October 2009 2009 Collaboration Network Annual Meeting of Clean and
Kunming, China Efficient Coal-fired Power Generation Technology
浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程
李陆伟
西南电力设计院，四川省成都市东风路18号 610021
Plasma ignition and its application totower-type boiler of zhejiang
guohua ninghai power plant phase Ⅱ 2×1000mw
extension project
Li Lu-wei
Southwest Electric Power Design Institute ，No.18. Dongfeng Road Chengdu, Sichuan,P.R.C
摘 要: 本文对浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程超超临界塔式锅炉等离子点火原理、系统配置参数、应用情况进行了介绍和分析，可为大型塔式炉设置等离子点火系统提供借鉴和参考。 关键词：1000MW 机组；塔式炉；等离子点火；经济效益分析 Abstract: this paper introduce the principle of plasma ignition 、its system configuration and the application to ultra-supercritical tower-type boiler of Zhejiang Guohua Ninghai Power Plant Phase 2×1000MW Ⅱ Extension Project,and provide reference for setting of plasma ignition in the tower-type boiler.
Key word: 1000MW unit; tower-type boiler; plasma ignition; economic benefit analysis
1 前言
在大容量火电机组上实施等离子点火技术可以实现以煤代油、实现无油或少油点火及低负荷稳燃以节约大量的燃油和燃油费，带来巨大的经济效益及社会效益，符合节能、降耗、环保的能源政策法规，为电力工业的可持续发展提供了可靠的技术支持。目前国内已有大量π型锅炉（包括如玉环、北仑三期等部分1000MW 级机组）实施了等离子点火技术，经过近年的发展，该技术成熟、可靠，取得了大量的设计、制造和运行管理的成功经验，为大型塔式炉首次上等离子点火系统提供了有益的借鉴。浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程塔式锅炉按上海锅炉厂要求，在B 磨煤机（对应燃烧器从下 往上的第三、第四层共两层）上等离子点火系统，节约了10000t （两台炉）以上的燃油、节约资金上千万元。等离子点火技术在宁海电厂二期的成功应用为目前我国1000MW 超超临界塔式锅炉采用等离子点火技术提供了经验和参考。
2 工程概况
2.1 锅炉主机
浙江国华宁海电厂二期工程装设二台1000MW 燃煤汽轮发电机组，锅炉为上海电气集团股份有限公司根据APBG 公司技术支持制造的超超临界参数变压运行直流炉、一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构塔式布置；锅炉采用定—滑—定运行方式，主要承担基本负荷并具有一定的调峰能力；锅炉最低稳燃负荷（设计煤种、不投油助燃时）不大于30%BMCR ；锅炉出口蒸汽参数为27.56 MPa(a)/605/603℃，锅炉型号：SG3091/27.56-M54X 。
2.2 燃料特性
燃用煤种为神华煤，设计煤质资料：干燥无灰基挥发份Vdaf 33.19%，碳Car 63.25%，全水分Mt 14.0%，灰分Aar 7.04%，低位发热值Qnet.ar 23.39 MJ/kg ，哈氏可磨性指数HGI 62。
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根据《发电煤粉锅炉用煤技术条件》（GB/T7562－1998），设计用煤为高挥发分、低灰分、低硫分、中等水分、易结焦的烟煤；根据普华煤质特性判别准则，设计煤种着火、燃烧稳定性及燃烬特性较好，但自燃、爆炸特性较强，结渣性比较严重。
2.3 燃油系统
点火及助燃系统采用#0轻柴油，系统容量按25％BMCR 设计，锅炉共设置6层共24只油，总出力约55t/h ，单只油最大出力约2.3t/h 。
