陳朝松， 熊顯巍， 李劍寧

(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)

隨著電力市場競爭加劇，發(fā)電企業(yè)實(shí)行競價(jià)上網(wǎng)，進(jìn)一步降低發(fā)電成本來提高企業(yè)的核心競爭力和贏利水平是火電企業(yè)的長期目標(biāo)，鍋爐摻燒褐煤是常用的技術(shù)。但是褐煤濕度大等缺點(diǎn)導(dǎo)致以前在電站鍋爐中使用較少，褐煤的摻燒及其摻燒比例的提高都會給鍋爐燃燒帶來很多問題，其中最大的問題是褐煤含水量較大，摻燒褐煤或提高摻燒比例后，原設(shè)計(jì)一次風(fēng)熱風(fēng)溫度不能滿足磨煤機(jī)干燥出力要求[1]，制粉系統(tǒng)不能滿足鍋爐正常運(yùn)行要求，無法實(shí)現(xiàn)燃用褐煤鍋爐機(jī)組正常的帶負(fù)荷能力[2]。

筆者通過對幾種提高一次風(fēng)溫技術(shù)的對比分析，根據(jù)電廠實(shí)際情況，選擇切實(shí)可行的技術(shù)方案。

1 鍋爐概況

上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司4號鍋爐為SG-1025/18.3-M831型亞臨界一次再熱的控制循環(huán)鍋爐，采用四角切圓燃燒方式，露天布置全鋼懸吊等結(jié)構(gòu)。配置5臺HP863碗式中速磨煤機(jī)，回轉(zhuǎn)式三分倉空氣預(yù)熱器(簡稱空預(yù)器)和軸流送引風(fēng)機(jī)。

鍋爐在最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)時的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鍋爐BMCR主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐改造前摻燒褐煤情況見表2。

表2 鍋爐改造前摻燒褐煤情況

從表2可知，運(yùn)行中實(shí)際單臺磨煤機(jī)帶鍋爐負(fù)荷越小，摻燒褐煤比例越大。

改造前在熱風(fēng)全開、冷風(fēng)全關(guān)的情況下，冷風(fēng)百分比最小為23%，去除密封風(fēng)冷風(fēng)，冷一次風(fēng)量實(shí)際只有約15%。從其他同類型褐煤機(jī)組的運(yùn)行情況來看，這個冷風(fēng)量已經(jīng)達(dá)到最小冷風(fēng)量的極限。

由于改造前已經(jīng)摻燒一定比例的褐煤，總的一次風(fēng)率、熱風(fēng)份額相比原設(shè)計(jì)都增加了，一次風(fēng)機(jī)壓頭裕量約10%，風(fēng)機(jī)電動機(jī)功率裕量僅剩約3%。風(fēng)機(jī)壓頭、電動機(jī)功率都無法滿足完全切斷冷風(fēng)的通風(fēng)要求。

磨煤機(jī)原設(shè)計(jì)基本出力可達(dá)48 t/h，而實(shí)際運(yùn)行時的最大干燥出力僅有31 t/h，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)一次風(fēng)熱風(fēng)溫度偏低，磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)干燥出力不足，從而無法進(jìn)一步增加褐煤摻燒比例。

2 提高一次風(fēng)溫的技術(shù)比較

2.1 改變空預(yù)器旋轉(zhuǎn)方向

一般空預(yù)器的旋轉(zhuǎn)方式為逆轉(zhuǎn)式,通常二次風(fēng)溫高于一次風(fēng)溫,能起到穩(wěn)定整個鍋爐燃燒動力場的作用。如果改變空預(yù)器原有的旋轉(zhuǎn)方式，就可以達(dá)到提高較小幅度一次風(fēng)溫的目的[4]。在設(shè)計(jì)燃用褐煤的鍋爐時，主要考慮褐煤含水量大,制粉系統(tǒng)需要的干燥用熱量較大,必須提高一次風(fēng)溫度才能實(shí)現(xiàn)。空預(yù)器實(shí)行順轉(zhuǎn)后可以提高一次風(fēng)溫度,這樣有利于提高制粉系統(tǒng)干燥出力。

通過改變空預(yù)器旋轉(zhuǎn)方向,一次風(fēng)溫度一般能提高7～10 K。但改變空預(yù)器原有轉(zhuǎn)向，會給原密封系統(tǒng)造成較大損害。如果在熱風(fēng)溫度較低的情況下,靠改變旋轉(zhuǎn)方向來提高熱風(fēng)溫度,一次風(fēng)溫度提升幅度不是很大。在摻燒褐煤比例不大的情況下，采取這種提高一次風(fēng)溫的方法是可行的。

當(dāng)空預(yù)器原設(shè)計(jì)性能已經(jīng)不能滿足摻燒褐煤需要的一次風(fēng)溫時，可以考慮對原有的空預(yù)器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或局部改進(jìn)，提升空預(yù)器本身的換熱能力，以達(dá)到提高一次風(fēng)溫的目的。

