淺談大容量燃煤電廠節(jié)油點火系統(tǒng)選擇

于洪濤 楊俊波 高振寶

山東電力工程咨詢院有限公司 山東 濟南 250013

0 前言

長期以來，火力發(fā)電機組鍋爐在啟停及低負(fù)荷穩(wěn)燃階段消耗大量的燃油。隨著國際原油價格的不斷上漲，減少鍋爐啟動及低負(fù)荷穩(wěn)燃用油以降低發(fā)電成本，提高競爭力，已成為發(fā)電企業(yè)迫在眉睫的問題。因此，節(jié)約和替代燃料油，對緩解石油供需矛盾，保障國家經(jīng)濟安全，具有重大的戰(zhàn)略意義。

山東地區(qū)某工程1000MW超超臨界機組鍋爐燃用神府東勝煙煤，采用中速磨冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，擬設(shè)置節(jié)油點火系統(tǒng)以減少燃油使用，節(jié)約投資。本文通過對兩種主要的節(jié)油點火技術(shù)的綜合比較，提出了推薦意見。通過合理設(shè)計點火及助燃油系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省初投資，而且還可以降低運行油耗和電耗，提高機組的經(jīng)濟性。

1 鍋爐節(jié)油點火技術(shù)基本原理

目前，國內(nèi)各種不同的電站鍋爐節(jié)油及穩(wěn)燃點火技術(shù)可以歸納為兩類：第一類為無油點火技術(shù)，如等離子點火穩(wěn)燃技術(shù)，第二類為少油點火技術(shù)，如微油點火技術(shù)。下面分別對等離子點火和微油點火技術(shù)的原理進行介紹。

1.1 等離子點火技術(shù)基本原理

等離子點火裝置利用直流電流在介質(zhì)氣壓0.01～0.03MPa的條件下接觸引弧，并在強磁場控制下獲得穩(wěn)定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在專門設(shè)計的燃燒器的中心燃燒筒中形成溫度5000～10000K，溫度梯度極大的局部高溫區(qū)。當(dāng)煤粉顆粒通過該等離子體，受到“火核”的高溫作用，在10-3秒內(nèi)迅速釋放出揮發(fā)物，使煤粉顆粒破裂粉碎，從而迅速燃燒。由于反應(yīng)是在氣相中進行，使混合物組分的粒級發(fā)生了變化，因而使煤粉的燃燒速度加快，有助于加速煤粉的燃燒，這樣就大大地減少了促使煤粉燃燒所需要的引燃能量。等離子體內(nèi)含有的大量化學(xué)活性粒子可加速熱化學(xué)轉(zhuǎn)換，促進燃料完全燃燒。

1.2 微油點火技術(shù)基本原理

微油點火技術(shù)是以常用的高能點火器點燃微油槍，用微油槍點燃煤粉氣流，以煤粉氣流的火焰代替大油槍的火焰，達到以煤代油的目的。該技術(shù)先利用壓縮空氣的高速射流將燃料油直接擊碎，霧化成超細油滴進行燃燒，同時用燃燒產(chǎn)生的熱量對燃料進行初期加熱、擴容后期加熱，在極短的時間內(nèi)完成油滴的蒸發(fā)氣化，使油槍在正常燃燒過程中直接燃燒氣體燃料，從而大大提高燃燒效率及火焰溫度。氣化燃燒后的火焰剛性極強、其傳播速度極快（超過聲速）、火焰呈完全透明狀（根部為藍色，中間及尾部為透明白色），火焰中心溫度高達1500～2000℃，可作為高溫火核在煤粉燃燒器內(nèi)進行直接點燃煤粉燃燒，從而實現(xiàn)電站鍋爐啟動、停止以及低負(fù)荷穩(wěn)燃。

2 等離子點火技術(shù)與微油點火技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟比較

對1000MW燃煤機組，等離子點火及微油點火技術(shù)目前均已有運行業(yè)績。下面就等離子點火技術(shù)與微油點火技術(shù)進行技術(shù)經(jīng)濟比較分析，從而為技術(shù)方案的選擇提供參考。

