等离子煤粉点火技术在超超临界机组的应用及无燃油系统电站的建设 
牛涛 陈颉 
（烟台龙源电力技术股份有限公司，山东省烟台经济开发区衡山路9号，264006） 
摘要：本文介绍了等离子点火及稳燃技术在国内超超临界机组中的应用经验，同时介绍了等离子点火技术最新的发展方向，即利用等离子点火技术建设无燃油系统的燃煤电站。 
关键词：等离子点火；稳燃；超超临界机组；无燃油系统电站。 
1 前言 
我国是以煤为主要燃料的国家，目前燃煤的火力发电厂仍在为社会提供绝大部分的电力，今后一段时间仍将建设为数众多的燃煤发电机组。为了提高燃料利用效率，国内新建的大型燃煤发电机组均采用了超临界、超超临界技术，机组循环效率大大提高。在锅炉点火技术方面，新建机组绝大多数都采用了等离子或小油枪点火技术，燃油的消耗量也大大降低，很多采用等离子点火技术的燃煤机组在基建调试期间还实现了燃油的零消耗。 
在众多燃煤机组实现了完全零油耗运行的同时，由于受到了传统观念和相关设计规范的限制，几乎所有的新建燃煤电站都建有复杂、昂贵的燃油系统，造成了很大的投资浪费。对于建有2×600MW的燃煤火力发电厂，其燃油系统的建设投资将超过1000万元，其中包括燃油的运输、储存、输送、燃烧等设备。另外，由于燃油本身的易燃、易爆特性，大大增加了电厂的安全隐患，电厂需要为燃油系统设置完善的安全防护设施，如油罐区防火堤、避雷系统、防静电系统、消防系统等，这不仅增加了电厂的建设成本、占用了额外的场地，而且增加了电厂的运行维护费用。因此，采用新的煤粉燃烧技术替代火电厂的燃油系统、实现锅炉以煤为单一燃料运行，一直是电力行业的重大课题。 
2 等离子煤粉点火技术简介 
传统的煤粉锅炉点火方式是将煤粉喷入炉膛后被相邻的油枪火焰点燃，点火期间需要消耗大量的燃油。等离子点火技术是煤粉燃烧领域中的新技术，可利用高温的等离子体在燃烧器内部直接点燃煤粉，替代点火所需的燃油。目前烟台龙源电力技术股份有限公司在这项技术上处于国际领先地位。 
如图1所示，等离子燃烧器后端弯头装有等离子发生器，该发生器在一定介质气压的条件下接触引弧，并在强磁场控制下获得稳定功率的定向流动空气等离子体。产生的等离子体温度可达4000K以上，并通过输送装置送到煤粉燃烧器的中心位置。锅炉一次风中的煤粉进入燃烧器中心位置后与高温等离子体相遇，煤粉颗粒会迅速破裂并释放出挥发物，然后开始猛烈地燃烧。当几乎所有煤粉在燃烧器内部被点燃并形成稳定的火焰之后，再进入炉膛继续燃烧。 

图1 等离子煤粉燃烧器点火示意图 
根据上述原理，煤粉点火过程将不再需要油枪等额外的点火源，利用等离子点火装置即可实现锅炉的点火启动和稳燃。等离子点火设备对于适合的煤质在设计上可完全替代电厂的油枪点火设备。 
3 等离子煤粉点火技术的应用情况 
烟台龙源公司自1997年开始进行等离子煤粉点火技术的开发研究，2000年首次在一台50MW机组上实现了无油点火成功，截止到2008年8月，等离子点火技术的应用业绩已达443台，从最初的50MW机组，到目前国内最先进的1000MW超超临界火电机组都成功应用了等离子点火技术。应用该技术的锅炉型式既适用于四角切圆燃烧，也适合于墙式燃烧，既适合中速磨、双进双出磨、风扇磨直吹式系统，也适合于钢球磨中间贮藏式制粉系统，应用机组的总容量已达1.9亿千瓦，占国内火电机组装机容量的1/3。 
