張樹林， 曹 暉， 李劍寧， 熊顯巍， 王 璞

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240；2. 上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司， 上海 200137)

我國(guó)燃煤鍋爐的燃料主要是褐煤、煙煤、無(wú)煙煤等，其中煙煤占總量的四分之三；對(duì)煙煤的過(guò)度開采和燃燒，使其儲(chǔ)量已低于煤炭總儲(chǔ)量的百分之七十，不能滿足電力供應(yīng)的旺盛需求。因此，必須積極開展劣質(zhì)煤的利用，擴(kuò)大煤種的適應(yīng)性，加大褐煤、泥煤等煤炭資源在燃煤中的比重，從而緩解煙煤需求緊張的現(xiàn)狀。最新數(shù)據(jù)表明，已探明的褐煤儲(chǔ)量高達(dá)1 000億t，約占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的16%[1]。面對(duì)褐煤豐富的儲(chǔ)量和廉價(jià)的特點(diǎn)，許多發(fā)電企業(yè)開始要求燃燒煙煤鍋爐大比例摻燒褐煤。褐煤具有高揮發(fā)分、高水分、低發(fā)熱量等特點(diǎn)，造成了鍋爐在摻燒褐煤時(shí)往往出現(xiàn)磨煤機(jī)出力不足現(xiàn)象，迫使機(jī)組只能降負(fù)荷運(yùn)行或者降低褐煤的摻燒比例，嚴(yán)重影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

燃燒煙煤鍋爐的空氣預(yù)熱器出口熱一次風(fēng)風(fēng)溫一般設(shè)計(jì)在310～320 ℃，磨煤機(jī)出口溫度在65 ℃左右，在進(jìn)行褐煤大比例摻燒時(shí)，由于褐煤的高水分、高揮發(fā)分特點(diǎn)，造成磨煤機(jī)在冷一次風(fēng)全關(guān)狀態(tài)下，熱一次風(fēng)的干燥能力依舊不足。常規(guī)的調(diào)整手段主要有兩種：一種是增加一次風(fēng)風(fēng)率，會(huì)造成一次風(fēng)風(fēng)機(jī)電耗增加，并且降低了二次風(fēng)風(fēng)率，影響二次風(fēng)剛性及爐膛的空氣動(dòng)力場(chǎng)，導(dǎo)致燃燒效果變差，不完全燃燒熱損失增加；另一種是減少磨煤量，但會(huì)造成鍋爐燃燒熱量不足，機(jī)組負(fù)荷上不去，被迫低負(fù)荷運(yùn)行。

針對(duì)目前摻燒過(guò)程中存在的以上問題，國(guó)內(nèi)針對(duì)磨煤機(jī)出力問題也有一些研究，如馮偉忠[2]提出在磨煤機(jī)出口增加中溫加熱器來(lái)提升風(fēng)粉混合物溫度。筆者提出了在磨煤機(jī)前的熱一次風(fēng)風(fēng)道中增加蒸汽換熱器，將熱一次風(fēng)進(jìn)行二次再熱，熱一次風(fēng)風(fēng)率恢復(fù)到原來(lái)設(shè)計(jì)參數(shù)附近的改造方案，即在保證磨煤機(jī)干燥能力的同時(shí)，控制磨煤機(jī)側(cè)出口溫度在65 ℃，為煙煤機(jī)組大比例摻燒褐煤開辟了新的技術(shù)途徑。

1 改造前運(yùn)行狀況

該鍋爐為SG - 1025/18.3- M831型亞臨界強(qiáng)迫循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐結(jié)構(gòu)為П形布置，平衡通風(fēng)，四角噴燃。鍋爐配2臺(tái)離心式一次風(fēng)機(jī)，其最大風(fēng)量為240 336 m3/h，最大全壓為11 282 Pa；電動(dòng)機(jī)最大功率為1 050 kW。鍋爐采用正壓直吹制粉HP863碗式中速磨煤機(jī)，磨碗直徑為2 184 mm，磨碗轉(zhuǎn)速為38.4 r/min，基本出力為48.1 t/h。

鍋爐在改造之前進(jìn)行了摻燒試驗(yàn)摸底，情況見表1。

表1 鍋爐改造前摻燒情況

當(dāng)鍋爐在70%BRL工況下，最大摻燒褐煤比例可達(dá)50%；而當(dāng)鍋爐在100%BRL工況下，最多只能摻燒30%褐煤。

當(dāng)制粉系統(tǒng)的旁路冷風(fēng)門全關(guān)、熱風(fēng)門全開時(shí)，冷風(fēng)份額最小為24%，這其中包含密封風(fēng)冷風(fēng)，實(shí)際冷一次風(fēng)份額減少到約15%。從其他褐煤機(jī)組的運(yùn)行情況來(lái)看，15%的冷風(fēng)份額已經(jīng)到了最小冷風(fēng)份額的極限。按目前風(fēng)門的設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況判斷，即便將冷風(fēng)風(fēng)門全關(guān)、熱風(fēng)門全開，還是會(huì)有一定量的冷風(fēng)量流入。

