鍋爐啟動點火靈活性和可靠性技術改造可行性研究

　　摘要：萬州電廠鍋爐啟動僅為F層微油點火，為提高啟動點火的靈活性和可靠性，研究將B層燃燒器大油槍改為微油槍， F層、B層微油槍啟動點火互為備用，提高啟動可靠性。節(jié)省大量燃油，產生顯著經濟效益;避免投大油槍冒黑煙問題，具有顯著環(huán)境效益和社會效益。

　　關鍵詞： 鍋爐 啟動 靈活性 可靠性 技術改造 可行性研究

　　1 項目提出的背景

　　1.1 鍋爐概況

　　萬州電廠鍋爐型號：DG3035/29.3-Ⅱ3 型。鍋爐為提升參數(shù)后的超超臨界參數(shù)、一次中間再熱變壓運行直流爐，采用平衡通風、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構架懸吊結構Π型鍋爐。設計及校核煤質1 為寧東煤，校核2 煤源為神華錦界煤。鍋爐點火方式：少油點火裝置，燃油采用0 號輕柴油。萬州電廠一、二號機組分別于2015年2月9日、9月18日通過168h試運行。投運至今，鍋爐運行狀況良好，性能穩(wěn)定，可以達到鍋爐效率保證值94.4%。鍋爐總圖如圖1所示。

　　1.2 燃燒系統(tǒng)

　　鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式(中間層錯層)，前墻3 層，后墻3 層，每層8只燃燒器，共48 只燃燒器。采用冷一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng)。每臺爐配6 臺中速磨煤機，每臺磨煤機對應一層燃燒器。鍋爐的后墻最下層(F層)8 只燃燒器為微油煤粉燃燒器，每臺燃燒器配置1 只微油油槍。微油點火系統(tǒng)由深圳東方鍋爐控制有限公司提供。微油點火系統(tǒng)包括：微油煤粉燃燒器、微油油槍、燃油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、助燃風及火檢系統(tǒng)、壁溫檢測系統(tǒng)、一次風測速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及冷爐制粉系統(tǒng)等。微油油槍包括油槍、點火槍、穩(wěn)燃罩等。

　　1.3 國家形勢

　　2016年11月7日，國家發(fā)改委、國家能源局正式發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016-2020年)》,《規(guī)劃》中重點任務明確加強調峰能力建設，提升系統(tǒng)靈活性。全面推動煤電機組靈活性改造，實施煤電機組調峰能力提升工程?！笆濉逼陂g，熱電機組和常規(guī)煤電靈活性改造規(guī)模分別達到1.33億千瓦和8600萬千瓦左右，落實全額保障性收購制度。加快能源技術創(chuàng)新，加快推動熱電機組儲熱改造和純凝機組靈活性改造，加大燃煤電站靈活性的改造力度，加大煤電調峰的能力，充分借鑒國內外火電靈活性改造相關經驗，推進該領域現(xiàn)有成熟技術與改造經驗工作，全面提高系統(tǒng)調峰和新能源消納能力。

　　1.4 電廠現(xiàn)狀

　　目前，萬州電廠鍋爐后墻F層對應的8只燃燒器為微油煤粉燃燒器，采用微油點火，運行狀況良好，取得了良好的節(jié)油效果。但鍋爐其它層煤粉燃燒器仍然采用常規(guī)大油槍點火，機組啟動過程，還存在投運較多大油槍、消耗較多燃油的情況，如：F磨故障導致無法采用微油點火時，需先投大油槍，當爐膛煙溫到達一定值時再投粉啟動鍋爐，此過程需要消耗大量的燃油;另外，即使鍋爐先采用F磨微油點火啟動，但在投第二臺磨時，由于鍋爐負荷較低而需投運該磨對應大油槍伴燒，也需要消耗較多的燃油。