2.1 燃燒器

2.1.1 等離子燃燒器的特點

（1）能夠穩(wěn)定可靠地點燃煤粉，點火過程中不爆燃、不二次燃燒，燃燒器不結(jié)渣、不燒壞。

（2）能夠達到主燃燒器的技術(shù)性能。首先是燃燒器出口氣流的動量矩基本不變和燃燒器出口流場不變；第二是燃燒器結(jié)構(gòu)簡單，阻力不大，滿足各燃燒器之間阻力匹配的要求；第三是燃燒器耐燒、耐磨，能夠滿足運行檢修維護的要求。

（3）燃燒器的出力可以在一定的范圍內(nèi)變動，能滿足啟動曲線的要求，同時滿足作為主燃燒器時出力的要求。

（4）燃燒器的外形主要尺寸與原燃燒器相同，便于燃燒器的布置和與系統(tǒng)的接口。

（5）可以克服投油點火不能投電除塵的環(huán)保問題，消除因燃油系統(tǒng)造成的安全隱患。

2.1.2 微油點火燃燒器的特點

（1）油燃燒器火焰采用中心、單側(cè)或?qū)_式布置，為煤粉的湍流燃燒提供有利條件。由于油燃燒器火焰溫度高達1800℃，因此在提高燃燒區(qū)溫度的同時，提高了燃料的熱化學(xué)反應(yīng)能力，強化了熱質(zhì)的交換過程，因而在點火初期煤粉的燃盡率就高達90%～95%。

（2）所設(shè)置的氣膜風(fēng)冷卻了煤粉燃燒器的內(nèi)外壁面，并在煤粉燃燒器內(nèi)形成了一個完整的氣膜保護層，避免了結(jié)渣和燒蝕，降低磨損。

（3）對風(fēng)粉濃度無要求，風(fēng)粉濃度完全根據(jù)鍋爐升溫升壓需要進行調(diào)節(jié)。

（4）單只油燃燒器容量在20kg/h～300kg/h間，可點燃煙煤、褐煤、貧煤、無煙煤等，基本滿足國內(nèi)電站各煤種的需要。

（5）油燃燒器的燃盡率高達99%以上，具備投運電除塵設(shè)備的工況條件，具有環(huán)保效益。

（6）系統(tǒng)自身能耗小、結(jié)構(gòu)簡單、現(xiàn)場維護工作量小、運行費用低。

（7）油槍和點火槍不在高溫區(qū)工作，所以位置固定不變，不需要設(shè)推進裝置，油槍亦無需吹掃。

2.2 適用煤種

2.2.1 等離子點火技術(shù)可成功點燃貧煤、劣質(zhì)煙煤、煙煤和褐煤。

2.2.2 微油點火技術(shù)可點燃煙煤、褐煤、貧煤、無煙煤等。

2.3 點火方式

等離子點火技術(shù)為無油點火，微油點火技術(shù)采用無油點火。

2.4 系統(tǒng)配置

2.4.1 等離子點火技術(shù)：主要有等離子燃燒器系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、制粉及送粉系統(tǒng)、等離子載體風(fēng)系統(tǒng)、火檢冷卻風(fēng)系統(tǒng)、直流供電及控制系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)和熱工監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.4.2 微油點火技術(shù)：主要有煤粉燃燒器系統(tǒng)、暖風(fēng)系統(tǒng)、制粉及送粉系統(tǒng)、微油油燃燒器系統(tǒng)、油配風(fēng)風(fēng)機及管路系統(tǒng)、氣膜風(fēng)管路系統(tǒng)、微油燃油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)和熱工監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.5 燃盡度

2.5.1 等離子點火技術(shù)：雖然起始電弧溫度較高，能直接點燃煤粉，但由于爐內(nèi)熱容量相對較低，故煤粉的燃盡度較差，底渣及飛灰中的含碳量較高。

2.5.2 微油點火技術(shù)：由于油燃燒器火焰溫度高，因此在提高燃燒區(qū)溫度的同時，提高了燃料的熱化學(xué)反應(yīng)能力，強化了熱質(zhì)的交換過程，因而在點火初期煤粉的燃盡度就較高。

