羅輦
(浙江省電力設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310012)
石油是一種不可再生的資源,過分依賴進(jìn)口石油,對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)安全帶來極大的不確定性。我國(guó)已經(jīng)把石油同水、糧食一起列為關(guān)系我國(guó)經(jīng)濟(jì)安全和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略資源;因此對(duì)石油資源的認(rèn)識(shí)必須完成從一般性資源到戰(zhàn)略性資源的轉(zhuǎn)變,加大節(jié)油力度,實(shí)施積極的節(jié)油戰(zhàn)略。
對(duì)于新建火力發(fā)電機(jī)組,其在試運(yùn)行期間需要經(jīng)過復(fù)雜的調(diào)試階段。通常使用常規(guī)點(diǎn)火方式的電廠在這個(gè)階段需要消耗大量的燃油;另外維持一個(gè)機(jī)組運(yùn)行,啟、停,調(diào)峰的工況下的工作,每年同樣需要消耗大量的燃油。若將常規(guī)點(diǎn)火方式改為節(jié)油點(diǎn)火方式,光調(diào)試階段節(jié)省的燃油費(fèi)用就足夠收回相當(dāng)部分的設(shè)備購置費(fèi)用,而且每年運(yùn)行中節(jié)省的費(fèi)用更是大大降低。
因此,無論是從國(guó)家大環(huán)境著眼,還是從企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益的角度看,研究燃油系統(tǒng)優(yōu)化都很有必要。在此,以某發(fā)電廠2×660MW超 超臨界燃煤機(jī)組為例,在對(duì)不同節(jié)油點(diǎn)火方案進(jìn)行詳細(xì)論述的基礎(chǔ)上,對(duì)鍋爐點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。
某發(fā)電廠2×660MW超超臨界燃煤機(jī)組初步設(shè)計(jì)中鍋爐采用前后墻對(duì)沖燃燒方式,配備6臺(tái)磨煤機(jī),每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)1層共6只燃燒器,采用神華煤和褐煤按4:1比例摻配而成的神華混煤作為設(shè)計(jì)煤種,大同煤礦集團(tuán)在秦皇島進(jìn)行摻配的混煤作為校核煤質(zhì)。采取節(jié)油點(diǎn)火系統(tǒng)時(shí),煤粉應(yīng)確保被穩(wěn)定高效地點(diǎn)燃,即使在鍋爐冷態(tài)點(diǎn)火也能保持較高的燃盡水平。下面從設(shè)計(jì)煤種和校核煤種的著火穩(wěn)定性和燃盡特性來分析該鍋爐是否適合節(jié)油點(diǎn)火。
煤的著火穩(wěn)定性是燃燒安全經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),,它有很多表示方法。根據(jù)普華煤質(zhì)特性判別準(zhǔn)則,現(xiàn)以著火穩(wěn)定性指數(shù)【1】來表示。著火穩(wěn)定性指數(shù)Rw的表達(dá)式為:
式中:Vdaf為干燥無灰基揮發(fā)分,此處設(shè)計(jì)煤種為36.51%,校核煤種為38.00%。
根據(jù)式(1)計(jì)算可知設(shè)計(jì)煤種的Rw為5.562,校核煤種的Rw為 5.642,查詢文獻(xiàn)【1】可知設(shè)計(jì)煤種和校核煤種都屬于易著火煤質(zhì)。
煤的燃盡特性用燃盡特性指數(shù)Rj表示【1】,其表達(dá)式為:
根據(jù)式(2)計(jì)算可知設(shè)計(jì)煤質(zhì)的Rj為5.24,校核煤質(zhì)的Rj為5.4,查詢文獻(xiàn)【1】可知設(shè)計(jì)煤種和校核煤種都屬于易燃盡煤質(zhì)。
綜合分析煤質(zhì)的著火穩(wěn)定性和燃盡特性后,可知該鍋爐的燃用煤質(zhì)適合采用節(jié)油點(diǎn)火系統(tǒng)。
目前,常用的節(jié)油點(diǎn)火方案主要有3種:?jiǎn)螌游⒂忘c(diǎn)火方案,單層等離子點(diǎn)火方案和兩層等離子點(diǎn)火方案。以下主要從工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)、技術(shù)分析及成熟性對(duì)這3個(gè)方案進(jìn)行比較。
2.1.1 微油點(diǎn)火的原理
