鍋爐啟動點火靈活性和可靠性技術(shù)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(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)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(guān)鍵詞： 鍋爐 啟動 靈活性 可靠性 技術(shù)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(yùn)行直流爐，采用平衡通風(fēng)、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。設(shè)計及校核煤質(zhì)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(jī)組分別于2015年2月9日、9月18日通過168h試運(yùn)行。投運(yùn)至今，鍋爐運(yùn)行狀況良好，性能穩(wěn)定，可以達(dá)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(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)。每臺爐配6 臺中速磨煤機(jī)，每臺磨煤機(jī)對應(yīng)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(fēng)及火檢系統(tǒng)、壁溫檢測系統(tǒng)、一次風(fēng)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(wù)明確加強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)，提升系統(tǒng)靈活性。全面推動煤電機(jī)組靈活性改造，實施煤電機(jī)組調(diào)峰能力提升工程?！笆濉逼陂g，熱電機(jī)組和常規(guī)煤電靈活性改造規(guī)模分別達(dá)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(shù)創(chuàng)新，加快推動熱電機(jī)組儲熱改造和純凝機(jī)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(diào)峰的能力，充分借鑒國內(nèi)外火電靈活性改造相關(guān)經(jīng)驗，推進(jìn)該領(lǐng)域現(xiàn)有成熟技術(shù)與改造經(jīng)驗工作，全面提高系統(tǒng)調(diào)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(yīng)的8只燃燒器為微油煤粉燃燒器，采用微油點火，運(yùn)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(jī)組啟動過程，還存在投運(yùn)較多大油槍、消耗較多燃油的情況，如：F磨故障導(dǎo)致無法采用微油點火時，需先投大油槍，當(dāng)爐膛煙溫到達(dá)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(fù)荷較低而需投運(yùn)該磨對應(yīng)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(shù)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(jīng)濟(jì)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(jī)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(shù)是目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的節(jié)油點火技術(shù)，也是國家節(jié)能減排重點推廣點火技術(shù)。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(biāo)都達(dá)到了設(shè)計要求。另外，國內(nèi)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(zé)任公司一期2×800MW機(jī)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(shù)上可行。

　　鍋爐啟動點火靈活性和可靠性技術(shù)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(jìn)低負(fù)荷(低煙溫)狀態(tài)下的脫硝投入問題。

　　2 國內(nèi)外調(diào)研

　　2.1 業(yè)內(nèi)情況

　　微油點火技術(shù)發(fā)展迅速，目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于貧煤、劣質(zhì)煙煤、煙煤、褐煤和無煙煤等煤種;機(jī)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(jìn)雙出鋼球磨直吹式、中速磨直吹式和風(fēng)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(jī)組節(jié)油率在50%以上，煙煤機(jī)組可達(dá)90%甚至更高。該技術(shù)目前正以前所未有的速度得到推廣應(yīng)用，應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。

　　2.2 國際情況

　　如果將目光轉(zhuǎn)向國際上的新能源典范，不難發(fā)現(xiàn)風(fēng)電光伏的成就背后離不開包括煤電機(jī)組在內(nèi)的調(diào)峰電源的支撐：德國已經(jīng)成為歐洲新能源標(biāo)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(fēng)電發(fā)電量占總用電量的42%，一度引發(fā)業(yè)界的高度關(guān)注，但這一成就的背后是歐洲電網(wǎng)強(qiáng)大跨國電力交換能力。準(zhǔn)確的說，是其鄰國水火調(diào)峰電源的保障。可以說在目前的技術(shù)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(diào)峰電源供不應(yīng)求的情況下，對現(xiàn)有煤電進(jìn)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(nèi)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(guān)系。與新能源等電源相比，煤電具有較好的調(diào)峰性能。當(dāng)煤電的規(guī)模被控制在一定范圍內(nèi)時，煤電和新能源之間可形成協(xié)作關(guān)系，但當(dāng)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(guān)系。這是由于，當(dāng)新能源在電網(wǎng)中的比例逐漸擴(kuò)大時，對調(diào)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(diào)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(dāng)煤電規(guī)模超過臨界值時，新能源的擴(kuò)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(jī)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(yùn)行靈活性包括調(diào)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(shù)指標(biāo)相對較低。例如在最缺乏的調(diào)峰能力上，丹麥煤電機(jī)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(dān)負(fù)基荷的中國煤電廠而言，讓其從電量提供商轉(zhuǎn)型為服務(wù)提供商并非易事，這不僅意味著約60-120元/千瓦的改造費(fèi)用、以及頻繁啟停機(jī)組所造成的設(shè)備加速折舊，更標(biāo)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(nèi)實現(xiàn)爆發(fā)式的增長，但調(diào)峰輔助服務(wù)市場的建設(shè)與完善，應(yīng)該是更為有效的手段——在完善的電力市場中，煤電的調(diào)峰電價可以達(dá)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(fù)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(diào)峰前的5000小時下降到了調(diào)峰后的2500~3000小時，但調(diào)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(fēng)電和太陽能在中國曾經(jīng)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(fù)荷穩(wěn)燃功能的微油煤粉燃燒器，同時增加相應(yīng)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(yùn)造成的熱負(fù)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(xì)油滴進(jìn)行燃燒，同時用燃燒產(chǎn)生的熱量對燃料進(jìn)行初期加熱、擴(kuò)容、后期加熱，在極短的時間內(nèi)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(jìn)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(nèi)與稀相煤粉混合并點燃稀相煤粉，燃燒能量逐級放大，達(dá)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(fù)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(fù)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?xì)怏w，燃燒脈動就會消失。在低負(fù)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(fù)荷降低而產(chǎn)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(nèi)風(fēng)膜式微油煤粉燃燒器，該燃燒器既有鍋爐啟停和低負(fù)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(shè)計燃燒器一致，在現(xiàn)場可直接推入燃燒器風(fēng)箱安裝就位，且能方便地抽出進(jìn)行檢修、維護(hù)。

