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摘要:
锅炉点火方案的选择对燃煤机组的运行费用及点火稳燃的可靠性至关重要，以1 000 MW二次再热机组为例从技术角度对可行的节能点火方案(微油点火、等离子点火、天然气点火)进行了对比，并以具体工程为例进行了经济性计算，1 000 MW二次再热机组建设无油电厂综合技术经济性最优。由于1 000 MW二次再热机组建设无油电厂尚无实际运行经验，也对该配置方案的风险及对策进行了进一步分析，以供工程实施参考。综合性技术经济性评价方法也适用于其他容量等级工程的点火系统设计方案优选。 Abstract:The ignition technology is extremely important for lower operating cost and ignition reliability of coal-fired power plant. The article discussed ignition technology (oil-less ignition, plasma ignition, natural gas Ignition) about 1 000 MW double-reheat coal-fired power plant from technological aspect, and developed an economic evaluation based on the actual unit. The result shows that for 1 000 MW double-reheat power plant, oil-free ignition technology has lower operating cost. Because of no operation experience, the risks and countermeasures for 1 000 MW double-reheat unit to take oil-free ignition are processed furthermore to offer reference for execution. The integrated technoeconomic analysis method can also be applied for ignition technology selection about other capacity units with its broad applicability. -
Keywords:
- plasma ignition /
- natural gas ignition /
- oil-free ignition /
- economic evaluation
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在架空线路中，OPGW(Optical Fiber Composite Ground Wire)光纤复合架空地线是把光缆和地线有机地结合在一起，同时保持架空地线原有的电气和机械性能。如短路电流、雷击电流、抗拉强度等性能。它由光纤单元与绞线层(包括铝包钢AS线、镀锌钢线、铝合金AA线、硬铝线等)组成。OPGW一方面可作为输电线路的避雷线和屏蔽线，对输电导线抗雷闪放电提供保护，在输电线路发生短路时承载短路电流；另一方面可作为传送光信号的介质，传送音频、视频、数据等各种信息，进行多路宽带通信。
目前我国采用直流对导线进行融冰的技术已相对成熟，但对地线和OPGW的直流融冰技术的研究尚处于初始阶段[1]。目前在冰灾多发区对地线OPGW已开始有融冰的需求和应用，相对较高的温度下对光缆光纤的使用寿命影响有待论证，需对OPGW耐高温性能、高温下衰减老化程度进行研究。
1 地线融冰技术原理
1.1 地线融冰电流计算
融冰主要是增大地线的传输电流或采用短路电流，将电能转化为热能，达到融冰热平衡而实现融冰，融冰电流和融冰时与各参数之间热平衡关系式如下[2]：
((1)) 式中：I为融冰电流；R0为电阻；Q1为被融化部分的冰的温度从Te(结冰时外界温度)升温到T0(导线融冰温度)吸收的热量；Q2为融化冰所需吸收的热量；Q3为未被融化的冰温度变化吸收的热量；Q4为导线温度从Te升温到To所吸收的热量；Q5为冰表面散失的热量。当导线上通过的电流I，大于上式计算的临界融冰电流Ic。经过时间t，导线上冰层融化并脱落，达到融冰的目的。