2.4制粉系统
制粉系统采用中速磨冷一次风机直吹式制粉系统，每炉配6台上重HP1163/dyn （动态分离器）中速磨煤机，五运一备，磨煤机最小出力设计煤种25t/h 、最小通风量29kg/s 。
2.5 燃烧器的型式
煤粉燃烧器为切向燃烧、摆动式燃烧器，采用典型的LNTFS-III 燃烧器布置，一共设有12层煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置燃料风（周界风）。燃烧器风箱分成独立的4组，下面3组风箱各有4层煤粉
喷嘴，对应6台磨煤机，在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置有1层燃油辅助风喷嘴；每相邻2层煤粉喷嘴的上方布置了1个组合喷嘴，其中预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS ）和直吹风喷嘴各占约50%出口流通面积；最上面1组风箱为SOFA 风箱。
2.6制粉系统与燃烧器匹配
燃烧器的层数是磨煤机台数的2倍，1台磨带2层煤粉喷嘴，2台磨带的4层煤粉喷嘴布置在一个燃烧器风箱上，整台锅炉共设置有4个分离布置的燃烧器风箱。锅炉负荷变化时以2“层”为单位进行磨煤机切换。
按上海锅炉厂要求，在B 磨煤机（对应煤粉燃烧器从下往上的第三层、第四层共两层）上等离子点火系统，对应燃烧器改造为等离子燃烧器。因A 磨对应的最下面第一、第二层共两层燃烧器靠近冷灰斗，为减少螺旋水冷壁受热不均以减少水冷壁出口温度偏差，所以在B 磨煤机对应的第三、第四层燃烧器上等离子点火系统。
3 等离子煤粉点火技术基本原理
3.1等离子煤粉点火机理
等离子煤粉点火装置是利用直流电流在介质气压0.01～0.03MPa 的条件下接触引弧，并在强磁场控制
下获得稳定功率的直流空气等离子体，该等离子体在专门设计的燃烧器的中心燃烧筒中形成温度T ＞5000K 的梯度极大的局部高温区，煤粉颗粒通过该等离子“火核”受到高温作用，并在瞬间（10-3s 内）迅速吸热并释放出挥发物，使煤粉颗粒破裂粉碎，从而迅速燃烧，由于反应是在气相中进行，使混合物组分的粒级发生了变化，因而使煤粉的燃烧速度加快，这样就大大地减少煤粉燃烧所需要的引燃能量。
另外，等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C 、H 、O ）、原子团（OH 、H2、O2）、离子（O2－、H2－、OH －、O －、H ＋）和电子等，可加速热化学转换，提高燃料的燃烬率。
3.2 DLZ-200型等离子发生器的基本结构及点火过程
等离子点火系统由烟台龙源电力技术有限公司设计供货，DLZ-200型等离子发生器为磁稳、空气载体等离子发生器，它由线圈、阴极、阳极等组成。其中阴极和阳极材料都采用具有高导电率、高导热、耐氧化的金属材料制成，且均采用水冷方式冷却，以承受电弧高温冲击。线圈在250℃高温情况下具有抗2000V 的直流电压击穿能力，电源采用全波整流并具有恒流性能。DLZ-200型等离子发生器工作原理见图3.2。
在冷却水及压缩空气满足条件后，首先设定电源(6)的工作输出电流(300～400A)，当阴极(2)在直线电机(5)的推动下，与阳极(1)接触后，电源(6)按设定的工作电流工作，当输出电流达到工作电流后，直
线电机(5)推动阴极(2)向后移动，当阴极离开阳极的瞬间，电弧建立起来，当阴极达到规定的放电间距后，在空气动力和磁场的作用下，装置产生稳定的电弧放电，生成等离子体。
3.3 等离子点火系统由等离子燃烧器及其制粉系统、直流供电及控制系统、辅助系统和热工监控系统等组成。
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4等离子点火系统
4.1 等离子发生器
采用DLZ-200型等离子发生器，参数见表4.1，为轴向插入式，较径向插入式等离子发生器有点燃效果好、燃烬率高、防结渣、防超温效果好等优点。
表4.1 DLZ-200型等离子发生器技术参数表： Tab.4.1 the technical parameter sheet of the DLZ-200 plasma generator 载体空气压力 5～15 kPa 最小耗气量 1 Nm 3 /min 最大耗气量 2.33 Nm 3 /min 最小冷却水压力 0.3 MPa 正常冷却水压力 0.45 MPa 最大冷却水流量 10 t/h 最大消耗功率 150 kW 正常工作功率范围
80-120
kW 负荷电流工作范围 DC(200-375) A 电弧电压工作范围 DC(250-400)
V
4.2等离子燃烧器
