等離子點火裝置配套改造與效益分析

馮培峰，王林，劉曉莎

(1.京能十堰熱電有限公司，湖北 十堰 442000；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國原油進口量持續增加，火電行業的耗油量越來越受到關注。電站鍋爐啟動過程中需投用燃油點火，顯著增加了電力企業的發電成本[1]。減少機組鍋爐點火用油，能夠提高鍋爐啟停過程的安全性[2]，保護環保設備免受燃油污染[3]。等離子點火技術利用強磁場控制下獲得的穩定功率的空氣等離子體去點燃具有一定揮發分的煤粉[4]，點火過程無燃油消耗[5-6]，大大提高了燃燒過程的經濟性[7-8]。等離子點火裝置的技術特點要求點火初期磨煤機給煤量維持在較低值，通常情況下該值會低于磨煤機的最小額定出力，這將會引發磨煤機顯著振動，嚴重影響設備的安全運行。如何解決等離子點火裝置所需的小煤量與磨煤機極小出力下劇烈振動的問題，是充分發揮等離子點火裝置節油優勢、實現等離子點火技術可靠應用的關鍵。

某電廠2×350 MW超臨界熱電聯產工程，鍋爐燃燒器采用前后墻對沖布置，底層各燃燒器安裝有等離子點火裝置，前后墻共布置8只。為解決等離子點火裝置初期投用時磨煤機振動大的問題，對磨煤機實施了變頻改造。實際運行結果表明，等離子點火裝置拉弧穩定，磨煤機振動降低至正常范圍，改造取得了較好的效果。磨煤機加裝變頻器作為等離子點火裝置的配套改造，充分發揮了設備節油優勢，產生了顯著的環保和經濟效益。

1 等離子點火系統簡介

該機組采用了THPI-300/600-01型等離子發生器，以壓縮空氣等離子體為熱源，直接點燃煤粉，實現鍋爐無油冷態啟動。

1.1 等離子點火系統組成

等離子點火系統主要由等離子體發生器、等離子點火燃燒器組成，輔助系統包括壓縮空氣系統、冷卻水系統、供配電系統、圖像火檢系統、一次風速在線檢測系統、控制系統和冷爐制粉系統等。等離子點火系統組成如圖1所示。

圖1 離子點火系統組成示意

THPI-300/600-01型等離子體發生器由陰極、陽極、前進氣室、后進氣室、引弧裝置、開關電源、冷卻水腔等組成，功率在140～200 kW范圍內連續可調。等離子體發生器使用雙路載體風來產生高溫等離子體，內部采用同軸雙氣室結構，陽極和陰極在工作時固定不動，其間距保持恒定。在陰、陽電極間加穩定的大電流，將電極空心筒體中的壓縮空氣電離形成具有高溫導電特性的等離子體。前進氣室進來的壓縮空氣將等離子體壓縮，并由后進氣室進來的壓縮空氣將等離子體吹出陽極筒體，形成連續穩定的高溫等離子體流，可將煤粉直接點燃。壓縮空氣系統負責提供潔凈、干燥、壓力穩定的壓縮空氣，作為等離子體流的載體。等離子體發生器的陽極、陰極和線圈工作在高溫環境，其冷卻水由電廠閉式水供應。

1.2 等離子點火技術的特點

等離子點火燃燒器點火能量有限，通過特殊的燃燒器，先由等離子點火器點燃最內層少量濃縮煤粉，再由燃燒的濃縮煤粉點燃中間層濃縮煤粉，最后由燃燒的中間層煤粉點燃整個燃燒器煤粉，所以等離子點火系統不能像大油槍一樣單獨運行，必須和煤粉燃燒器同時投運。

1.3 等離子點火裝置的適應性

煙煤是采用等離子點火系統最理想的煤種，當煤質參數變化時，應采取調整煤粉細度，煤粉濃度，一、二次風速，風粉混合物溫度及加大等離子體發生器的功率等措施來提高等離子技術的適應性。

2 等離子點火存在的問題及解決辦法

等離子點火的特點決定等離子點火系統必須和磨煤機同時運行，超(超)臨界機組點火初期升溫升壓速度不能過快，所以給煤量不能過大，但是中速磨煤機若出力太小將會產生巨大的振動，一般最小出力不小于額定出力的25%。在點爐初期，過多的煤粉會帶來過快的升溫升壓速度，引起超(超)臨界機組高溫受熱面氧化皮脫落，最終導致受熱面堵塞、超溫爆管。

2.1 等離子點火存在的問題

鍋爐點火初期的煤粉量受鍋爐初始燃燒率和磨煤機最小出力兩個因素影響。

超臨界機組點火初期必須嚴格控制升溫升壓速度，以免受熱面內氧化皮脫落，對鍋爐造成危害。根據經驗數據，鍋爐初始燃燒率為額定負荷時的5%左右，根據350 MW超臨界機組滿負荷時總煤量約160 t/h、冷爐點火初期燃盡率85%計算，機組啟動時的燃煤量不能超過9.4 t/h。

磨煤機的最小出力直接反映鍋爐啟動時的輸入熱量，最小出力大于鍋爐初始燃燒率時，鍋爐的溫升速率會提高，如350 MW超臨界機組鍋爐配套的北京電力設備總廠ZGM95N-II型磨煤機燃用煙煤時設計最大出力為51.78 t/h，最小出力一般為最大出力的25%，即12.95 t/h，大于鍋爐初始燃燒率，導致采用純等離子點火的鍋爐操作困難。磨煤機的最小出力受到磨煤機類型、干燥、研磨、通風、基本出力、磨煤機振動等因素制約，但主要影響因素是振動，因此，如何減小磨煤機在最小額定出力下的振動，是實現磨煤機與等離子點火裝置有效匹配的關鍵。

