锅炉启动点火灵活性和可靠性技术改造可行性研究

　　摘要：万州电厂锅炉启动仅为F层微油点火，为提高启动点火的灵活性和可靠性，研究将B层燃烧器大油枪改为微油枪， F层、B层微油枪启动点火互为备用，提高启动可靠性。节省大量燃油，产生显著经济效益;避免投大油枪冒黑烟问题，具有显著环境效益和社会效益。

　　关键词： 锅炉 启动 灵活性 可靠性 技术改造 可行性研究

　　1 项目提出的背景

　　1.1 锅炉概况

　　万州电厂锅炉型号：DG3035/29.3-Ⅱ3 型。锅炉为提升参数后的超超临界参数、一次中间再热变压运行直流炉，采用平衡通风、单炉膛、前后墙对冲燃烧方式、固态排渣、露天布置、全钢构架悬吊结构Π型锅炉。设计及校核煤质1 为宁东煤，校核2 煤源为神华锦界煤。锅炉点火方式：少油点火装置，燃油采用0 号轻柴油。万州电厂一、二号机组分别于2015年2月9日、9月18日通过168h试运行。投运至今，锅炉运行状况良好，性能稳定，可以达到锅炉效率保证值94.4%。锅炉总图如图1所示。

　　1.2 燃烧系统

　　锅炉采用前后墙对冲燃烧方式(中间层错层)，前墙3 层，后墙3 层，每层8只燃烧器，共48 只燃烧器。采用冷一次风正压直吹式制粉系统。每台炉配6 台中速磨煤机，每台磨煤机对应一层燃烧器。锅炉的后墙最下层(F层)8 只燃烧器为微油煤粉燃烧器，每台燃烧器配置1 只微油油枪。微油点火系统由深圳东方锅炉控制有限公司提供。微油点火系统包括：微油煤粉燃烧器、微油油枪、燃油系统、压缩空气系统、助燃风及火检系统、壁温检测系统、一次风测速系统、控制系统及冷炉制粉系统等。微油油枪包括油枪、点火枪、稳燃罩等。

　　1.3 国家形势

　　2016年11月7日，国家发改委、国家能源局正式发布《电力发展“十三五”规划(2016-2020年)》,《规划》中重点任务明确加强调峰能力建设，提升系统灵活性。全面推动煤电机组灵活性改造，实施煤电机组调峰能力提升工程。“十三五”期间，热电机组和常规煤电灵活性改造规模分别达到1.33亿千瓦和8600万千瓦左右，落实全额保障性收购制度。加快能源技术创新，加快推动热电机组储热改造和纯凝机组灵活性改造，加大燃煤电站灵活性的改造力度，加大煤电调峰的能力，充分借鉴国内外火电灵活性改造相关经验，推进该领域现有成熟技术与改造经验工作，全面提高系统调峰和新能源消纳能力。

　　1.4 电厂现状

　　目前，万州电厂锅炉后墙F层对应的8只燃烧器为微油煤粉燃烧器，采用微油点火，运行状况良好，取得了良好的节油效果。但锅炉其它层煤粉燃烧器仍然采用常规大油枪点火，机组启动过程，还存在投运较多大油枪、消耗较多燃油的情况，如：F磨故障导致无法采用微油点火时，需先投大油枪，当炉膛烟温到达一定值时再投粉启动锅炉，此过程需要消耗大量的燃油;另外，即使锅炉先采用F磨微油点火启动，但在投第二台磨时，由于锅炉负荷较低而需投运该磨对应大油枪伴烧，也需要消耗较多的燃油。

　　此项目主要研究万州电厂锅炉启动点火灵活性和可靠性技术改造，即将锅炉前墙B层(中间层、较E层偏下)燃烧器也改为微油煤粉燃烧器，采用微油点火，实现用两层微油点火启动锅炉，大大降低锅炉启动油耗，为企业创造良好的经济效益、环境效益和社会效益。单只大油枪出力是微油枪的13倍(单只微油枪出力100kg/h，燃烧器单只大油枪出力1300kg/h)，万州地区机组启停频繁，每次冷态点火大油枪稳燃按0.5h、8支估算，微油枪要比大油枪节油4.8吨，节约3.12万元(柴油按每吨6500元计算);每年冷热态启动按20次冷态启动折算，年节油96吨，节约62.4万元。