根據(jù)磨煤機(jī)設(shè)計(jì)使用手冊(cè)得知，磨煤機(jī)基本出力可達(dá)到48.1 t/h，實(shí)際運(yùn)行時(shí)最大出力為31 t/h。干燥出力嚴(yán)重不足，限制了在摻燒褐煤時(shí)磨煤機(jī)出力，無(wú)法繼續(xù)增加褐煤的摻燒比例。

在現(xiàn)有摻燒褐煤的工況下，機(jī)組的一次風(fēng)風(fēng)率和風(fēng)阻大大增加，一次風(fēng)風(fēng)機(jī)壓頭裕量剩余約10%，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率裕量?jī)H剩約3%。

2 改造方案確定

2.1 改造原則

鍋爐在摻燒褐煤后出現(xiàn)的問題根本原因是風(fēng)煤比例偏離原設(shè)計(jì)值。由于負(fù)荷一定時(shí)，總風(fēng)量是一定的，一次風(fēng)風(fēng)率過(guò)高會(huì)造成二次風(fēng)風(fēng)率的下降，二次風(fēng)剛性不足會(huì)使?fàn)t膛內(nèi)燃燒效果惡化，影響機(jī)組的整體性能和鍋爐效率。為此，在確定改造方案時(shí)主要考慮將機(jī)組參數(shù)盡量靠近設(shè)計(jì)值，即保持機(jī)組熱力性能基本不變，尤其是一次風(fēng)風(fēng)率降低到原設(shè)計(jì)值附近，回歸到原有的運(yùn)行工況，有利于機(jī)組的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

2.2 改造方案

2.2.1 理論計(jì)算

本次改造在熱一次風(fēng)風(fēng)道上設(shè)置蒸汽換熱器，采用汽輪機(jī)三號(hào)抽汽的過(guò)熱度來(lái)加熱熱一次風(fēng)，提升磨煤機(jī)的干燥出力，換熱后的蒸汽再回到三號(hào)高壓加熱器繼續(xù)加熱給水。

根據(jù)表1鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，可計(jì)算出在BRL工況下熱一次風(fēng)總量qf為232 t/h，熱一次風(fēng)風(fēng)溫為314 ℃。在汽輪機(jī)額定出力(THA)工況下壓力為1.72 MPa，溫度達(dá)到437.4 ℃，焓值hi為3 334.1 kJ/kg， 抽汽流量qs為37.94 t/h。為保證傳熱溫差，蒸汽加熱器出口汽溫設(shè)為329 ℃(高于未加熱的熱一次風(fēng)風(fēng)溫15 K)，焓值ho為3 098 kJ/kg，則汽輪機(jī)三號(hào)抽汽可提供給熱一次風(fēng)的總熱量Q為：

Q=(hi-ho)×qs

(1)

經(jīng)計(jì)算可得抽汽對(duì)外提供總熱量為9 071 454 kJ/h ，空氣在300～400 ℃時(shí)的比定壓熱容cp為1.05 kJ/(kg·K)，則可提升的熱一次風(fēng)風(fēng)溫Δt為：

(2)

式(1)代入式(2)后得到一次風(fēng)風(fēng)溫可提升約35 K。

2.2.2 改造系統(tǒng)圖

系統(tǒng)改造設(shè)備主要包括蒸汽管道、蒸汽換熱器、相應(yīng)閥門及控制儀表等，見圖1。

圖1 熱一次風(fēng)再熱系統(tǒng)改造圖

2.2.3 安全技術(shù)措施

根據(jù)《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，在磨煤機(jī)干燥劑進(jìn)口風(fēng)道上(冷、熱風(fēng)混合后)，靠近磨煤機(jī)處加裝了自動(dòng)啟閉式防爆門，垂直或斜向上45°安裝；同時(shí)，增設(shè)CO防爆監(jiān)測(cè)儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磨煤機(jī)內(nèi)部的CO含量?？紤]后續(xù)煤種可能的變化和機(jī)組運(yùn)行的要求，增設(shè)CO防爆檢測(cè)儀后可以滿足后續(xù)需要提高磨煤機(jī)的最大干燥出力，以達(dá)到磨煤機(jī)褐煤的最大摻混比運(yùn)行時(shí)的防爆要求。

3 改造效果評(píng)價(jià)

3.1 改造前后主要參數(shù)

鍋爐改造后摻燒神木煤+印尼褐煤。改造后根據(jù)煤質(zhì)熱量平衡核算得出：在100%BRL工況下，磨煤機(jī)干燥出力可提高褐煤平均摻燒比例為49.2%，褐煤摻燒比例增加了19.2百分點(diǎn)，其余工況下褐煤摻燒比例均有所上升。褐煤摻燒比例結(jié)果見表2。