　　此項目主要研究萬州電廠鍋爐啟動點火靈活性和可靠性技術改造，即將鍋爐前墻B層(中間層、較E層偏下)燃燒器也改為微油煤粉燃燒器，采用微油點火，實現(xiàn)用兩層微油點火啟動鍋爐，大大降低鍋爐啟動油耗，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經濟效益、環(huán)境效益和社會效益。單只大油槍出力是微油槍的13倍(單只微油槍出力100kg/h，燃燒器單只大油槍出力1300kg/h)，萬州地區(qū)機組啟停頻繁，每次冷態(tài)點火大油槍穩(wěn)燃按0.5h、8支估算，微油槍要比大油槍節(jié)油4.8噸，節(jié)約3.12萬元(柴油按每噸6500元計算);每年冷熱態(tài)啟動按20次冷態(tài)啟動折算，年節(jié)油96噸，節(jié)約62.4萬元。

　　微油點火技術是目前國內應用最為廣泛的節(jié)油點火技術，也是國家節(jié)能減排重點推廣點火技術。從我廠F磨使用情況來看，微油點火系統(tǒng)的各項性能指標都達到了設計要求。另外，國內也有采用兩層微油點火啟動鍋爐的案例，如：神華國華綏中發(fā)電有限責任公司一期2×800MW機組。由此可見，將鍋爐前墻B層燃燒器改為微油煤粉燃燒器，采用微油點火，技術上可行。

　　鍋爐啟動點火靈活性和可靠性技術改造是萬州電廠靈活性改造的第一步，后續(xù)將繼續(xù)研究改進低負荷(低煙溫)狀態(tài)下的脫硝投入問題。

　　2 國內外調研

　　2.1 業(yè)內情況

　　微油點火技術發(fā)展迅速，目前該技術已成功應用于貧煤、劣質煙煤、煙煤、褐煤和無煙煤等煤種;機組容量等級：50MW、100MW、125MW、200MW、300MW、500MW、600MW及1000MW;燃燒方式：切向燃燒直流燃燒器、墻式燃燒旋流燃燒器;制粉系統(tǒng)類型：鋼球磨中儲式、雙進雙出鋼球磨直吹式、中速磨直吹式和風扇磨直吹式制粉系統(tǒng)。 微油點火的節(jié)油效果針對煤種的不同及制粉系統(tǒng)方式的不同而有所區(qū)別，與傳統(tǒng)的點火與穩(wěn)燃方式相比，貧煤機組節(jié)油率在50%以上，煙煤機組可達90%甚至更高。該技術目前正以前所未有的速度得到推廣應用，應用規(guī)模不斷擴大。

　　2.2 國際情況

　　如果將目光轉向國際上的新能源典范，不難發(fā)現(xiàn)風電光伏的成就背后離不開包括煤電機組在內的調峰電源的支撐：德國已經成為歐洲新能源標桿之一，但其對煤電廠的需求反而比從前更加旺盛;丹麥因2015年風電發(fā)電量占總用電量的42%，一度引發(fā)業(yè)界的高度關注，但這一成就的背后是歐洲電網(wǎng)強大跨國電力交換能力。準確的說，是其鄰國水火調峰電源的保障?？梢哉f在目前的技術條件下，離開傳統(tǒng)電源談新能源，就如同在沙地上蓋樓一樣不甚可靠。因此對中國而言，在其他調峰電源供不應求的情況下，對現(xiàn)有煤電進行靈活性改造，是目前支撐新能源發(fā)電最有效的策略之一。