目前有电流融冰、交流短路融冰、直流电流加热融冰、高频高压激励融冰及阻线性融冰等方法。近年贵州出现罕见低温冷冻冰凌天气，在110～500 kV交流线路上，投入了直流融冰装置，确保了线路安全。地线融冰考虑利用变电站现有直流融冰装置，兼容导线和地线融冰，南方电网推广直流融冰[3]。
融冰电流为使导线上覆冰融化的电流。融冰电流在导线电阻中产生的热量一部分使冰柱的温度上升至融点，一部分使冰柱融化，一部分损失在从导线表面到冰柱表面的传递途中，还有一部分通过冰柱表面散失，其计算公式如下：
((2)) 式中：Ir为融冰电流，A；R0为0 ℃时的导线电阻，Ω/m；Tr为融冰时间，h；Δt为导体温度与外界气温之差，℃；g0为冰的比重，一般按雨淞取0.9；b为冰层厚度，即覆冰每边冰厚，cm；D为导体覆冰后的外径，cm；RT0为等效冰层传导热阻，(°)·cm/W。
((3)) 式中：d为导线直径，cm；λ为导热系数，W·(°)-1·cm-1，对雨淞λ＝2.27×10-2，对雾淞λ＝0.12×10-2。
RT为对流及辐射等效热阻，(°)·cm/W，雨淞和雾淞下计算公式分别见式(4)和式(5)。
((4)) 
((5)) 式中：V为风速，m/s。
地线最大允许电流是在融冰的短时间内(最长几小时)允许导线达到最高温度所通过的电流，除考虑辐射散热和对流散热外，由于白天有日照，会增加导线的表面温度，故还得考虑架空地线的日照吸热，其计算公式如下：
((6)) 式中：Imax为架空地线最大允许电流，A；Rtmax为架空电线达到最大允许电流时架空地线的单位电阻值，Ω/m；Ws为架空地线的日照吸热，W/m；tmax为架空地线融冰时允许达到的最高温度，一般取tmax＝70°C；γ为架空地线吸热系数，新线为0.23～0.46，旧线为0.9～0.95；SI为日照强度，W/m2。
《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)规定验算导线允许载流量时，导线的允许温度宜按下列规定取值[4]：
1)钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线宜采用70 ℃，必要时可采用80 ℃，大跨越宜采用90 ℃。
2)钢芯铝包钢绞线和铝包钢绞线可采取80 ℃，大跨越可采用100 ℃，和或经试验确定。
3)镀锌钢绞线可采用125 ℃。
对比可见，融冰时间短(一般取1 h)，南方电网公司导线允许的温度取的大跨越的允许温度，因此地线融冰允许温度铝包钢绞线地线取100 ℃，镀锌钢绞线地线取125 ℃[5]。
地线最大融冰长度即地线融冰过程中，受地线电阻的影响，随着融冰线路的长度增加，其电阻会增大，相应的融冰电压也会增大，而最大融冰电压受融冰装置最大输出功率和地线融冰绝缘子融冰电压控制。
地线融冰主要通过传输电流或采用短路电流等方式，将电能转化成热能达到融冰的目的。由于地线融冰电流受地线长度及地线热稳定性限制，即不能超过其最大允许电流，同时不能低于实现其融冰的最小融冰电流。
1.2 地线融冰方式
地线融冰主要通过传输电流或采用短路电流型，将电能转换成热能达到融冰的目的，按照其接线方式不同，目前主要有以下几种融冰接线方式：
单极大地回路方式——融冰装置正极与地线相连，地线另一端与大地接地，融冰装置通过地线与大地形成回路实现融冰，如图1所示。
地线回路方式——线路两侧地线在首段分别连接到融冰装置正负极两端，尾端短接形成回路，如图2所示。
导地线回路方式即融冰装置正负极分别连接到融冰地线和一根导线上，尾端将地线与到导线短接形成回路进行融冰，如图3所示。
分段导线回路方式——融冰装置正负极两端分别连接到线路两根导线中，将需要融冰的地线段首尾两端分别连接到两根导线上，形成融冰回路，如图4所示。
2 地线融冰的实现
在目前光纤复合架空地线(OPGW)施工中，普遍采用逐塔接地方式。而地线融冰需要在地线上进行通流，因此，地线需要融冰，首先应进行绝缘化，必须在地线和光缆悬垂串中加入绝缘子串，同时在地线和光缆耐张串中加入绝缘子串，使得地线和光缆与大地绝缘，如图5所示。
放电间隙是保证绝缘地线投入融冰运行电压时能可靠绝缘，且绝缘地线遭受雷击时能有效及时的放电泄流。地线绝缘间隙的选取应遵循以下原则：
1)绝缘地线在污秽或覆冰时，在融冰电压的作用下不击穿。
2)绝缘地线在线路工频感应电压和作用下不被击穿。
3)无论绝缘地线在污秽或覆冰时，间隙均先于绝缘子放电。
4)地线全绝缘时还应保证地线绝缘间隙在雷电梯级先导发展阶段，可靠击穿。
