燃煤電廠鍋爐微油點火與等離子點火技術對比

郭為，林邦春，呂智嘉

（神華（福州）羅源灣港電有限公司，福建 福州 350512）

目前，國家對節能減排與環保的要求的日益提升，同時水電、核電、風電等清潔能源發電比例逐步上升，火電機組擔負調峰的任務不可避免。進行鍋爐點火方式和低負荷穩燃方式方面的研究分析工作，對減少火力發電機組運行成本、節約能源、提高機組環保性能和保證火力發電機組安全穩定運行有著十分重要的意義。本文根據某項目1000MW 超超臨界燃煤鍋爐具體情況，將微油點火與等離子點火兩種技術從工作原理、系統組成、煤種適應性、安全性、經濟性進行對比分析，為1000MW 超超臨界燃煤鍋爐點火設備選型提供參考。

1 相關概況

1.1 鍋爐本體

某項目一期安裝2×1000MW 超超臨界燃煤鍋爐，采用前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架的∏型直流爐。鍋爐采用集中側煤倉布置，設計、校核煤種主要為神華煙煤。

1.2 制粉系統

采用中速磨冷一次風機正壓直吹式制粉系統，采用6 臺中速磨煤機，磨煤機采用彈簧加載。燃用設計煤種及校核煤種I 時，5 臺運行，1 臺備用。燃用校核煤種II 時，6 臺運行。要求燃用設計煤種時，磨煤機出口煤粉細度為R90=18.5%，燃用校核煤種時，磨煤機出口煤粉細度為R90=19%。

1.3 燃料情況

該項目煤炭來源主要為神華煙煤，設計和校核煤種的煤質分析如表1 所示。

2 工作原理

2.1 微油點火工作原理

火力發電廠燃煤鍋爐常用微油點火技術是使用壓縮空氣的高速射流將燃油直接擊碎，霧化成超細油滴并燃燒，同時用燃燒產生的熱量對燃料進行初期加熱、擴容、后期加熱，在極短的時間內完成油滴的蒸發氣化，使油槍在正常燃燒過程中直接燃燒氣體燃料，從而提高燃燒效率及火焰溫度。氣化燃燒后的火焰中心溫度高達1500 ～2000℃，在燃燒器中逐級引燃煤粉，使燃燒能量逐級放大，達到點火并加速煤粉燃燒的目的，減少煤粉燃燒所需的引燃能量，以滿足鍋爐啟、停及低負荷穩燃的需求。

表1 煤質及灰成分分析

2.2 等離子點火技術工作原理

等離子點火采用大功率的直流拉弧放電產生的高溫引燃部分煤粉，再逐級引燃全部煤粉，從而達到無油點火的目的。使用直流電流在介質氣壓0.01 ～0.03MPa 的條件下接觸引弧，并在強磁場控制下獲得穩定功率的直流空氣等離子體，等離子體在專門設計的燃燒器的中心燃燒筒中形成溫度T ＞5000K、溫度梯度極大的局部高溫區，煤粉顆粒受到高溫作用，迅速吸熱并釋放出揮發物，使煤粉顆粒破裂粉碎，從而迅速燃燒。另外，等離子體內含有大量化學活性的粒子，可加速熱化學轉換，提高燃料的燃盡率。這樣就可以用很低的能量點燃部分煤粉，然后，以內燃、逐級放大的方式，將整個燃燒器點燃，實現用等離子弧直接點火的目的。

3 系統組成及運維特點

微油與等離子點火系統組成有很大差別，表2 中列出了兩種技術方案通常所需的設備，由表2 可見采用等離子點火技術的設備相對較多，系統較為復雜。

表2 微油與等離子系統組成對比

運行操作方面，等離子點火啟動需各系統相互配合進行，響應時間較長，容易出現各種技術故障，投運正常率較差。運行中須加強監視和維護，以提高設備可靠性。微油點火啟動投入響應速度快，準確無誤投運率高，工況多變時仍能正常點燃煤粉氣流，系統運行相對可靠。