　　2.3 國內情況

　　事實上，煤電的靈活性改造與我國新能源發(fā)展不無關系。與新能源等電源相比，煤電具有較好的調峰性能。當煤電的規(guī)模被控制在一定范圍內時，煤電和新能源之間可形成協(xié)作關系，但當煤電規(guī)模超過一定閾值時，兩者之間就會發(fā)展成為競爭關系。這是由于，當新能源在電網(wǎng)中的比例逐漸擴大時，對調峰電源的需求也逐漸升高，而對于以煤炭為主要一次能源的國家而言，高調節(jié)性的煤電廠就成為了最為現(xiàn)實的可行選擇，而這也是為什么中國最近熱衷于煤電靈活性改造的原因。當煤電規(guī)模超過臨界值時，新能源的擴張不可避免地會帶來煤電發(fā)電小時數(shù)的下降，例如西北地區(qū)2015年的新能源裝機比例與火電發(fā)電小時數(shù)同比下降均超過了全國平均水平。

　　然而，如同能源富余而清潔的能源不足一樣，中國目前煤電富余而靈活的煤電不足。一般來講，煤電的運行靈活性包括調峰能力、爬坡速度、啟停時間等三個主要部分。與德國和丹麥兩大模范生相比，中國在這三個方面技術指標相對較低。例如在最缺乏的調峰能力上，丹麥煤電機組的冬季供熱期最小出力可以低至15%-20%，德國為25%-40%;中國則為60%-70%左右。未來存在很大的提升空間。

　　但是，對于長期擔負基荷的中國煤電廠而言，讓其從電量提供商轉型為服務提供商并非易事，這不僅意味著約60-120元/千瓦的改造費用、以及頻繁啟停機組所造成的設備加速折舊，更標志著發(fā)電小時數(shù)的下降。靈活性的改造固然可以借助行政手段，讓賬面數(shù)據(jù)像脫硝率一樣在短時間內實現(xiàn)爆發(fā)式的增長，但調峰輔助服務市場的建設與完善，應該是更為有效的手段——在完善的電力市場中，煤電的調峰電價可以達到常規(guī)時的數(shù)倍，如果其所帶來的收益可以抵消上述的一系列負面因素，很難想象會有企業(yè)拒絕這種程度的誘惑。正如丹麥的火電利用小時數(shù)雖然從調峰前的5000小時下降到了調峰后的2500~3000小時，但調峰收入仍然確保了其可以獲得合理的收益，這無疑是個水到渠成的過程，正如風電和太陽能在中國曾經的迅速起步一樣。

　　3 可行性研究

　　萬州電廠擬將鍋爐前墻B層的8只燃燒器更換為具有冷爐點火及低負荷穩(wěn)燃功能的微油煤粉燃燒器，同時增加相應的輔助系統(tǒng)(與后墻F層一樣)。鍋爐F層、B層螺旋段水冷壁不屬于同一管圈，可以避免F、B兩層微油點火同時投運造成的熱負荷偏聚。如圖2所示，鍋爐燃燒器前后墻對沖布置、中間層錯層(B層較F層低)。

　　微油點火燃燒器利用壓縮空氣的高速射流將燃油直接擊碎，霧化成超細油滴進行燃燒，同時用燃燒產生的熱量對燃料進行初期加熱、擴容、后期加熱，在極短的時間內完成油滴的蒸發(fā)氣化，使油槍在正常燃燒過程中直接燃燒氣體燃料，提高了燃燒效率及火焰溫度，從而使進入一次室的濃相煤粉顆粒溫度急劇升高、破裂粉碎，并釋放出大量的揮發(fā)分迅速著火燃燒，然后由已著火燃燒的濃相煤粉在二次室內與稀相煤粉混合并點燃稀相煤粉，燃燒能量逐級放大，達到點火并加速煤粉燃燒的目的，大幅度減少煤粉燃燒所需引燃能量，滿足了鍋爐啟、停及低負荷穩(wěn)燃的需求。

