600 MW級超臨界W火焰鍋爐點火方式研究

段玉燕

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

國內(nèi)火力發(fā)電廠大部分采用燃油作為鍋爐啟動點火和穩(wěn)燃燃料。近年來，隨著油價格的提高和節(jié)油點火技術(shù)的發(fā)展，許多新建電廠在鍋爐燃燒器上裝設(shè)了節(jié)油點火裝置，在機(jī)組調(diào)試階段和啟動點火時期節(jié)省了可觀的油量。經(jīng)過國內(nèi)燃煤電廠多年來的摸索和實踐，等離子和微油點火系統(tǒng)已成功應(yīng)用在燃用一般煙煤的工程中［1］，而燃用無煙煤的W火焰爐由于煤質(zhì)中揮發(fā)分較低，節(jié)油點火方式還需進(jìn)一步研究。

1 點火助燃油系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 點火系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，電廠鍋爐基本都采用了自動化和規(guī)范化的程控點火方式，大大提高了點火的安全性和可靠性。鍋爐的點火方式大多采用多級點火，即高能點火裝置先產(chǎn)生電火花點燃輕質(zhì)燃料（如燃油、燃?xì)獾龋?，再點燃煤粉等二級燃料或主燃料［2-3］。

1.2 助燃系統(tǒng)

在鍋爐啟動點火的初期或低負(fù)荷運行時，由于火焰溫度較低、燃燒器中的煤粉濃度較小，易造成火焰燃燒不穩(wěn)定甚至滅火。為維持和穩(wěn)定燃燒，必須投入較易燃燒的助燃燃料，助燃燃料多是輕油或重油［4］。

投入助燃油量的多少主要與煤質(zhì)有關(guān)，揮發(fā)分高、燃燒穩(wěn)定性好的煤種（例如煙煤）只有在較低的負(fù)荷下才需要投油助燃；著火性差、燃燒穩(wěn)定性不好的煤種（例如無煙煤）在較高的負(fù)荷下就需要投入助燃油。W火焰爐一般燃用都是揮發(fā)分較低、著火性能不好的無煙煤，設(shè)計的最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷一般為40%～50%BMCR。但在電廠的實際運行中，運行人員為了避免運行工況波動造成爐膛火焰不穩(wěn)定甚至滅火，投油的穩(wěn)燃負(fù)荷比廠家的保證值還要高一些，有時會達(dá)到60%～70%BMCR［1］。

2 鍋爐點火方式的選擇

2.1 節(jié)油技術(shù)選用原則

優(yōu)化燃油系統(tǒng)可以用很小的成本獲得明顯的節(jié)油效果，但是電廠啟停以及低負(fù)荷穩(wěn)燃仍需要一定的用油量；等離子點火幾乎不用燃油，微油點火只用很少的燃油，但是這兩種節(jié)油技術(shù)的一次投資較大。等離子點火或者微油點火在吹管階段就可以以煤粉代油，僅此階段就可以回收全部投資并獲得效益，這已經(jīng)有大量的工程對比案例證實。在煤價較低的地區(qū)，因煤價與油價差距更大，用廉價的燃煤替代燃油，經(jīng)濟(jì)效益明顯。據(jù)統(tǒng)計，采用節(jié)油點火技術(shù)，每臺機(jī)組可以節(jié)省1 000萬元左右（含吹管、點火及助燃油量）。

但是選用的節(jié)油技術(shù)應(yīng)根據(jù)工程具體條件考慮煤質(zhì)情況。把煤粉燃燒器點火方式從燃油點火改為等離子點火或微油點火，需具備以下幾個條件：

1）煤種適宜，能被少量能量點著并形成穩(wěn)定燃燒，繼而點著周邊煤粉；

2）燃燒器腔體有足夠空間可以放置等離子或微油點火裝置，如果燃燒器腔體不適合改造，則要考慮在爐墻上或者二次風(fēng)室內(nèi)設(shè)置新燃燒器；

3）有相應(yīng)的冷爐制粉措施；

4）為等離子點火或微油點火配置控制系統(tǒng)，并且設(shè)置專用的火檢裝置；

5）通過數(shù)值模型或物理模型的驗證，保證原有的燃燒器經(jīng)過改造后不會影響鍋爐的基本性能。

2.2 等離子點火系統(tǒng)

