1、引言
    我國的能源結構中油資源短缺，每年大量依靠進口，耗資上百億美元。因而，石油已成為影響我國能源和經濟安全的戰略物資，節約和替代燃料油已成為保證國家能源和經濟安全的重要措施。據《2000年電力工業統計資料匯編》數字表明，2000年電力系統燃用燃料油1217.2萬噸。每年電站鍋爐（不包括其他工業鍋爐）點火、穩燃和新機組調試用油，約在300萬噸左右，耗資近百億元，是我國用油大戶。近期大容量、超臨界參數機組建設的增長迅速，啟停及調試用油更將會增加。“煤粉鍋爐等離子點火及穩燃技術”可以直接點燃煤粉代替燃油，且使用安全、經濟、可靠。本工程為坑口電站，燃料為劣質煙煤，設備為2×600MW亞臨界機組。如在兩臺機組上采用等離子點火技術，不僅可以在機組啟動調試過程中，以及正式投產后的啟停和日常運行中節省大量的燃油，為電廠帶來巨大的經濟效益，而且可以利用現今機組的設計階段，經過全面分析和論證，提出相應的解決方案，從而逐步實現無燃油電廠的目標。本文對鍋爐采用等離子點火技術實現無燃油電廠所面臨的問題一一加以分析，并提出了相應的解決方案，富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機、秸稈顆粒機、秸稈壓塊機壓制的生物質顆粒燃料。
2、設備概況
    本工程裝設兩臺600MW亞臨界參數、控制循環
汽包鍋爐。鍋爐為單爐膛Ⅱ型布置、一次中間再熱、平衡通風、全鋼架懸吊結構、緊身封閉布置、固態排渣，鍋爐設計煤種和校核煤種為鐵法礦劣質煙煤。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，過熱蒸汽溫度采用二級噴水調節，再熱蒸汽調溫方式采用擺動燃燒器調溫。配6臺MPS245型中速磨煤機，采用5+1運行方式。
    鍋爐采用四角切圓燃燒方式，煤粉燃燒器共24只分6層布置。制粉系統采用中速磨煤機冷一次風正壓直吹式送粉系統。磨煤機在鍋爐Om的布置方式為爐前一排布置。一臺爐設6臺MPS245中速磨煤機，單臺出力87.46t/h。在燃用設計煤種和校核煤種，煤粉細度R90=18%。
3、應用等離子點火技術的關鍵問題
3.1等離子點火用燃燒器的布置
    等離子發生器需要安裝在煤粉燃燒器中才能構成等離子點火器以點燃煤粉，這就使得在系統設計最初，必須首先確定用于安裝等離子發生器的煤粉燃燒器的布置。該項目鍋爐采用等離子點火技術所需煤粉燃燒器的布置可采用利用原設計的煤粉燃燒器實現等離子點火的方案。該方案對原設計煤粉燃燒器進行適當改造，并加裝等離子發生器，以形成等離子點火燃燒器。該方案由于利用原有煤粉燃燒器，所以不需要增加一次風分支管道及其配套系統，也不需要對爐墻進行改造，這使得系統簡單，投資費用相對較低。
3.2安裝幾層等離子燃燒器
    至今各電廠已經應用的等離子點火系統都為單臺鍋爐配備1層等離子燃燒器，當等離子燃燒器對應的磨煤機、等離子輔助系統等發生故障，無法采用等離子點火進行鍋爐啟動時，則采用鍋爐原有的點火油槍進行點火啟動。這種系統配置對于以節油為最終目的的電廠來說是完全滿足要求的。
    該項目安裝等離子點火系統的最終目標是實現無燃油電廠，目標不同，對系統的要求也就完全不同。實現無燃油電廠要求必須實現等離子點火系統達到100%的可投入率，而由于等離子點火不僅自身系統復雜，包括等離子發生器、壓縮空氣系統、冷卻水系統、熱風加熱系統等輔助系統，而且還受到磨煤機等多種鍋爐設備狀況的影響，如果在需要鍋爐點火啟動或低負荷穩燃時，等離子燃燒器對應的磨煤機由于故障無法投入，將直接導致離子點火系統無法運行。因此僅僅安裝1層等離子燃燒器根本無法滿足最終實現無燃油電廠目的的要求。
    由于2臺磨煤機同時出現故障的幾率很低，因此如果安裝2層等離子燃燒器，則2層等離子燃燒器（以及各自對應的磨煤機）互為備用，這將大大提高等離子點火系統的可投入率，從而保證等離子點火系統可以隨時投入，達到無燃油電廠的要求。而為降低等離子燃燒器對鍋爐正常運行時主燃燒區域的影響，等離子燃燒器應布置在最下面2層一次風噴口上。
    因此本項目應安裝2層等離子點火燃燒器，且布置在最下層A、B(或E、F) -次風噴口上。
3.3等離子點火必須滿足鍋爐對升溫速度的要求
    根據其它亞臨界600MW機組鍋爐的相關經驗，鍋爐冷態啟動必須滿足如下要求：