在等离子点火技术开发应用之前，火电机组在启、停、低负荷运行期间都要消耗燃油，特别是新建机组在调试期间燃油消耗量更大，例如原国家电力部对600MW机组调试期间的燃油标准定额是9000吨。自从2000年等离子点火技术研发成功并逐步推向市场应用后，国内大型机组的燃油消耗量逐年减少，特别是近两年来很多机组在进行等离子点火技术改造之后，在基建调试和运行期间实现了零油耗，例如国华锦界电厂4×600MW机组、广西钦州电厂 2×600MW机组等，截止到目前，实现基建调试期间零油耗的机组已达130台。 
在国内已投产和正在建设的超超临界机组中，大多安装了等离子点火设备，其中投入商业运行的机组数量已达8台，分别是华能玉环电厂4×1000MW机组、国电泰州电厂2×1000MW机组、华能营口电厂2×600MW机组。上述机组在调试期间和投产以后的燃油消耗均大大降低，为电厂节省了大量的燃料费用，其中泰州电厂2号机组和营口电厂的两台机组还实现了基建调试期间的燃油零消耗。另外，通过分析各台超超临界机组投产后的各项运行参数和相关测试报告可以看出，等离子点火技术的改造对锅炉其它性能未产生任何不良影响。 
4 等离子点火技术在超超临界机组中应用时应关注的问题 
目前，超超临界机组在国内还属于新技术。虽然等离子点火技术在亚临界、超临界机组中已有众多的应用业绩，但在超超临界机组中应用是否会产生新的问题，这曾经引起锅炉厂、电厂等各方的置疑。根据超超临界机组的特点，各方关注的问题主要有以下几个方面： 
4.1 等离子点火过程中是否会引起锅炉水冷壁管束温度偏差超标或超温 
超超临界机组的炉膛一般采用螺旋管圈或垂直管圈水冷壁，在锅炉启动初期，由于介质压力低并且水冷壁内的介质为汽/水两相流，此期间水冷壁金属温度对热偏差最敏感。点火期间如果炉膛内热负荷分布不均匀，就会造成水冷壁管束间的温度偏差过大，各水冷壁管因热膨胀不同而产生较大的应力，严重时会造成水冷壁管超温或撕裂。因此，超临界机组对启动初期油枪的投入顺序有着严格的规定，油枪运行方式不合理的情况下会造成部分螺旋水冷壁管的重叠受热，造成特别大的管束出口温度偏差。尤其是对于热态启动的工况，为了避免水冷壁管超温，锅炉厂甚至要求从上层燃烧器开始点火启动。 
由于等离子燃烧器一般布置在最下层，超临界和超超临界锅炉进行等离子点火技术改造后，是否会造成水冷壁管束间的温差过大曾是各方普遍关心的问题。但仔细分析可以发现，油枪和煤粉燃烧的特性存在很大不同：油燃烧器的火焰行程短，热负荷集中，其热量主要被燃烧器周围的水冷壁吸收，容易造成油燃烧器区域的水冷壁管圈对应的水冷壁管出口超温；当采用等离子煤粉燃烧器点火时，由于煤粉燃烧速度远低于轻油，火焰长度较长，在炉膛内的扩散范围较大，锅炉启动期间热负荷集中的问题能得到较大缓解，更有利于解决水冷壁管出口超温的问题。 
通过对已改造的多台机组的启动参数分析发现，锅炉采用等离子煤粉燃烧器启动过程中，炉膛各水冷壁管束间温度偏差比较小。与同类型机组采用油枪点火启动相比，采用等离子燃煤方式启动时水冷壁的热偏差要小得多。例如镇江电厂2×600MW超临界机组，锅炉是上锅厂生产的超临界、四角切圆燃烧、螺旋管圈П型布置的锅炉。上锅推荐的启动方案是从B层开始点火，因此，在1号炉的改造中将等离子燃烧器布置在B层，在启动中没有水冷壁超温现象，但出现了启动中蒸汽温度偏高的问题。在2号炉的改造中将等离子燃烧器布置在A层，启动过程汽温控制情况良好，同时未出现水冷壁出口超温问题。汕头电厂600MW超临界机组锅炉是东锅厂生产的超临界、墙式燃烧、螺旋管圈П型布置的锅炉，后墙下层的燃烧器改造为等离子燃烧器，启动过程中也未出现水冷壁管出口超温问题。 