　　微油點火具有一定的穩(wěn)燃能力，煤粉中的揮發(fā)分在較低的截面熱負荷下易造成析出不穩(wěn)定，使得著火初期發(fā)生脈動性燃燒，隨時間的延續(xù)，燃燒惡化。小油槍的投入，為煤粉燃燒提供了較為穩(wěn)定、充足的可燃氣體，燃燒脈動就會消失。在低負荷需要投油穩(wěn)燃時，通過氣化小油槍的燃燒熱提供煤粉著火區(qū)所需的局部高溫、高熱源著火條件，并且遏制了煤粉著火隨負荷降低而產生的波動，保證了煤粉出口的著火穩(wěn)燃要求，形成一種穩(wěn)定的熱源，從而實現(xiàn)整個爐膛煤粉穩(wěn)燃要求的良性燃燒循環(huán)。

　　3.1 微油煤粉燃燒器

　　將鍋爐前墻B層8只煤粉燃燒器更換為裝有微油槍的內風膜式微油煤粉燃燒器，該燃燒器既有鍋爐啟停和低負荷穩(wěn)燃功能，又具有主燃燒器功能。微油煤粉燃燒器外形尺寸與鍋爐廠原設計燃燒器一致，在現(xiàn)場可直接推入燃燒器風箱安裝就位，且能方便地抽出進行檢修、維護。

　　微油煤粉燃燒器充分考慮設備的防磨防燒損，在燃燒器的后端、微油油槍燃燒筒組件、導流環(huán)等部件均外襯陶瓷片，防止燃燒器磨損;在燃燒器的前端、噴口、燃燒筒等部件均采用耐熱鑄鋼材料。另外，微油燃燒器采用先進的內風膜冷卻技術，避免燃燒器壁溫超過650℃，保證燃燒器不被燒損，從而保證燃燒器的使用壽命滿足一個大修期要求。

　　微油燃燒器能隨水冷壁一起膨脹，能夠膨脹自如且支撐、支吊合理、穩(wěn)固，不出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，且具有維修、更換方便的優(yōu)點。

　　3.2 微油油槍

　　每臺微油煤粉燃燒器配置1套微油槍組件，包括油槍、點火槍、穩(wěn)燃罩等，微油油槍軸向水平安裝于燃燒器的一次風管上，與燃燒器法蘭連接，采用壓縮空氣霧化。根據(jù)電廠煤質分析、經煤粉著火熱計算，得出油槍標準出力為100kg/h，調節(jié)范圍80-120kg/h，槍前油壓0.8-1.2MPa。微油油槍結構如圖3所示。

　　3.3 燃油系統(tǒng)

　　前墻B層微油燃油系統(tǒng)的來油引自鍋爐的燃油系統(tǒng)母管，根據(jù)現(xiàn)場位置，從距離最近操作平臺上的母管引出，接出前墻B層微油系統(tǒng)專用的油管路，最后通過金屬軟管將燃油從微油油管路引至油槍。

　　微油燃油管路上布置手動截止閥、氣動球閥和壓力表等。

　　3.4 壓縮空氣系統(tǒng)

　　壓縮空氣管道從鍋爐兩側儀用壓縮空氣母管接出，通過金屬軟管引至微油油槍。壓縮空氣用于微油油槍霧化及吹掃，壓力要求0.5-0.6MPa，單只微油油槍壓縮空氣用量為0.2Nm3/min。

　　壓縮空氣管路上布置手動球閥、氣動球閥和過濾減壓閥等。

　　3.5 助燃風系統(tǒng)

　　助燃風系統(tǒng)用于提供微油油槍燃燒所需的氧量，并在微油油槍停用階段對燃燒筒進行吹掃和冷卻。助燃風就近取自鍋爐冷一次風母管，單只油槍所需助燃風量<900m3/h，總風量<7200m3/h，壓力>1500Pa。

　　助燃風系統(tǒng)上安裝蝶閥及壓力表等，以滿足微油油槍點火的性能要求。

　　3.6 控制系統(tǒng)

　　微油點火系統(tǒng)的控制接入FSSS系統(tǒng)，提供微油點火的控制、保護邏輯，完成對鍋爐FSSS控制邏輯的部分修改，保證運行微油點火系統(tǒng)時鍋爐的安全，保證不危害正常運行的FSSS 功能，保證點火過程點火設備的安全。