　　微油点火技术是目前国内应用最为广泛的节油点火技术，也是国家节能减排重点推广点火技术。从我厂F磨使用情况来看，微油点火系统的各项性能指标都达到了设计要求。另外，国内也有采用两层微油点火启动锅炉的案例，如：神华国华绥中发电有限责任公司一期2×800MW机组。由此可见，将锅炉前墙B层燃烧器改为微油煤粉燃烧器，采用微油点火，技术上可行。

　　锅炉启动点火灵活性和可靠性技术改造是万州电厂灵活性改造的第一步，后续将继续研究改进低负荷(低烟温)状态下的脱硝投入问题。

　　2 国内外调研

　　2.1 业内情况

　　微油点火技术发展迅速，目前该技术已成功应用于贫煤、劣质烟煤、烟煤、褐煤和无烟煤等煤种;机组容量等级：50MW、100MW、125MW、200MW、300MW、500MW、600MW及1000MW;燃烧方式：切向燃烧直流燃烧器、墙式燃烧旋流燃烧器;制粉系统类型：钢球磨中储式、双进双出钢球磨直吹式、中速磨直吹式和风扇磨直吹式制粉系统。 微油点火的节油效果针对煤种的不同及制粉系统方式的不同而有所区别，与传统的点火与稳燃方式相比，贫煤机组节油率在50%以上，烟煤机组可达90%甚至更高。该技术目前正以前所未有的速度得到推广应用，应用规模不断扩大。

　　2.2 国际情况

　　如果将目光转向国际上的新能源典范，不难发现风电光伏的成就背后离不开包括煤电机组在内的调峰电源的支撑：德国已经成为欧洲新能源标杆之一，但其对煤电厂的需求反而比从前更加旺盛;丹麦因2015年风电发电量占总用电量的42%，一度引发业界的高度关注，但这一成就的背后是欧洲电网强大跨国电力交换能力。准确的说，是其邻国水火调峰电源的保障。可以说在目前的技术条件下，离开传统电源谈新能源，就如同在沙地上盖楼一样不甚可靠。因此对中国而言，在其他调峰电源供不应求的情况下，对现有煤电进行灵活性改造，是目前支撑新能源发电最有效的策略之一。

　　2.3 国内情况

　　事实上，煤电的灵活性改造与我国新能源发展不无关系。与新能源等电源相比，煤电具有较好的调峰性能。当煤电的规模被控制在一定范围内时，煤电和新能源之间可形成协作关系，但当煤电规模超过一定阈值时，两者之间就会发展成为竞争关系。这是由于，当新能源在电网中的比例逐渐扩大时，对调峰电源的需求也逐渐升高，而对于以煤炭为主要一次能源的国家而言，高调节性的煤电厂就成为了最为现实的可行选择，而这也是为什么中国最近热衷于煤电灵活性改造的原因。当煤电规模超过临界值时，新能源的扩张不可避免地会带来煤电发电小时数的下降，例如西北地区2015年的新能源装机比例与火电发电小时数同比下降均超过了全国平均水平。

　　然而，如同能源富余而清洁的能源不足一样，中国目前煤电富余而灵活的煤电不足。一般来讲，煤电的运行灵活性包括调峰能力、爬坡速度、启停时间等三个主要部分。与德国和丹麦两大模范生相比，中国在这三个方面技术指标相对较低。例如在最缺乏的调峰能力上，丹麦煤电机组的冬季供热期最小出力可以低至15%-20%，德国为25%-40%;中国则为60%-70%左右。未来存在很大的提升空间。

　　但是，对于长期担负基荷的中国煤电厂而言，让其从电量提供商转型为服务提供商并非易事，这不仅意味着约60-120元/千瓦的改造费用、以及频繁启停机组所造成的设备加速折旧，更标志着发电小时数的下降。灵活性的改造固然可以借助行政手段，让账面数据像脱硝率一样在短时间内实现爆发式的增长，但调峰辅助服务市场的建设与完善，应该是更为有效的手段——在完善的电力市场中，煤电的调峰电价可以达到常规时的数倍，如果其所带来的收益可以抵消上述的一系列负面因素，很难想象会有企业拒绝这种程度的诱惑。正如丹麦的火电利用小时数虽然从调峰前的5000小时下降到了调峰后的2500~3000小时，但调峰收入仍然确保了其可以获得合理的收益，这无疑是个水到渠成的过程，正如风电和太阳能在中国曾经的迅速起步一样。

