顧琳琳，徐衛(wèi)華

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán) 華北電力設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100120)

0 引言

褐煤具有水分較高、發(fā)電量較低的特點(diǎn)，燃用褐煤的發(fā)電機(jī)組制粉系統(tǒng)的選擇是十分重要的。早期各地區(qū)燃用褐煤的電廠主要以塔式爐配風(fēng)扇磨型式居多，而π型爐配中速磨的火電機(jī)組較少。21世紀(jì)以來，在大型燃用褐煤機(jī)組(如上都電廠)上采用了中速磨煤機(jī)方案后，已有多臺(tái)大型褐煤鍋爐配中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的機(jī)組投運(yùn)，且運(yùn)行穩(wěn)定。

DL/T5145《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》[1]和DL/T5240《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》[2]中均提到褐煤機(jī)組的制粉系統(tǒng)根據(jù)煤質(zhì)成分的不同可選用風(fēng)扇磨或中速磨，國(guó)內(nèi)褐煤電廠采用中速磨和風(fēng)扇磨方案的機(jī)組均有運(yùn)行實(shí)例。褐煤機(jī)組運(yùn)行過程中，采用風(fēng)扇磨存在檢修維護(hù)量大、抽爐煙口結(jié)焦等現(xiàn)象；而采用中速磨雖然簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，控制更靈活、檢修更方便，但實(shí)際運(yùn)行中普遍存在熱一次風(fēng)溫度不足、一次風(fēng)率偏大等問題。本文依托內(nèi)蒙古錫林浩特某燃用褐煤的發(fā)電廠，研究提高褐煤鍋爐中速磨煤機(jī)干燥能力的方法，以提高中速磨煤機(jī)在褐煤鍋爐上的應(yīng)用能力。

1 提高中速磨煤機(jī)在褐煤鍋爐上適應(yīng)能力的技術(shù)路線

中速磨制粉系統(tǒng)與其他制粉系統(tǒng)比較，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作方便、控制較靈活、檢修工作量相對(duì)較少等特點(diǎn)。GB50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]規(guī)定：對(duì)于大容量機(jī)組，在煤種適宜時(shí)，宜優(yōu)先選用中速磨煤機(jī)；燃用高水分、磨損性不強(qiáng)的褐煤時(shí)，宜選用風(fēng)扇式磨煤機(jī)；當(dāng)制粉系統(tǒng)的干燥能力滿足要求并經(jīng)論證合理時(shí)，也可采用中速磨煤機(jī)。由于褐煤中的全水分很高，為了保證磨煤機(jī)的干燥出力足夠干燥煤粉，褐煤機(jī)組熱一次風(fēng)溫度的選取較煙煤機(jī)組高，并且為預(yù)防出現(xiàn)燃用偏離設(shè)計(jì)煤種較大的情況，制粉系統(tǒng)需要配置調(diào)溫風(fēng)。對(duì)于較高水分或熱值較低的褐煤發(fā)電機(jī)組，為保證配置中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，且使燃燒效率變化不大和保證空氣動(dòng)力場(chǎng)，空氣空預(yù)器出口熱一次風(fēng)溫度應(yīng)達(dá)到400 ℃以上，為達(dá)到此溫度，空預(yù)器入口(脫硝入口)的煙氣溫度則需要達(dá)到420 ℃以上。目前燃煤電站鍋爐因環(huán)保要求，均同步配備脫硝裝置，若脫硝裝置入口煙氣溫度過高，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行催化劑的壽命將會(huì)折減,而且隨著空預(yù)器入口的煙氣溫度提高，鍋爐排煙溫度也會(huì)提高，鍋爐效率則隨之降低。因此，褐煤機(jī)組如采用中速磨制粉系統(tǒng)，需要較高的一次熱風(fēng)溫度，同時(shí)還需綜合考慮對(duì)排煙溫度、脫硝裝置和鍋爐效率的影響。

通過分析和研究，合理提高一次風(fēng)溫及中速磨煤機(jī)在褐煤鍋爐上的適應(yīng)性，可采用的主要技術(shù)路線如下：

(1) 可采用一次熱風(fēng)增設(shè)管式空預(yù)器方案以及外置蒸汽冷卻器加熱一次風(fēng)方案。以采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)燃用高水分褐煤的內(nèi)蒙古上都電廠一、二期工程為例，其設(shè)計(jì)/校核煤種全水分為29.5%/33%、空干基水分為14.71%/15%、外在水分Mf為17.34%/21.17%、熱值為3 522/3 206 kcal/kg，機(jī)組配置了8臺(tái)中速磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)一次風(fēng)率為36.8%。為滿足褐煤高水分對(duì)干燥的要求，設(shè)計(jì)采用了增設(shè)管式空預(yù)器方案，將一次風(fēng)溫提高到430 ℃，加大干燥能力。當(dāng)電廠燃用煤質(zhì)接近設(shè)計(jì)或校核煤質(zhì)時(shí)，干燥出力滿足要求，電廠可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、滿負(fù)荷運(yùn)行，電廠實(shí)測(cè)的制粉系統(tǒng)各參數(shù)接近設(shè)計(jì)值。