对于采用垂直管圈水冷壁的超超临界锅炉，例如哈锅生产的1000MW、600MW超超临界机组，哈锅建议的点火顺序是从最上层燃烧器开始点火，但为了防止蒸汽超温，改造过程中等离子燃烧器也安装在最下层，部分电厂在等离子点火过程中出现了水冷壁超温问题，特别是在机组热态点火过程中问题更加明显。对于此类型锅炉，综合考虑可将等离子燃烧器安装在B层，这样的启动方式更接近锅炉厂推荐的方式，可以降低混合集箱前水冷壁的吸热量，减小水冷壁出口超温的可能性。4.2 等离子点火技术是否会加重超超临界机组高温受热面氧化皮的产生 
对于超临界和超超临界机组，由于蒸汽的温度、压力参数较高，高温的水蒸汽会对奥氏体不锈钢表面产生氧化，生成氧化皮。由于奥氏体不锈钢的氧化皮与母材结合得不够紧密，当受热面温度发生骤变时氧化皮会发生脱落现象，脱落的氧化皮会在受热面局部聚集，产生堵管的问题。从世界范围来看，奥氏体钢的高温氧化是一个共性的问题，至今没有彻底解决的措施，目前可采用的主要防治方法之一是控制机组启停速率，防止氧化皮在非受控状态下脱落。 
采用等离子点火技术后曾有电厂担心，等离子点火初期燃料量过大，升温速度太快会造成过热器奥斯体钢氧化皮生成及迅速脱落。而在实际运行过程中，等离子点火装置可以保证在浓度0.2kg/kg条件下可靠地点燃煤粉，并且已经开发了一整套磨煤机降低初始出力的技术，这样可以保证锅炉在等离子点火初期燃料量低于5%BMCR，从而保证锅炉温升速率完全满足机组启动曲线的要求，在这种条件下是不会造成氧化皮脱落的。 
在600MW超临界机组中，汕头电厂3号机组于2005年安装了等离子点火设备，每次启动均采用等离子无油点火，至今未发现氧化皮脱落加快的现象。而采用同类型机组的沁北电厂未进行等离子点火技术改造，其高温受热面氧化皮问题却比较严重。发现问题后沁北电厂将停炉方式改进为闷炉方式，较大地减缓了停炉速度，氧化皮脱落堵管的问题得到了很大缓解。最近，沁北电厂采用了微油点火技术，冷态条件下直接启动磨煤机，锅炉启动方式与等离子无油点火类似，经过观察锅炉氧化皮的问题并未因此而加剧。由此看来，影响氧化皮脱落的主要原因是停炉速度，等离子点火只要满足启动曲线的要求，是不会加速氧化皮脱落的。 
5 无燃油系统燃煤电站的建设情况 
根据电力行业的传统习惯和相关设计规范的要求，迄今为止几乎所有的燃煤火力发电厂都设计有燃油系统，燃料系统的重复建设造成了很大浪费。国内燃煤机组进行了等离子点火技术改造后，其原设计的燃油系统一般成为备用设备，当等离子点火设备出现故障时再利用油枪点火。现在，随着等离子点火设备的可靠性越来越高，锅炉投入油枪点火的几率已越来越小，国内已有多个电厂将油系统退出备用，完全用等离子点火设备实现锅炉点火和稳燃。因此，等离子点火设备在技术上已达到了完全替代燃油系统的要求。 
在总结以往等离子改造经验的基础上，国内已开始了无燃油系统燃煤电站的试点建设工作，即在电厂的设计阶段就完全取消了燃油系统，锅炉完全利用等离子点火设备进行锅炉的点火和稳燃。截至到2008年8月，国内已基本建成两座完全取消燃油系统的燃煤电站，分别是内蒙古东胜电厂2×330MW机组、辽宁康平电厂2×600MW机组。另外，还有9座无燃油系统电站在规划建设中，其中包括陕西宝鸡第二发电厂2×600MW机组、内蒙古布连电厂2×600MW机组、吉林江南热电厂2×300MW机组、新疆阜康电厂2×150MW机组等。 
5.1 内蒙古东胜电厂的建设情况 