檢修維護方面，當出現故障時，等離子點火系統檢修隔離措施包括停電、切斷冷卻水、關閉載體風，相對于微油點火較復雜。如果故障發生在機組啟動階段，有可能延誤機組啟動。由于等離子點火裝置陰、陽極的使用壽命有限，在運行過程中可能因陰、陽極損壞導致的拉弧失敗，需要定期更換陰極、陽極，以提高設備可靠性，或者采用一用一備兩套點火系統增加系統可靠性。微油點火技術主要故障表現形式為點火失敗，主要原因是油槍堵塞或高能點火器距離調整不當，可以采取加強燃油品質控制，定期清洗油槍、濾網等措施來防范微油點火失敗的故障。

4 煤種適應性

等離子點火對煤質有一定要求，《等離子體點火系統設計與運行導則》（DL/T 1127-2010）中推薦采用一定品質的煙煤或褐煤。對于設計燃用煙煤的鍋爐，當燃料的收到基灰分小于35%、且收到基水分小于10%、干燥無灰基揮發分大于32%（相應收到基揮發分大于18%）時，適合采用等離子點火系統。當煤質超出推薦范圍以外時，“導則”建議通過調整配煤方案、煤粉細度、煤粉濃度、一、二次風速、煤粉/空氣混合物溫度，加大等離子發生器的功率等措施，以保證等離子系統正常運行。部分電廠運行經驗表明，當煤種揮發分偏低時，將煤粉細度R90控制在10%以內，可使等離子系統正常運行。經過工程實踐和技術的不斷完善并根據煤質制定相應的控制措施，等離子點火系統在燃用各種煤質的鍋爐均有成功應用的案例，應用范圍不局限于“導則”推薦煤質，包括高水分、高灰分的褐煤都能應用等離子點火技術。

微油點火采用的油燃燒器單只容量在50 ～400kg/h 間，可點燃劣質煙煤、煙煤、褐煤、貧煤、無煙煤等，適用范圍廣。

5 安全性

5.1 燃燒器安全性

由于等離子發生器產生的等離子體溫度較高、能量較大，當一次風速較低或一次風壓較低時燃燒器的中心筒和二級筒得不到冷卻，容易燒損。并且煤粉濃度過高時，煤粉在燃燒器內或燃燒器噴口處易產生結焦現象，發生結焦后煤粉氣流受阻，導致結焦加劇和燃燒器燒損、變形。

與等離子相比，微油燃燒器內燃油燃燒中心溫度只有等離子的1/2 ～1/5，因為工況不當導致嚴重結焦風險降低，運行中燃燒器燒損的風險也相應降低。

5.2 二次燃燒風險

在鍋爐點火初始階段，由于爐膛內熱負荷較低，等離子點火的煤粉燃盡率較差，飛灰及底渣中的含碳量較高，未燃燼的燃料顆粒在尾部煙道、脫硝催化劑、空預器、電除塵等部位堆積，容易造成二次燃燒。而對于微油點火，存在燃油霧化不良、未燃燼等問題造成尾部二次燃燒。

5.3 受熱面安全性

如上節所述，在冷態啟動時，燃料燃燼率低、燃燒延遲，造成對流換熱的高溫受熱面溫度升高，而且在啟動初期，高溫受熱面內工質流量很小，造成受熱面溫度上升速率過快。對于超超臨界機組，過熱器和再熱器的吸收比例提高，采用等離子油點火技術，在啟動初期的小負荷工況下，受熱面升溫速率快，易造成氧化皮脫落，存在爆管的風險。為了避免這種情況的發生，有的電廠在啟動時先投入油槍30min 進行暖爐，而后再切換等離子運行。微油點火技術雖然也無法滿足鍋爐冷態啟動曲線的要求，但是由于其輸入功率是可以調整的，所以在一定程度上可以控制受熱面的溫升速率。

5.4 現場風險預控方面

采用等離子點火技術，可以實現無油啟動，減少現場發生燃油火災風險。國內部分已投產電廠燃煤鍋爐通過技術改造消了爐前油系統，機組點火啟動和低負荷穩燃均由等離子點火系統完成，實現了等離子點火無燃油機組。近年來，部分機組從設計、基建、調試即實現了無油點火。大量實踐證明，采用等離子可取消爐前油系統，從源頭上消除了危險源，減少了生產現場安全風險點，杜絕因燃油泄漏造成的火災事故。

5.5 環保影響

鍋爐燃燒燃油情況下，當油槍霧化不良或油滴未燃燼時，存在發生污染電除塵電極、污染吸收塔漿液的風險，進而導致環保參數超標。

6 經濟性

為了合理地對比兩種鍋爐點火技術的經濟性，在燃料價格、電價、備品備件價格一定條件下，以單臺1000MW 超超臨界燃煤鍋爐為例，分別計算兩種點火技術在基建期、調試期、生產期的費用。