　　微油點火系統(tǒng)的控制系統(tǒng)及相關保護滿足DCS的控制要求，在DCS中能實現(xiàn)對微油點火系統(tǒng)的操作、程序啟停、故障報警等功能，使整個系統(tǒng)可以達到方便、安全、穩(wěn)定的運行。

　　每2只微油煤粉燃燒器配置1臺就地點火控制柜，具備就地啟、停功能，并具有就地、遠方切換功能。

　　3.7 火檢系統(tǒng)

　　每只微油槍安裝1只微油光電火檢，火檢著火信號進入FSSS，確保微油槍著火后，再投入煤粉，保證點火過程的安全。光電火檢冷卻風壓力>3500Pa，單只光電火檢冷卻風量<25.5m3/h，總風量<204m3/h。

　　為監(jiān)視微油煤粉燃燒器的火焰情況，方便運行人員進行燃燒調整，在加裝的微油煤粉燃燒器上各安裝1套圖像火檢裝置。具體方案為在燃燒器后端面的窺視孔位置安裝一支圖像火檢探頭，探頭套管一直向前延伸到燃燒器前端面。探頭套管的前端內部安裝有CCD攝像機，其視頻信號送至集控室內畫面分割器，經處理后送一路到廠用閉路監(jiān)視系統(tǒng)，運行人員可在點火初期同時監(jiān)視每臺爐微油煤粉燃燒器的火焰。圖像火檢冷卻風壓力>3000Pa，單只光電火檢冷卻風量≤200m3/h，總風量≤1600m3/h。

　　以上火檢冷卻風由獨立的火檢風機提供(如火檢風機出力不夠，可不安裝圖像火檢)。

　　3.8 壁溫監(jiān)測系統(tǒng)

　　每只微油燃燒器上安裝2套K分度雙支熱電偶，熱電偶信號通過硬接線進入DCS系統(tǒng)，在DCS顯示燃燒器壁溫，并由DCS實現(xiàn)超溫報警功能。

　　3.9 一次風速測量系統(tǒng)

　　為便于監(jiān)測一次風管內的流速，保證微油點火的質量，微油層的送粉管道上加裝一次風風速在線監(jiān)測系統(tǒng)。以保證運行中的點火穩(wěn)定、并保證不會發(fā)生一次風風管堵粉、及著火點太近燒壞燃燒器的現(xiàn)象。一次風速信號接入DCS。

　　3.10 冷爐制粉系統(tǒng)

　　由于鍋爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，在鍋爐冷態(tài)啟動初期，為了得到磨制煤粉所需的熱一次風，在前墻B層對應的磨煤機入口熱一次風管旁路上布置冷爐制粉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用蒸汽換熱器加熱入口一次風。

　　該系統(tǒng)主要由蒸汽管路、蒸汽換熱器、疏水管路組成，蒸汽加熱器的汽源取自輔助蒸汽管道，出口風溫滿足磨煤機熱平衡計算后需要的入口溫度。

　　4 預期效果

　　4.1 增加鍋爐點火的靈活性和可靠性

　　當其中一臺磨微油點火系統(tǒng)因故不能投運時，可投另一臺磨對應的微油點火系統(tǒng)，增加微油點火系統(tǒng)的投用率，不投或少投大油槍。

　　4.2 節(jié)省機組運行油耗，提供經濟效益

　　前墻B層燃燒器微油點火系統(tǒng)改造后，可實現(xiàn)不需投運大油槍啟動鍋爐，節(jié)省大量燃油，經濟效益顯著，預計靜態(tài)回收期4.43年(每年節(jié)約62.4萬元，項目投入276.6萬元)。

　　4.3 全微油點火啟動鍋爐

　　可在點火初期就投入電除塵器，避免投大油槍冒黑煙的問題，也可以避免油煤混燒，影響空預器運行安全，具有顯著環(huán)境效益和社會效益。