超臨界燃煤鍋爐等離子點(diǎn)火裝置的應(yīng)用

隨著我國(guó)能源工業(yè)的發(fā)展，電廠年處理油量越來(lái)越大。根據(jù)2003年的統(tǒng)計(jì)，年耗油總量大約為1120萬(wàn)t，其中用于煤粉鍋爐啟動(dòng)及低負(fù)荷穩(wěn)燃的燒油量大約為480萬(wàn)t。隨著近年來(lái)燃煤機(jī)組裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，其耗油量也隨之大幅上升，為應(yīng)對(duì)日益短缺的石油資源和不斷上漲的油價(jià)，響應(yīng)黨中央關(guān)于建立節(jié)約型社會(huì)的號(hào)召，有必要根據(jù)相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)燃煤電廠點(diǎn)火油系統(tǒng)進(jìn)行改造，以降低燃油消耗，節(jié)約能源。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究出一系列替代燃油的點(diǎn)火助燃技術(shù)，如等離子點(diǎn)火穩(wěn)燃技術(shù)等。等離子點(diǎn)火穩(wěn)燃技術(shù)是利用等離子體電弧直接點(diǎn)燃煤粉的技術(shù)。等離子點(diǎn)火穩(wěn)燃技術(shù)經(jīng)過幾年工程實(shí)踐中的應(yīng)用，已經(jīng)得到完善和發(fā)展，有很多成功應(yīng)用的實(shí)例，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1等距技術(shù)的原理和應(yīng)用現(xiàn)狀1.1空氣等離子體技術(shù)等離子點(diǎn)火是用等離子體電弧直接點(diǎn)燃煤粉的技術(shù)。等離子體是物質(zhì)電離后生成由原子、電子、離子和分子等粒子組成的正、負(fù)電荷數(shù)相等，對(duì)內(nèi)為良導(dǎo)體，對(duì)外為中性體的粒子集合體。利用空氣等離子體內(nèi)的高溫，使通過空氣等離子體的煤粉氣流深度裂解，產(chǎn)生比工業(yè)分析多20%～80%的揮發(fā)分，并使揮發(fā)分迅速點(diǎn)燃，進(jìn)而點(diǎn)燃固態(tài)碳。這樣，可達(dá)到煤粉氣流連續(xù)燃燒，形成穩(wěn)定的煤粉火焰的目的。1.2等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)從20世紀(jì)70年代初，美國(guó)、前蘇聯(lián)和澳大利亞等國(guó)的一些公司和科研單位曾投入大量的人力、財(cái)力研究開發(fā)用于燃煤鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃的等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)。我國(guó)70年代中期，一些大學(xué)、鍋爐廠和科研單位對(duì)等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)進(jìn)行了研究。然而，上述研究90年代前一直未形成產(chǎn)品，未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。從90年代開始，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)對(duì)等離子點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行了科研攻關(guān)，解決了工業(yè)應(yīng)用中的一系列技術(shù)難點(diǎn)，在燃煤鍋爐上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1.3等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)目前，國(guó)內(nèi)的等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)的應(yīng)用逐漸由推廣期進(jìn)入成熟期。2000年2月在山東煙臺(tái)電廠1號(hào)爐50MW機(jī)組鍋爐上，我國(guó)第1次應(yīng)用等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃煤鍋爐的無(wú)燃油啟動(dòng)和穩(wěn)燃，并達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的水平。2002年4月，在大唐盤山電廠，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)的4項(xiàng)首創(chuàng)：首次在基建機(jī)組調(diào)試過程中投入使用等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)；首次應(yīng)用于600MW機(jī)組直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐；首次使用蒸氣加熱空氣，冷爐啟動(dòng)中速磨制粉，實(shí)現(xiàn)了等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)的冷爐點(diǎn)火；首次在大容量機(jī)組上改主燃燒器兼做等離子燃燒器。