火电机组和炉膛助燃装置的制作方法

1.本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种火电机组和炉膛助燃装置。


背景技术：

2.当今社会能源的需求是根本需求，其中电能占据主要角色，需求量越来越高，而用于发电的能源却迅速枯竭，同时石化能源在开采和使用过程中所造成的污染已明显威胁到了人类的健康，破坏了人类赖以生存的自然环境，为改变目前这种状况，我们一直积极的寻找清洁且资源储量充分的替代能源。目前人类已成功的开发出了核能发电、水力发电、风力发电、潮汐发电、太阳能发电等多种新型清洁能源，除核电外，大部分新型清洁能源存在的共同特点是出力小能量输出起伏变化大，对电网构成了一定干扰，也基于以上原因，电网新型清洁能源出力占比始终不高，部分地区弃风弃电问题严重。
3.火电机组锅炉燃烧系统消耗了大量石化燃料，目前主要以煤粉为主，为适应电能消费峰谷变化需求，火电机组需要进行精确地控制燃烧和蒸汽产汽，保证燃烧系统热能输出可控。但由于当前锅炉设计的局限性，燃烧火焰可控性较差，火焰过小时可能导致熄火，蒸汽品质下降出现水击，损坏蒸汽管路和汽轮机组，有时操作不当甚至可能导致锅炉发生负压/正压爆炸。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种炉膛助燃装置，以对当前部分弃风弃电能量进行回收，并提高火电机组锅炉所需热能的可控性。
5.本发明的第二个目的，在于提供一种火电机组。
6.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.一种炉膛助燃装置，包括：加热头10，靠近火电机组锅炉炉膛的火焰出口位置设置；变频器20，与所述加热头10连接，所述变频器20用于将直流电网输送的直流电变换为高频交流电，以使所述加热头10在所述高频交流电的作用下工作在加热状态，并将所述加热头10的外表温度加热至目标温度，所述目标温度大于煤粉可燃温度。
8.可选的，所述加热头10包括：内部中空的外壳12；电涡流线圈11，其设置在所述外壳12内部，且与所述变频器20的交流端连接，所述电涡流线圈11用于在所述高频交流电的作用下产生高频交变磁场；所述外壳12在所述高频交变磁场的作用下工作在加热状态；绝缘填充层13，其填充至所述外壳12内部，以包裹所述电涡流线圈11，所述绝缘填充层13用于降低所述电涡流线圈11的外表温度，并防止所述电涡流线圈11漏电；温度传感器14，靠近所述外壳12设置，所述温度传感器14用于检测所述外壳12的外表温度。
9.可选的，所述炉膛助燃装置还包括：控制器30，与所述变频器20连接，所述控制器30用于控制所述变频器20交流端的输出电流，以控制所述加热头10加热得到的所述目标温度位于第一预设温度区间，其中，所述第一预设温度区间的下限值为所述加热头10的加热
基准温度值。
10.可选的，所述控制器30还与所述温度传感器14连接，所述控制器30还用于：在所述温度传感器14采集的温度值小于投料标定温度值时，输出启动投料控制指令；在所述温度传感器14采集的温度值大于或者等于所述投料标定温度值时，输出禁止投料控制指令；其中，所述投料标定温度值位于所述第一预设温度区间内。
11.可选的，所述炉膛助燃装置还包括：电压检测单元40，与所述变频器20的直流端和所述控制器30分别连接，所述电压检测单元40用于检测所述直流端的直流电压值，并将所述直流电压值发送至所述控制器30；所述控制器30还用于当接收到的所述直流电压值大于第一预设电压值时，控制所述加热头10加热得到的所述目标温度位于第二预设温度区间，所述第二预设温度区间的下限值大于所述加热基准温度值，并输出减少投料控制指令。
12.可选的，所述控制器30还用于当接收到的所述直流电压值小于或者等于所述第一预设电压值时，控制所述加热头10加热得到的目标温度保持在加热基准温度。
13.可选的，火电机组的交流输出端还通过dc/ac双向换流站与所述直流电网连接，所述控制器30还用于当接收到的所述直流电压值小于第二预设电压值时，控制所述火电机组通过所述dc/ac双向换流站向所述直流电网补电；其中，所述第二预设电压值小于所述第一预设电压值。
