大型燃煤发电机组节油点火方案的设计与比较

罗辇

（浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012）

石油是一种不可再生的资源，过分依赖进口石油，对我国的经济发展和经济安全带来极大的不确定性。我国已经把石油同水、粮食一起列为关系我国经济安全和长远发展的战略资源；因此对石油资源的认识必须完成从一般性资源到战略性资源的转变，加大节油力度，实施积极的节油战略。

对于新建火力发电机组，其在试运行期间需要经过复杂的调试阶段。通常使用常规点火方式的电厂在这个阶段需要消耗大量的燃油；另外维持一个机组运行，启、停，调峰的工况下的工作，每年同样需要消耗大量的燃油。若将常规点火方式改为节油点火方式，光调试阶段节省的燃油费用就足够收回相当部分的设备购置费用，而且每年运行中节省的费用更是大大降低。

因此，无论是从国家大环境着眼，还是从企业经济利益的角度看，研究燃油系统优化都很有必要。在此，以某发电厂2×660MW超 超临界燃煤机组为例，在对不同节油点火方案进行详细论述的基础上，对锅炉点火系统进行了设计优化。

1 锅炉点火采用节油方式的可行性

1.1 锅炉概况

某发电厂2×660MW超超临界燃煤机组初步设计中锅炉采用前后墙对冲燃烧方式，配备6台磨煤机，每台磨煤机对应1层共6只燃烧器，采用神华煤和褐煤按4：1比例掺配而成的神华混煤作为设计煤种，大同煤矿集团在秦皇岛进行掺配的混煤作为校核煤质。采取节油点火系统时，煤粉应确保被稳定高效地点燃，即使在锅炉冷态点火也能保持较高的燃尽水平。下面从设计煤种和校核煤种的着火稳定性和燃尽特性来分析该锅炉是否适合节油点火。

1.2 着火稳定性

煤的着火稳定性是燃烧安全经济的基础，，它有很多表示方法。根据普华煤质特性判别准则，现以着火稳定性指数【1】来表示。着火稳定性指数Rw的表达式为：

式中：Vdaf为干燥无灰基挥发分，此处设计煤种为36.51%，校核煤种为38.00%。

根据式（1）计算可知设计煤种的Rw为5.562，校核煤种的Rw为 5.642，查询文献【1】可知设计煤种和校核煤种都属于易着火煤质。

1.3 燃尽特性

煤的燃尽特性用燃尽特性指数Rj表示【1】，其表达式为：

根据式（2）计算可知设计煤质的Rj为5.24，校核煤质的Rj为5.4，查询文献【1】可知设计煤种和校核煤种都属于易燃尽煤质。

综合分析煤质的着火稳定性和燃尽特性后，可知该锅炉的燃用煤质适合采用节油点火系统。

2 三种节油点火方案的技术比较

目前，常用的节油点火方案主要有3种：单层微油点火方案，单层等离子点火方案和两层等离子点火方案。以下主要从工作原理、优缺点、技术分析及成熟性对这3个方案进行比较。

2.1 单层微油点火方案

2.1.1 微油点火的原理

微油点火的基本原理是：利用高能气化油枪，使微量的油燃烧，并形成温度很高的油火焰（1600～1800℃），该高温火焰首先使部分煤粉温度迅速升高，着火燃烧，然后已经着火燃烧的煤粉与更多煤粉混合并点燃它们，分级燃烧，逐级放大，达到点燃煤粉的目的。通常微油点火系统的燃尽率在冷炉点火初期可以达到80%。

微油点火系统通常由煤粉燃烧器、油燃烧器、气膜风管路、油系统管路、控制系统及辅助系统等组成。

2.1.2 微油点火的优缺点

由于微油点火对煤种的适应性较高，且微油点火系统使用的是成熟的油枪点火方式，故具有较高的可靠性。反应时间方面，微油燃烧器由于使用燃油作为燃烧介质，故系统投入快，反应时间短。环保性方面，微油点火系统由于近几年的研究，大大提高了点火初期的燃尽率，加之微油系统投运时消耗的燃油量进一步的降低，已达到了点火初期投运电除尘的条件。但使用微油点火系统时，由于脱硫烟道旁路的取消，未燃尽的燃油会随烟气移动至尾部烟道而进入脱硫系统，这些燃油会污染脱硫系统中的石灰石浆液，对脱硫系统效率有所影响。