2.6 冷態(tài)啟動時的煤粉來源

目前等離子燃燒裝置以及微油點火技術(shù)尚不能在冷爐條件下用冷風(fēng)制粉直接點燃冷粉，對于采用中速磨冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng)通常要求磨煤機出口的一次風(fēng)溫度達到70℃左右。因此首先要解決的是為節(jié)油點火裝置提供滿足細度、濃度和濕度要求的煤粉。要實現(xiàn)冷態(tài)啟動磨煤機制粉最主要的是解決熱風(fēng)來源問題，可以采用增加輔助加熱系統(tǒng)的方法來提供熱風(fēng)。點火初期啟動磨煤機的熱風(fēng)可以采用以下兩種方案。

2.6.1 采用風(fēng)道燃燒器加熱一次風(fēng)進行熱風(fēng)冷爐制粉

在熱一次風(fēng)一側(cè)母管上安裝風(fēng)道燃燒器加熱一次風(fēng)，安裝位置在一次風(fēng)母管彎頭處，沿寬度方向布置兩臺油燃燒器，燃燒器出口安裝火焰保護襯管，既可保護火焰不被強大的一次風(fēng)吹熄，又可將火焰包絡(luò)在襯管內(nèi)，以免風(fēng)道壁過熱。燃燒器供風(fēng)采用單獨的增壓風(fēng)機，同時將冷一次風(fēng)接至燃燒器入口，待風(fēng)道燃燒器停用時冷卻燃燒器管道及油槍。燃油從爐體附近燃油母管接出引至燃燒器前，同時吹掃蒸汽引至燃燒器以吹掃油槍。

2.6.2 采用蒸汽加熱器加熱一次風(fēng)進行熱風(fēng)冷爐制粉

冷風(fēng)蒸汽加熱器有多種布置方式，以在主風(fēng)道中設(shè)暖風(fēng)器并增加暖風(fēng)器空氣旁路為例。加熱器設(shè)計的進口空氣溫度為30℃，用于加熱的輔助蒸汽參數(shù)為約0.8～1.3MPa，300～350℃。出口可加熱至180～200℃。

2.7 應(yīng)用業(yè)績

2.7.1 等離子點火技術(shù)的應(yīng)用業(yè)績

目前，等離子點火及穩(wěn)燃技術(shù)已成功應(yīng)用于除無煙煤之外其他各類煤種，各種燃燒方式和制粉系統(tǒng)的鍋爐。在1000MW機組已經(jīng)采用等離子燃燒技術(shù)的有華能玉環(huán)電廠、國電泰州電廠一期、國電北侖電廠三期、大唐國際潮州電廠，浙能國華北侖電廠等。

2.7.2 微油點火技術(shù)的應(yīng)用業(yè)績

微油點火技術(shù)應(yīng)用范圍基本覆蓋含無煙煤在內(nèi)的各煤種，目前已在綏中電廠二期、國投北疆電廠、常熟電廠擴建工程等1000MW機組上投入使用。

2.8 耗油量

2.8.1 等離子點火技術(shù)

從目前已投運的采用等離子點火穩(wěn)燃技術(shù)的600MW機組來看，不同電廠及機組的所耗油量不盡相同。鎮(zhèn)江電廠#5機組從沖管、設(shè)備調(diào)試、機組168h試運至正常運行耗油量為300多噸；#6機組同期的耗油量僅20多噸。2005年8月，廣東臺山電廠＃3鍋爐成功使用等離子點火技術(shù)實現(xiàn)了零油耗。

2.8.2 微油點火技術(shù)

微油點火技術(shù)不論在鍋爐啟動、調(diào)試、點火及穩(wěn)燃等各階段，必須投油燃燒。大唐琿春電廠二期工程2×300MW機組#4鍋爐管路吹掃階段，從鍋爐點火到管路吹掃結(jié)束，機組共耗油35噸。溫州電廠#5爐300MW機組大修后啟動過程中累計使用微油點火68小時，耗油16噸。