　　3 可行性研究

　　万州电厂拟将锅炉前墙B层的8只燃烧器更换为具有冷炉点火及低负荷稳燃功能的微油煤粉燃烧器，同时增加相应的辅助系统(与后墙F层一样)。锅炉F层、B层螺旋段水冷壁不属于同一管圈，可以避免F、B两层微油点火同时投运造成的热负荷偏聚。如图2所示，锅炉燃烧器前后墙对冲布置、中间层错层(B层较F层低)。

　　微油点火燃烧器利用压缩空气的高速射流将燃油直接击碎，雾化成超细油滴进行燃烧，同时用燃烧产生的热量对燃料进行初期加热、扩容、后期加热，在极短的时间内完成油滴的蒸发气化，使油枪在正常燃烧过程中直接燃烧气体燃料，提高了燃烧效率及火焰温度，从而使进入一次室的浓相煤粉颗粒温度急剧升高、破裂粉碎，并释放出大量的挥发分迅速着火燃烧，然后由已着火燃烧的浓相煤粉在二次室内与稀相煤粉混合并点燃稀相煤粉，燃烧能量逐级放大，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大幅度减少煤粉燃烧所需引燃能量，满足了锅炉启、停及低负荷稳燃的需求。

　　微油点火具有一定的稳燃能力，煤粉中的挥发分在较低的截面热负荷下易造成析出不稳定，使得着火初期发生脉动性燃烧，随时间的延续，燃烧恶化。小油枪的投入，为煤粉燃烧提供了较为稳定、充足的可燃气体，燃烧脉动就会消失。在低负荷需要投油稳燃时，通过气化小油枪的燃烧热提供煤粉着火区所需的局部高温、高热源着火条件，并且遏制了煤粉着火随负荷降低而产生的波动，保证了煤粉出口的着火稳燃要求，形成一种稳定的热源，从而实现整个炉膛煤粉稳燃要求的良性燃烧循环。

　　3.1 微油煤粉燃烧器

　　将锅炉前墙B层8只煤粉燃烧器更换为装有微油枪的内风膜式微油煤粉燃烧器，该燃烧器既有锅炉启停和低负荷稳燃功能，又具有主燃烧器功能。微油煤粉燃烧器外形尺寸与锅炉厂原设计燃烧器一致，在现场可直接推入燃烧器风箱安装就位，且能方便地抽出进行检修、维护。

　　微油煤粉燃烧器充分考虑设备的防磨防烧损，在燃烧器的后端、微油油枪燃烧筒组件、导流环等部件均外衬陶瓷片，防止燃烧器磨损;在燃烧器的前端、喷口、燃烧筒等部件均采用耐热铸钢材料。另外，微油燃烧器采用先进的内风膜冷却技术，避免燃烧器壁温超过650℃，保证燃烧器不被烧损，从而保证燃烧器的使用寿命满足一个大修期要求。

　　微油燃烧器能随水冷壁一起膨胀，能够膨胀自如且支撑、支吊合理、稳固，不出现卡涩现象，且具有维修、更换方便的优点。

　　3.2 微油油枪

　　每台微油煤粉燃烧器配置1套微油枪组件，包括油枪、点火枪、稳燃罩等，微油油枪轴向水平安装于燃烧器的一次风管上，与燃烧器法兰连接，采用压缩空气雾化。根据电厂煤质分析、经煤粉着火热计算，得出油枪标准出力为100kg/h，调节范围80-120kg/h，枪前油压0.8-1.2MPa。微油油枪结构如图3所示。

　　3.3 燃油系统

　　前墙B层微油燃油系统的来油引自锅炉的燃油系统母管，根据现场位置，从距离最近操作平台上的母管引出，接出前墙B层微油系统专用的油管路，最后通过金属软管将燃油从微油油管路引至油枪。