内蒙古东胜电厂是世界上首座无燃油系统的燃煤电站。一期工程建有2×330MW机组，锅炉由上海锅炉厂生产，采用四角切圆燃烧方式，安装有5层直流式燃烧器，配有5台MPS中速磨煤机。锅炉下面两层燃烧器改造为等离子燃烧器，可利用等离子发生器将煤粉直接点燃，其余3层燃烧器为常规的直流式燃烧器，锅炉没有安装用于煤粉点火的燃油系统。 
对于四角切圆燃烧型式的锅炉，下层等离子燃烧器出口的煤粉火焰可以直接引燃相邻燃烧器的煤粉，所以只需要一层等离子燃烧器就可以实现锅炉的点火启动和稳燃。东胜电厂改造两层等离子燃烧器是为了保证其中一层燃烧器或对应的磨煤机出现故障时，锅炉可以通过另一层等离子燃烧器进行点火启动。由于考虑了等离子点火装置和磨煤机的100%备用，电厂的燃油系统可以完全取消。 
东胜电厂1号机组已于2008年1月24日正式通过168小时试运行，2号机组于2008年6月30日通过168小时试运行，这是世界上首个正式投产的无燃油系统燃煤电站，标志着采用等离子点火技术彻底取消煤粉锅炉的燃油系统、实现单一燃料运行成为现实。 
5.2 辽宁省康平电厂的建设情况 
辽宁康平电厂设计建设2×600MW超临界火电机组，是国家发展和改革委员会确立的等离子无燃油点火和助燃示范项目。锅炉由哈尔滨锅炉厂生产，采用墙式燃烧方式，安装有6层旋流式燃烧器，前、后墙各三层，配有6台HP中速磨煤机。锅炉前墙和后墙最下层燃烧器改造为等离子燃烧器，其余4层为常规的旋流式燃烧器，没有安装燃油系统。目前，康平电厂1、2号机组都已完成了整套试运工作，将在电网具备条件后进行168小时试运。 
6 无燃油系统燃煤电站的关键技术问题及对策 
燃煤发电机组取消燃油系统后运行方式与常规电厂有很大区别，在设计和运行过程中需要对一些关键问题进行特别的关注，以保证电厂运行的安全。在总结前期等离子点火技术应用经验的基础上，提出以下技术问题及相关对策： 
6.1 无燃油电厂的煤质适用范围 
目前，等离子点火技术对锅炉煤质还有一定的适用范围。当煤质较好时可以保证燃烧稳定且燃烧效率较高，当煤质较差时会造成燃烧效率下降。因此，现阶段无燃油系统电厂在选址时最好选择设计燃用烟煤的电厂。褐煤也可以用作无燃油电厂的燃料，但必须对原煤的干燥进行特殊的考虑。燃用贫煤和无烟煤的火电机组目前还不适合于取消燃油系统。 
根据对国内电力煤炭市场的分析，满足无燃油电厂煤质要求的火电机组可达到50%以上，特别是新建的超超临界火电机组，煤质基本上全部满足无燃油电站的要求。随着等离子点火技术的不断发展进步，其适用的煤质范围将不断扩大，将有越来越多的火电厂可建设成为无燃油系统电站。 
6.2 是否可以用等离子燃烧器直接点燃相邻的煤粉燃烧器 
对于切圆燃烧的锅炉，整个炉膛作为一个巨大的火炬共同组织燃烧，下层燃烧器稳定地燃烧以后，将会形成一个基本充满全炉膛的火炬，只要炉膛热负荷达到一定的程度，用下层燃烧器点燃相邻的上层燃烧器是比较容易的。镇江、台山、宁海等电厂多台600MW机组的运行实践说明，只要单台磨煤机的出力达到计算出力的80％以上，炉膛出口烟温达到400℃以上，可以不投油，安全稳定地点燃上层相邻燃烧器。对于墙式布置HT- NR3燃烧器的汕头、太仓等电厂，等离子燃烧器布置在后墙最下层，在单台磨煤机的出力达到计算出力的80％以上，炉膛出口烟温达到400℃以上时，对面燃烧器出口处温度可达800℃以上，也可以不投入油枪，安全稳定地点燃对面的燃烧器。 