等离子发生器（产生等离子体的装置）安装在煤粉燃烧器中构成等离子燃烧器，内部由一级燃烧室、二级燃烧室组成。一级燃烧室内含浓淡装置，等离子电弧与煤粉在此发生强烈的电化学反应，煤粉裂解，产生大量按锅炉厂要求将B 磨煤机对应的两层（对应燃烧器从下往上第三层、四层）共八台主煤粉燃烧器改造为等离子燃烧器，将原煤粉燃烧器一次风部分从后部拉出后，将等离子点火煤粉燃烧器直接推进就位，燃烧器前端与锅炉水冷壁平齐，后端与一次风管道弯头通过法兰连接，二次风部分不作改动，燃烧器前的煤粉管道布置调整。
当锅炉启动点火和低负荷稳燃使用等离子拉弧时等离子燃烧器水平布置，其做为“内燃式燃烧器”不能参与摆动；当锅炉正常运行作为主燃烧器使用等离子未拉弧时做为“外燃式燃烧器”，其能参与摆动；等离子燃烧器结构简单，其出口流速、气流动量与原燃烧器基本不变，阻力＜600Pa ，与其它燃烧器的阻力匹配，不影响燃烧组织；入口弯头内衬耐磨陶瓷以防磨，出口采用耐热钢，使用寿命同原燃烧器, 等离子燃烧器技术参数见表4.2。
表4.2 等离子燃烧器技术参数表
Tab.4.2 the technical parameter sheet of the plasma burner
材质 耐热合金钢+耐磨合金钢 最小出力 3 t/h 最大出力 10 t/h 最大阻力 600 Pa 一次风速 18-26 m/s 煤粉浓度 0.3-0.5 kg/kg 一次风温
≥20
℃
4.3 冷炉制粉系统
利用B 磨煤机制备等离子点火所需的煤粉，采用冷
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风经暖风器（蒸汽加热器）提供热一次风，实现冷炉制粉。加热蒸汽接自辅助蒸汽系统，冷态启动时蒸汽来自一期或本期另一炉，加热蒸汽参数（最低）如下：蒸汽温度250℃、蒸汽压力0.8MPa（g）。暖风器布置在B磨煤机入口的旁路风道上，进口设置气动关断插板风门，出口设置气动调节风门，系统示意见图4.3：
图4.3 蒸汽加热（风侧）系统示意图
Fig 4.3 the steam-heated system diagram (air side)
4.4 电气系统（等离子直流供电系统）
等离子发生器交流电源采用单元制，两台机组相互独立，等离子点火系统单台炉电源总容量为1626kV A。包括8路200kV A、AC380V等离子发生器电源，分别送至8台隔离变压器和整流柜后输出稳定的直流电为等离子发生器供电以产生并维持等离子电弧；2台11kW、AC380V的离心火检冷却风机(一运一备)电源，2台15kW、AC380V 的冷却水升压泵(一运一备)电源。
4.5 辅助系统
等离子点火辅助系统包括五部分：等离子载体风系统、冷却水系统、燃烧器壁温监测系统、图像火检监测系统、一次风风速测量在线监测系统。
4.5.1 等离子载体风系统
为简化系统、节约投资，未设置等离子点火专用空压机，等离子载体风取自全厂压缩空气系统，全厂空压机容量的选择考虑了等离子点火载体风用气量。为保证空气品质，采用仪用压缩空气作为等离子的载体风，主要参数（单台等离子发生器）：减压阀后气压0.1～0.4MPa、就地调节阀后压力5～15kPa、流量120Nm3/h、含油量小于10mg/m3。
4.5.2 冷却水系统
为保护等离子发生器，采用机组闭式循环冷却水（除盐水）对等离子发生器进行冷却，冷却水进水经管道泵升压后分别送至锅炉各角的等离子发生器，回水回至闭冷水回水母管。单台等离子发生器冷却水参数：除盐水、温度≤40℃、流量10t/h、压力0.5～0.7MPa、进出口压差0.2～0.3MPa。进水母管上配套设置有2台15kW、AC380V的冷却水升压泵，一运一备。
4.5.3燃烧器壁温监测系统
在等离子燃烧器中心筒和内筒外壁上装有K分度热电偶，组成壁温监测系统，在线监测燃烧器壁温，
以防止燃烧器超温。
4.5.4 图像火检监测系统
图像火检系统是用来监视等离子点火燃烧器喷口火焰，方便运行人员进行燃烧调整，在各等离子燃烧器二次风看火孔上各安装一个带CCD摄像机的火检探头，其视频信号送至集控室内2个四画面分割器，经处理后合成2路用视频电缆送入全厂闭路电视系统机柜。为冷却火检探头，每台炉装设两台等离子火检冷却风机（离心式），一运一备，为8支图像火检探头和8支等离子点火器提供冷却风，单台火检探头所需的冷却风量150Nm3/h、风压≥2200Pa。
4.5.5一次风风速测量在线监测系统
为进行等离子燃烧器前一次风速调平和方便运行人员进行燃烧调整，在B磨煤机对应的煤粉管道分配器后的8根送粉道上各安装一套风速在线监测装置，可以在主控室和触摸屏上显示各角一次风速。每台炉设两台风速测量柜，每台柜内布置四套一次风速测量差压变送器及相关电磁阀。一次风速显示和吹扫控制由PLC完成。为防止测速管堵塞，设有仪用压缩空气反吹扫系统（空气流量0.3 Nm3/min ，压力≥0.4MPa），测速靠背管为耐磨稀土合金材料。