14.可选的，所述绝缘填充层13的填充材料为耐高温绝缘材料。
15.可选的，设置在炉膛内的所述加热头10的个数为一个或多个。
16.为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种火电机组，包括：火电机组锅炉、设置在所述火电机组锅炉中的汽水系统和热风系统，以及上述所述的炉膛助燃装置。
17.本发明至少具有以下技术效果：
18.(1)本发明可将弃风弃电产生的直流电能输送至直流电网，并通过变频器将直流电网输送的直流电变换为高频交流电，以对设置在火电机组锅炉炉膛内的加热头进行加热，满足了火电机组锅炉的热能需求，从而实现了弃风弃电的能量回收。
19.(2)本发明通过控制器控制变频器交流端的输出电流，可实现对加热头加热温度的控制，从而提高了火电机组锅炉所需热能的可控性，并且本发明中的控制器还可根据加热头内温度传感器采集的加热头温度与预设的投料标定温度的比较结果，进行是否投料控制，以及根据电压检测单元检测的直流电网输送电压与预设电压的比较结果，进行减料控制，从而可有效节约煤资源。
20.(3)本发明中的控制器还可在直流电网能量不足时，控制火电机组通过dc/ac双向换流站对直流电网补电，以避免炉膛助燃装置因直流电网能量不足而无法工作的问题。
21.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.图1为本发明一实施例提供的炉膛助燃装置的结构框图；
23.图2为本发明一实施例提供的加热头放置位置示意图；
24.图3为本发明一实施例提供的变频器直流端电能供给示意图；
25.图4为本发明一实施例提供的加热头结构组成示意图；
26.图5为本发明另一实施例提供的炉膛助燃装置的结构框图；
27.图6为本发明又一实施例提供的炉膛助燃装置的结构框图。
具体实施方式
28.下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.下面参考附图描述本实施例的炉膛助燃装置。
30.图1为本发明一实施例提供的炉膛助燃装置的结构框图。如图1所示，该炉膛助燃装置1包括加热头10和变频器20。其中，加热头10靠近火电机组锅炉炉膛的火焰出口位置设置；变频器20与加热头10连接，变频器20用于将直流电网输送的直流电变换为高频交流电，以使加热头10在高频交流电的作用下工作在加热状态，并将加热头10的外表温度加热至目标温度，所述目标温度大于煤粉可燃温度。
31.由于当前火电机组锅炉设计的局限性，燃烧火焰可控性较差，火焰过小时可能导致熄火，从而导致蒸汽品质下降出现水击，损坏蒸汽管路和汽轮机组，有时可能导致火电机组锅炉发生负压/正压爆炸。为此，如图2所示，可在靠近火电机组锅炉炉膛的火焰出口位置设置加热头10，通过将加热头10的外表温度加热至大于煤粉可燃温度的目标温度，以点燃煤粉，防止炉膛内发生正压爆或负压爆，并通过对目标温度进行调控，可提高燃烧火焰的可控性，防止出现火焰过小的问题；以及，在调控目标温度时，可将目标温度调控至预设温度，将加热头10加热提供的热能作为火电机组锅炉所需热能的主要来源，以节约煤资源。本实施例中，加热头10加热的目标温度需控制在煤粉可燃温度以上，确保能够点燃煤粉，并通过点燃的火焰维持加热头10的外表温度。当然，在无需通过点燃煤粉提供热能的情况下，可熄灭明火，仅通过对加热头10进行加热，以满足火电机组锅炉的热能需求。
32.请继续参考图2，可将加热头10与变频器20连接。具体而言，可将变频器20的直流端接入直流电网，将其交流端与加热头10连接。如图3所示，本实施例中变频器20的电能提供来源可为直流电网，直流电网的电能来源可为新能源，如直流风力发电机组发出的直流电能、低压直流太阳能发电厂发出的直流电能、燃气轮机拖动直流发电机组发出的电能等等。当然，变频器20的电能来源也可为交流电网输送的交流电经过逆变设备逆变后并入直流电网得到的直流电能。本实施例中的变频器20为输出电流和输出频率可控的电力电子逆变设备，其直流端在接入直流电后，可将其变换为高频交流电，并通过所述高频交流电对加热头10进行加热，以将加热头10的外表温度加热至大于煤粉可燃温度的目标温度，点燃煤粉，向火电机组锅炉提供热能。