2.2 現有解決辦法分析

目前，等離子點火及其穩燃技術已應用于燃用貧煤、煙煤的機組，越來越多的新建電廠直接設計為等離子點火系統，已建成的電廠則將傳統的燃油系統改造為等離子點火系統。等離子點火技術的代表性應用有：國電肇慶熱電有限公司2×350 MW機組、內蒙古東勝熱電有限公司2×330 MW機組、國電康平發電廠2×600 MW機組等直接設計等離子點火系統；河曲電廠2×600 MW機組將燃油系統改造為等離子點火系統。上述采用純等離子點火的電廠，為了防止點火初期給煤量過小而引起磨煤機劇烈振動，采取了兩種措施：臨時措施是在點爐初期給變加載裝置拉桿加裝墊片，達到改變鋪煤量、減小振動的目的；永久措施是對磨煤機進行改造，加裝動態分離器，通過調整動態分離器調整回粉量來降低磨煤機出力，達到降低點火初期磨煤機最小出力的目的。上述改造方法存在以下缺點：加裝墊片需在停磨情況下拆開液壓拉桿保護罩進行，操作較為復雜，工藝要求高；加裝動態分離器成本較高，投入產出比難以評估。

2.3 磨煤機電機變頻化改造

變頻器在電廠轉機設備中得到了廣泛應用，但在磨煤機上使用不多。電動機采用變頻調速后，可增大轉速調節范圍，減少耗電量，電機能夠做到低電流平緩啟動，大大提升設備的使用效能。經過現場調研和試驗分析，決定在磨煤機電機上加裝變頻器。在點火初期，保持磨煤機的最小鋪煤量不變，利用變頻器將磨煤機電機頻率由50 Hz調整到40 Hz，磨煤機經減速機后轉速降至27 r/min，實際制粉量降低至額定出力時的15%，已經低于磨煤機的最小額定出力。由于鋪煤量沒有發生變化，所以磨煤機磨盤上的煤層厚度得到保障，故磨輥與磨盤間不發生顯著振動，磨煤機得以平穩運行。磨煤機電機的變頻化改造，有效解決了等離子點火裝置要求降低磨煤機出力至15%額定負荷，而磨煤機會發生嚴重振動的問題。

2.4 磨煤機電機變頻化改造需注意的問題

磨煤機電機加裝變頻器無形中給磨煤機增加了一個故障點，如果變頻器故障則磨煤機需停止運行，為了保證變頻器故障時磨煤機還可以繼續運行，變頻器需要加裝旁路系統。通常情況下優先選用手動旁路，原因是自動旁路開關系統復雜，故障點多，故障率高，同時還有設備成本高昂、占地面積大等原因。

2.5 加裝變頻器帶來的經濟效益

某電廠350 MW機組磨煤機變頻改造后，等離子點火裝置運行平穩，磨煤機振動在正常范圍內。在鍋爐點火初期，變頻驅動的磨煤機能夠明顯降低最小出力，大大減輕磨煤機振動，還能在機組調峰低負荷運行時降低磨煤機的制粉電耗，最終達到節能降耗、提高鍋爐效率的目的。

3 等離子技術綜合效益分析

磨煤機經過變頻化改造后，能夠更好地適應等離子點火裝置對煤量的要求，提升點火及穩燃系統的整體使用效能，進而實現冷爐無油啟動與無油低負荷穩燃。

3.1 環保效益

在鍋爐點火及低負荷穩燃階段，由于電除塵器無法投入運行，煙氣中粉塵量大，對環境造成較大污染。此時投用等離子點火裝置，既可避免污油滴引起的尾部煙道二次燃燒，又可保護環保設備，避免油霧污染電除塵器極板。當排煙達到一定的溫度時，即可較早投用電除塵器，減少飛灰排放，減輕灰粒對引風機葉片的磨損，給電廠帶來顯著的環保效益。

3.2 經濟效益

等離子點火系統進行磨煤機變頻化改造后，與常規微油點火系統相比，調試工期縮短，施工項目及工作量減少。從初投資、運行成本、節約費用等方面對兩者的經濟性進行比較，以某電廠350 MW機組為例，對比計算了設備投資、調試期間費用及正常運行期間費用，見表1。

表1 設備投資情況 萬元

從表1可知，微油點火系統的投資包括燃油系統接入、油管油槍配套、吹掃及消防附屬設備等，經實際統計，微油點火系統總投資為496.7萬元，比安裝等離子系統節約43.3萬元。

調試期間，鍋爐的平均運行時間為408 h，正常運行期間每年投用等離子的時間為150 h，不考慮燃煤成本，調試期間的各項成本對比見表2，正常運行期間的各項成本對比見表3。

表2 調試期間成本對比 萬元

從表2可知，調試期間等離子點火的運行成本較微油系統節約169.4萬元；從表3可知，正常運行期間，等離子點火比微油系統每年節省84.2萬元。

表3 正常運行期間成本對比 萬元

綜上所述，電廠采用等離子點火技術，其基建投資較微油系統高43.3萬元，但調試和正常運行的綜合運維成本較微油系統低253.3萬元。等離子點火技術無油庫建設投資，減少了燃油運輸費用并簡化了消防設施投資，有利于電廠降低成本，提高電廠的經濟效益。

4 結束語

為了更好地適應等離子點火技術對煤量的要求，進一步降低磨煤機出力至最小額定出力以下，同時確保磨煤機不發生明顯振動，提出了磨煤機變頻化改造的技術方案。改造后，等離子點火裝置穩定性顯著提高，磨煤機運行安全平穩，實際應用效果良好，有利于降低運行成本，環保和經濟效益良好。

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