目前，等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)已成功用于貧煤、煙煤和褐煤。機(jī)組容量包括了50、100、125、135、150、200、300、330和600MW各級(jí)鍋爐130余臺(tái)，應(yīng)用該技術(shù)的機(jī)組總?cè)萘恳淹黄?0000MW。燃燒方式涵蓋了切向燃燒直流燃燒器和墻式燃燒旋流燃燒器。制粉系統(tǒng)包括中間儲(chǔ)倉(cāng)式、雙進(jìn)雙出鋼球磨直吹式、中速磨直吹式和風(fēng)扇磨直吹式等各種類型。1.4等距燃燒技術(shù)和穩(wěn)定燃燒技術(shù)的限制等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)雖然存在一系列的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但也存在一定的局限性，主要有以下幾方面。(1）低揮發(fā)油煤種的等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用階段等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)并不能用于所有的煤種。根據(jù)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的研究工作以及工程實(shí)踐的驗(yàn)證，等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)目前只能用于揮發(fā)分大于14%的煤種，雖然低揮發(fā)分煤種的等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)正處在科研攻關(guān)階段，但尚未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用階段。(2）過短的壽命等離子裝置在拉弧過程中陰、陽(yáng)極要在高溫氧化氣氛中運(yùn)行，其壽命過短，這是國(guó)、內(nèi)外長(zhǎng)期難于解決的問題。雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)通過技術(shù)攻關(guān)，陰、陽(yáng)極壽命已有了較大的提高，但壽命周期仍然比較短。(3）目前，離心式燃料技術(shù)還不成熟目前的應(yīng)用表明，等離子點(diǎn)火技術(shù)相對(duì)比較成熟，但等離子穩(wěn)燃技術(shù)只在極少數(shù)項(xiàng)目中得到較成功的應(yīng)用，距廣泛、成熟的應(yīng)用尚有一段距離。2在稱量點(diǎn)的火安裝技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析中2.1煤質(zhì)分析和定量分析等離子點(diǎn)火裝置在燃煤電廠中的功能是部分或全部替代鍋爐點(diǎn)火助燃油系統(tǒng)的功能。鍋爐點(diǎn)火助燃油系統(tǒng)屬于燃煤電廠的輔助配套系統(tǒng)，其主要功能是鍋爐的啟動(dòng)點(diǎn)火、低負(fù)荷助燃以及按鍋爐安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（FSSS）指令要求供給鍋爐燃料油。等離子點(diǎn)火裝置對(duì)煤種有一定的適應(yīng)性，過于難燃的煤種不應(yīng)采用等離子點(diǎn)火裝置，其定量的考核標(biāo)準(zhǔn)是煤的揮發(fā)分。從理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)煤種揮發(fā)分低于14%時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)等離子點(diǎn)火。本文以某工程600MW機(jī)組配套的前后墻對(duì)沖燃燒超臨界參數(shù)燃煤鍋爐為例，進(jìn)行定量分析。其煤質(zhì)見表1。從表1可以看出，設(shè)計(jì)煤種及校核煤種的揮發(fā)分均在35%以上，水分含量也較低，雖然灰分含量相對(duì)較高，但仍屬于易燃的煤種，完全適用于等離子點(diǎn)火裝置。2.2等離子發(fā)生器該工程制粉系統(tǒng)為正壓、冷一次風(fēng)、中速磨、直吹式燃燒系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配置6臺(tái)中速磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)引出5根送粉管道與鍋爐的5臺(tái)燃燒器相連。根據(jù)磨煤機(jī)與鍋爐燃燒器的配合情況，將與1臺(tái)中速磨煤機(jī)連接的前墻或后墻底層5臺(tái)燃燒器設(shè)計(jì)為等離子點(diǎn)火燃燒器。等離子點(diǎn)火裝置主要由以下幾部分組成：(1）等離子煤粉燃燒器和等離子發(fā)生器。這是等離子點(diǎn)火裝置的主體部分，通?？稍谥魅紵魃细男突騿为?dú)設(shè)置點(diǎn)火燃燒器（見圖1）。根據(jù)本工程燃燒器為墻式燃燒的旋流式燃燒器情況，設(shè)計(jì)將成熟的直流式等離子燃燒器替換原燃燒器中裝有油槍的中心筒，其一次風(fēng)通流部分的特性與原設(shè)計(jì)完全相同，而原燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)部分未加任何改變，所以該型燃燒器改型后與原設(shè)計(jì)性能完全相同。(2）冷卻水系統(tǒng)。主要用于冷卻等離子發(fā)生器，水質(zhì)要求采用除鹽水，每臺(tái)等離子發(fā)生器需要10t/h的水量，常規(guī)從電廠的閉式冷卻水系統(tǒng)接過來(lái)。