對空預(yù)器的重新設(shè)計(jì)改造需要花費(fèi)的成本比較大，投資回報(bào)較低。

2.2 轉(zhuǎn)向室抽取煙氣

從轉(zhuǎn)向室抽取煙氣加熱一次風(fēng)，可以根據(jù)需要將一次風(fēng)溫度提高30～50 K，甚至更高。在每側(cè)一側(cè)風(fēng)道上布置一臺管式換熱器，采用煙氣管外與空氣管內(nèi)的流動方式，然后從轉(zhuǎn)向室抽取一定的煙氣，通過管式換熱器加熱一次風(fēng)，從而提高一次風(fēng)溫度；煙氣經(jīng)過換熱器后再回到脫硝裝置入口或省煤器出口。

由于管式加熱器的加熱介質(zhì)是從轉(zhuǎn)向室抽取的煙氣，因此必須考慮旁路煙道的設(shè)計(jì)。需要加裝引風(fēng)機(jī)作為抽取煙氣的動力源，克服新設(shè)計(jì)的換熱器給一次風(fēng)道增加的局部阻力。

另外，空氣側(cè)阻力一般增加較少，原有送風(fēng)機(jī)余量即可滿足管式換熱器空氣側(cè)出力的工作要求。煙氣側(cè)阻力一般增加較多，可以通過加裝一臺新的引風(fēng)機(jī)，確保抽取的旁路煙氣能夠克服管式換熱器增加的阻力，并將煙氣輸送至脫硝裝置入口。

根據(jù)熱力過程分析，抽取一定比例的轉(zhuǎn)向室煙氣加熱一次風(fēng)提高一次風(fēng)溫，則流過尾部煙道受熱面的煙氣量將會減小，導(dǎo)致尾部煙道受熱面的出口汽溫和省煤器出口水溫都會降低。因?yàn)橐话愠槿〉臒煔饬亢苄?，不影響鍋爐的正常運(yùn)行。

該技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜程度高，投資較大。增壓風(fēng)機(jī)的選型苛刻，安全防爆要求嚴(yán)格，設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高。

2.3 汽輪機(jī)抽蒸汽

從汽輪機(jī)抽取一定蒸汽加熱一次風(fēng)，可以根據(jù)需要將一次風(fēng)溫度提高30～50 K，換熱器主要受風(fēng)道空間限制。通常在每一側(cè)風(fēng)道上布置1臺管式換熱器，采用一次風(fēng)管外與蒸汽管內(nèi)的流動方式。通過管式換熱器加熱一次風(fēng)，從而提高一次風(fēng)溫度；蒸汽經(jīng)過換熱器后再回到高壓加熱器。加熱后的一次風(fēng)送往磨煤機(jī)進(jìn)口，從而提升磨煤機(jī)干燥出力，解決了摻燒褐煤鍋爐干燥出力不足的問題，達(dá)到提高褐煤摻燒比例。

該技術(shù)是根據(jù)原有一次風(fēng)道設(shè)計(jì)合適的蒸汽加熱器。鍋爐一次風(fēng)道一般截面較小，須要對原有風(fēng)道進(jìn)行擴(kuò)建才能放置新設(shè)計(jì)的加熱器，風(fēng)道擴(kuò)建后須要對這部分進(jìn)行流場數(shù)值模擬計(jì)算，以保證改造后風(fēng)道流場比較均勻，加熱器具有良好的換熱效果。

3 提高一次風(fēng)溫的改造方案及應(yīng)用

3.1 改造方案

上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司4號鍋爐在原有摻燒褐煤的基礎(chǔ)上提高摻燒比例改造工程，經(jīng)過對以上幾種提高一次風(fēng)溫的技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合電廠實(shí)際情況，最終采用抽取汽輪機(jī)三抽蒸汽加熱一次風(fēng)的技術(shù)。該技術(shù)不但能夠滿足提高一次風(fēng)熱風(fēng)溫度，提升磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的干燥出力，進(jìn)一步提高褐煤摻燒比例，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

采用抽取汽輪機(jī)三抽蒸汽加熱一次風(fēng)的技術(shù)工藝流程圖見圖1。

圖1 汽輪機(jī)抽蒸汽加熱一次風(fēng)系統(tǒng)圖

鍋爐的原設(shè)計(jì)一次風(fēng)道截面為1 700 mm×1 525 mm，為了安裝新設(shè)計(jì)的蒸汽加熱器，根據(jù)加熱器熱力計(jì)算分析，須要將一次風(fēng)道擴(kuò)大為2 200 mm×3 125 mm，才能滿足安裝新設(shè)計(jì)的蒸汽加熱器提升一次風(fēng)溫度的性能要求。由于風(fēng)道擴(kuò)大，如果在風(fēng)道內(nèi)不安裝導(dǎo)流裝置，加熱器區(qū)域的流場分布將不均勻，不利于充分實(shí)現(xiàn)加熱器的換熱效果。對擴(kuò)大后的風(fēng)道沒安裝導(dǎo)流裝置的流場分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，應(yīng)用FLUENT軟件計(jì)算其流場分布，見圖2。