表2 改造前后摻燒比例對(duì)比

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)摻燒褐煤與計(jì)劃內(nèi)神木標(biāo)煤價(jià)格為計(jì)算依據(jù)，分析購(gòu)煤成本的經(jīng)濟(jì)性。兩種煤標(biāo)煤價(jià)格對(duì)比見表3。

表3 標(biāo)煤價(jià)格對(duì)比 元/kg

由表3可得：每增加10%摻燒褐煤比例，則購(gòu)煤成本下降5.75元/kg。

300 MW機(jī)組鍋爐在100%BRL下燃用標(biāo)煤約為100 t/h，機(jī)組平均年利用小時(shí)按照3 500 h計(jì)算，褐煤摻燒比例增加19.2%，則每年節(jié)省燃煤成本386.4萬(wàn)元。

3.3 熱經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 排煙熱損失

鍋爐排煙熱損失主要影響因素是排煙溫度及排煙的熱容量。排煙溫度不變時(shí)，若全燒褐煤排煙熱容量導(dǎo)致的鍋爐效率下降約0.6%；摻燒褐煤時(shí)會(huì)造成排煙溫度一定的升高。若全燒褐煤排煙溫度升高約15 K，影響鍋爐效率約0.95%，整體排煙損失帶來(lái)的鍋爐效率下降約1.55%。

3.3.2 機(jī)械不完全燃燒熱損失

褐煤煤化程度低，燃盡性較好，鍋爐摻燒褐煤后，飛灰含碳量有所下降。一般情況下，煙煤飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1%，褐煤飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.5%[3]，因此若全燒褐煤，飛灰含碳量減少所引起的鍋爐效率將增加約0.16%。

若全燒褐煤，鍋爐效率比全燒煙煤降低1.39%。在熱一次風(fēng)風(fēng)道中加裝蒸汽換熱器后，褐煤摻燒比例增加19.2百分點(diǎn)，則鍋爐效率降低0.267%，增加煤耗約0.88 g/(kW·h)。

3.3.3 汽輪機(jī)熱耗及熱風(fēng)溫度升高對(duì)煤耗的影響

三號(hào)抽汽加熱熱一次風(fēng)后，增加熱耗約24 kJ/(kW·h)，增加煤耗約0.96 g/(kW·h)。

在熱一次風(fēng)風(fēng)道中加裝熱一次風(fēng)蒸汽換熱器后，熱一次風(fēng)風(fēng)溫升高35 K。由于熱一次風(fēng)占總風(fēng)量約25%，相當(dāng)于總風(fēng)溫升高8.75 K，等效鍋爐效率增加0.43%，降低煤耗1.42 g/(kW·h)。

3.3.4 廠用電率影響

300 MW鍋爐若全改燒褐煤后，由于輔機(jī)電耗增加，廠用電率增加約1.2%，增加供電煤耗約3.7 g/(kW·h)；若增加褐煤摻混比例19.2百分點(diǎn)后，折合增加供電煤耗0.71 g/(kW·h)。

因此，在熱一次風(fēng)風(fēng)道中加裝蒸汽換熱器加熱一次風(fēng)后，褐煤摻燒比例增加19.2百分點(diǎn)，最終煤耗增加1.13 g/(kW·h)。分項(xiàng)煤耗匯總見表4。

表4 改造后分項(xiàng)煤耗 g/(kW·h)

綜上分析，按改造后加權(quán)標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)(不含稅)469元/t、機(jī)組平均年利用小時(shí)數(shù)3 500 h計(jì)算，每年由于煤耗上升增加燃煤成本55.6萬(wàn)元，實(shí)際每年可節(jié)省燃煤成本330.8萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在一次風(fēng)風(fēng)道中增設(shè)熱一次風(fēng)蒸汽換熱器，對(duì)鍋爐的一次風(fēng)風(fēng)率和整體燃燒狀況都有了很大的改善；通過(guò)提高褐煤的摻燒比例，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具體如下：

(1) 在熱一次風(fēng)風(fēng)道中增設(shè)蒸汽換熱器可以在原有摻燒褐煤比例的基礎(chǔ)上提高19.2百分點(diǎn)，大比例摻燒褐煤后鍋爐原有的熱力性能基本不變。

(2) 增設(shè)熱一次風(fēng)蒸汽換熱器后，實(shí)際每年可節(jié)省燃煤成本330.8萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(3) 通過(guò)改造提高了機(jī)組的煤種適應(yīng)性，為后續(xù)燃煤機(jī)組摻燒劣質(zhì)煤的技術(shù)提供了新的途徑。

參考文獻(xiàn)：

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