等離子點火與微油點火的節能性分析

沙威孫國通周義剛薛澤海（天津市電力科學研究院天津市電力科技發展公司）

等離子點火與微油點火的節能性分析

沙威1孫國通2周義剛1薛澤海1
（1天津市電力科學研究院2天津市電力科技發展公司）

簡述等離子點火與微油點火技術的工作原理，從功能上和經濟上進行的對等離子和微油點火進行分析比較。

等離子點火；微油點火；節能降耗；經濟性

1 引言

我國的石油資源儲量有限，節約能源是基本國策。近年來，隨著等離子和微油點火技術的日趨發展，為減少新建火電機組及運行中鍋爐啟動以及低負荷用油節省了大量能源。為實現節能、減排的大目標奠定了基礎。

2 工作原理簡介

2.1 等離子的點火原理

利用直流電流（280A～350A），在介質氣壓0.01～0.03MPa條件下引弧，并在強磁場作用下獲得穩定功率的直流空氣等離子體，該等離子體在燃燒器的一次燃燒筒中形成溫度T>5000K梯度極大的局部高溫火核，煤粉顆粒在通過該等離子火核時受到高溫作用，并在10－3秒內迅速釋放揮發分并被破碎而再造揮發分，從而達到迅速燃燒，由于反應是在氣固兩相流中進行，混合物組分粒級發生變化，使煤粉燃燒速度加快，大幅度降低了促使煤粉燃燒所需的能量，實現了利用小能量點燃煤粉的目的。

等離子發生器為磁穩等離子空氣載體發生器，它有線圈、陰極、陽極組成，其拉弧原理為:在一定輸出電流條件下，當中心陰極同陽極發生接觸后，系統具有接短路能力且電流恒定不變，當陰極離開陽極時產生電弧，電弧在線圈磁力作用下拉出噴管外部，一定壓力的空氣在電弧作用下，被電離為高溫等離子體（能量密度高達105W/cm2），為點燃煤粉創造了良好條件。

圖1 等離子發生器工作原理圖

2.2 微油點火的工作原理

利用機械霧化將燃料油擠壓、撕裂、破碎，產生超細油滴后通過高能點火器引燃，同時巧妙地利用高強度的燃燒室，使燃油在氣化狀態下燃燒，可以大大提高燃油火焰溫度，并急劇縮短燃燒時間。氣化燃燒后的火焰，見圖2。氣化后的火焰傳播速度快、火焰呈藍色，中心溫度高達1500～2000℃，可作為高溫火核在煤粉燃燒器內直接點燃一級煤粉，從而實現電站鍋爐啟動、停止以及低負荷穩燃。壓縮空氣主要用于點火時實現燃油霧化、正常燃燒時加速燃油氣化及補充前期燃燒需要的氧量；壓力冷風主要用于補充后期加速燃燒所需的氧量。

3 等離子和微油點火的系統組成及運行特點

3.1 等離子點火的系統組成

等離子體點火燃燒器、等離子體發生器、等離子體電源及控制系統、暖風器系統、風粉在線檢測系統、壓縮空氣系統、冷卻風機、循環冷卻水系統以及火焰檢測等系統構成

圖2 微油小油槍燃燒火焰圖

3.2 微油點火的系統組成

系統構成：由燃油系統、煤粉燃燒器系統、控制系統、暖風器系統、輔助系統等部分組成。輔助系統包括一次風速在線監測、燃燒器壁溫監測、圖像火焰監測、助燃風等系統構成。

3.3 系統運行穩定性

等離子點火技術比較成熟，從機組試運過程來看，冷卻風機和水泵運行比較穩定，易損部件主要是陰極和陽極，一般陰極的壽命在100h左右，陽極的壽命在500～1000h之間，根據拉弧時間的長短，制造廠設計了陰陽極壽命監測裝置，可作為更換時的參考，但因陰極的壽命相對較短，等離子裝置使用期間，運行維護人員必須加強監視和維護，以提高運行穩定性。

微油點火技術最常見的故障是小油槍堵塞造成滅火。對于煙煤由于油槍出力低，霧化裝置孔徑較小，油管路稍有雜物即造成堵塞，造成燃燒器滅火，威脅點火的安全。因此，氣化微油點火技術關鍵在于油管路的施工工藝，必須用氬弧焊打底，電焊蓋面，油管路必須用蒸汽吹掃以后才能充油，有的工程安裝過程沒有認真對待，造成小油槍斷油。小油槍主要的維護工作在于濾網和油槍頭的清理，必須保證油的質量、管道干凈，根據濾網壓差的情況定期做一下清理，才能保證投入。在注意微油系統的同時，還要保證整個油系統的運行穩定。

4 等離子點火與微油點火的環保效果

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鍋爐電除塵器的電極，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。據統計，300～399MW機組每次啟停煙塵排放平均為42噸。如果機組采用沒有旁路的煙氣脫硫系統，點火初期的粉塵會污染吸收塔漿液。當然雖然投入電除塵器但未完全燃燒煤粉不可能全部收集，吸收塔漿液還是有一定的污染可能，根據運行情況需進行漿液部分置換。

在機組試運期間投入等離子或微油點火系統，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 等離子和微油點火的經濟性比較