    (1)要求鍋爐初始燃燒率不得超過5%;
    (2)鍋爐啟動中爐水的溫升率≤1.5℃/min;
    (3)爐膛出口煙溫在汽輪機沖動并網前不得超過538℃。
    因此，為了使鍋爐在等離子點火啟動時滿足升溫速度的要求，必須控制等離子燃燒器對應磨煤機的初始投入功率。
    經計算，對于該項目鍋爐來說，設計煤質下額定工況的燃料量為365t/h，如按鍋爐等離子點火啟動狀態下煤粉的燃燒效率為85%計算，5%的燃燒率相當于投入2lt/h的設計煤質，而MPS245磨煤機的設計最低出力為21.9t/h，基本滿足初始燃燒率的要求。而當啟動磨煤機的出力增加到45t/h時，適當降低該磨煤機出力后啟動臨近的第二臺磨煤機，即可實現熱負荷的平穩過渡，滿足鍋爐對升溫速度的要求。
3.4冷態啟動時煤粉的來源
    為等離子燃燒器提供滿足細度、濃度和濕度要求的煤粉是鍋爐實現冷態等離子點火啟動的必要條件。中間儲倉式系統的煤粉來源，可通過螺旋輸粉機由鄰爐提供，而直吹式制粉系統則無法利用上述方法。對于該項目鍋爐，可采用利用原設計的磨煤機制備等離子點火所需煤粉的方案。這一方案的優點是對設備改動小，系統簡單，投資少，設備運行簡便。
3.5等離子燃燒器能否點燃濃度和風速在一定范圍內波動的一次風粉混合物
    根據磨煤機廠家提供的MPS245型磨煤機在設計煤種下的數據，磨煤機最低出力時煤粉濃度為0.22kg/kg，在45t/h出力時煤粉濃度為0.44kg/kg，在9lt/h出力時煤粉濃度達0.68kg/kg。因此考慮到正常的煤質波動，要想成功實現鍋爐的等離子點火啟動，必須使等離子燃燒器能夠點燃煤粉濃度在0.22～0.44kg/kg之間的一次風粉混合物，并采用相對應的一次風速。
    為此，項目組進行了1：1的試驗臺試驗。各試驗工況煤粉濃度及一次風速見表2。其中工況3和工況4是接近實際運行時21.9t/h和45t/h的工況，用來觀察是否滿足正常點火要求，而工況2為低濃度、高風速工況，對等離子點火要求來說是最為惡劣的極限工況，而工況5也是條件比較苛刻的工況，這2個工況是用來考察等離子燃燒器的適應能力，其它2個工況介于設計工況和極限工況之間。試驗采用設計煤質和校核煤質II制成煤粉分別進行，共進行了12個工況試驗。
    通過對12個工況的試驗觀察發現，所有工況下煤粉都可以被立即點燃，且火焰明亮，沒有成股的煤粉流出現，燃燒比較充分。圖1～圖4為燃用較差煤質時工況3、4、2、5的點火試驗照片。從照片中可以看出，雖然工況2和工況5較工況3和工況4條件惡劣，但實際試驗情況仍然很好，與工況3和工況4比較接近。
    通過試驗臺試驗可以看出，等離子燃燒器完全能夠點燃濃度和風速在一定范圍內波動的一次風粉混合物。
3.6熱風的來源
    采用原設計的磨煤機為等離子燃燒器供粉的一個主要問題是冷態啟動磨煤機制粉過程中所需熱風的來源。為了提供冷態啟動磨煤機所需熱風，該項目可采用蒸汽加熱系統進行熱風的加熱，汽源可選擇汽機四段抽汽（蒸汽參數為0.8282MPa，335.7℃）。蒸汽加熱器布置在A (F)磨煤機入口主風道上，并在A(F)磨煤機和B(E)磨煤機之間設立聯絡風道，當A (F)磨不具備啟動條件時，可以通過聯絡風道為B(E)磨煤機提供啟動熱風，反之亦然。這種設計防止了等離子點火系統因無熱風來源而無法投入的發生，從而進一步提高了等離子點火系統的可投入率。
3.7是否立即完全取消鍋爐燃油系統
    如果等離子點火系統可以完全確保隨時實現鍋爐的冷態等離子點火啟動，則可以考慮立即完全取消鍋爐燃油系統。這不僅僅可以在投產后即實現無燃油電廠的目標，而且可以節省大量的基建資金。
    汕頭發電廠二期工程1×600MW機組從初次點火到168小時試驗結束（包括98次吹管），除了油系統試驗外，未燃用1滴燃油用于鍋爐點火，為電廠節約燃油5600多噸，節約費用達1704萬元。浙江國華寧海發電有限公司新建4×600MW燃煤機組，2號爐吹管194次，用煤2200多噸，等離子運行時間約110小時，期間只是在更換陰極頭時燃用幾分鐘燃油，整個調試期間只燃用了約24噸燃油。
