái)風(fēng)道燃燒器，共4支氣槍。每臺(tái)風(fēng)道燃燒器的額定出力為600 m3/h。每臺(tái)風(fēng)道燃燒器由1支點(diǎn)火槍及其氣動(dòng)推進(jìn)裝置、1支點(diǎn)火氣槍和1支主氣噴槍、1個(gè)穩(wěn)燃裝置、風(fēng)道燃燒器殼體及3個(gè)可調(diào)節(jié)擋風(fēng)板等組成。主氣噴槍燃?xì)鈬姵龇较蚺c風(fēng)道內(nèi)風(fēng)的流動(dòng)方向一致，主氣噴槍安裝在旋流式穩(wěn)燃罩中心，穩(wěn)燃罩用于穩(wěn)定火焰。

2 天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)存在的問(wèn)題及分析

2.1 點(diǎn)火困難且著火穩(wěn)定性差

山西某電廠天然氣母管設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa，工作壓力為0.36 MPa，床下燃燒器采用XRF-11-6100M型風(fēng)道燃燒器，床上燃燒器型號(hào)為XRQ-21-20000A型，用于低負(fù)荷時(shí)穩(wěn)定燃燒。在調(diào)試期間，床上、床下燃燒器均存在“脫火”現(xiàn)象，燃燒器著火20 s左右，火焰根部距離噴槍目測(cè)0.5 m左右，隨之燃燒減弱，火焰劇烈閃爍，導(dǎo)致滅火情況頻發(fā)。燃燒器的點(diǎn)火成功率和著火穩(wěn)定性取決于火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合氣體的流速、濃度。天然氣槍頭在開(kāi)始點(diǎn)火時(shí)，高能點(diǎn)火器產(chǎn)生的電火花把天然氣和空氣的混合氣點(diǎn)燃，開(kāi)始局部燃燒反應(yīng)，放出熱量，并把周圍可燃?xì)怏w又加熱到著火溫度，從而使火焰?zhèn)鞑ラ_(kāi)來(lái)?；鹧?zhèn)鞑ニ俣仁怯商烊粴鈽岊^的設(shè)計(jì)與天然氣壓力所決定，當(dāng)槍頭設(shè)計(jì)不合理或天然氣壓力過(guò)高時(shí)，天然氣和空氣混合后噴出的速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣炔黄ヅ?，?dǎo)致火焰出現(xiàn)斷火或脫火現(xiàn)象。

天然氣與空氣混合后的濃度也會(huì)影響點(diǎn)火成功率。當(dāng)天然氣和空氣的混合濃度太大或是太小時(shí)，即使達(dá)到了正常點(diǎn)火溫度，也不能正常著火?；旌蠚怏w濃度太小時(shí)，著火后發(fā)出的熱量不足以把鄰近的可燃?xì)怏w加熱到著火溫度，造成點(diǎn)火困難；混合氣體濃度太大時(shí)，相對(duì)空氣不夠，也不能達(dá)到著火溫度燃燒，出現(xiàn)點(diǎn)火困難和著火穩(wěn)定性差的狀況。

2.2 床上燃燒器對(duì)床料加熱利用率低

機(jī)組多次啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，床上燃燒器投運(yùn)以后，床溫溫升率緩慢，達(dá)到投煤溫度時(shí)間長(zhǎng)。按照鍋爐廠設(shè)計(jì)要求冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間為8 h，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間為12 h。

由于床上燃燒器布置在布風(fēng)板上部，并與布風(fēng)板以一定角度斜插入爐膛。加上循環(huán)流化床特殊的燃燒方式，一次風(fēng)攜帶物料上升過(guò)程中，床上燃燒器熱量未能與爐內(nèi)物料進(jìn)行充分熱交換就被煙氣帶出爐膛，因此熱煙氣對(duì)爐內(nèi)物料的加熱利用率僅有40%左右[6]。另外，氣體燃料相比液體燃料，在同樣壓力等級(jí)下火焰剛性弱，受爐膛氣流和物料影響，很容易被吹滅，導(dǎo)致整個(gè)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，耗氣量增加。

2.3 鍋爐燃燒異常時(shí)無(wú)法助燃

循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行過(guò)程中，如發(fā)生給煤機(jī)斷煤、風(fēng)量大幅波動(dòng)、回料器返料不正常、煤質(zhì)變化等問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致床溫急劇下降，此時(shí)需及時(shí)投運(yùn)燃燒器助燃，維持床溫在正常范圍內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)多次發(fā)生此類情況時(shí)，燃燒器無(wú)法投運(yùn)，導(dǎo)致被迫停爐。其原因是本廠設(shè)計(jì)天然氣壓力較高，一旦發(fā)生泄漏，極易發(fā)生爆炸。為安全起見(jiàn)，防止天然氣泄漏，按照鍋爐廠要求，當(dāng)燃燒器退出運(yùn)行時(shí)，需將爐前天然氣母管管道排空，再次投運(yùn)時(shí)需再次進(jìn)行氮?dú)庵脫Q。氮?dú)庵脫Q所需要時(shí)間約為1 h，當(dāng)鍋爐燃燒出現(xiàn)異常時(shí)，不能快速投運(yùn)燃燒器助燃。