美国《多燃烧器锅炉炉膛防外爆／内爆标准》NFPA85中规定：每只燃烧器都必须配有专用点火器，不容许用相邻燃烧器和灼热的炉墙来引燃。因此，凡是引进技术生产的墙式燃烧锅炉，每只煤粉燃烧器均配有油枪。例如，东方锅炉厂生产的采用BHK的技术的1000MW超超临界锅炉，装有HT－NR3型煤粉燃烧器，并配有两种油枪，一种是启动油枪，出力为2t/h ,布置在旋流式燃烧器的中心锥内，另一种油枪是点火油枪，出力只有200kg/h， 斜向插入布置在HT－NR3燃烧器的二次风出口，见图2。锅炉启动时首先点燃启动油枪，然后投入其对应的燃烧器，当炉膛热负荷达到较高水平，在投入其它燃烧器之前先投入侧插的200kg/h 点火小油枪以后，才投入其它煤粉燃烧器。实际上，200kg/h的小油枪不足以可靠点燃煤粉，煤粉燃烧器主要是依靠卷吸炉膛内的高温烟气实现可靠点燃的。 

图2 HT－NR3燃烧器油枪布置示意图 
我国《电站煤粉锅炉炉膛防爆规程DL/T435—2004》,3.2.5 C .中规定： “每个燃烧器煤粉喷口应配有点火器。如果某些不单独运行的燃烧器煤粉喷口，其相邻运行的燃烧器煤粉喷口能提供可靠的点火源时，可不设点火器。” 根据此项规定，国内很多墙式燃烧锅炉在高负荷条件下切换磨煤机已不再投入油枪。因此，根据多台机组的运行经验和国内锅炉炉膛防爆规程的要求，在保证可靠点燃的条件下，可以用等离子燃烧器的火焰点燃相邻的煤粉燃烧器。 6.3 必须保证冷炉制粉系统在全厂停机的事故条件下正常启动 
目前新建的煤粉锅炉大多采用直吹式制粉系统，为了保证等离子点火装置直接点燃煤粉，必须考虑在冷态时直接启动磨煤机制粉。在现有的等离子改造方案中，一般在磨煤机入口一次风道上增加蒸汽加热器，在冷态启动时用蒸汽将热风加热至原煤干燥所需的温度。 
冷炉制粉系统中增加的加热器汽源取自电厂的辅助蒸汽系统，在全厂停机的事故情况下，厂用辅助蒸汽系统将不能保证可靠的汽源。因此，对于无燃油系统的火力发电厂，必须保留有启动锅炉，或者以其它方式保证获得稳定的蒸汽来源，以保证电厂所有机组停机时磨煤机能够冷态启动制粉。 
6.4 等离子点火装置及锅炉制粉设备的备用问题 
当燃油系统完全取消时，必须考虑在部分等离子点火装置或对应的磨煤机出现故障时的机组启动问题。因此，对于无燃油系统电厂，推荐将两台或两台以上的磨煤机对应的燃烧器改造为等离子燃烧器，这样即可实现等离子点火装置和磨煤机的100%备用。当一台磨煤机在检修状态时，只要煤质在正常范围内，启动另外的一台磨煤机可以完成锅炉的冷态启动。 
国内目前采用的中速磨煤机性能已十分可靠，检修周期较长，电厂在制订检修计划时需要具有一定的灵活性。等离子点火装置对应的磨煤机不能同时进行检修，以保证机组发生意外停机时能够有磨煤机处于备用状态；在机组计划停机后的启动过程中，应尽量保证等离子对应的磨煤机都处于备用状态。 
7 结束语 
目前，燃煤发电机组仍是我国发电行业的主力，还有众多的超临界、超超临界机组正在规划建设之中。与此同时，随着等离子煤粉点火技术不断发展进步，在技术上已完全具备了替代锅炉油枪点火设备的条件。如果在采用等离子点火技术的基础上完全取消电厂的燃油系统，可以为用户节约大量的建设费用，同时简化了电厂燃料系统，消除了传统火电厂存在的一大安全隐患，使电厂的运行更加安全、高效。 
如果在现有超超临界发电技术的基础上进一步采用等离子点火技术，可以建成以煤为单一燃料的无燃油系统电站，将在经济性、安全性方面远远超越传统的燃煤电站，实现经济、环保、高效、安全的目标，这将是未来火力发电技术的发展方向。