(2) 采用外置蒸汽冷卻器加熱一次風(fēng)方案，利用三段高壓抽汽的過熱度將原加熱給水的蒸汽冷卻器改為加熱一次熱風(fēng)的蒸汽冷卻器。本文主要對(duì)此方案依托相關(guān)工程進(jìn)行論述分析。

2 外置蒸汽冷卻器加熱一次風(fēng)方案

2.1 系統(tǒng)擬定

2.1.1 熱一次風(fēng)蒸汽加熱系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

在早期項(xiàng)目汽輪機(jī)系統(tǒng)中沒有蒸汽冷卻器，汽輪機(jī)3抽蒸汽溫度較高，直接進(jìn)入汽輪機(jī)3#高加，對(duì)汽輪機(jī)熱耗有一定影響，而且提高了高加的成本。隨著對(duì)熱耗的追求，系統(tǒng)上增加了蒸汽冷卻器，蒸汽冷卻器是將3抽蒸汽的高溫?zé)崃總鬟f給省煤器入口的給水，使給水溫度進(jìn)一步提升，同時(shí)使進(jìn)入3#高加的溫度降低，也在一定程度上降低了3#高加的造價(jià)。同樣參數(shù)情況下，布置蒸冷器和不布置蒸冷器,汽機(jī)熱耗相差約15 kJ/(kW·h)，影響煤耗約0.5 g/(kW·h)左右。

既然蒸汽冷卻的作用主要為冷卻3抽蒸汽，那么這部分蒸汽也可以用來加熱空氣，完成換熱。用蒸汽來加熱空氣方案原理與暖風(fēng)器方案類似，采用擴(kuò)展受熱面方案，具有傳熱效率高、換熱器體積小等特點(diǎn)。

2.1.2 換熱器方案的可行性、可靠性和安全性

蒸汽加熱空氣換熱器與常規(guī)暖風(fēng)器類似，技術(shù)難度不大，傳熱過程是3抽蒸汽中的過熱蒸汽換熱，常規(guī)暖風(fēng)器是過熱蒸汽換熱外加一個(gè)相變換熱，且換熱器設(shè)計(jì)無任何難度。

蒸汽加熱空氣換熱器與空氣換熱，空氣中不含灰，不會(huì)造成磨損問題，同時(shí)溫度也能達(dá)到350 ℃以上，不會(huì)產(chǎn)生腐蝕和磨損的問題。其類似暖風(fēng)器一樣是一種成熟方案，具有較高的可靠性和安全性。

2.2 依托工程應(yīng)用方案

以下依托內(nèi)蒙古某2×660 MW發(fā)電廠工程實(shí)例進(jìn)行外置式蒸汽加熱器系統(tǒng)擬定、設(shè)計(jì)和布置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析。

2.2.1 煤質(zhì)、灰成分分析

本工程煤質(zhì)資料祥見表1。

表1 本工程煤質(zhì)資料

根據(jù)《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》中的煤質(zhì)等級(jí)分類，由表1可以看出，該煤質(zhì)屬于高水分、高揮發(fā)分、中高灰分、低熱值的褐煤。

2.2.2 系統(tǒng)概況及相關(guān)設(shè)備

鍋爐型式：超超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、熱一次風(fēng)二次加熱、一次中間再熱、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。

最大連續(xù)蒸發(fā)量：2 127 t/h。

鍋爐保證熱效率(按低位發(fā)熱量)：93.78%(BRL，考慮一次熱風(fēng)再加熱)。

燃燒器型式、布置方式：旋流式、前后墻對(duì)沖燃燒。

空氣空預(yù)器型式：采用兩臺(tái)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣空預(yù)器。

磨煤機(jī)型式：中速磨。

2.2.3 熱一次風(fēng)蒸汽加熱系統(tǒng)

本工程采用汽輪機(jī)3抽蒸汽再次將空預(yù)器出口熱一次風(fēng)進(jìn)行加熱，滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求。