2.1.3 单层微油点火方案技术分析

该锅炉若采用本方案设计时，可将锅炉最下层前墙或后墙燃烧器改为微油燃烧器，在锅炉点火和稳燃期间，该燃烧器具有锅炉点火和稳燃功能；在锅炉正常运行时，该燃烧器具有主燃烧器功能，且在出力方面及燃烧工况与原来保持一致。

在锅炉点火或稳燃期间，若因对应微油点火燃烧器的那台磨煤机故障或处于检修状态无法投运；或因微油点火系统自身故障或处于检修状态而导致微油燃烧系器无法投运时，锅炉需使用常规油枪进行点火或稳燃。故本方案仍需保留锅炉常规油枪及配套燃油系统。

根据文献【2】的规定，本方案燃油系统需配置3台50%的供油泵，以及2×300 m3的油罐。

表1 三种节油方案的经济性比较

2.1.4 单层微油点火方案的成熟性

微油点火系统现已用于烟煤、无烟煤、劣质烟煤甚至贫煤等各种煤种的各式形式的锅炉上，机组容量从125MW到1000MW，燃烧方式包括了切圆和前后墙对冲式，截止到2010年底，该技术已经应用在30多个电厂中的70多个大小机组中，技术已很成熟。其中典型的工程有：广东沙角发电厂C厂#2机组660MW四角切圆燃烧直流炉；北仑发电厂5×600MW直吹式锅炉；国华广东台山发电厂2×1000MW直吹式锅炉；广东汕尾发电厂4×600MW旋流/前后墙对冲燃烧直吹式锅炉；浙江嘉兴电厂三期#2×1000MW八角双切圆燃烧直流锅炉等。以上机组产生的节油效果十分明显，节约费用十分可观。

2.2 单层等离子点火方案

2.2.1 等离子煤粉点火的原理

等离子点火装置利用直流电流在一定介质气压的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体，该等离子体在点火燃烧器中形成T>4000K的梯度极大的局部高温火核，煤粉颗粒通过该等离子体火核时，在千分之一秒内迅速释放出挥发物，再造挥发分，并使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。由于反映是在气固两相流中进行，高温等离子体使混合物发生了一系列物理化学变化，近而使煤粉的燃烧速度加快，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大大的减少了促使煤粉燃烧所需要的引燃能量。通常等离子系统的燃尽率在冷炉点火初期可达到75%左右。

等离子点火系统采用由等离子点火设备及其辅助系统组成，等离子点火设备由等离子发生器、等离子燃烧器、电源柜、隔离变压器等组成，辅助系统由载体空气系统、冷却水系统、图像火检系统、热控系统、冷炉制粉系统、等离子燃烧器壁温监测系统、等离子一次风监测系统等组成。

2.2.2 等离子煤粉点火的优缺点

目前使用的第三代等离子点火技术1年只需更换1～2次阳极，7～8次阴极，此外基本无其他维护，同样具有拥有较高的安全可靠性。反应时间方面，由于等离子点火使用高压电源，电气设备启停需要准备时间，故投运反应可能较微油点火系统稍慢。

环保性方面，由于等离子点火系统点火时不需投油，所以等离子点火系统在启动初期即可投电除尘。此外，由于不使用油系统，不会有燃油进入末端脱硫系统污染石灰石浆液，就不会影响脱硫系统的正常运行。

2.2.3 单层等离子点火方案技术分析

该锅炉若采用本方案设计时，与微油点火设计方案相似，将锅炉前墙或后墙最下层燃烧器改为等离子燃烧器，在锅炉点火和稳燃期间，该燃烧器具有锅炉点火和稳燃功能；在锅炉正常运行时，该燃烧器具有主燃烧器功能，且在出力方面及燃烧工况与原来保持一致。