4.6 等离子点火控制系统
等离子点火系统设有完善的控制系统，运行人员可以在主控室内完成启弧、停弧、功率调节等操作，同时控制系统内部设有完善的保护逻辑以保证系统的安全运行，主要具有以下功能：
（1）等离子电弧启动、停止程控。
（2）等离子电弧功率自动调节。
（3）等离子电弧电压、电流、功率参数历史曲线记录。
（4）自动保护等离子发生器不被烧损。
（5）等离子阴极、阳极运行时间累计，提示更换阴极寿命。
（6）等离子装置故障记录。
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（7）燃烧器壁温监视，超温报警。 （8）一次风速、一次风量在线测量、检测。 （9）联锁保护功能，与FSSS 接口。 （10）通讯功能，纳入DCS 控制系统。
5 经济效益分析 5.1直接经济效益
新建的火力发电机组在试运期间要经过锅炉酸洗、吹管、整定安全阀、汽机冲转、机组并网、电气试验、机组带低负荷运行等多阶段，此期间由于锅炉无法投运磨煤机或无法完全断油运行，因此要耗费大量的燃油。根据《火力发电工程建设预算编制与计算标准》和《电力建设工程概算定额（2006年版）》，采用常规点火方式的2×1000MW 等级机组在启动试运期间，锅炉本体各项试验、酸洗、空负荷试运、吹管、机组整套启动试运的燃油使用量约为13480吨。
试运期间燃油消耗量单台按6740吨计算，实际试运期间投入等离子煤粉点火系统后每台炉燃油消耗约1000吨，经下面计算可以看出产生了巨大的经济效益。
机组按运行经验考虑试运所需燃油耗费计算（每炉）：
燃油消耗：6740t
燃油价格：0.612万元/t （按近期宁海电厂用油价格） 燃油耗费：0.612×6740 ≈ 4125万元
机组改装成等离子点火装置进行试运所需费用计算（每炉）：
燃油消耗：1000t
燃油耗费：0.612×1000 = 612万元 原煤耗费计算：
燃油的低位发热量为41800kJ/kg ，设计煤种低位发热量为23390kJ/kg ，原煤价格为560元/t ，节约燃油数量为6740-1000＝5740t ，则按发热量相等的原则所需的原煤为：
（41800×5740）÷23390＝10258t 消耗原煤的费用：
560×10258/10000≈ 574万元 c ．耗电费用
制粉单位电耗：9.4kW.h/t 计； 等离子燃烧器单位电耗：20 kW.h/t ； 厂用电价格为0.23元/kW.h
耗电费用：10258×(9.4+20)×0.23/10000 = 7万元 d ．等离子系统设备费用：700万元
经过以上计算可知，在每台机组试运期间投用等离子点火装置可为电厂节约投资（每台机组）：4125－612－574－7 －700 ＝ 2232万元。
可见，采用等离子燃烧系统后经济效益十分明显。
5.2 间接经济效益
按照常规的试运方式，机组在试运期间要长期低负荷运行，此期间锅炉纯烧油或油煤混烧，为避免未燃尽的油滴粘污电极，锅炉电除尘器无法正常投入，大量烟尘直接排放到大气中，给环境带来严重的污染，同时烟气中的粉尘会对锅炉引风机叶片造成磨损，给电厂带来间接的经济损失。
在机组试运期间投入等离子煤粉点火系统，电除尘系统可以在锅炉启动及低负荷期间正常投入，大大减少粉尘的排放，避免了对环境污染，给电厂带来显著的社会效益和经济效益。
6运行模式及实际应用
6.1运行模式
锅炉的点火模式有“等离子模式”和“燃油模式”，由于等离子在1000MW 塔式炉上首次应用，塔式炉炉膛容积较大、没有类似的经验可以借鉴，为防止点火初期燃烧不稳、确保煤粉燃烬性，防止炉膛积粉内爆，在等离子点火模式时需投三只以上的油，以确保满足点火能量，待制粉系统运行正常后退出油。
在等离子点火前需将B 磨煤机运行方式切换到“等离子模式”，等离子点火启动的顺序如下：
1）投入 B 层三支及以上油（约 3-4%BMCR 输入的热量）；
2）开启 B 磨的出口门、密封风门、一次风总门、冷风隔离门，打通一次风进入锅炉通道，启动一次风机，磨煤机暖磨；
3）等离子四角八只燃烧器拉弧，投入等离子模式启动B 磨；
4）当B 给煤机煤量大于40t/h 时，启动 C 制粉系统；
5）当总煤量大于30％时，启动D 制粉系统； 6）当总煤量大于40％时，启动E 制粉系统； 7）当总煤量大于50％时，启动F 制粉系统。
6.2实际应用情况
两台机组在锅炉酸洗、机组吹管、整套启动期间等离子点火系统均投入成功，着火良好、火焰稳定、燃烬率高，热负荷满足锅炉启动曲线升温、升压速率的要求，对锅炉再热系统调温基本没有影响，到达了设计要求，实现了节油的目标。
6.2.1着火良好，火焰稳定，燃烬率高。两台机组吹
