600 MW级超临界W火焰锅炉点火方式研究

段玉燕

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

国内火力发电厂大部分采用燃油作为锅炉启动点火和稳燃燃料。近年来，随着油价格的提高和节油点火技术的发展，许多新建电厂在锅炉燃烧器上装设了节油点火装置，在机组调试阶段和启动点火时期节省了可观的油量。经过国内燃煤电厂多年来的摸索和实践，等离子和微油点火系统已成功应用在燃用一般烟煤的工程中［1］，而燃用无烟煤的W火焰炉由于煤质中挥发分较低，节油点火方式还需进一步研究。

1 点火助燃油系统现状

1.1 点火系统

随着科学技术水平的提高，电厂锅炉基本都采用了自动化和规范化的程控点火方式，大大提高了点火的安全性和可靠性。锅炉的点火方式大多采用多级点火，即高能点火装置先产生电火花点燃轻质燃料（如燃油、燃气等），再点燃煤粉等二级燃料或主燃料［2-3］。

1.2 助燃系统

在锅炉启动点火的初期或低负荷运行时，由于火焰温度较低、燃烧器中的煤粉浓度较小，易造成火焰燃烧不稳定甚至灭火。为维持和稳定燃烧，必须投入较易燃烧的助燃燃料，助燃燃料多是轻油或重油［4］。

投入助燃油量的多少主要与煤质有关，挥发分高、燃烧稳定性好的煤种（例如烟煤）只有在较低的负荷下才需要投油助燃；着火性差、燃烧稳定性不好的煤种（例如无烟煤）在较高的负荷下就需要投入助燃油。W火焰炉一般燃用都是挥发分较低、着火性能不好的无烟煤，设计的最低不投油稳燃负荷一般为40%～50%BMCR。但在电厂的实际运行中，运行人员为了避免运行工况波动造成炉膛火焰不稳定甚至灭火，投油的稳燃负荷比厂家的保证值还要高一些，有时会达到60%～70%BMCR［1］。

2 锅炉点火方式的选择

2.1 节油技术选用原则

优化燃油系统可以用很小的成本获得明显的节油效果，但是电厂启停以及低负荷稳燃仍需要一定的用油量；等离子点火几乎不用燃油，微油点火只用很少的燃油，但是这两种节油技术的一次投资较大。等离子点火或者微油点火在吹管阶段就可以以煤粉代油，仅此阶段就可以回收全部投资并获得效益，这已经有大量的工程对比案例证实。在煤价较低的地区，因煤价与油价差距更大，用廉价的燃煤替代燃油，经济效益明显。据统计，采用节油点火技术，每台机组可以节省1 000万元左右（含吹管、点火及助燃油量）。

但是选用的节油技术应根据工程具体条件考虑煤质情况。把煤粉燃烧器点火方式从燃油点火改为等离子点火或微油点火，需具备以下几个条件：

1）煤种适宜，能被少量能量点着并形成稳定燃烧，继而点着周边煤粉；

2）燃烧器腔体有足够空间可以放置等离子或微油点火装置，如果燃烧器腔体不适合改造，则要考虑在炉墙上或者二次风室内设置新燃烧器；

3）有相应的冷炉制粉措施；

4）为等离子点火或微油点火配置控制系统，并且设置专用的火检装置；

5）通过数值模型或物理模型的验证，保证原有的燃烧器经过改造后不会影响锅炉的基本性能。

2.2 等离子点火系统

等离子点火装置的工作原理如图1所示，是利用阴、阳极间引发的高压电弧，使空气电离产生电子和等离子体。开始工作时，电源提供恒定的电流，并使阴极与阳极短暂接触，并且强制水冷防止过热。当电流达到额定值后，阴极和阳极缓慢分开拉出电弧，载体空气被电离成高温等离子体，由电磁场力或者压缩空气定向输送。

等离子体气流的温度极高，气流核心温度可以达到5 000℃以上，与煤粉气流接触后可以使煤粉颗粒迅速破裂并析出挥发份被点燃，着火后的煤粉再逐级点燃周围的煤粉。连续稳定的输出等离子气体，可实现煤粉燃烧器点火或者低负荷稳燃的功能。

图1 等离子点火原理

等离子点火装置点火时由等离子发生装置首先开始拉电弧，同时其中1台磨煤机开始冷炉制粉，磨制合格的煤粉进入燃烧器后进行浓淡分离，先用高温电弧点燃部分煤粉，再用着火的煤粉点燃其他未着火的煤粉。燃烧器依靠煤粉的淡相一次风作为冷却气膜，防止燃烧器被烧坏。等离子发生装置一般设在下层燃烧器处，直接点燃煤粉，再由下层煤粉燃烧器带起约20%的锅炉负荷，之后可以投入第2台磨煤机，当锅炉负荷达到不投油稳燃负荷后，相继投入其他燃烧器［3］。