    但在本項目實施該方案仍然存在較大風險。雖然2層等離子燃燒器可以保證點火系統的可投入率，但是實際運行時煤質的波動將直接影響到等離子點火的效果。雖然等離子燃燒器的設計已經考慮到了設計煤質和校核煤質，但是從試驗臺試驗的結果也看出，校核煤質燃燒狀況比設計煤質要差。現今，電廠實際燃用煤質偏離設計煤質是普遍現象，而如果偏離較大，超出校核煤質范圍，則等離子點火的效果必將變壞，是否可以成功實現等離子無油點火啟動將無法預測。
    另外，等離子點火啟動是一個較為復雜的過程，涉及的系統和設備較多，與傳統的油槍點火有較大的區別，對運行人員的要求較高。而該工程2×600MW機組為新建機組，運行人員沒有等離子點火系統操作經驗，因此即使煤質和設備完全滿足要求，運行人員的操作不當也將造成等離子點火啟動的失敗。
    因此，立即完全取消鍋爐燃油系統的方案風險極大，是不可行的。
    但是，隨著運行人員操作水平的提高，以及電廠長時間對煤質的統計檢測，可以采用逐步取消鍋爐燃油系統，最終實現無燃油電廠的方案。
    首先在設計階段簡化鍋爐燃油系統。根據國內同類型機組運行的實際經驗及設計部門的經驗，600MW機組鍋爐油燃燒器的總輸入熱量可以由一般的設計值30%BMCR降至15%BMCR。因此，鍋爐廠已出具設計變更單，“認為油燃燒器的總輸入熱由原30%BMCR改為15%BMCR是可行的，能滿足鍋爐啟動要求”，并根據該變更降低單支點火油槍的出力。另外據統計，600MW同類型機組單次點火啟動所需燃油量一般不會超過100噸，因此可以縮小儲油罐大小，由原設計的2個1500m3的儲油罐改為2個500m3的儲油罐(儲油量約650t)，也完全可以滿足油槍點火鍋爐啟動的要求。
    其次，在機組正式投產以后，可以根據實際運行情況進一步縮小燃油儲量，直到最后取消燃油的固定存儲，改為方便靈活的油罐車移動存儲方式，進一步簡化鍋爐燃油系統。
    最后，隨著運行經驗的增加，根據較長時間的等離子點火運行總結，最終完全取消鍋爐燃油系統，實現無燃油電廠的目標。
    該方案與立即取消燃油系統的方案相比，風險大大降低，更加切實可行。因此，建議采用分階段簡化燃油系統，直至最終取消燃油系統，實現無燃油電廠目標的方案。
3.8等離子點火電源的設置
    等離子點火電源按每臺爐一套設置，兩臺爐共設兩套，各自連接到本爐的最下層等離子燃燒器上。同時，一號爐的電源通過切換開關連接到二號爐的第二層燃燒器；二號爐的電源通過切換開關連接到一號爐的上層燃燒器。每臺爐的等離子電源分別取自各自對應的廠用電系統，兩爐等離子電源分別取自I、II母線段，同時，I段母線設置切換柜與二號爐等離子電源連接；II段母線設置切換柜與一號爐等離子電源連接，從而實現一次電源互備。這樣就能保證每臺爐兩層等離子燃燒器中任何一層都能隨時投入。
4、效益分析
    根據電力部最新頒布的試運導則中的規定，600MW機組試運期間燃油消耗的標準定量為9000噸。而近年來，隨著設計、安裝和調試水平的提高，在此期間的燃油量已大大降低，一般不高于2500噸。如果在機組試運初期投入等離子煤粉點火系統實現無燃油啟動，將產生巨大的經濟效益。
    經計算，兩臺機組采用等離子點火技術后，試運行期間可以節省費用達647.4萬元。另外，鍋爐機組正常運行后，兩臺機組等離子點火系統每年還可為電廠節省費用300萬元以上。
    按照常規的試運方法，機組在試運期間要長期低負荷運行，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，鍋爐電除塵器無法正常投入，大量煙塵直接排放到大氣中，給環境帶來嚴重的污染，同時煙氣中的粉塵會對鍋爐引風機葉片造成磨損，這些均給電廠帶來間接的經濟損失。在機組試運期間投入等離子煤粉點火系統，電除塵器可以在鍋爐啟動及低負荷期間正常投入，大大減少粉塵的排放，避免了環境污染和引風機磨損，給電廠帶來顯著的社會效益和經濟效益。
5、結論
    ●該工程2×600MW機組鍋爐采用等離子點火技術是可行的。
    ●安裝等離子點火系統后，2臺機組試運行期間可以節省費用達647.4萬元，機組正式投產運行后，兩臺機組等離子點火系統每年還可為電廠節省費用300萬元以上。
    ●可以采用根據運行的實際情況分階段簡化燃油系統的方案，直至最終完全取消鍋爐燃油系統，實現無燃油電廠的目標。


相關生物質鍋爐顆粒機產品：
1、生物質壁爐
2、秸稈顆粒機
3、木屑顆粒機