2.9 經(jīng)濟效益比較

汽輪發(fā)電機組在試運期間要經(jīng)過鍋爐酸洗、吹管、整定安全閥、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)、電氣試驗、帶負(fù)荷、機組帶滿負(fù)荷168h試運行等許多階段，此期間要耗費大量的燃油。根據(jù)中電聯(lián)文件（中電聯(lián)技經(jīng)［2007］7號）《關(guān)于調(diào)整和修改火力發(fā)電廠工程基建階段燃油和蒸汽用量標(biāo)準(zhǔn)及其計算公式的通知》的規(guī)定，第一臺1000MW超超臨界機組在鍋爐本體各項試驗、酸洗加上汽輪發(fā)電機組空負(fù)荷試運、吹管期間燃油消耗的標(biāo)準(zhǔn)定量為6882噸。

2.9.1 等離子點火經(jīng)濟效益分析

2.9.1.1 直接經(jīng)濟效益

如果在試運期間投入等離子點火系統(tǒng)，將可使整個試運期間的燃油消耗控制在700噸以內(nèi)，比常規(guī)點火方式節(jié)約燃油費用2982.6萬元左右。經(jīng)濟效益的初步估算如下：

機組按常規(guī)方法試運所需燃油耗費計算：

燃油消耗：6882噸，

燃油價格：0.825萬元/噸，

燃油耗費：0.825×6882=5677.65（萬元）。

機組采用等離子點火裝置進行試運所需費用計算：

從微觀經(jīng)濟主體企業(yè)的角度來講，中美貿(mào)易摩擦鞭策江蘇省企業(yè)尋求其他國家的商業(yè)合作伙伴，同時也開始意識到獨立研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新、專利保護、增強維權(quán)意識、尋求法律援助和提高員工法律素質(zhì)的重要性。也就是說，中美貿(mào)易摩擦也使得企業(yè)開始自我反思，并且要求企業(yè)及時做出相應(yīng)措施來積極面對此次貿(mào)易摩擦，這對于企業(yè)來說，可以更好地定位自我、完善自己，所以這次貿(mào)易摩擦也是一次對江蘇省企業(yè)的考驗。

（1）燃油耗費

燃油消耗：按700噸計算，

燃油價格：0.825萬元/噸，

燃油耗費：0.825×700=577.5萬元。

（2）原煤耗費

0#輕柴油的參考低位發(fā)熱量為4.18×104kJ/kg，參考工程設(shè)計煤種低位發(fā)熱量為21670kJ/kg，原煤參考價格為850元/噸，節(jié)約燃油數(shù)量為6182噸/臺爐。則按發(fā)熱量相等的原則所需的原煤費用為：

（4.18×104×6182）÷21670×850/104＝1013.6萬元。

（3）耗電費用

設(shè)計煤種發(fā)熱量：21670 kJ/kg，

原煤消耗：（4.18×104×6182）÷21670＝11925 噸，

制粉單耗：10kW·h/t，

等離子燃燒器耗電：20 kW·h/t，

廠用電參考價格：0.306元/kW·h，

耗電費用：11925×（20+10）×0.306/104=10.95萬元，

（4）工程及設(shè)備費用：～990萬元，

（5）等離子陰極等消耗費用估計為3萬元，

（6）其它相關(guān)設(shè)備的費用：～100萬元，

其它費用包括增加的動力電纜、管道等輔助材料，以及設(shè)備安裝等費用。

單臺機組在試運期間投用等離子點火裝置可為電廠節(jié)約投資：5677.65－577.5－1013.6－10.95－990－3－100＝2982.6萬元。

2.9.1.2 間接經(jīng)濟效益

按照常規(guī)的試運方式，機組在試運期間機組起停次數(shù)多，并長時間低負(fù)荷運行，此期間鍋爐純燒油或油煤混燒，為避免未燃盡的油滴粘污電極，靜電除塵器無法正常投入，大量煙塵直接排放到大氣中，給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染；并加大了引風(fēng)機的磨損。在機組試運期間投入等離子煤粉點火系統(tǒng)，靜電除塵器可以在鍋爐啟動及低負(fù)荷期間正常投入，大大減少粉塵的排放，帶來顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