微油點(diǎn)火的基本原理是:利用高能氣化油槍,使微量的油燃燒,并形成溫度很高的油火焰(1600~1800℃),該高溫火焰首先使部分煤粉溫度迅速升高,著火燃燒,然后已經(jīng)著火燃燒的煤粉與更多煤粉混合并點(diǎn)燃它們,分級(jí)燃燒,逐級(jí)放大,達(dá)到點(diǎn)燃煤粉的目的。通常微油點(diǎn)火系統(tǒng)的燃盡率在冷爐點(diǎn)火初期可以達(dá)到80%。
微油點(diǎn)火系統(tǒng)通常由煤粉燃燒器、油燃燒器、氣膜風(fēng)管路、油系統(tǒng)管路、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等組成。
2.1.2 微油點(diǎn)火的優(yōu)缺點(diǎn)
由于微油點(diǎn)火對(duì)煤種的適應(yīng)性較高,且微油點(diǎn)火系統(tǒng)使用的是成熟的油槍點(diǎn)火方式,故具有較高的可靠性。反應(yīng)時(shí)間方面,微油燃燒器由于使用燃油作為燃燒介質(zhì),故系統(tǒng)投入快,反應(yīng)時(shí)間短。環(huán)保性方面,微油點(diǎn)火系統(tǒng)由于近幾年的研究,大大提高了點(diǎn)火初期的燃盡率,加之微油系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)消耗的燃油量進(jìn)一步的降低,已達(dá)到了點(diǎn)火初期投運(yùn)電除塵的條件。但使用微油點(diǎn)火系統(tǒng)時(shí),由于脫硫煙道旁路的取消,未燃盡的燃油會(huì)隨煙氣移動(dòng)至尾部煙道而進(jìn)入脫硫系統(tǒng),這些燃油會(huì)污染脫硫系統(tǒng)中的石灰石漿液,對(duì)脫硫系統(tǒng)效率有所影響。
2.1.3 單層微油點(diǎn)火方案技術(shù)分析
該鍋爐若采用本方案設(shè)計(jì)時(shí),可將鍋爐最下層前墻或后墻燃燒器改為微油燃燒器,在鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃期間,該燃燒器具有鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃功能;在鍋爐正常運(yùn)行時(shí),該燃燒器具有主燃燒器功能,且在出力方面及燃燒工況與原來保持一致。
在鍋爐點(diǎn)火或穩(wěn)燃期間,若因?qū)?yīng)微油點(diǎn)火燃燒器的那臺(tái)磨煤機(jī)故障或處于檢修狀態(tài)無法投運(yùn);或因微油點(diǎn)火系統(tǒng)自身故障或處于檢修狀態(tài)而導(dǎo)致微油燃燒系器無法投運(yùn)時(shí),鍋爐需使用常規(guī)油槍進(jìn)行點(diǎn)火或穩(wěn)燃。故本方案仍需保留鍋爐常規(guī)油槍及配套燃油系統(tǒng)。
根據(jù)文獻(xiàn)【2】的規(guī)定,本方案燃油系統(tǒng)需配置3臺(tái)50%的供油泵,以及2×300 m3的油罐。
表1 三種節(jié)油方案的經(jīng)濟(jì)性比較
2.1.4 單層微油點(diǎn)火方案的成熟性
微油點(diǎn)火系統(tǒng)現(xiàn)已用于煙煤、無煙煤、劣質(zhì)煙煤甚至貧煤等各種煤種的各式形式的鍋爐上,機(jī)組容量從125MW到1000MW,燃燒方式包括了切圓和前后墻對(duì)沖式,截止到2010年底,該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在30多個(gè)電廠中的70多個(gè)大小機(jī)組中,技術(shù)已很成熟。其中典型的工程有:廣東沙角發(fā)電廠C廠#2機(jī)組660MW四角切圓燃燒直流爐;北侖發(fā)電廠5×600MW直吹式鍋爐;國(guó)華廣東臺(tái)山發(fā)電廠2×1000MW直吹式鍋爐;廣東汕尾發(fā)電廠4×600MW旋流/前后墻對(duì)沖燃燒直吹式鍋爐;浙江嘉興電廠三期#2×1000MW八角雙切圓燃燒直流鍋爐等。以上機(jī)組產(chǎn)生的節(jié)油效果十分明顯,節(jié)約費(fèi)用十分可觀。
2.2.1 等離子煤粉點(diǎn)火的原理
等離子點(diǎn)火裝置利用直流電流在一定介質(zhì)氣壓的條件下接觸引弧,并在強(qiáng)磁場(chǎng)控制下獲得穩(wěn)定功率的定向流動(dòng)空氣等離子體,該等離子體在點(diǎn)火燃燒器中形成T>4000K的梯度極大的局部高溫火核,煤粉顆粒通過該等離子體火核時(shí),在千分之一秒內(nèi)迅速釋放出揮發(fā)物,再造揮發(fā)分,并使煤粉顆粒破裂粉碎,從而迅速燃燒。由于反映是在氣固兩相流中進(jìn)行,高溫等離子體使混合物發(fā)生了一系列物理化學(xué)變化,近而使煤粉的燃燒速度加快,達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的,大大的減少了促使煤粉燃燒所需要的引燃能量。通常等離子系統(tǒng)的燃盡率在冷爐點(diǎn)火初期可達(dá)到75%左右。