采用中速磨煤機(jī)熱一次風(fēng)二次加熱正壓直吹式制粉系統(tǒng)，燃用設(shè)計(jì)煤種和校核煤種2時(shí)，6臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行能滿足鍋爐BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)工況時(shí)對(duì)燃煤量的要求，1臺(tái)磨煤機(jī)備用，7臺(tái)磨煤機(jī)中的任何1臺(tái)磨煤機(jī)均可作為備用；燃用校核煤種1時(shí)，7臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。制粉系統(tǒng)數(shù)據(jù)見表2。由表2可以看出，制粉系統(tǒng)均需要保留一定的調(diào)溫風(fēng)，在運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)值及煤種變化時(shí)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，此時(shí)若要保證磨煤機(jī)的干燥出力，磨煤機(jī)入口熱風(fēng)溫度需要達(dá)到375 ℃，空預(yù)器出口熱一次風(fēng)應(yīng)達(dá)到410 ℃以上，磨煤機(jī)入口冷熱風(fēng)比例為92∶8。此時(shí)空預(yù)器入口(脫硝入口等)煙溫則需要達(dá)到430 ℃以上。如果采用中速磨和普通空預(yù)器配置方案，即便提高一次風(fēng)溫盡量來滿足中速磨制粉系統(tǒng)干燥出力，也會(huì)對(duì)空預(yù)器、脫硝系統(tǒng)、排煙溫度、鍋爐效率等均造成較大影響。

表2 制粉系統(tǒng)數(shù)據(jù)

由于汽輪機(jī)3抽蒸汽溫度較高，且抽汽量較大，且在早期設(shè)計(jì)時(shí)3抽蒸汽是直接進(jìn)入3號(hào)高加，近期為了降低汽輪機(jī)熱耗增加了一個(gè)蒸汽冷卻器。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況、汽輪機(jī)最大出力(TMCR)工況、汽輪機(jī)額定出力(THA)工況、75%汽輪機(jī)額定出力(75%THA)工況、50%汽輪機(jī)額定出力(50%THA)工況和40%汽輪機(jī)額定出力(40%THA)工況下汽輪機(jī)3抽蒸汽參數(shù)見表3。從表3可以看出，3抽蒸汽溫度較高，且高低負(fù)荷差別不大，同時(shí)蒸汽量也較大，特別是蒸汽溫度較高，經(jīng)計(jì)算具備將熱的一次風(fēng)空氣加熱到410℃以上的能力。

表3 汽輪機(jī)3抽蒸汽參數(shù)

利用汽輪機(jī)3抽蒸汽加熱回轉(zhuǎn)式空預(yù)器出口的熱一次風(fēng)，使空預(yù)器出口熱一次風(fēng)溫度(約360 ℃)提升至410 ℃以上，釋放熱量后的3抽蒸汽再次回到回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)入3#高加。

采用外置蒸汽加熱器加熱一次熱風(fēng)系統(tǒng)后的鍋爐煙氣溫度如表4所示。由表4可以看出,采用外置蒸汽加熱器加熱一次風(fēng)時(shí)空預(yù)器(脫硝)入口設(shè)計(jì)溫度可以按常規(guī)煤種設(shè)計(jì)(約370 ℃～380 ℃)，脫硝不需要采用高溫催化劑；空預(yù)器進(jìn)口煙溫降低，排煙溫度隨之降低，鍋爐效率得到提高。

表4 采用外置蒸汽加熱器加熱一次熱風(fēng)系統(tǒng)后鍋爐煙氣溫度

外置蒸汽加熱器計(jì)算數(shù)據(jù)如表5所示。從表5可以看出，采用外置蒸汽加熱器加熱一次熱風(fēng)，能將空預(yù)器出口熱一次風(fēng)溫從360 ℃加熱至410 ℃，且從不同負(fù)荷計(jì)算情況來看，均滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求,燃用校核煤時(shí)也能獲得足夠的干燥風(fēng)溫。在熱一次風(fēng)管路上布置換熱器后，熱一次風(fēng)阻力將增加約1 kPa的空氣阻力。

表5 外置蒸汽加熱器計(jì)算數(shù)據(jù)

換熱器擬采用常規(guī)的暖風(fēng)器形式或鰭片管，采用分模塊設(shè)計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)組裝的方案，以減少現(xiàn)場(chǎng)工作量。換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)

2.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合分析

2.3.1 對(duì)機(jī)組和整體系統(tǒng)的影響

(1) 電耗影響：換熱器方案的布置會(huì)增加一次風(fēng)管道的阻力，BMCR工況下?lián)Q熱器阻力約1 kPa，一次風(fēng)機(jī)選型時(shí)，需要考慮增加1 kPa左右壓頭。風(fēng)機(jī)電機(jī)功率增加200 kW，電耗略有增加。

(2) 對(duì)機(jī)組煤耗的影響:由于熱量由汽輪機(jī)傳遞至鍋爐，涉及鍋爐及汽輪機(jī)兩個(gè)部分，對(duì)整個(gè)機(jī)組的煤耗應(yīng)綜合考慮，不能重復(fù)計(jì)算，因此將此部分熱量分別計(jì)入鍋爐效率和汽輪機(jī)熱耗進(jìn)行計(jì)算。THA工況下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析如表6所示。由表6可以看出，采用兩種不同的計(jì)算方案并考慮計(jì)算誤差的影響，兩種方法計(jì)算煤耗值影響一致。