与微油点火方案相同，使用单层等离子点火系统时，也需保留锅炉常规油枪及配套燃油系统。油枪及配套燃油系统的设置与单层微油点火方案相同。

2.2.4 等离子点火的成熟性

目前，等离子点火及稳燃技术已成功应用于劣质烟煤、烟煤和褐煤；机组容量等级从50MW～1000MW；燃烧方式包括切向燃烧直流燃烧器和墙式燃烧旋流燃烧器；制粉系统类型包括钢球磨中储式、双进双出钢球磨直吹式、中速磨直吹式和风扇磨直吹式制粉系统；包括已运行的600MW及以上机组，已应用于30多个发电厂近百余台锅炉，技术已臻成熟。典型工程有：浙江国华宁海发电厂4×600MW超临界机组；浙江浙能兰溪发电厂4×600MW 超临界机组；浙江大唐乌沙山发电厂4×600MW超临界机组；国电浙江北仑发电厂三期2×1000MW超超临界机组；浙江国华宁海发电厂二期2×1000MW超超临界机组；浙江华能玉环发电厂2×1000MW超超临界机组等。以上机组采用等离子点火后效果良好，节油产生的经济效益十分可观。

2.3 两层等离子点火方案

两层等离子点火系统的原理和优缺点与单层等离子点火系统的技术原理基本相同，此处不再赘述，下面主要介绍方案技术分析和成熟性。

2.3.1 两层等离子点火方案技术分析

该锅炉若采用本方案设计时，可将锅炉最下层前后墙燃烧器均改为等离子燃烧器，在锅炉点火和稳燃期间，该燃烧器都具有锅炉点火和稳燃功能；在锅炉正常运行时，该燃烧器都具有主燃烧器功能，且在出力方面及燃烧工况与原来保持一致。

由于两层等离子点火系统互为备用，避免了微油点火系统和单套微油点火系统可能发生特定情况无法投用的弊端，所以可以取消锅炉常规油枪及配套燃油系统。

2.3.2 两层等离子点火方案的成熟性

目前已有不少发电厂在单套等离子点火系统的基础上，采用了两层等离子点火系统，取消了锅炉常规油枪及配套燃油系统。典型工程有：国电黄金埠发电厂2×600MW机组；粤电惠来发电厂2×600MW机组；华能日照发电厂2×600MW机组；山东华能威海发电厂2×600MW机组等。以上机组采用两层等离子点火后效果良好，实现了无燃油机组。

此外，在百万级机组上，陕西府谷清水川发电厂二期2×1000MW机组也已经确定将使用两层等离子点火技术。

3 三种节油方案的经济性比较

以上三种节油点火设计方案的经济分析可以从三个方面考虑：点火系统设备投资和调试费用、辅助系统设备投资以及运行维护费用。

3.1 点火系统设备投资及调试费用

调试时间按每台炉需使用节油点火系统350h计；单层微油点火小油枪出力按80kg/h，单层等离子燃烧器功率按200kw计；每层改造6只小油枪/等离子燃烧器；燃油费用按8000元/t，电费按0.457元/kWh计。

（1）单层微油点火方案：每套小油枪微油点火设备投资约180万，2台炉共需投资约360万元；调试期间使用轻质燃油作为燃料，单台机组调试投油需消耗168t燃油，2台炉共消耗336t燃油，则两台炉合计调试成本约269万元。

（2）单层等离子点火方案：建设单套等离子点火系统设备投资约800万元；调试时每台炉消耗电力约19万元，消耗电极费用约4.5万元。两台炉合计调试成本约47万元。

（3）两层等离子点火方案：每套等离子设备总投资约400万，建设两套等离子点火系统2台炉共需1600万元；每台炉调试时需消耗电能约19万元；按每个阳极头成本4000元，寿命400h，每个阴极头成本500元，寿命50h计，调试阶段每台炉需花费约4.5万元电极费用。两台炉合计调试成本约47万元。