等離子點火裝置的工作原理如圖1所示，是利用陰、陽極間引發(fā)的高壓電弧，使空氣電離產(chǎn)生電子和等離子體。開始工作時，電源提供恒定的電流，并使陰極與陽極短暫接觸，并且強(qiáng)制水冷防止過熱。當(dāng)電流達(dá)到額定值后，陰極和陽極緩慢分開拉出電弧，載體空氣被電離成高溫等離子體，由電磁場力或者壓縮空氣定向輸送。

等離子體氣流的溫度極高，氣流核心溫度可以達(dá)到5 000℃以上，與煤粉氣流接觸后可以使煤粉顆粒迅速破裂并析出揮發(fā)份被點燃，著火后的煤粉再逐級點燃周圍的煤粉。連續(xù)穩(wěn)定的輸出等離子氣體，可實現(xiàn)煤粉燃燒器點火或者低負(fù)荷穩(wěn)燃的功能。

圖1 等離子點火原理

等離子點火裝置點火時由等離子發(fā)生裝置首先開始拉電弧，同時其中1臺磨煤機(jī)開始冷爐制粉，磨制合格的煤粉進(jìn)入燃燒器后進(jìn)行濃淡分離，先用高溫電弧點燃部分煤粉，再用著火的煤粉點燃其他未著火的煤粉。燃燒器依靠煤粉的淡相一次風(fēng)作為冷卻氣膜，防止燃燒器被燒壞。等離子發(fā)生裝置一般設(shè)在下層燃燒器處，直接點燃煤粉，再由下層煤粉燃燒器帶起約20%的鍋爐負(fù)荷，之后可以投入第2臺磨煤機(jī)，當(dāng)鍋爐負(fù)荷達(dá)到不投油穩(wěn)燃負(fù)荷后，相繼投入其他燃燒器［3］。

目前單只等離子點火裝置的功率一般達(dá)到100～200 kW，最高能做到300 kW，能點燃褐煤、煙煤和部分貧煤，受到最大功率的限制，等離子點火裝置很難再提高電弧的能量，因此沒有足夠的能量點燃揮發(fā)分較低的貧煤和無煙煤。W火焰爐燃用的都是揮發(fā)份較低的無煙煤，不適合采用等離子點火方式［3］。

2.3 微油點火系統(tǒng)

對鍋爐本體而言，微油點火的原理與等離子類似，見圖2微油點火系統(tǒng)。

微油點火裝置主要由小孔徑霧化油槍、高能點火器、供油管道及油壓調(diào)節(jié)閥門、油配風(fēng)器等構(gòu)成，燃油通過小孔徑霧化油槍霧化成極細(xì)的液滴，受熱后很快氣化，通過高能點火器點燃后形成溫度很高的油火焰，油配風(fēng)器提供燃油需要的助燃空氣。微油點火是利用介質(zhì)霧化（壓縮空氣）與氣化相結(jié)合的強(qiáng)化燃燒技術(shù)使燃油充分燃燒，很小的油量就可獲得剛性較強(qiáng)、溫度很高的穩(wěn)定火炬，當(dāng)煤粉通過火炬時很快受熱，煤粉顆粒破裂粉碎，被迅速點燃，使煤粉在點火初期就盡可能充分燃燒，達(dá)到煤粉鍋爐點火啟動和低負(fù)荷穩(wěn)燃的目的。微油點火裝置單只出力可以達(dá)到 50～120 kg／h， 折算熱功率達(dá)到 580～1 400 kW。因為功率比等離子大，所以能點燃更難燃的煤種，包括揮發(fā)分較低的無煙煤。

圖2 微油點火系統(tǒng)構(gòu)成

在傳統(tǒng)大油槍點火方式下，660 MW的超臨界W爐每只煤粉燃燒器配備一只大油槍，可實現(xiàn)將鍋爐溫度、壓力升到一定程度后再投煤啟動。微油點火裝置通常在鍋爐冷態(tài)狀況下用裝在煤粉燃燒器內(nèi)部的微油油槍直接點著煤粉，完全或部分省去大油槍把鍋爐的煙溫水平提高，從而減少啟動耗油量。