　　微油煤粉燃燒器充分考慮設(shè)備的防磨防燒損，在燃燒器的后端、微油油槍燃燒筒組件、導(dǎo)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(jìn)的內(nèi)風(fēng)膜冷卻技術(shù)，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(fēng)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(zhì)分析、經(jīng)煤粉著火熱計算，得出油槍標(biāo)準(zhǔn)出力為100kg/h，調(diào)節(jié)范圍80-120kg/h，槍前油壓0.8-1.2MPa。微油油槍結(jié)構(gòu)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(cè)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(fēng)系統(tǒng)

　　助燃風(fēng)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(jìn)行吹掃和冷卻。助燃風(fēng)就近取自鍋爐冷一次風(fēng)母管，單只油槍所需助燃風(fēng)量<900m3/h，總風(fēng)量<7200m3/h，壓力>1500Pa。

　　助燃風(fēng)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(hù)邏輯，完成對鍋爐FSSS控制邏輯的部分修改，保證運(yùn)行微油點火系統(tǒng)時鍋爐的安全，保證不危害正常運(yùn)行的FSSS 功能，保證點火過程點火設(shè)備的安全。

　　微油點火系統(tǒng)的控制系統(tǒng)及相關(guān)保護(hù)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(dá)到方便、安全、穩(wěn)定的運(yùn)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(yuǎn)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(jìn)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(fēng)壓力>3500Pa，單只光電火檢冷卻風(fēng)量<25.5m3/h，總風(fēng)量<204m3/h。

　　為監(jiān)視微油煤粉燃燒器的火焰情況，方便運(yùn)行人員進(jìn)行燃燒調(diào)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(nèi)部安裝有CCD攝像機(jī)，其視頻信號送至集控室內(nèi)畫面分割器，經(jīng)處理后送一路到廠用閉路監(jiān)視系統(tǒng)，運(yùn)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(fēng)壓力>3000Pa，單只光電火檢冷卻風(fēng)量≤200m3/h，總風(fēng)量≤1600m3/h。

　　以上火檢冷卻風(fēng)由獨(dú)立的火檢風(fēng)機(jī)提供(如火檢風(fēng)機(jī)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(jìn)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(fēng)速測量系統(tǒng)

　　為便于監(jiān)測一次風(fēng)管內(nèi)的流速，保證微油點火的質(zhì)量，微油層的送粉管道上加裝一次風(fēng)風(fēng)速在線監(jiān)測系統(tǒng)。以保證運(yùn)行中的點火穩(wěn)定、并保證不會發(fā)生一次風(fēng)風(fēng)管堵粉、及著火點太近燒壞燃燒器的現(xiàn)象。一次風(fēng)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(fēng)，在前墻B層對應(yīng)的磨煤機(jī)入口熱一次風(fēng)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(fēng)。

　　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(fēng)溫滿足磨煤機(jī)熱平衡計算后需要的入口溫度。

　　4 預(yù)期效果

　　4.1 增加鍋爐點火的靈活性和可靠性

　　當(dāng)其中一臺磨微油點火系統(tǒng)因故不能投運(yùn)時，可投另一臺磨對應(yīng)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(jī)組運(yùn)行油耗，提供經(jīng)濟(jì)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(yùn)大油槍啟動鍋爐，節(jié)省大量燃油，經(jīng)濟(jì)效益顯著，預(yù)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(yù)器運(yùn)行安全，具有顯著環(huán)境效益和社會效益。