2.4 火檢信號(hào)頻繁擺動(dòng)

本廠燃燒器上留有火檢導(dǎo)管，火檢導(dǎo)管的尺寸為d 70×4 mm，火檢采用D-LX100一體化火焰檢測(cè)器。床上燃燒器在投運(yùn)過(guò)程中，火檢模擬量信號(hào)頻繁閃爍、直至消失，就地觀察著火情況良好。

針對(duì)鍋爐點(diǎn)火過(guò)程中火檢信號(hào)失去而引起燃燒器跳閘，初步判斷為火檢系統(tǒng)存在問(wèn)題。據(jù)此，我們進(jìn)行了必要檢查。首先將火檢探頭拆除，用強(qiáng)光手電“頻閃檔”對(duì)其照射，火檢強(qiáng)度與頻率顯示正常。其次檢查火檢安裝角度。火檢探頭安裝角度應(yīng)與燃燒器在一條直線上，爐膛內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)火檢安裝角度受床上燃燒器支氣噴槍的遮擋，影響火檢正常檢火，導(dǎo)致火檢信號(hào)頻繁擺動(dòng)。

2.5 煙氣濕度大

天然氣點(diǎn)火過(guò)程中發(fā)現(xiàn)煙氣濕度大，停爐后檢查省煤器灰斗、輸灰管道、電袋除塵器等部位發(fā)現(xiàn)大量積水。

本工程用天然氣點(diǎn)火，點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為20%的鍋爐最大連續(xù)出力，消耗天然氣18 400 m3/h。鍋爐吹管及整套試運(yùn)行期間，在排除鍋爐受熱面泄漏的原因后，分析這些水來(lái)源于天然氣的燃燒產(chǎn)物。天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分是甲烷，天然氣燃燒化學(xué)方程式為CH4+2O2=CO2+2H2O（完全燃燒生成CO2和水）；2CH4+3O2=2CO+4H2O（不完全燃燒時(shí)生成CO和水）。標(biāo)準(zhǔn)狀況下天然氣的密度為0.717 4 kg/m3，按照天然氣消耗量18 400 m3/h計(jì)算，燃燒的天然氣總量為13 t/h，完全燃燒生成的水量為29 t/h，每次冷態(tài)啟動(dòng)按鍋爐廠冷態(tài)啟動(dòng)曲線為8 h，將產(chǎn)生近240 t水蒸氣，煙氣濕度近20%。大量燃燒生成的水蒸氣在尾部煙道及除塵器內(nèi)冷凝成液態(tài)水，嚴(yán)重影響鍋爐輸灰系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.6 受外界環(huán)境影響大

天然氣存在間斷性、峰谷性。采用天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)受外界制約較大，每次用氣需提前報(bào)計(jì)劃，而且必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用完，特別是冬季啟動(dòng)遇到天然氣緊缺時(shí)，嚴(yán)重影響機(jī)組正常啟動(dòng)。有時(shí)天然氣母管壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)壓力，導(dǎo)致氣槍出力降低，無(wú)法滿足機(jī)組升溫升壓速率。另外，非計(jì)劃用氣單價(jià)要比計(jì)劃用氣增加25%的費(fèi)用，考慮機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中諸多不確定因素，會(huì)導(dǎo)致用氣量增大，成本增加。

3 天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)改造和優(yōu)化措施

3.1 更改燃燒器槍頭結(jié)構(gòu)

針對(duì)燃燒器“脫火”問(wèn)題，需增強(qiáng)根部著火穩(wěn)定性，所以在槍頭四周對(duì)稱開(kāi)8個(gè)d 4.9 mm的孔。同時(shí)將天然氣槍頭原來(lái)d 4.7 mm的孔擴(kuò)為d 5.2 mm，降低燃燒器槍頭處天然氣流速，保證混合氣體傳播速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗥ヅ?。槍頭孔增大后，單只氣槍出力由原來(lái)的600 m3/h提升至800 m3/h，更有利于床料的升溫。通過(guò)改造以后，床下燃燒器無(wú)“脫火”現(xiàn)象，著火穩(wěn)定，火焰為淡藍(lán)色。

3.2 合理布置火檢位置

火檢安裝角度一定程度上影響了檢火，在火焰相對(duì)不穩(wěn)定的時(shí)候，火檢無(wú)法直接有效地檢測(cè)到天然氣火焰。這是因?yàn)榛饳z安裝螺紋接頭原預(yù)留焊接過(guò)程中，有一定的偏斜，導(dǎo)致火檢視角被支氣噴槍阻擋，且原預(yù)留的火檢視角范圍較小。因此，將所有火檢連接螺紋接頭與預(yù)留的導(dǎo)管焊縫切開(kāi)，重新調(diào)整視角后焊接固定，燃燒器火檢工作正常。

