燃煤电厂锅炉微油点火与等离子点火技术对比

郭为，林邦春，吕智嘉

（神华（福州）罗源湾港电有限公司，福建 福州 350512）

目前，国家对节能减排与环保的要求的日益提升，同时水电、核电、风电等清洁能源发电比例逐步上升，火电机组担负调峰的任务不可避免。进行锅炉点火方式和低负荷稳燃方式方面的研究分析工作，对减少火力发电机组运行成本、节约能源、提高机组环保性能和保证火力发电机组安全稳定运行有着十分重要的意义。本文根据某项目1000MW 超超临界燃煤锅炉具体情况，将微油点火与等离子点火两种技术从工作原理、系统组成、煤种适应性、安全性、经济性进行对比分析，为1000MW 超超临界燃煤锅炉点火设备选型提供参考。

1 相关概况

1.1 锅炉本体

某项目一期安装2×1000MW 超超临界燃煤锅炉，采用前后墙对冲燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架的∏型直流炉。锅炉采用集中侧煤仓布置，设计、校核煤种主要为神华烟煤。

1.2 制粉系统

采用中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，采用6 台中速磨煤机，磨煤机采用弹簧加载。燃用设计煤种及校核煤种I 时，5 台运行，1 台备用。燃用校核煤种II 时，6 台运行。要求燃用设计煤种时，磨煤机出口煤粉细度为R90=18.5%，燃用校核煤种时，磨煤机出口煤粉细度为R90=19%。

1.3 燃料情况

该项目煤炭来源主要为神华烟煤，设计和校核煤种的煤质分析如表1 所示。

2 工作原理

2.1 微油点火工作原理

火力发电厂燃煤锅炉常用微油点火技术是使用压缩空气的高速射流将燃油直接击碎，雾化成超细油滴并燃烧，同时用燃烧产生的热量对燃料进行初期加热、扩容、后期加热，在极短的时间内完成油滴的蒸发气化，使油枪在正常燃烧过程中直接燃烧气体燃料，从而提高燃烧效率及火焰温度。气化燃烧后的火焰中心温度高达1500 ～2000℃，在燃烧器中逐级引燃煤粉，使燃烧能量逐级放大，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，减少煤粉燃烧所需的引燃能量，以满足锅炉启、停及低负荷稳燃的需求。

表1 煤质及灰成分分析

2.2 等离子点火技术工作原理

等离子点火采用大功率的直流拉弧放电产生的高温引燃部分煤粉，再逐级引燃全部煤粉，从而达到无油点火的目的。使用直流电流在介质气压0.01 ～0.03MPa 的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的直流空气等离子体，等离子体在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中形成温度T ＞5000K、温度梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒受到高温作用，迅速吸热并释放出挥发物，使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧。另外，等离子体内含有大量化学活性的粒子，可加速热化学转换，提高燃料的燃尽率。这样就可以用很低的能量点燃部分煤粉，然后，以内燃、逐级放大的方式，将整个燃烧器点燃，实现用等离子弧直接点火的目的。

3 系统组成及运维特点

微油与等离子点火系统组成有很大差别，表2 中列出了两种技术方案通常所需的设备，由表2 可见采用等离子点火技术的设备相对较多，系统较为复杂。

表2 微油与等离子系统组成对比

运行操作方面，等离子点火启动需各系统相互配合进行，响应时间较长，容易出现各种技术故障，投运正常率较差。运行中须加强监视和维护，以提高设备可靠性。微油点火启动投入响应速度快，准确无误投运率高，工况多变时仍能正常点燃煤粉气流，系统运行相对可靠。

检修维护方面，当出现故障时，等离子点火系统检修隔离措施包括停电、切断冷却水、关闭载体风，相对于微油点火较复杂。如果故障发生在机组启动阶段，有可能延误机组启动。由于等离子点火装置阴、阳极的使用寿命有限，在运行过程中可能因阴、阳极损坏导致的拉弧失败，需要定期更换阴极、阳极，以提高设备可靠性，或者采用一用一备两套点火系统增加系统可靠性。微油点火技术主要故障表现形式为点火失败，主要原因是油枪堵塞或高能点火器距离调整不当，可以采取加强燃油品质控制，定期清洗油枪、滤网等措施来防范微油点火失败的故障。