表6 THA工況下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

(3) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)性：通過與汽輪機(jī)廠的交流，汽輪機(jī)抽汽量控制主要靠高加的水位，而高加的設(shè)計(jì)是以總的換熱量決定的，如果高加入口工質(zhì)溫度升高，那么對(duì)應(yīng)的抽汽量則會(huì)下降，由于高加換熱量主要是相變換熱，因此蒸汽溫度對(duì)抽汽量影響較小，同時(shí)對(duì)1#和2#高加影響更小。

以THA工況為例，如3抽蒸汽經(jīng)過蒸冷進(jìn)入3#高加溫度為314.9 ℃時(shí)，3抽蒸汽量為128.813 t/h，如果溫度升高至357.9 ℃時(shí)，升高43 ℃，3抽蒸汽量為123.026 t/h，3抽的蒸汽變化幅度有限。此時(shí)蒸汽加熱器出口空氣溫度會(huì)從原404℃降低至402 ℃，同樣完全能滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求。從表5可以看出，采用蒸汽換熱器并采用3抽蒸汽加熱時(shí)，能將空預(yù)器出口熱一次風(fēng)溫從360 ℃加熱至410 ℃以上，滿足制粉系統(tǒng)對(duì)干燥出力的要求，且從不同負(fù)荷計(jì)算情況來看，均滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求。

根據(jù)目前已到貨的每臺(tái)爐兩臺(tái)蒸汽加熱器招標(biāo)訂貨價(jià)格為200萬人民幣，同等級(jí)機(jī)組3抽蒸汽冷卻器近年訂貨價(jià)格約200萬～240萬不等，加熱一次熱風(fēng)加熱器方案3抽蒸汽管道比蒸汽冷卻器方案略多，故從經(jīng)濟(jì)角度來講，兩種方案投資相當(dāng)，相差很小，但以全廠為邊界來看，采用加熱一次熱風(fēng)加熱器方案能夠節(jié)省煤耗0.03 g/(kw·h)，電耗略有增加在低負(fù)荷下也能保證安全運(yùn)行，而且能夠保證脫硝反應(yīng)的溫度，降低脫硝的運(yùn)行成本，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性較高。

2.3.2 蒸汽加熱器加熱一次熱風(fēng)方案的優(yōu)勢(shì)

(1) 為提高中速磨煤機(jī)的干燥出力，利用三段抽汽加熱一次熱風(fēng)可以將一次熱風(fēng)溫度提高到要求的溫度，獲得足夠的制粉系統(tǒng)干燥出力。

(2) 采用三段抽汽加熱一次熱風(fēng)方案，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器入口煙氣溫度更低，排煙溫度可更低，鍋爐效率更高，機(jī)組煤耗降低。

(3) 本方案僅用熱一次風(fēng)加熱器替換原來三抽的外置蒸汽冷卻器，不需要增加汽輪機(jī)開孔和系統(tǒng)復(fù)雜性。

(4) 由于獲得了脫硝反應(yīng)的最佳溫度，降低了脫硝的運(yùn)行成本。

(5) 避免了采用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)，鍋爐爐膛內(nèi)煙氣側(cè)的熱偏差控制更優(yōu)，更易達(dá)到再熱蒸汽623 ℃的要求。

(6) 提升了中速磨制粉系統(tǒng)干燥出力和煤種水份的適應(yīng)能力。

3 結(jié)論與建議

采用熱一次風(fēng)道上設(shè)置蒸汽加熱器，3抽蒸汽作為熱源，取消原3抽蒸汽冷卻器，從而達(dá)到提高一次熱風(fēng)溫度的目的，可以實(shí)現(xiàn)中速磨在褐煤機(jī)組的良好應(yīng)用。該電廠1號(hào)機(jī)組已于2019年12月投入運(yùn)行，2號(hào)機(jī)組于2020年2月投入運(yùn)行，當(dāng)電廠燃用煤質(zhì)接近設(shè)計(jì)或校核煤質(zhì)時(shí)，干燥出力滿足要求，電廠可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、滿負(fù)荷運(yùn)行，電廠實(shí)測(cè)的制粉系統(tǒng)各參數(shù)接近設(shè)計(jì)值。

綜上所述，采用熱一次風(fēng)道上設(shè)置蒸汽加熱器能夠提高中速磨煤機(jī)在褐煤鍋爐上的適應(yīng)能力的方法，具體工程可根據(jù)工程條件合理選用。