33.需要说明的是，火电机组锅炉中汽水系统预加热和热风系统运转的电能也可由直流电网提供。另外，本实施例中，设置在火电机组锅炉炉膛内的加热头10的个数为一个或多个，所述加热头10的外形可以是环形、管形、球状、筒状或其它形状，其形状和大小视炉膛实际情况及加热效率的考量有所变化。当加热头10为多个时，变频器20的数量可以与加热头10的数量相等，且变频器20与加热头10一一对应设置。在其它实施例中，变频器20的数量也可以设置为一台变频器20对应多个加热头10，变频器20在同一时刻输出相同的频率和占空比的电流信号给各个加热头10，加热头10的外形可视实际效果发生改变。
34.如图4所示，加热头10包括：电涡流线圈11、内部中空的外壳12、绝缘填充层13和温度传感器14。其中，电涡流线圈11设置在外壳12内部，且与变频器20的交流端连接，电涡流线圈11用于在高频交流电的作用下产生高频交变磁场；外壳12在高频交变磁场的作用下工作在加热状态；绝缘填充层13填充至外壳12内部，以包裹电涡流线圈11，绝缘填充层13用于降低电涡流线圈11的外表温度，并防止电涡流线圈11漏电；温度传感器14靠近外壳12设置，温度传感器14用于检测外壳12的外表温度。其中，绝缘填充层13的填充材料为耐高温绝缘材料。
35.具体的，变频器20可提供高频交流电至电涡流线圈11，电涡流线圈11在高频交流电的作用下产生高频交变磁场，使得靠近电涡流线圈11设置的外壳12产生涡流效应而发热，由此可通过变频器20产生的高频交流电的控制，实现对加热头10加热得到的目标温度的控制。
36.本实施例中，电涡流线圈11可为螺旋状耐高温导电金属，外壳12可为耐高温金属制成的蛋壳状中空外壳，该外壳可具有一定厚度。本实施例中的绝缘填充层13的填充物可为陶瓷或其它相似的耐高温绝缘材料。本实施例中的温度传感器14可设置在外壳12内部，其可测量温度不低于两千摄氏度。
37.图5为本发明另一实施例提供的炉膛助燃装置的结构框图。如图5所示，基于火电机组锅炉的炉膛助燃装置1还包括控制器30。本实施例中，控制器30与变频器20连接，控制器30用于控制变频器20交流端的输出电流，以控制加热头10加热得到的目标温度位于第一预设温度区间，其中，第一预设温度区间的下限值为加热头10的加热基准温度值。
38.本实施例中，可通过控制变频器20交流端输出的高频交流电的电流大小，控制加热头10加热得到的目标温度位于第一预设温度区间，如700～1800摄氏度，即在第一预设温度区间，控制器30可调节得到区间内的任一目标温度，其中，700摄氏度为加热头10的加热基准温度值。
39.需要说明的是，当加热头10的外表温度低于700摄氏度时，控制器30可控制变频器20，以控制加热头10自动启动加热；当加热头10的外表温度高于1800摄氏度时，控制器30可控制变频器20，以控制加热头10自动停止加热。本实施例中，控制器30还与温度传感器14连接，控制器30可通过温度传感器14采集得到加热头10的外表温度。
40.在本发明的一个实施例中，控制器30还用于在温度传感器14采集的温度值小于投料标定温度值时，输出启动投料控制指令；在温度传感器14采集的温度值大于或者等于投料标定温度值时，输出禁止投料控制指令；其中，投料标定温度值位于第一预设温度区间内。
41.作为一个示例，当加热头10在向目标温度进行加热的过程中，若温度传感器14采集的加热头10的外表温度值小于投料标定温度值(如1300摄氏度)，则控制器30输出启动投料控制指令，以控制进煤系统启动投料即投入煤粉，使得煤粉燃烧提供的热能协同加热头10加热提供的热能作为火电机组锅炉所需的热能来源；若加热头10的外表温度值大于或者等于投料标定温度值，控制器30则输出静止投料控制指令，以控制进煤系统停止投料，并熄灭明火，使得加热头10加热提供的热能作为火电机组锅炉所需的热能来源。
42.图6为本发明又一实施例提供的炉膛助燃装置的结构框图。如图6所示，炉膛助燃装置1还包括电压检测单元40。本实施例中，电压检测单元40与变频器20的直流端和控制器