4 煤种适应性

等离子点火对煤质有一定要求，《等离子体点火系统设计与运行导则》（DL/T 1127-2010）中推荐采用一定品质的烟煤或褐煤。对于设计燃用烟煤的锅炉，当燃料的收到基灰分小于35%、且收到基水分小于10%、干燥无灰基挥发分大于32%（相应收到基挥发分大于18%）时，适合采用等离子点火系统。当煤质超出推荐范围以外时，“导则”建议通过调整配煤方案、煤粉细度、煤粉浓度、一、二次风速、煤粉/空气混合物温度，加大等离子发生器的功率等措施，以保证等离子系统正常运行。部分电厂运行经验表明，当煤种挥发分偏低时，将煤粉细度R90控制在10%以内，可使等离子系统正常运行。经过工程实践和技术的不断完善并根据煤质制定相应的控制措施，等离子点火系统在燃用各种煤质的锅炉均有成功应用的案例，应用范围不局限于“导则”推荐煤质，包括高水分、高灰分的褐煤都能应用等离子点火技术。

微油点火采用的油燃烧器单只容量在50 ～400kg/h 间，可点燃劣质烟煤、烟煤、褐煤、贫煤、无烟煤等，适用范围广。

5 安全性

5.1 燃烧器安全性

由于等离子发生器产生的等离子体温度较高、能量较大，当一次风速较低或一次风压较低时燃烧器的中心筒和二级筒得不到冷却，容易烧损。并且煤粉浓度过高时，煤粉在燃烧器内或燃烧器喷口处易产生结焦现象，发生结焦后煤粉气流受阻，导致结焦加剧和燃烧器烧损、变形。

与等离子相比，微油燃烧器内燃油燃烧中心温度只有等离子的1/2 ～1/5，因为工况不当导致严重结焦风险降低，运行中燃烧器烧损的风险也相应降低。

5.2 二次燃烧风险

在锅炉点火初始阶段，由于炉膛内热负荷较低，等离子点火的煤粉燃尽率较差，飞灰及底渣中的含碳量较高，未燃烬的燃料颗粒在尾部烟道、脱硝催化剂、空预器、电除尘等部位堆积，容易造成二次燃烧。而对于微油点火，存在燃油雾化不良、未燃烬等问题造成尾部二次燃烧。

5.3 受热面安全性

如上节所述，在冷态启动时，燃料燃烬率低、燃烧延迟，造成对流换热的高温受热面温度升高，而且在启动初期，高温受热面内工质流量很小，造成受热面温度上升速率过快。对于超超临界机组，过热器和再热器的吸收比例提高，采用等离子油点火技术，在启动初期的小负荷工况下，受热面升温速率快，易造成氧化皮脱落，存在爆管的风险。为了避免这种情况的发生，有的电厂在启动时先投入油枪30min 进行暖炉，而后再切换等离子运行。微油点火技术虽然也无法满足锅炉冷态启动曲线的要求，但是由于其输入功率是可以调整的，所以在一定程度上可以控制受热面的温升速率。

5.4 现场风险预控方面

采用等离子点火技术，可以实现无油启动，减少现场发生燃油火灾风险。国内部分已投产电厂燃煤锅炉通过技术改造消了炉前油系统，机组点火启动和低负荷稳燃均由等离子点火系统完成，实现了等离子点火无燃油机组。近年来，部分机组从设计、基建、调试即实现了无油点火。大量实践证明，采用等离子可取消炉前油系统，从源头上消除了危险源，减少了生产现场安全风险点，杜绝因燃油泄漏造成的火灾事故。

5.5 环保影响

锅炉燃烧燃油情况下，当油枪雾化不良或油滴未燃烬时，存在发生污染电除尘电极、污染吸收塔浆液的风险，进而导致环保参数超标。

6 经济性

为了合理地对比两种锅炉点火技术的经济性，在燃料价格、电价、备品备件价格一定条件下，以单台1000MW 超超临界燃煤锅炉为例，分别计算两种点火技术在基建期、调试期、生产期的费用。