3.2 辅助系统设备投资

（1）使用单层等离子点火方案和单层微油点火方案由于需要配合油系统的使用，需增加较多辅助系统，主要分为油罐区辅助系统和锅炉燃油系统两个部分；

①油罐区辅助系统有：2×300m3油罐及供油泵需投资约72万元；油罐区基础及油泵房土建投资约110万元；油罐区消防设备投资约40万元。

②锅炉燃油系统主要有：锅炉油枪设备每套约180万元；燃油供油管及吹扫压缩空气管及相应阀门每台炉需投资约60万元；油系统仪控监测设备每台炉需投资约60万元。

（2）两层等离子点火方案由于取消了油系统，几乎没有辅助系统投资。但由于本工程采用燃油启动锅炉，需设置2×50 m3油罐需要约8万元；油罐区土建费用约14万元；油罐区消防设备投资约10万元。

3.3 运行成本

运行费用按机组每年冷态启动两次，每次10h；热态启动8次，每次2.5h；全年低负荷运行时间100h计。

（1）单层等离子点火方案与两层等离子点火方案的等离子点火器每年运行的总时间数近似相同，其运行总成本包括运行电费和电极更换费。

每套等离子装置每年工作消耗的电费约为7.7万元；每年电极消耗费用约1.7万元。油系统供油泵每年工作需消耗电费约10万元。则单层等离子点火方案每年合计运行费用两台炉合计约28.8万元，双层等离子点火方案每年运行费用两台炉合计约18.8万元。

（2）单层微油点火方案的运行费用：按每只油枪出力80kg/h，燃油价格8000元/t估算，每套微油点火装置每年运行费用为54万元；油系统供油泵每年工作需消耗电费约10万元。则单层微油点火方案两台炉合计年运行费用约118万元。

3.4 总费用比较（见表1）

综合以上点火系统设备投资和调试费用、辅助系统设备投资以及运行维护费用的计算，可列出表1，表中数据均为概算，初投资差额、每年运行总费用差额、年费用比较、静态回收年限、动态回收年限均以微油点火方案为基准计算；固定费用率按一套微油点火系统的投资计算，为方便计算，此处取0.17；基准收益率此处取8%。

静态回收期（PP）是初投资不计算时间价值的投资回收期，以年为单位，计算方法如式（3）所示。

PP=初投资差额/每年运行总费用差额 （3）

动态回收期（Pt）是初投资计算时间价值的投资回收期，以年为单位，计算方法如式（4）所示。

Pt=初投资差额（1+基准利率）Pt/每年运行总费用差额 （4）

从表1可以看出，初投资方面微油点火方案少于等离子点火方案，但投入运行之后等离子系统每年便可节约近过百万元费用，4年左右等离子点火方案总投资成本将与微油点火方案持平，4年之后离子点火方案将更优于微油点火方案，尤其是两层等离子点火方案的经济性最佳，而且两层等离子点火方案取消了油系统，节约了厂区占地，也省去了每年油路检查维护的人力和费用。

结语

从技术分析来看，三种节油点火方案各有特点，都可适用于本工程。从综合经济效益分析可以看出，两层等离子点火方案的经济性最佳；另由于两层等离子点火系统取消了炉前油系统，不仅节约了发电厂占地，又减少了发电厂危险源，还可节省燃油系统的维护成本。基于以上各方面考虑，本工程锅炉点火方式推荐采用两层等离子点火方案，取消机组燃油系统，实现无燃油电厂。

[1]GB5751-2009中国煤炭分类[S].北京：中国标准出版社，2009.

[2]GB50660-2011大中型火力发电厂设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[3]陈守伦，袁建国，程芳.投资回收年限若干特殊问题研究 [J].河海大学学报，2003,31(2):237-240.

[4]DL/T5240-2002火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程[S].北京：中国电力出版社，2002.

[5]DL/T5204-2005火力发电厂油气管道技术规程 [S].北京：中国电力出版社，2005.

[6]DL/T5145-2002火力发电厂制粉系统设计计算技术规定[S].北京：中国电力出版社，2002.