等離子點(diǎn)火系統(tǒng)采用由等離子點(diǎn)火設(shè)備及其輔助系統(tǒng)組成,等離子點(diǎn)火設(shè)備由等離子發(fā)生器、等離子燃燒器、電源柜、隔離變壓器等組成,輔助系統(tǒng)由載體空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、圖像火檢系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、冷爐制粉系統(tǒng)、等離子燃燒器壁溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、等離子一次風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。
2.2.2 等離子煤粉點(diǎn)火的優(yōu)缺點(diǎn)
目前使用的第三代等離子點(diǎn)火技術(shù)1年只需更換1~2次陽極,7~8次陰極,此外基本無其他維護(hù),同樣具有擁有較高的安全可靠性。反應(yīng)時(shí)間方面,由于等離子點(diǎn)火使用高壓電源,電氣設(shè)備啟停需要準(zhǔn)備時(shí)間,故投運(yùn)反應(yīng)可能較微油點(diǎn)火系統(tǒng)稍慢。
環(huán)保性方面,由于等離子點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火時(shí)不需投油,所以等離子點(diǎn)火系統(tǒng)在啟動(dòng)初期即可投電除塵。此外,由于不使用油系統(tǒng),不會(huì)有燃油進(jìn)入末端脫硫系統(tǒng)污染石灰石漿液,就不會(huì)影響脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
2.2.3 單層等離子點(diǎn)火方案技術(shù)分析
該鍋爐若采用本方案設(shè)計(jì)時(shí),與微油點(diǎn)火設(shè)計(jì)方案相似,將鍋爐前墻或后墻最下層燃燒器改為等離子燃燒器,在鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃期間,該燃燒器具有鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃功能;在鍋爐正常運(yùn)行時(shí),該燃燒器具有主燃燒器功能,且在出力方面及燃燒工況與原來保持一致。
與微油點(diǎn)火方案相同,使用單層等離子點(diǎn)火系統(tǒng)時(shí),也需保留鍋爐常規(guī)油槍及配套燃油系統(tǒng)。油槍及配套燃油系統(tǒng)的設(shè)置與單層微油點(diǎn)火方案相同。
2.2.4 等離子點(diǎn)火的成熟性
目前,等離子點(diǎn)火及穩(wěn)燃技術(shù)已成功應(yīng)用于劣質(zhì)煙煤、煙煤和褐煤;機(jī)組容量等級(jí)從50MW~1000MW;燃燒方式包括切向燃燒直流燃燒器和墻式燃燒旋流燃燒器;制粉系統(tǒng)類型包括鋼球磨中儲(chǔ)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);包括已運(yùn)行的600MW及以上機(jī)組,已應(yīng)用于30多個(gè)發(fā)電廠近百余臺(tái)鍋爐,技術(shù)已臻成熟。典型工程有:浙江國(guó)華寧海發(fā)電廠4×600MW超臨界機(jī)組;浙江浙能蘭溪發(fā)電廠4×600MW 超臨界機(jī)組;浙江大唐烏沙山發(fā)電廠4×600MW超臨界機(jī)組;國(guó)電浙江北侖發(fā)電廠三期2×1000MW超超臨界機(jī)組;浙江國(guó)華寧海發(fā)電廠二期2×1000MW超超臨界機(jī)組;浙江華能玉環(huán)發(fā)電廠2×1000MW超超臨界機(jī)組等。以上機(jī)組采用等離子點(diǎn)火后效果良好,節(jié)油產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
兩層等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)與單層等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的技術(shù)原理基本相同,此處不再贅述,下面主要介紹方案技術(shù)分析和成熟性。