6.1 设备投资

针对该项目单台1000MW 超超临界燃煤锅炉，在同条件下，将采用等离子系统的点火方案与采用微油点火加油枪助燃方案的投资费用进行对比。

由表3 可见，单套等离子点火系统投资费用较微油点火系统高出329.3 万元。

6.2 调试期运行费用

机组在试运期间要经过锅炉酸洗、吹管、整定安全阀、汽机冲转、机组并网、电气试验、升负荷等阶段，在此期间需要投入点火系统。根据同型机组调试运行经验，锅炉点火系统投入的时间如表4 所示。

表3 等离子设备与微油设备投资对比

表4 调试期间点火系统投入时间

6.2.1 等离子系统费用

（1）点火装置运行费用。按单个等离子点火装置功率150kW、一层8 支燃烧器、运行170h、厂用电0.62 元/kWh计算（按工业大用户电价），运行费用约12.6 万元。

（2）备件费用。采用等离子需更换阴极头、阳极头，阴极头成本约2700 元/个，可使用100 小时，阳极头约10000 元/个，可使用200 小时，调试期费用10.5 万元。

（3）辅助系统运行费用。等离子辅助的冷却水泵电机功率37kW、冷却风机11kW，设备需随主机投运，调试期约运行360h，厂用电0.62 元/kWh，运行费用约1.1 万元。

综上计算，调试期等离子系统费用总计24.2 万元。

6.2.2 微油系统费用

微油系统运行费用主要来自消耗燃油。考虑燃油在提供点火热源的同时，自身也作为燃料向锅炉输送热量，因此，按产生同等热量消耗的燃油与燃煤的差价来计算微油系统运行费用。根据《火电工程达标投产验收规程》（DL 5277-2012），1000MW 级机组采用少油点火方式时，燃油消耗量的达标投产指标为：整套启动单台锅炉燃油用量不超过1500t。同型电厂两台1000MW 机组调试期分别耗油1480t、640t。参照该电厂两台机平均燃油消耗量，选取单台炉燃油消耗量1000t。0 号轻柴油油价0.580 万元/吨、低位发热量41031kJ/kg，设计煤种当前市场价约为550 元/吨，按上述条件计算，微油系统最终运行费用为475 万元。微油燃烧器图像冷却风取自火检冷风机，与其他燃烧器公用，风机电机功率11KW，平摊运行费用约0.04 万元。

综上计算，调试期微油系统运行费用475.04 万元，比等离子运行费用24.2 万元高450.84 万元。

6.3 生产期运行费用

机组投产后，点火系统在机组启停、低负荷稳燃时投运，年运行时间按80h 估算，机组年运行5000h，厂用电切换为本厂供电，度电成本按0.204 元/kWh 计算，其他条件不变，计算两种点火方案产生的费用。

6.3.1 等离子系统费用

等离子系统年运行费用2.0 万元，备件费用4.9 万元，辅助设备运行费用4.9 万元。

6.3.2 微油系统费用

微油系统年运行费用38 万元，辅助设备运行费用0.2万元。

综合上三项计算分析结果，按目前的油、煤、电价水平静态估算，汇总单台锅炉采用两种点火技术投产运行30 年后总费用如表5 所示。

表5 同条件下两种方式投资及经济性对比

7 结语

（1）微油系统较等离子系统组成简单、维护工作量小、运行可靠性相对高。

（2）该项目锅炉设计煤种、校核煤种Ⅰ、校核煤种Ⅱ收到基水分都超过10%，设计煤种干燥无灰基挥发分小于32%，采用等离子点火技术需制定相应的技术措施。

（3）在燃烧器、受热面运行安全与防氧化皮生成方面，采用微油技术相对安全；采用等离子点火技术可以减少生产现场发生火灾的风险。

（4）在经济性方面，等离子点火系统初投资较多，但运行费用较低。

（5）同型锅炉点火方案的选择，应综合煤质、燃料价格、设备投资及运维费用、安全环保需求等因素进行分析。