(3）載體風(fēng)系統(tǒng)。等離子發(fā)生器要求采用穩(wěn)壓、潔凈、干燥的空氣作為等離子載體，一般可以在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)2臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)為等離子發(fā)生器提供載體，2臺(tái)風(fēng)機(jī)1備1用；也可以直接從電廠的壓縮空氣系統(tǒng)接入。本工程采用羅茨風(fēng)機(jī)方案。(4）火檢系統(tǒng)。根據(jù)爐膛安全燃燒的要求，等離子燃燒器火焰監(jiān)視采用圖像火檢系統(tǒng)，接入FSSS。(5）電源系統(tǒng)。等離子發(fā)生器要求采用直流電源供電系統(tǒng)，通常包括1臺(tái)隔離變壓器和1臺(tái)等離子控制柜。(6）控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為保證等離子發(fā)生器的正常運(yùn)行，需要監(jiān)測(cè)冷卻水壓力、載體風(fēng)壓力、一次風(fēng)流速等，因此需配備相關(guān)儀表。(7）冷爐制粉系統(tǒng)。為了滿足在冷爐啟動(dòng)時(shí)磨煤機(jī)對(duì)熱一次風(fēng)溫度的要求，應(yīng)配備冷爐制粉系統(tǒng)。一般采用蒸汽加熱器對(duì)空氣進(jìn)行加熱，加熱器布置在磨煤機(jī)入口風(fēng)門另設(shè)旁路上，加熱器進(jìn)口設(shè)1個(gè)電動(dòng)隔絕風(fēng)門，加熱器出口設(shè)1個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門，電動(dòng)隔絕風(fēng)門、電動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)門在DCS上控制。2.3等離子點(diǎn)火裝置機(jī)組實(shí)際運(yùn)行實(shí)際耗油量數(shù)據(jù)分析鍋爐采用等離子點(diǎn)火裝置后，在調(diào)試階段可以大量地節(jié)約燃油，所以不僅可收回等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃系統(tǒng)的投資，而且還可以節(jié)約大量的采購(gòu)燃油的費(fèi)用。表2為目前已投入運(yùn)行的部分300,600MW機(jī)組采用等離子點(diǎn)火裝置及燃油耗量統(tǒng)計(jì)，其中的耗油量是指從機(jī)組吹管開始一直到168h試運(yùn)行通過時(shí)的燃油量。從表2數(shù)據(jù)可知，隨著設(shè)備的完善和運(yùn)行水平的提高，采用等離子點(diǎn)火裝置的機(jī)組在調(diào)試階段的耗油量呈下降趨勢(shì)。由于已投運(yùn)等離子點(diǎn)火裝置的600MW機(jī)組數(shù)量還不夠多，對(duì)于基本的耗油水平還不能下結(jié)論，但按2000t來(lái)估算應(yīng)較可靠。下面將根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)等離子點(diǎn)火裝置的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量分析。2.3.1各系統(tǒng)節(jié)約的投資從2方面進(jìn)行定量計(jì)算，分析其經(jīng)濟(jì)性。首先是試運(yùn)階段節(jié)約的投資；再則是投運(yùn)后，每投入單位時(shí)間的等離子點(diǎn)火裝置能節(jié)約的費(fèi)用。根據(jù)頒布的試運(yùn)行導(dǎo)則，單臺(tái)600MW機(jī)組試運(yùn)行期間耗油量為9000t。上海石洞口二電廠第1臺(tái)進(jìn)口600MW直流超臨界機(jī)組，從首次并網(wǎng)至通過72h試運(yùn)共耗燃油23070t，第2臺(tái)機(jī)組9568t。按標(biāo)準(zhǔn)定量9000t計(jì)算，如果初期投用等離子點(diǎn)火裝置，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，試運(yùn)期間耗燃油量按2000t考慮，可節(jié)約燃油7000t。據(jù)此可進(jìn)行以下計(jì)算：(1）節(jié)約燃油的費(fèi)用。按0號(hào)柴油價(jià)格4000元/（參考目前市場(chǎng)價(jià)格）計(jì)算，則節(jié)約燃油費(fèi)用為：4000元/t×（9000t-2000t）=2800萬(wàn)元。(2）同時(shí)段代替燃油的燃煤費(fèi)用。由于利用燃煤代替了燃油，可計(jì)算出燃煤的費(fèi)用。0號(hào)輕柴油的低位發(fā)熱量為41800kJ/kg，標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量為29330kJ/kg，目前市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)煤的參考價(jià)為500元/t。則7000t燃油折算到耗標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格為：41900kJ/kg×[7000×103kg/（29330kJ/kg）]×580元/t=500萬(wàn)元。