3.3 定值及邏輯優(yōu)化

定值優(yōu)化：本廠天然氣工作壓力為0.36 MPa，根據(jù)廠家及設(shè)計(jì)院提供的資料，要求天然氣母管壓力小于0.19 MPa，延時(shí)2 s后觸發(fā)氣體燃料跳閘GFT（gas fuel trip）。在實(shí)際點(diǎn)火啟動(dòng)過(guò)程中，隨著床上燃燒器的投運(yùn)，天然氣母管壓力經(jīng)常低于0.19 MPa，從而觸發(fā)GFT，導(dǎo)致床上、床下燃燒器全部停運(yùn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天然氣母管壓力在小于0.19 MPa時(shí)也可以穩(wěn)定燃燒，通過(guò)與鍋爐廠討論后決定將定值改為0.05 MPa，既能防止天然氣在燃燒器出口流速低于燃燒速度時(shí)造成“回火”，又不會(huì)由于母管壓力低頻繁觸發(fā)導(dǎo)致GFT。

邏輯優(yōu)化：根據(jù)廠家說(shuō)明書(shū)要求，燃燒器點(diǎn)火氣槍（主氣槍）排空閥前快關(guān)閥非關(guān)且點(diǎn)火氣槍（主氣槍）進(jìn)氣快關(guān)閥非關(guān)延時(shí)10 s，且火檢無(wú)火延時(shí)2 s，判斷燃燒器是否著火。實(shí)際點(diǎn)火過(guò)程中發(fā)現(xiàn)判斷有火的時(shí)間2 s較短，按照標(biāo)準(zhǔn)要求燃?xì)馊紵鼽c(diǎn)火（主火）安全時(shí)間應(yīng)≤5 s[7-8]?，F(xiàn)改為燃燒器點(diǎn)火氣槍（主氣槍）排空閥前快關(guān)閥非關(guān)且點(diǎn)火氣槍（主氣槍）進(jìn)氣快關(guān)閥非關(guān)延時(shí)10 s，且火檢無(wú)火延時(shí)5 s，判斷燃燒器是否著火。

3.4 燃燒參數(shù)調(diào)整

燃燒著火穩(wěn)定性還取決于混合氣體的濃度。因此對(duì)一次流化風(fēng)量與二次風(fēng)量也進(jìn)行了調(diào)整，使天然氣與空氣混合后濃度在合理范圍內(nèi)。通過(guò)多次點(diǎn)火試驗(yàn)，維持一次流化風(fēng)量160 000 m3/h，二次風(fēng)量150 000 m3/h、二次風(fēng)壓5～6 kPa，點(diǎn)火二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度25%，點(diǎn)火上二次風(fēng)門(mén)開(kāi)度為5%，下一次風(fēng)門(mén)開(kāi)度5%，可以穩(wěn)定著火。同時(shí)注意，點(diǎn)燃床上第一支槍時(shí)，床上母管壓力控制在0.1～0.15 MPa，更容易著火。著火以后迅速開(kāi)啟床上天然氣母管調(diào)節(jié)閥，維持母管壓力穩(wěn)定，避免天然氣母管壓力大幅度波動(dòng)[9]。

3.5 縮短啟動(dòng)時(shí)間和減少天然氣用量

針對(duì)天然氣點(diǎn)火過(guò)程中生成水蒸氣較大的問(wèn)題，主要采取的措施就是縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，減小天然氣用量，盡早投煤。通過(guò)輔汽將給水溫度提高至100℃以上；控制給水流量，在保證水冷壁壁溫偏差不大且床溫較低情況下，適當(dāng)降低給水流量，減少啟動(dòng)初期水沖洗帶走的熱量；提前投運(yùn)一、二次風(fēng)暖風(fēng)器，將風(fēng)溫提高至50℃以上；在保證床料流化狀態(tài)下盡量降低一次流化風(fēng)量，保證點(diǎn)火風(fēng)室溫度在850～900℃范圍內(nèi)；每次停爐以后建議更換床料，可適當(dāng)縮短啟動(dòng)時(shí)間。

4 結(jié)論

a）通過(guò)對(duì)燃燒器槍頭結(jié)構(gòu)以及邏輯、參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，燃燒器著火穩(wěn)定，基本能滿足循環(huán)流化床鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)的需求。

b）床上燃燒器無(wú)爐內(nèi)物料，其加熱效果弱，建議增大床下燃燒器出力。

c）冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中煙氣濕度大，通過(guò)縮短機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間、減小天然氣用量等措施，煙氣濕度下降效果顯著。

實(shí)踐證明，天然氣點(diǎn)火在循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)中的應(yīng)用是比較理想的。本文從系統(tǒng)、運(yùn)行調(diào)節(jié)方面對(duì)天然氣點(diǎn)火過(guò)程中遇到的一系列問(wèn)題進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改造、優(yōu)化等措施，使各項(xiàng)參數(shù)均能滿足循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)要求，為天然氣點(diǎn)火系統(tǒng)在循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。