30分别连接，电压检测单元40用于检测直流端的直流电压值，并将直流电压值发送至控制器30；控制器30还用于当接收到的直流电压值大于第一预设电压值时，控制加热头10加热得到的目标温度位于第二预设温度区间，第二预设温度区间的下限值大于加热基准温度值，并输出减少投料控制指令。控制器30还用于当接收到的直流电压值小于或者等于第一预设电压值时，控制加热头10加热得到的目标温度保持在加热基准温度。
43.具体的，直流电网提供的直流电的电压高低直接反映了直流电网系统能量的多少，进而可通过直流电网提供的直流电的电压高低进行加热头10的加热自动控制。
44.作为一个示例，一般直流电网提供的直流电的电压范围为925～1175v，当电压检测单元40检测到变频器20的直流端的直流电压大于第一预设电压值如1100v时，控制器30可控制变频器20，以控制加热头10加热得到的目标温度处于第二预设温度区间如1200～1800摄氏度，第二预设温度区间的下限值1200摄氏度要大于加热基准温度值700摄氏度，并且输出减少投料控制指令，控制进煤系统减少煤粉的投入。本实施例在变频器20的直流端的直流电压较高时，可提高加热基准温度值，由此可减少煤粉的投入，节约能源。
45.作为另一个示例，当电压检测单元40检测到变频器20的直流端的直流电压小于或者等于第一预设电压值如1100v时，可控制加热头10加热得到的目标温度值保持在加热基准温度值如700摄氏度，或者加热基准温度值以上但相对第二预设温度区间下限值较低的温度值如800摄氏度。本实施例中，在变频器20的直流端的直流电压较低时，可通过加热基准温度点燃煤粉，以使得煤粉燃烧提供的热能协同加热头10加热提供的热能作为火电机组锅炉所需的热能来源。
46.在本发明的一个实施例中，火电机组的交流输出端还通过dc/ac双向换流站(直流电-交流电转换装置)与直流电网连接，控制器30还用于当接收到的直流电压值小于第二预设电压值时，控制火电机组通过dc/ac双向换流站向直流电网补电；其中，第二预设电压值小于第一预设电压值。
47.具体的，火电机组可对热能进行转换得到电能如交流电，并可通过储能装置对其进行存储。作为一个示例，本实施例中的储能装置与dc/ac双向换流站之间可连接有电能输送开关，所述电能输送开关的控制端与控制器30连接。当电压检测单元40检测的直流电压值小于第二预设电压值如1000v时(直流电网能量不足)，控制器30可控制电能输送开关闭合，储能装置输出交流电至dc/ac双向换流站，通过dc/ac双向换流站整流后，得到直流电能，然后并网至直流电网，以对直流电网进行补电，使得炉膛助燃装置在无人干预的情况下时刻处于运转状态，从而使其具有无人值守和自适应工作的特点。
48.进一步的，本发明还提供了一种火电机组，包括火电机组锅炉、设置在所述火电机组锅炉中的汽水系统和热风系统，以及上述所述的炉膛助燃装置。
49.其中，火电机组锅炉中的汽水系统和热风系统用于对火电机组锅炉中的水进行加热，得到过热蒸汽，以便于通过过热蒸汽进行电力发电。本实施例中，火电机组为火力发电机组，其通过所述汽水系统、热风系统和炉膛助燃装置产生发电所需的热能。
50.综上所述，当电网消费需求降低，同时新能源出力过剩无法外送时，调度部门可将这部分过剩电能转移至火电机组锅炉的炉膛助燃装置，采用变频器将电能转化为加热头加热得到的热能，然后通过热风系统将转化后的热能辅助吹进炉膛，同时减少火电机组锅炉煤粉燃料投入，使得火电机组锅炉所需热能由加热头主要承担，并且，当电网消费需求进一
步降低时，可停止火电机组锅炉煤粉燃料投入，并熄灭明火火焰，使得火电机组锅炉所需热能由加热头独自承担，从而使得该装置解决了当前弃风弃电部分的能量回收问题，有效降低了碳排放，节约了能源，同时提高了锅炉系统的安全系数。
51.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
52.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。