2.3.1 兩層等離子點(diǎn)火方案技術(shù)分析
該鍋爐若采用本方案設(shè)計(jì)時(shí),可將鍋爐最下層前后墻燃燒器均改為等離子燃燒器,在鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃期間,該燃燒器都具有鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃功能;在鍋爐正常運(yùn)行時(shí),該燃燒器都具有主燃燒器功能,且在出力方面及燃燒工況與原來保持一致。
由于兩層等離子點(diǎn)火系統(tǒng)互為備用,避免了微油點(diǎn)火系統(tǒng)和單套微油點(diǎn)火系統(tǒng)可能發(fā)生特定情況無法投用的弊端,所以可以取消鍋爐常規(guī)油槍及配套燃油系統(tǒng)。
2.3.2 兩層等離子點(diǎn)火方案的成熟性
目前已有不少發(fā)電廠在單套等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用了兩層等離子點(diǎn)火系統(tǒng),取消了鍋爐常規(guī)油槍及配套燃油系統(tǒng)。典型工程有:國(guó)電黃金埠發(fā)電廠2×600MW機(jī)組;粵電惠來發(fā)電廠2×600MW機(jī)組;華能日照發(fā)電廠2×600MW機(jī)組;山東華能威海發(fā)電廠2×600MW機(jī)組等。以上機(jī)組采用兩層等離子點(diǎn)火后效果良好,實(shí)現(xiàn)了無燃油機(jī)組。
此外,在百萬級(jí)機(jī)組上,陜西府谷清水川發(fā)電廠二期2×1000MW機(jī)組也已經(jīng)確定將使用兩層等離子點(diǎn)火技術(shù)。
以上三種節(jié)油點(diǎn)火設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)分析可以從三個(gè)方面考慮:點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)備投資和調(diào)試費(fèi)用、輔助系統(tǒng)設(shè)備投資以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
調(diào)試時(shí)間按每臺(tái)爐需使用節(jié)油點(diǎn)火系統(tǒng)350h計(jì);單層微油點(diǎn)火小油槍出力按80kg/h,單層等離子燃燒器功率按200kw計(jì);每層改造6只小油槍/等離子燃燒器;燃油費(fèi)用按8000元/t,電費(fèi)按0.457元/kWh計(jì)。
(1)單層微油點(diǎn)火方案:每套小油槍微油點(diǎn)火設(shè)備投資約180萬,2臺(tái)爐共需投資約360萬元;調(diào)試期間使用輕質(zhì)燃油作為燃料,單臺(tái)機(jī)組調(diào)試投油需消耗168t燃油,2臺(tái)爐共消耗336t燃油,則兩臺(tái)爐合計(jì)調(diào)試成本約269萬元。
(2)單層等離子點(diǎn)火方案:建設(shè)單套等離子點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)備投資約800萬元;調(diào)試時(shí)每臺(tái)爐消耗電力約19萬元,消耗電極費(fèi)用約4.5萬元。兩臺(tái)爐合計(jì)調(diào)試成本約47萬元。
(3)兩層等離子點(diǎn)火方案:每套等離子設(shè)備總投資約400萬,建設(shè)兩套等離子點(diǎn)火系統(tǒng)2臺(tái)爐共需1600萬元;每臺(tái)爐調(diào)試時(shí)需消耗電能約19萬元;按每個(gè)陽極頭成本4000元,壽命400h,每個(gè)陰極頭成本500元,壽命50h計(jì),調(diào)試階段每臺(tái)爐需花費(fèi)約4.5萬元電極費(fèi)用。兩臺(tái)爐合計(jì)調(diào)試成本約47萬元。
(1)使用單層等離子點(diǎn)火方案和單層微油點(diǎn)火方案由于需要配合油系統(tǒng)的使用,需增加較多輔助系統(tǒng),主要分為油罐區(qū)輔助系統(tǒng)和鍋爐燃油系統(tǒng)兩個(gè)部分;
①油罐區(qū)輔助系統(tǒng)有:2×300m3油罐及供油泵需投資約72萬元;油罐區(qū)基礎(chǔ)及油泵房土建投資約110萬元;油罐區(qū)消防設(shè)備投資約40萬元。