根據(jù)以往工程的經(jīng)驗，考慮到無煙煤著火性能差、W火焰爐的爐膛結(jié)構(gòu)特殊性、以及電廠運行方式等各方面的差異，為保證機(jī)組安全順利地啟動和運行，建議采取大油槍和微油點火方式相配合的啟動方式。

2.4 微油煤粉燃燒器的改造建議

針對W火焰爐的燃燒器，與燃用一般煙煤不同，巴威、東鍋和上鍋均采用24只旋流燃燒器，哈爾濱鍋爐廠采用48只直流狹縫式燃燒器，其中超臨界W火焰鍋爐巴威和東方鍋爐廠業(yè)績較多，這兩個鍋爐廠均采用旋流燃燒器，以東鍋的W火焰爐的燃燒器為例，可將B，D兩臺磨對應(yīng)的原旋流燃燒器改造為雙旋風(fēng)微油煤粉燃燒器，如圖3所示。

雙旋風(fēng)微油煤粉燃燒器取消原消旋桿和可活動的消旋葉片，將原燃燒器的噴口直段延長，并在直段內(nèi)設(shè)置分級煤粉燃燒室，帶獨立配風(fēng)的微油油槍從燃燒器乏氣彎頭沿燃燒器軸向貫穿旋風(fēng)筒插入到一級煤粉燃燒室的入口。在旋風(fēng)筒喉口區(qū)域設(shè)置了二級濃縮裝置，將煤粉從邊壁區(qū)域濃縮到位于中心的一級燃燒室內(nèi)［5］。微油煤粉燃燒器中經(jīng)旋風(fēng)分離后得到的濃相煤粉，在喉口處被濃縮裝置再次濃縮后，進(jìn)入一級煤粉燃燒室，被微油油槍的高強(qiáng)火焰點燃，之后再去點燃二級煤粉燃燒室內(nèi)剩余的煤粉，最終在燃燒器噴口處形成穩(wěn)定的煤粉火焰，實現(xiàn)點火和穩(wěn)燃的目的。除此之外，其余布置與原燃燒器相同，原大油槍位置及原噴口的位置和大小、風(fēng)量配比風(fēng)速、總體流場分布和燃燒組織配風(fēng)都保持原有設(shè)計不變［6］。微油煤粉燃燒器可作為常規(guī)燃燒器，并保持與原燃燒器一致的性能。目前國內(nèi)W火焰鍋爐已經(jīng)有微油點火的運行業(yè)績。

圖3 W火焰爐微油煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)

2.5 微油點火在W爐中的應(yīng)用業(yè)績

目前微油點火在W爐中已有比較成熟的使用業(yè)績。例如：珙縣電廠一期2×600 MW超臨界機(jī)組，四川福溪電廠2×600 MW超臨界機(jī)組，國電南寧電廠2×660 MW機(jī)組，韶關(guān)電廠2×300 MW機(jī)組均已改造為微油點火方式，并投入使用。但是由于無煙煤揮發(fā)分太低，如果啟動期間僅采用無煙煤，節(jié)油效果稍差，據(jù)了解，南寧電廠2×600 MW機(jī)組為了最大限度的節(jié)油，在啟動初期，將原煤斗中預(yù)裝貧煤，機(jī)組啟動期間，使用微油點火點燃貧煤，再用點著后的貧煤點燃無煙煤完成點火啟動，節(jié)油率達(dá)為70%。

3 結(jié)語

對鍋爐節(jié)油方式的選擇進(jìn)行了研究，考慮到W火焰爐的特殊結(jié)構(gòu)和無煙煤較差的著火性能，論述了燃用無煙煤的W鍋爐采用各種節(jié)油方式的可行性，同時提出了改造建議，并得到以下結(jié)論：1）根據(jù)國內(nèi)W火焰爐已有微油點火運行的成功經(jīng)驗，采用微油點火方式是可行的；2）微油點火油槍和大油槍應(yīng)按照互為備用進(jìn)行設(shè)計，并建議機(jī)組調(diào)試期間，將原煤斗中預(yù)裝貧煤，使用微油點火點燃貧煤，最大程度的節(jié)約燃油。