　　微油燃油管路上布置手动截止阀、气动球阀和压力表等。

　　3.4 压缩空气系统

　　压缩空气管道从锅炉两侧仪用压缩空气母管接出，通过金属软管引至微油油枪。压缩空气用于微油油枪雾化及吹扫，压力要求0.5-0.6MPa，单只微油油枪压缩空气用量为0.2Nm3/min。

　　压缩空气管路上布置手动球阀、气动球阀和过滤减压阀等。

　　3.5 助燃风系统

　　助燃风系统用于提供微油油枪燃烧所需的氧量，并在微油油枪停用阶段对燃烧筒进行吹扫和冷却。助燃风就近取自锅炉冷一次风母管，单只油枪所需助燃风量<900m3/h，总风量<7200m3/h，压力>1500Pa。

　　助燃风系统上安装蝶阀及压力表等，以满足微油油枪点火的性能要求。

　　3.6 控制系统

　　微油点火系统的控制接入FSSS系统，提供微油点火的控制、保护逻辑，完成对锅炉FSSS控制逻辑的部分修改，保证运行微油点火系统时锅炉的安全，保证不危害正常运行的FSSS 功能，保证点火过程点火设备的安全。

　　微油点火系统的控制系统及相关保护满足DCS的控制要求，在DCS中能实现对微油点火系统的操作、程序启停、故障报警等功能，使整个系统可以达到方便、安全、稳定的运行。

　　每2只微油煤粉燃烧器配置1台就地点火控制柜，具备就地启、停功能，并具有就地、远方切换功能。

　　3.7 火检系统

　　每只微油枪安装1只微油光电火检，火检着火信号进入FSSS，确保微油枪着火后，再投入煤粉，保证点火过程的安全。光电火检冷却风压力>3500Pa，单只光电火检冷却风量<25.5m3/h，总风量<204m3/h。

　　为监视微油煤粉燃烧器的火焰情况，方便运行人员进行燃烧调整，在加装的微油煤粉燃烧器上各安装1套图像火检装置。具体方案为在燃烧器后端面的窥视孔位置安装一支图像火检探头，探头套管一直向前延伸到燃烧器前端面。探头套管的前端内部安装有CCD摄像机，其视频信号送至集控室内画面分割器，经处理后送一路到厂用闭路监视系统，运行人员可在点火初期同时监视每台炉微油煤粉燃烧器的火焰。图像火检冷却风压力>3000Pa，单只光电火检冷却风量≤200m3/h，总风量≤1600m3/h。

　　以上火检冷却风由独立的火检风机提供(如火检风机出力不够，可不安装图像火检)。

　　3.8 壁温监测系统

　　每只微油燃烧器上安装2套K分度双支热电偶，热电偶信号通过硬接线进入DCS系统，在DCS显示燃烧器壁温，并由DCS实现超温报警功能。

　　3.9 一次风速测量系统

　　为便于监测一次风管内的流速，保证微油点火的质量，微油层的送粉管道上加装一次风风速在线监测系统。以保证运行中的点火稳定、并保证不会发生一次风风管堵粉、及着火点太近烧坏燃烧器的现象。一次风速信号接入DCS。

　　3.10 冷炉制粉系统

　　由于锅炉采用直吹式制粉系统，在锅炉冷态启动初期，为了得到磨制煤粉所需的热一次风，在前墙B层对应的磨煤机入口热一次风管旁路上布置冷炉制粉系统，该系统采用蒸汽换热器加热入口一次风。

　　该系统主要由蒸汽管路、蒸汽换热器、疏水管路组成，蒸汽加热器的汽源取自辅助蒸汽管道，出口风温满足磨煤机热平衡计算后需要的入口温度。

　　4 预期效果

　　4.1 增加锅炉点火的灵活性和可靠性

　　当其中一台磨微油点火系统因故不能投运时，可投另一台磨对应的微油点火系统，增加微油点火系统的投用率，不投或少投大油枪。

　　4.2 节省机组运行油耗，提供经济效益

　　前墙B层燃烧器微油点火系统改造后，可实现不需投运大油枪启动锅炉，节省大量燃油，经济效益显著，预计静态回收期4.43年(每年节约62.4万元，项目投入276.6万元)。

　　4.3 全微油点火启动锅炉

　　可在点火初期就投入电除尘器，避免投大油枪冒黑烟的问题，也可以避免油煤混烧，影响空预器运行安全，具有显著环境效益和社会效益。