(3）同時(shí)段制粉系統(tǒng)和等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的耗電費(fèi)用。設(shè)計(jì)煤的低位發(fā)熱量為41900kJ/kg，原煤耗量為：41900kJ/kg×[7000×103kg/（29330kJ/kg）]=13759t。1t煤平均制粉單耗按25kW·h/t，等離子燃燒器燃煤耗電為20kW·h/t，廠用電價(jià)格為上網(wǎng)電價(jià)，按0.295元/（kW·h）計(jì)，則耗電費(fèi)用為：13759t×（25+20)kW·h/t×0.295元/（kW·h）≈18.27萬(wàn)元。(4）等離子點(diǎn)火裝置的初投資費(fèi)用。根據(jù)目前的價(jià)格水平，全套等離子點(diǎn)火裝置及其配套設(shè)施的總投資暫按每臺(tái)爐500萬(wàn)元計(jì)。(5）試運(yùn)階段節(jié)約的投資。由以上可知，試運(yùn)行期間可節(jié)約投資為：2800萬(wàn)元-500萬(wàn)元-18.27萬(wàn)元-500萬(wàn)元=1781.73萬(wàn)元。即使按啟動(dòng)、試運(yùn)期間節(jié)油3500t考慮，也可節(jié)約投資：（2800萬(wàn)元-500萬(wàn)元-18.27萬(wàn)元）/2-500萬(wàn)元=640.86萬(wàn)元。因此，在機(jī)組啟動(dòng)、試運(yùn)期間的節(jié)油費(fèi)用即可收回全套等離子點(diǎn)火裝置的初投資，并有可觀的節(jié)余。2.3.2等離子火炬系統(tǒng)運(yùn)行成本假設(shè)油系統(tǒng)點(diǎn)火和等離子點(diǎn)火裝置點(diǎn)火時(shí)1h輸入爐膛的熱量相同，核算每支油槍1h運(yùn)行成本。(1）等離子點(diǎn)火裝置陰、陽(yáng)極1h運(yùn)行成本。設(shè)陰極平均壽命為50h，價(jià)格為500元，1h運(yùn)行成本為10元/h；設(shè)陽(yáng)極平均壽命為400h，價(jià)格為4000元，1h運(yùn)行成本為10元/h。(2）等離子點(diǎn)火裝置火嘴1h運(yùn)行成本。設(shè)火嘴的使用壽命為8年（年運(yùn)行5000h），價(jià)格為80000元，1h運(yùn)行成本為：80000元/（8年×5000h/年）=2元/h。(3）等離子點(diǎn)火裝置1h耗電費(fèi)用。等離子裝置1h耗電200kW·h，按上網(wǎng)價(jià)計(jì)算，運(yùn)行成本為：0.295元/（kW·h）×200kW·h=59元/h。(4）等離子點(diǎn)火裝置的載體風(fēng)系統(tǒng)耗電費(fèi)用。載體風(fēng)系統(tǒng)采用2臺(tái)5.5kW羅茨風(fēng)機(jī)，1運(yùn)1備，1h運(yùn)行成本為：0.295元/（kW·h）×5.5kW=1.63元/h。(5）等離子點(diǎn)火裝置的冷卻水系統(tǒng)1h耗電費(fèi)用。冷卻水為除鹽水閉式循環(huán)，每支油槍循環(huán)流量為10t/h，運(yùn)行增加電耗可不計(jì)。(6）投入油系統(tǒng)點(diǎn)火1h耗油費(fèi)用。鍋爐配備的點(diǎn)火助燃油槍出力為1300kg/h，采用蒸汽霧化，出力調(diào)節(jié)比4:1，點(diǎn)火啟動(dòng)助燃期間油槍的平均出力按0.5t/h計(jì)，柴油價(jià)格按4000元/t計(jì)算，則運(yùn)行成本為：0.5t/h×4000元/t=2000元/h。(7）等離子點(diǎn)火裝置投入時(shí)1h耗煤費(fèi)用。將投入油系統(tǒng)點(diǎn)火1h耗油量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為：41900kJ/kg×[0.5×103kg/（29330kJ/kg）]=0.715t；價(jià)格為：0.715t×500元/t=357.5元。(8）等離子點(diǎn)火裝置投入時(shí)1h磨煤耗電費(fèi)用。煤平均制粉單耗為25kW·h/t，磨制0.715t燃煤平均電耗為：25kW·h/t×0.715t=17.88kW·h；折算價(jià)格為：0.295元/（kW·h）×17.88kW·h=5.28元(9）使用等離子點(diǎn)火裝置每支油槍1h可節(jié)約成本。每支油槍1h可節(jié)約成本：2000元-10元-10元-2元-59元-1.63元-357.5元-5.28元=1554.59元。上述計(jì)算未計(jì)入燃油的卸、儲(chǔ)、供等運(yùn)行成本。2.4節(jié)約投資及控制成本從經(jīng)濟(jì)角度核算，燃煤電廠點(diǎn)火系統(tǒng)采用等離子點(diǎn)火裝置后，調(diào)試期間除能收回安裝成本，還能大幅度地節(jié)約投資。如果在沖管期間，灰、渣系統(tǒng)等能投入運(yùn)行，則將會(huì)節(jié)約更可觀的調(diào)試用油。正常運(yùn)行期間也能節(jié)約成本。對(duì)于運(yùn)行電廠，特別是調(diào)峰機(jī)組，節(jié)油效果十分明顯。該技術(shù)還可以克服投油點(diǎn)火不能投電除塵的環(huán)保問題，消除因燃油系統(tǒng)造成的安全隱患。3等離子燃燒性能3.1燃煤電廠采用等離子點(diǎn)火裝置是可行的，在試運(yùn)和運(yùn)行中可帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也完全符合國(guó)家的節(jié)約能源戰(zhàn)略。3.2近年來(lái)，等離子點(diǎn)火裝置的實(shí)踐已積