②鍋爐燃油系統(tǒng)主要有:鍋爐油槍設(shè)備每套約180萬元;燃油供油管及吹掃壓縮空氣管及相應(yīng)閥門每臺(tái)爐需投資約60萬元;油系統(tǒng)儀控監(jiān)測(cè)設(shè)備每臺(tái)爐需投資約60萬元。
(2)兩層等離子點(diǎn)火方案由于取消了油系統(tǒng),幾乎沒有輔助系統(tǒng)投資。但由于本工程采用燃油啟動(dòng)鍋爐,需設(shè)置2×50 m3油罐需要約8萬元;油罐區(qū)土建費(fèi)用約14萬元;油罐區(qū)消防設(shè)備投資約10萬元。
運(yùn)行費(fèi)用按機(jī)組每年冷態(tài)啟動(dòng)兩次,每次10h;熱態(tài)啟動(dòng)8次,每次2.5h;全年低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間100h計(jì)。
(1)單層等離子點(diǎn)火方案與兩層等離子點(diǎn)火方案的等離子點(diǎn)火器每年運(yùn)行的總時(shí)間數(shù)近似相同,其運(yùn)行總成本包括運(yùn)行電費(fèi)和電極更換費(fèi)。
每套等離子裝置每年工作消耗的電費(fèi)約為7.7萬元;每年電極消耗費(fèi)用約1.7萬元。油系統(tǒng)供油泵每年工作需消耗電費(fèi)約10萬元。則單層等離子點(diǎn)火方案每年合計(jì)運(yùn)行費(fèi)用兩臺(tái)爐合計(jì)約28.8萬元,雙層等離子點(diǎn)火方案每年運(yùn)行費(fèi)用兩臺(tái)爐合計(jì)約18.8萬元。
(2)單層微油點(diǎn)火方案的運(yùn)行費(fèi)用:按每只油槍出力80kg/h,燃油價(jià)格8000元/t估算,每套微油點(diǎn)火裝置每年運(yùn)行費(fèi)用為54萬元;油系統(tǒng)供油泵每年工作需消耗電費(fèi)約10萬元。則單層微油點(diǎn)火方案兩臺(tái)爐合計(jì)年運(yùn)行費(fèi)用約118萬元。
綜合以上點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)備投資和調(diào)試費(fèi)用、輔助系統(tǒng)設(shè)備投資以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的計(jì)算,可列出表1,表中數(shù)據(jù)均為概算,初投資差額、每年運(yùn)行總費(fèi)用差額、年費(fèi)用比較、靜態(tài)回收年限、動(dòng)態(tài)回收年限均以微油點(diǎn)火方案為基準(zhǔn)計(jì)算;固定費(fèi)用率按一套微油點(diǎn)火系統(tǒng)的投資計(jì)算,為方便計(jì)算,此處取0.17;基準(zhǔn)收益率此處取8%。
靜態(tài)回收期(PP)是初投資不計(jì)算時(shí)間價(jià)值的投資回收期,以年為單位,計(jì)算方法如式(3)所示。
PP=初投資差額/每年運(yùn)行總費(fèi)用差額 (3)
動(dòng)態(tài)回收期(Pt)是初投資計(jì)算時(shí)間價(jià)值的投資回收期,以年為單位,計(jì)算方法如式(4)所示。
Pt=初投資差額(1+基準(zhǔn)利率)Pt/每年運(yùn)行總費(fèi)用差額 (4)
從表1可以看出,初投資方面微油點(diǎn)火方案少于等離子點(diǎn)火方案,但投入運(yùn)行之后等離子系統(tǒng)每年便可節(jié)約近過百萬元費(fèi)用,4年左右等離子點(diǎn)火方案總投資成本將與微油點(diǎn)火方案持平,4年之后離子點(diǎn)火方案將更優(yōu)于微油點(diǎn)火方案,尤其是兩層等離子點(diǎn)火方案的經(jīng)濟(jì)性最佳,而且兩層等離子點(diǎn)火方案取消了油系統(tǒng),節(jié)約了廠區(qū)占地,也省去了每年油路檢查維護(hù)的人力和費(fèi)用。
從技術(shù)分析來看,三種節(jié)油點(diǎn)火方案各有特點(diǎn),都可適用于本工程。從綜合經(jīng)濟(jì)效益分析可以看出,兩層等離子點(diǎn)火方案的經(jīng)濟(jì)性最佳;另由于兩層等離子點(diǎn)火系統(tǒng)取消了爐前油系統(tǒng),不僅節(jié)約了發(fā)電廠占地,又減少了發(fā)電廠危險(xiǎn)源,還可節(jié)省燃油系統(tǒng)的維護(hù)成本?;谝陨细鞣矫婵紤],本工程鍋爐點(diǎn)火方式推薦采用兩層等離子點(diǎn)火方案,取消機(jī)組燃油系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無燃油電廠。
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