6.1 設備投資

針對該項目單臺1000MW 超超臨界燃煤鍋爐，在同條件下，將采用等離子系統的點火方案與采用微油點火加油槍助燃方案的投資費用進行對比。

由表3 可見，單套等離子點火系統投資費用較微油點火系統高出329.3 萬元。

6.2 調試期運行費用

機組在試運期間要經過鍋爐酸洗、吹管、整定安全閥、汽機沖轉、機組并網、電氣試驗、升負荷等階段，在此期間需要投入點火系統。根據同型機組調試運行經驗，鍋爐點火系統投入的時間如表4 所示。

表3 等離子設備與微油設備投資對比

表4 調試期間點火系統投入時間

6.2.1 等離子系統費用

（1）點火裝置運行費用。按單個等離子點火裝置功率150kW、一層8 支燃燒器、運行170h、廠用電0.62 元/kWh計算（按工業大用戶電價），運行費用約12.6 萬元。

（2）備件費用。采用等離子需更換陰極頭、陽極頭，陰極頭成本約2700 元/個，可使用100 小時，陽極頭約10000 元/個，可使用200 小時，調試期費用10.5 萬元。

（3）輔助系統運行費用。等離子輔助的冷卻水泵電機功率37kW、冷卻風機11kW，設備需隨主機投運，調試期約運行360h，廠用電0.62 元/kWh，運行費用約1.1 萬元。

綜上計算，調試期等離子系統費用總計24.2 萬元。

6.2.2 微油系統費用

微油系統運行費用主要來自消耗燃油。考慮燃油在提供點火熱源的同時，自身也作為燃料向鍋爐輸送熱量，因此，按產生同等熱量消耗的燃油與燃煤的差價來計算微油系統運行費用。根據《火電工程達標投產驗收規程》（DL 5277-2012），1000MW 級機組采用少油點火方式時，燃油消耗量的達標投產指標為：整套啟動單臺鍋爐燃油用量不超過1500t。同型電廠兩臺1000MW 機組調試期分別耗油1480t、640t。參照該電廠兩臺機平均燃油消耗量，選取單臺爐燃油消耗量1000t。0 號輕柴油油價0.580 萬元/噸、低位發熱量41031kJ/kg，設計煤種當前市場價約為550 元/噸，按上述條件計算，微油系統最終運行費用為475 萬元。微油燃燒器圖像冷卻風取自火檢冷風機，與其他燃燒器公用，風機電機功率11KW，平攤運行費用約0.04 萬元。

綜上計算，調試期微油系統運行費用475.04 萬元，比等離子運行費用24.2 萬元高450.84 萬元。

6.3 生產期運行費用

機組投產后，點火系統在機組啟停、低負荷穩燃時投運，年運行時間按80h 估算，機組年運行5000h，廠用電切換為本廠供電，度電成本按0.204 元/kWh 計算，其他條件不變，計算兩種點火方案產生的費用。

6.3.1 等離子系統費用

等離子系統年運行費用2.0 萬元，備件費用4.9 萬元，輔助設備運行費用4.9 萬元。

6.3.2 微油系統費用

微油系統年運行費用38 萬元，輔助設備運行費用0.2萬元。

綜合上三項計算分析結果，按目前的油、煤、電價水平靜態估算，匯總單臺鍋爐采用兩種點火技術投產運行30 年后總費用如表5 所示。

表5 同條件下兩種方式投資及經濟性對比

7 結語

（1）微油系統較等離子系統組成簡單、維護工作量小、運行可靠性相對高。

（2）該項目鍋爐設計煤種、校核煤種Ⅰ、校核煤種Ⅱ收到基水分都超過10%，設計煤種干燥無灰基揮發分小于32%，采用等離子點火技術需制定相應的技術措施。

（3）在燃燒器、受熱面運行安全與防氧化皮生成方面，采用微油技術相對安全；采用等離子點火技術可以減少生產現場發生火災的風險。

（4）在經濟性方面，等離子點火系統初投資較多，但運行費用較低。

（5）同型鍋爐點火方案的選擇，應綜合煤質、燃料價格、設備投資及運維費用、安全環保需求等因素進行分析。