地线实际融冰中，按照一线一策原则，每条线路地线融冰电流事先计算好，融冰时按照规定的融冰电流和融冰方式进行接线和升流[6]。
在雷雨季节来临前，应每隔15～30 km公里选择一基杆塔接地或恢复地线逐塔直接接地方式，地线在变电站终端塔处及站内接地，覆冰季节来临前，站外接地点全部打开。
3 计算分析
架空线路的融冰电流与众多因素相关，如覆冰厚度、环境温度、风速、融冰所需时间等。每次电力系统面对凝冻天气时的外界条件都有所不同，为了研究各种因素对融冰电流大小影响规律，以云南省昭通电网为例，计算了几种典型的地线外部因素与融冰电流的关系，详见图6～图9。
![图 6 融冰电流与覆冰厚度的关系(环境温度-5 ℃，风速5 m/s，1 h融冰)]()
图 6 融冰电流与覆冰厚度的关系(环境温度-5 ℃，风速5 m/s，1 h融冰)Figure 6. The Relationship Between Ice-melting Current and Icing Thickness(Environmental Temperature is -5 Degree Celsius，The Wind Speed is 5 m/s, Ice-Melting Time is 1 h．)![图 7 融冰电流与环境温度的关系(覆冰厚度10 mm，风速5 m/s，1 h融冰)]()
图 7 融冰电流与环境温度的关系(覆冰厚度10 mm，风速5 m/s，1 h融冰)Figure 7. The Relationship Between Ice-Melting Current and Environmental Temperature (Icing Thickness is 10 mm, The Wind Speed is 5 m/s, Ice-melting Time is 1 h)![图 8 融冰电流与风速的关系(覆冰厚度10 mm，环境温度-5 ℃，1 h融冰)]()
图 8 融冰电流与风速的关系(覆冰厚度10 mm，环境温度-5 ℃，1 h融冰)Figure 8. The Relationship Between Ice-melting Current and Winds(Icing Thickness is 10 Millimetre, Environmental Temperature is -5 Degree，Ice-melting Time is 1 h)![图 9 融冰电流与融冰时间的关系(覆冰厚度10 mm，环境温度-5 ℃，风速5 m/s)]()
图 9 融冰电流与融冰时间的关系(覆冰厚度10 mm，环境温度-5 ℃，风速5 m/s)Figure 9. The Relationship Between Ice-melting Current and Time(Icing Thickness is 10 Millimetre, Environmental Temperature is -5 ℃，The Wind Speed is 5 m/s.)从图6可知，覆冰厚度对于融冰电流影响很大，针对昭通电网常用的几种架空地线型号的计算表明，覆冰每增加5 mm，则融冰电流需要增加10～16 A。由于融冰需要一定的时间而覆冰增加速度常常很快，因此在观察到架空线路覆冰厚度大于5 mm时就应紧急启动融冰预案。
图中的温度差是指融冰时的导线温度与环境温度之差。从图7可知，环境温度对于融冰电流影响也很大，针对昭通电网常用的几种架空地线型号的计算表明，环境温度每下降2 ℃，则线路融冰电流需要增加15～25 A。
从图8可知，风速对融冰电流的影响程度与风速大小有关，其中风速在0～4 m/s间，对融冰电流影响较大，风速为2 m/s时，融冰电流较无风时(风速为0 m/s)增加35～40 A；但是当风速大于4 m/s后，风速对于融冰电流的影响趋缓，大约风速每增大2 m/s则融冰电流增大5～10 A。
从图9可知，融冰时间在0.2到0.5小时内，最小融冰电流值变化比较快，变化范围在35～65 A之间，融冰时间从0.5～2 h之间，递减比较平缓，若以0.5 h融冰时间对应的融冰电流为基准，则融冰时间增加到1 h，融冰电流减少了20～40 A；融冰时间增加到1.5小时时，融冰电流减少了8～15 A；融冰时间增加到2 h，融冰电流减少了5～8 A。
4 融冰时温度对光单元的影响
分析融冰通流温升对OPGW的影响，主要应研究对光单元的影响，需对光单元承受超过＋80 ℃时的温度性能进行分析。