圖2 沒有導(dǎo)流時風(fēng)道流場速度分布圖

從圖2分析可知：沒有導(dǎo)流裝置時，一次風(fēng)在風(fēng)道里流速分布很不均勻，上部一次風(fēng)流速可達(dá)20 m/s以上，下部一次風(fēng)流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上部流速。這樣會導(dǎo)致新加裝的蒸汽加熱器不能和一次風(fēng)進(jìn)行良好的熱交換，一次風(fēng)溫的提升效果不好。

為了改善加熱器和一次風(fēng)的換熱效果，必須使該區(qū)域的流場分布均勻化。在擴(kuò)大的風(fēng)道加裝導(dǎo)流裝置后，將會使加熱器區(qū)域的流場分布更均勻。對加裝導(dǎo)流板后的該區(qū)域流場分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究后表明：在風(fēng)道截面上加裝了3塊不同傾斜度的導(dǎo)流板后，可以大大改善整個風(fēng)道的流場均勻分布。應(yīng)用FLUENT軟件計(jì)算其流場的分布見圖3，速度矢量見圖4。

圖3 加裝導(dǎo)流板后風(fēng)道流場速度分布圖

圖4 加裝導(dǎo)流板后風(fēng)道流場速度矢量圖

從圖3分析可知：加裝導(dǎo)流裝置后，一次風(fēng)在整個擴(kuò)大后的風(fēng)道里流速分布較為均勻。從圖4分析可知：加裝導(dǎo)流裝置后，風(fēng)道流場已經(jīng)基本沒有回流區(qū)，速度偏差也較小。

綜上所述，加裝導(dǎo)流裝置后，可以大大改善擴(kuò)大后風(fēng)道內(nèi)蒸汽加熱器和一次風(fēng)之間的換熱效果，從而提升加熱器的換熱能力。通過研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)能夠達(dá)到提高一次風(fēng)熱風(fēng)溫度的性能指標(biāo)，滿足摻燒褐煤后磨煤機(jī)干燥出力的要求。

3.2 工程應(yīng)用

該鍋爐改造后一次風(fēng)熱風(fēng)溫度實(shí)際提高近30 K，磨煤機(jī)干燥出力增加。改造后電廠委托第三方對加熱器進(jìn)行了詳細(xì)的性能測試，鍋爐主要性能數(shù)據(jù)見表3，加熱器性能數(shù)據(jù)見表4。

表3 改造后鍋爐性能檢測數(shù)據(jù)表

表4 改造后加熱器性能檢測數(shù)據(jù)表

從表3分析可知：在投運(yùn)熱一次風(fēng)加熱器情況下，鍋爐主蒸汽、再熱蒸汽和排煙的溫度基本達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，說明改造沒有影響鍋爐的主要性能指標(biāo)，不影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。從表4分析可知：在285 MW工況下熱一次風(fēng)平均溫升為34.5 K，低負(fù)荷時熱一次風(fēng)平均溫升提高更多。

電廠實(shí)際燃煤主要為神木煤和印尼褐煤，根據(jù)磨煤機(jī)熱量平衡核算可知，在BRL工況下褐煤平均摻燒比例由改造前的30.0%提高到49.2%。其他工況褐煤的摻燒比例也得到相應(yīng)提升。各工況改造前后摻燒比例對比見表5。

表5 鍋爐改造前后摻燒褐煤對比 %

根據(jù)電廠提供的燃煤購買價(jià)格，神木煤和印尼褐煤換算為標(biāo)煤價(jià)格相差57 元/t。因此，摻燒褐煤比例每提高10%，燃煤成本降低約5.7元/t。300 MW機(jī)組按照年運(yùn)行2 500 h、摻燒比例提高0.19核算，則每年可節(jié)約燃煤成本約267萬元。由此可以降低電廠發(fā)電成本，提升企業(yè)的市場競爭力。

4 結(jié)語

(1) 針對某電廠提高褐煤摻燒比例的工程改造，提出在熱一次風(fēng)管道上新增蒸汽加熱器，利用汽輪機(jī)三抽蒸汽加熱一次風(fēng)，提高一次風(fēng)溫。改造系統(tǒng)簡單，投資較小。

(2) 通過數(shù)值模擬，研究在擴(kuò)大后的風(fēng)道上加設(shè)導(dǎo)流板，改善風(fēng)道流場分布，提高加熱器的換熱能力。

(3) 改造后結(jié)果表明，一次風(fēng)溫提高30 K以上，褐煤摻燒比例提高約19%，每年可節(jié)約燃煤約267萬元。