等離子和微油點火經濟的性比較，主要從初投資與運行和維護成本、節約費用等方面進行分析與比較。為了便于比較，全部按燃用煙煤的300MW機組鍋爐進行對比。

目前一臺爐四個等離子點火系統的價格約400萬元左右，采用的微油點火技術與等離子系統功能相當，成本約200萬元左右（如果考慮整個油系統，那么投資較大）。

5.1 基建機組費用

對于燃用易燃煤種的電廠，目前使用等離子點火啟動過程中，很多電廠可以做到100%節油，而使用氣化微油點火技術節油率也可以達到90%以上。兩種技術的低負荷穩燃能力都比較強，盡管在一些故障情況下仍需投入油槍，但節油效果依然非常明顯。

基建機組在試運期間要經過鍋爐吹管、整定安全閥、汽機沖轉、機組并網、電氣試驗、鍋爐洗硅運行、機組帶大負荷運行等許多階段，隨著機組整體設計、制造、安裝和調試水平的提高，調試用油也逐年下降，國電公司規定新建機組調試期間用油為4500～6000t。基建調試過程中等離子點火基本可以做到100%的節油率。微油點火的節油率也達到90%以上，現按照每臺機組節約燃油5000噸進行經濟效益分析。

注：燃油價格按7000元/t計算；原煤價格850元/t計算；電價格為0.4元/kW·h；燃油的低位發熱量為41.8MJ/kg；燃煤的低位發熱量20.9MJ/kg；制粉單耗：20 kW·h/t

按常規方法試運所需燃油耗費計算：

燃油消耗：5000t

燃油耗費：5000×7000=3500萬元

*等離子點火

原煤消耗（按發熱量相等的原則）：5000×41.8／20.9＝10000噸

所需的原煤費用：10000×850＝850萬元

等離子燃燒器耗電：20 kW·h/t

耗電費用：10000×(20+20)×0.4=16萬元

燃煤的總成本為850＋16＝866萬元

節省費用：3500－400－866＝2234萬元

*微油點火

微油點火技術燃油神華煤的節油率在90%以上，天津某電廠新建350MW機組，采用微油點火技術，建設期共耗油200噸。

燃油費用為：150×7000=105萬元

原煤消耗:4850×41.8／20.9=9700噸

原煤費用：9700×850=825萬元

耗電費用：9700×20×0.4=7.8萬元

節省費用：3500-200-105-825-7.8=2362.2萬元

5.2 機組投產后運行費用

*等離子點火：

單只等離子功率為110 kW·h/臺，共4臺

等離子耗電量費用：110×4×0.4=176元/h

其它輔助設備電耗：50 kW·h

其它輔助設備電耗費用：50×0.4＝20元

等離子點火系統運行費用：176＋20＝196元

按等離子點火年工作100小時計算,等離子點火器運行費用為19600元/年，冷卻水泵和風機功率共35kW，需隨機組運行，按利用小時5500h/a計算，除去等離子使用時間100h后，等離子備用運行費用為：35×5400×0.4＝75600元/a。

等離子運行費用為：19600＋75600＝95200元/年

*微油小油槍點火運行費用

單只微油小油槍出力為90 kg/h，共4臺

耗油費用：90×4×7=2520元

微油小油槍每小時運行總計費用：2520元

按微油小油槍每年工作100小時計算,微油小油槍運行費用為252000元/年。

5.3 維護費用

*等離子點火維護費用：

等離子發生器工作100小時更換陰極頭，共四個，成本1000元／個。工作500小時更換陽極頭，共四個，成本4000元／個。按等離子點火每年工作100小時計算,等離子點火器維護成本為約4000元/年。

等離子燃燒器的設計壽命一般為一個大修期，約5年，損壞的原因主要是磨損和燒損，每只的費用約10萬元，四只共40萬元，平均成本80000元/a。

因此，等離子燃燒器的年平均維護成本為：84000元/a。

*小油槍維護費用：

小油槍的日常維護費用很低，可忽略不計，小油槍燃燒器的設計壽命和單價與等離子接近，平均成本也為80000元/年。

5.4 等離子與微油點火經濟性對比

?

6 結論

等離子和微油點火的技術都已經比較成熟，在機組啟動時節約能源都有明顯的作用。綜合比較，等離子和微油點火都可以作為機組啟動的點火手段，視電廠的具體情況來確定。因此，對新建或擴建機組有以下建議：

6.1 對于原來有油系統的電廠，建議使用微油點火系統，加裝微油點火系統可以大大降低投入費用，經濟性效益明顯。

6.2 對于新建電廠，建議使用等離子點火系統，可以取消整個油系統，建設成本可大幅降低，為了運行安全穩定，設計至少兩套等離子點火系統，來保證系統的持續穩定，實現無油點火。

[1]邊疆、薛澤海，等離子點火技術在天津華能楊電四期工程應用的經濟性分析.天津市電力學會第十四界學術年會優秀論文集，2008年10月

[2]等離子點火與微油點火的應用.北極星電力論壇.2009

[3]天津某2×300機組，等離子點火裝置的技術協議

[4]天津某2×350機組，微油點火裝置的技術協議