我国的涂覆材料大多是丙烯酸树脂，使用的温度一般在-60 ℃～＋85 ℃，指的是长期工作温度，当光纤应用在电力通信方面，这个温度范围能够满足要求[7]。
依据《光纤用紫外光固化涂料规范》(GJB 2148—1994)3.2.2.4软化度要求，光纤被覆层的软化点应不低于＋85 ℃；因此，光纤长期耐高温性能达到＋85 ℃。
为检测OPGW的融冰温度达到及超过85 ℃时是否对光纤传输质量及光纤机械强度造成损坏，深圳市特发信息股份有限公司东莞分公司对光纤、纤膏、光单元进行了温度性能试验和温度循坏试验，详见附录D，并得出以下分析结果。
4.1 光纤温度影响分析
在对光纤做＋50～＋150 ℃温度性能试验、常温～＋150 ℃温度循环试验后，测试的光纤衰减范围满足行标及南网企标的要求；光纤熔接的接头损耗满足南网企标的要求；所测光纤未见涂覆层软化脱落及开裂等现象，与光纤芯能紧密结合。本试验证明光纤在超过相关标准要求＋85 ℃后，在达到＋150 ℃仍能正常工作。
但在＋150 ℃时试验光纤损减相对＋140 ℃增加较大，在5次常温至＋150 ℃温度循环回到常温后，衰减值与常温初测值有微小增加。这可能与试验用测试仪器精度有关；也可能是光纤涂层在高温下发生了轻微变化，影响了传输质量。
根据试验情况，融冰时光缆内部温度宜控制在低于＋140 ℃范围内，以防止更高温度对光纤带来的不确定损坏因素。受试验仪器的温度范围影响，＋150 ℃以上的高温未做试验，建议到权威机构做后续的试验分析。
4.2 纤膏温度影响分析
在对纤膏做＋50～＋150 ℃温度性能试验、温度循环试验后，其主要性能指标仍可满足相关行业标准的要求值。本试验证明纤膏油分离(%)、蒸发量(%)等参数在超过相关标准要求＋80 ℃，在达到＋150 ℃仍能满足要求。其主要原因是，通信行标针是对-40 ℃～＋80 ℃的使用环境做相关要求，而没有规定对特定高温再做试验。实际上而改变纤膏物理特性的滴点、闪点至少需要＋200 ℃以上的温度。
通过试验证明，融冰时纤膏温度在控制在＋150 ℃范围内，仍符合应用要求。受试验仪器的温度范围影响，＋150 ℃以上的高温未做试验，建议到权威机构做后续的试验分析。
4.3 光单元整体温度影响分析
通过对光单元、光纤、纤膏的试验，可认为对光单元的耐高温性能的范围有较大的余量，可耐受达＋150 ℃高温。
在单根光纤温度性能试验中，＋150 ℃时试验光纤损减相对＋140 ℃增加较大，在5次常温至＋150 ℃温度循环回到常温后，衰减值与常温初测值有微小增加的现象；但在光单元的整体试验中，24根光纤到达＋150 ℃后损减没有出现以上情况，衰减值均不超过0.03 dB/km；从＋150 ℃恢复到常温后，衰减值可恢复到常温初测值。这可能是光纤在光单元中受油膏保护，避免了涂覆层高温下与空气接触产生不良反应；鉴于目前所有试验均只做到＋150 ℃，但已满足融冰温度的需要[8]。
目前OPGW外层绞线材质基本采用铝包钢绞线，融冰电流计算时一般不超过＋80 ℃。因此，光单元在融冰时的短暂升温过程中也是安全的。
5 结论
通过实验分析融冰通流温升对OPGW性能及寿命的影响，结合地线融冰的实际应用情况，针对今后实际地线融冰应用提出中合理的温度限制范围和应用建议：
1)OPGW融冰在实践中证明是可行，为确保融冰过程OPGW内部光纤不受损伤，光学性能和参数保持正常，OPGW融冰应遵循《南方电网输电线路地线覆冰防治工作导则》，且融冰温度必须受控。
2)为更有效地跟进OPGW光缆受融冰影响的情况，应及时记录OPGW融冰电流值；测试记录OPGW融冰前、通流过程、融冰通流结束时及OPGW恢复常温后的光衰减，融冰通流过程，应至少每隔15 min测1次；有条件的应记录融冰线路监测点OPGW的温度。
3)融冰通流过程全铝包钢OPGW表面温度应控制在＋80 ℃以下，特殊情况下不超过＋90 ℃；中心束管式OPGW表面温度必须控制在＋80 ℃以下；铝合金OPGW表面温度必须控制在＋70 ℃以下。
4)融冰过程中电流突增、温度突增、光衰减发生明显的变化，应立即停止融冰。
5)OPGW融冰可采用直流融冰方式，在线路条件允许的情况下，OPGW应单独融冰。
高春萌 -
表 1 点火方式对比
Table 1