目前单只等离子点火装置的功率一般达到100～200 kW，最高能做到300 kW，能点燃褐煤、烟煤和部分贫煤，受到最大功率的限制，等离子点火装置很难再提高电弧的能量，因此没有足够的能量点燃挥发分较低的贫煤和无烟煤。W火焰炉燃用的都是挥发份较低的无烟煤，不适合采用等离子点火方式［3］。

2.3 微油点火系统

对锅炉本体而言，微油点火的原理与等离子类似，见图2微油点火系统。

微油点火装置主要由小孔径雾化油枪、高能点火器、供油管道及油压调节阀门、油配风器等构成，燃油通过小孔径雾化油枪雾化成极细的液滴，受热后很快气化，通过高能点火器点燃后形成温度很高的油火焰，油配风器提供燃油需要的助燃空气。微油点火是利用介质雾化（压缩空气）与气化相结合的强化燃烧技术使燃油充分燃烧，很小的油量就可获得刚性较强、温度很高的稳定火炬，当煤粉通过火炬时很快受热，煤粉颗粒破裂粉碎，被迅速点燃，使煤粉在点火初期就尽可能充分燃烧，达到煤粉锅炉点火启动和低负荷稳燃的目的。微油点火装置单只出力可以达到 50～120 kg／h， 折算热功率达到 580～1 400 kW。因为功率比等离子大，所以能点燃更难燃的煤种，包括挥发分较低的无烟煤。

图2 微油点火系统构成

在传统大油枪点火方式下，660 MW的超临界W炉每只煤粉燃烧器配备一只大油枪，可实现将锅炉温度、压力升到一定程度后再投煤启动。微油点火装置通常在锅炉冷态状况下用装在煤粉燃烧器内部的微油油枪直接点着煤粉，完全或部分省去大油枪把锅炉的烟温水平提高，从而减少启动耗油量。

根据以往工程的经验，考虑到无烟煤着火性能差、W火焰炉的炉膛结构特殊性、以及电厂运行方式等各方面的差异，为保证机组安全顺利地启动和运行，建议采取大油枪和微油点火方式相配合的启动方式。

2.4 微油煤粉燃烧器的改造建议

针对W火焰炉的燃烧器，与燃用一般烟煤不同，巴威、东锅和上锅均采用24只旋流燃烧器，哈尔滨锅炉厂采用48只直流狭缝式燃烧器，其中超临界W火焰锅炉巴威和东方锅炉厂业绩较多，这两个锅炉厂均采用旋流燃烧器，以东锅的W火焰炉的燃烧器为例，可将B，D两台磨对应的原旋流燃烧器改造为双旋风微油煤粉燃烧器，如图3所示。

双旋风微油煤粉燃烧器取消原消旋杆和可活动的消旋叶片，将原燃烧器的喷口直段延长，并在直段内设置分级煤粉燃烧室，带独立配风的微油油枪从燃烧器乏气弯头沿燃烧器轴向贯穿旋风筒插入到一级煤粉燃烧室的入口。在旋风筒喉口区域设置了二级浓缩装置，将煤粉从边壁区域浓缩到位于中心的一级燃烧室内［5］。微油煤粉燃烧器中经旋风分离后得到的浓相煤粉，在喉口处被浓缩装置再次浓缩后，进入一级煤粉燃烧室，被微油油枪的高强火焰点燃，之后再去点燃二级煤粉燃烧室内剩余的煤粉，最终在燃烧器喷口处形成稳定的煤粉火焰，实现点火和稳燃的目的。除此之外，其余布置与原燃烧器相同，原大油枪位置及原喷口的位置和大小、风量配比风速、总体流场分布和燃烧组织配风都保持原有设计不变［6］。微油煤粉燃烧器可作为常规燃烧器，并保持与原燃烧器一致的性能。目前国内W火焰锅炉已经有微油点火的运行业绩。

图3 W火焰炉微油煤粉燃烧器结构

2.5 微油点火在W炉中的应用业绩

目前微油点火在W炉中已有比较成熟的使用业绩。例如：珙县电厂一期2×600 MW超临界机组，四川福溪电厂2×600 MW超临界机组，国电南宁电厂2×660 MW机组，韶关电厂2×300 MW机组均已改造为微油点火方式，并投入使用。但是由于无烟煤挥发分太低，如果启动期间仅采用无烟煤，节油效果稍差，据了解，南宁电厂2×600 MW机组为了最大限度的节油，在启动初期，将原煤斗中预装贫煤，机组启动期间，使用微油点火点燃贫煤，再用点着后的贫煤点燃无烟煤完成点火启动，节油率达为70%。

3 结语

对锅炉节油方式的选择进行了研究，考虑到W火焰炉的特殊结构和无烟煤较差的着火性能，论述了燃用无烟煤的W锅炉采用各种节油方式的可行性，同时提出了改造建议，并得到以下结论：1）根据国内W火焰炉已有微油点火运行的成功经验，采用微油点火方式是可行的；2）微油点火油枪和大油枪应按照互为备用进行设计，并建议机组调试期间，将原煤斗中预装贫煤，使用微油点火点燃贫煤，最大程度的节约燃油。