2.9.2 微油點火技術(shù)經(jīng)濟效益分析

2.9.2.1 直接經(jīng)濟效益

如果在機組試運初期投入微油點火系統(tǒng)，將可以使整個試運期間的燃油消耗控制在700噸以內(nèi)，比常規(guī)點火方式節(jié)約燃油費用3311.1萬元左右。

機組按常規(guī)方法試運所需燃油耗費計算：

燃油消耗：6882噸，

燃油價格：0.825萬元/噸，

燃油耗費：0.825×6882=5677.65（萬元）。

機組改裝微油點火裝置進行試運所需費用計算：

（1）燃油耗費

燃油消耗：按700噸計算，

燃油價格：0.825萬元/噸，

燃油耗費：0.825×700=577.5萬元。

（2）原煤耗費

燃油的低位發(fā)熱量為4.18×104kJ/kg，設(shè)計煤種低位發(fā)熱量為21670 kJ/kg，原煤價格為850元/噸，節(jié)約燃油數(shù)量為6182噸/臺爐。則按發(fā)熱量相等的原則所需的原煤費用為：

（4.18×104×6182）÷21670×850/104＝1013.6萬元。

（3）耗電費用

設(shè)計煤種發(fā)熱量：21670kJ/kg，

原煤消耗：（4.18×104×6182）÷21670＝11925 噸，

制粉單耗：10kW·h/t，

微油燃燒耗電：5 kW·h/t，

上網(wǎng)參考電價為0.306元/kW·h，

耗電費用：11925×（10+5）×0.306/104=5.47萬元。

（4）設(shè)備費用（估算）：～770萬元，

每臺機組試運期間投用微油點火裝置可為電廠節(jié)約投資：5677.65–577.5–1013.6–5.47–770＝3311.1萬元。

2.9.2.2 間接經(jīng)濟效益

與采用等離子點火系統(tǒng)相同，在機組試運期間投入微油燃燒煤粉點火系統(tǒng)亦可避免環(huán)境污染并帶來顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

3 結(jié)束語

從上述分析比較可以如下結(jié)論，

（1）等離子點火穩(wěn)燃技術(shù)采用無油點火技術(shù)，隨著等離子點火穩(wěn)燃技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)在多個工程實現(xiàn)電廠鍋爐在啟動、調(diào)試、點火及穩(wěn)燃全過程的零油耗。但其對揮發(fā)分較低的煤種不宜點燃，煤粉的燃盡度較差，底渣及飛灰中的含碳量較高。微油點火技術(shù)采用的是小油槍點火及穩(wěn)燃技術(shù)，故不論在鍋爐啟動、調(diào)試、點火及穩(wěn)燃等各階段，必須投油燃燒。其對煤種適應(yīng)性較好，煤粉的燃盡度較高。

（2）等離子點火穩(wěn)燃技術(shù)所需配置的系統(tǒng)較微油冷爐點火技術(shù)復(fù)雜，特別是電氣系統(tǒng)。

（3）從目前的實際應(yīng)用業(yè)績來看，等離子點火及微油點火技術(shù)均已大量使用。

（4）在參考工程第一臺1000MW機組試運期間，投用等離子點火裝置可為電廠節(jié)約投資：2982.6萬元。投用微油點火裝置可為電廠節(jié)約投資：3311.1萬元。由此可見微油點火系統(tǒng)比等離子點火裝置可節(jié)省投資328.5萬元，微油點火系統(tǒng)經(jīng)濟效益更為明顯。

（5）采用等離子點火或微油點火在技術(shù)上均是可行的，在經(jīng)濟上也均合理，微油點火技術(shù)在經(jīng)濟上的優(yōu)勢更為明顯，且其適用的煤種更為廣闊，技術(shù)穩(wěn)定性更好一些，系統(tǒng)較為簡單，因此本參考工程1000MW機組鍋爐推薦采用微油點火技術(shù)。

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［2］直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐等離子點火設(shè)計方案［R］.煙臺龍源電力技術(shù)有限公司，2003.

［3］吳鵬良.氣化小油槍點火穩(wěn)燃技術(shù)在300 MW 機組上的應(yīng)用［J］.湖北電力，2006，（10）.

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