The technical comparison 项目 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 系统配置 1套微油点火系统，油罐区设施利旧 1套等离子点火装置，油罐区设施利旧 1套等离子点火装置 2套等离子点火装置 厂内天然气调压站及场外天然气输配管网 业绩 多 多 较多 多 较少 运行维护 较复杂，燃油系统需要持续投运 较复杂，燃油和等离子冷却系统需持续投运，并定期更换等离子发生器的阴阳极 相对简单，等离子冷却系统需持续投运，需定期更换等离子发生器阴阳极 同方案三 管网输送系统相对简单，罐车输送系统相对复杂 可靠性 常规燃油系统作为备用，可靠性较高 常规燃油系统作为备用，可靠性较高 无备用点火助燃系统，可靠性略低 两套等离子点火系统互为备用，可靠性较高 取决于天然气气源系统稳定性，一般来说可靠性较高 对锅炉热应力影响及对策 点火初期，煤粉点燃后释放的热量高于常规油枪，对锅炉热冲击较大；对策：采用油枪点火，节油点火装置低负荷稳燃，但机组运行成本增加 同方案一 点火初期，煤粉点燃后释放的热量高于常规油枪，对锅炉造成的热冲击较大；对策：减小磨煤机给煤量，降低点火装置的初始热功率，采用邻机加热系统 同方案三 可以单根天然气枪投入，控制炉膛升温速度，几乎不会对锅炉造成热冲击 对锅炉效率的影响 点火期间会增加飞灰含碳量，降低锅炉效率，正常运行期间对锅炉效率几乎无影响[4,5] 点火期间飞灰含碳量增肌，正常运行期间，若等离子点火燃烧器用作主燃烧器，会降低锅炉效率，但影响极小，几乎可以忽略 同方案二 同方案二 天然气易点易燃，几乎不会增加飞灰含碳量；正常运行期间(点火系统不投用)，无影响 对污染物排放影响 点火期间，未燃尽的油可能会对后续脱硝、除尘器和脱硫系统产生不利影响；正常运行期间(点火系统不投用)，无影响 点火期间的未燃尽碳对后续设备的影响较小；正常运行期间，若等离子点火燃烧器用主燃烧器，会增加NOx排放量，但影响极小，几乎可以忽略 同方案二 同方案二 天然气主要成分是甲烷(CH4)，燃烧后的主要产物是CO2和水蒸气，粉尘含量极低，燃烧产生的SOx/NOx可以忽略不计 
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表 2 能耗分析
Table 2
Analysis about energy consumption 项目 方案一 方案二 方案三/方案四 方案五 启动及助燃过程 能量输入 燃油/燃煤/供油泵 燃煤/等离子发生器/空气压缩机/等离子冷却水泵/供油泵 燃煤/等离子发生器空气压缩机/等离子冷却水泵 燃气/燃煤 能量输出 炉膛热量 炉膛热量 炉膛热量 炉膛热量 正常运行过程 能量输入 供油泵 等离子冷却水泵/空气压缩机/供油泵 等离子冷却水泵/空气压缩机 天然气调压站 能量输出 无 无 无 无
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表 3 年费用计算结果对比
Table 3
The economic calculation results 序号 项目 单位 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 初投资 点火系统 万元 180 400 400 800 1 510 燃油系统(进 口油枪) 万元 480 480 0 0 0 天然气调压 站及管网 万元 0 0 0 0 3 900 总计 万元 660 880 400 800 5 410 点火 运行时间 h 40 40 40 40 40 运行设备 电功率 kW 160 1 392 1 232 1 232 0 油枪总出力 kg/h 640 0 0 0 0 天然气枪 总出力 m3/h 0 0 0 0 24 000 平均耗标煤量 t/h 63.13 62.84 62.84 62.84 26.43 年运行费用 万元 243.5 221.3 221.2 221.2 395.9 稳燃 运行时间 h 300 300 300 300 300 平均标煤耗量 t/h 106.2 105.6 105.6 105.6 93.50 年运行费用 万元 2 956 2 782 2 780 2 780 3 365 正常运行 年利用小时数 h 5 500 5 500 5 500 5 500 5 500 热备用设备功率 kW 50 57.5 7.5 7.5 0 年运行费用 万元 6.3 7.24 0.94 0.94 0 等离子阴阳极年更换费用 万元 0 12.80 12.80 12.80 0 年运行维护费用 万元 3 206 3 011 3 003 3 003 3 761 年费用/NF 万元 3 318 3 160 3 071 3 139 4 680 年费用排序 4 3 1 2 5
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