富拉爾基電廠350 MW超臨界機組應用風扇磨煤機技術分析

富拉爾基電廠350 MW超臨界機組應用風扇磨煤機技術分析

富拉爾基熱電廠基建處工程部 王文宏

富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程350 MW超臨界機組應用風扇磨煤機技術,風扇磨煤機結構簡單、制造方便、設備宜安裝、初投資低。風扇磨煤機集干燥、破碎、輸送三種功能于一身，可少用一臺風機，既帶來可觀的經濟效益，又優化了煤炭資源，對同類型電廠來說具有推廣價值。

風扇磨煤機；高水分褐煤

本期工程1×350 MW機組采用以扎尼河煤60%與伊敏煤40%混煤作為設校核煤種計煤種，以扎尼河煤與天順礦褐煤混煤作為校核煤種，設計煤種收到基全水份Mt40.1%，校核煤種收到基全水份Mt39%，屬于燃用高水褐煤。鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造，工程設計由東部電力設計院負責。制粉系統采用風扇磨煤機直吹系統。

1 應用前景分析

世界褐煤的地質儲量約為4萬億噸。據統計,全世界褐煤儲量足夠供2100座發電能力為1000 MW的電站使用30年。我國有豐富的褐煤礦藏資源，預測總資源量為3194億噸。目前已探明的褐煤儲量達1303億噸，占全國煤炭總儲量的13%左右。由于儲量巨大，褐煤將為我國火電廠提供強大的燃料動力，具有廣闊的前景。從投入產出效率角度出發，充分考慮煤炭市場供應和價格, 為降低入廠標煤單價，降低發電成本，大部分電廠在有條件的情況下，優先選擇褐煤。

褐煤是一種形成年代較短、性能彈性變化很大的劣等燃煤，具有高水分、高揮發分、高灰分和低灰熔點、低發熱量的特點，由于褐煤這種“三高兩低”的獨特性質，以褐煤為主要燃料的電廠對燃燒鍋爐制粉系統有特殊的要求。根據磨煤機設計導則要求：含水量低于35%的褐煤為燃料的鍋爐，采用中速磨煤即可；使用含水量35%～40%褐煤為燃料的鍋爐，采用中速磨煤機或風扇磨煤機均可；對于含水量大于40%的褐煤，一般均采用風扇磨煤機。風扇磨煤機結構簡單、制造方便，占地面積及金屬耗量均較少，集干燥、破碎、輸送三種功能于一身，初投資低。所采用的干燥劑可由熱爐煙、冷爐煙和熱空氣混合組成。運行中可根據燃煤水分，調節這三種介質的比例，控制方便靈活，并使得干燥劑具有良好的防爆作用。適合磨制高水分褐煤及磨制一些較軟煙煤，風扇磨煤機是目前電站采用最多的一種高速磨煤機。

在我國采用風扇磨煤機制粉系統的機組類型有200 MW超高壓機組、300 MW亞臨界機組及600 MW超、亞臨界的機組，而在350 MW超臨界機組中受風扇磨、高溫爐煙管布置、場地、干渣機出線、鍋爐鋼架空間交叉等難點尚未得到應用。如克服掉這幾方面的制約，將充分發揮褐煤在國民經濟發展中的重大作用。同時，在國內市場中利用廉價的褐煤，會給電廠帶來可觀的經濟效益，研發成功將填補這一項國內空白。東北電力設計院、哈爾濱鍋爐廠北方重工集團有限公司積極研究和推廣風扇磨制粉系統在350 MW超臨界機組上應用，目前，正在華電富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程和華電哈爾濱熱電廠“上大壓小”擴建工程中設計并加以實施。

2 國內外研究水平綜述

2.1 國外褐煤發電現狀

在德國、俄羅斯、美國、澳大利亞等國家,這些存儲褐煤大國,均對褐煤的開發利用的較早,研究也比較深入,已經形成了不同容量等級的電站常規煤粉爐的系列成熟產品,褐煤鍋爐燃燒技術相對比較穩定,其中德國、美國應用褐煤作為電站鍋爐動力用煤使用較廣泛。 德國在燃用高水分、碳化程度淺褐煤方面有著豐富的的經驗,是擁有世界上百萬等級褐煤鍋爐的主要國家,其最大的超超臨界褐煤鍋爐為裝于NiedrauBem電廠的950 MW鍋爐,該鍋爐為塔式布置、單切圓燃燒、正方形爐膛、主汽壓力為26.5 MPa。其它百萬等級褐煤鍋爐,如Lippendorf 940 MW鍋爐、Frimmerdorf 915 MW 鍋爐、Schwarze Pumpe的815 MW鍋爐。 美國褐煤水分高,灰分較少,煤質較硬,磨損性強且難燃燒。美國在六、七十年代生產的容量為500～800 MW的褐煤鍋爐大部分為亞臨界控制循環和自然循環鍋爐,大容量鍋爐一般采用復合循環直流鍋爐,四角布置擺動式燃燒器,采用擺動式燃燒器進行蒸汽溫度調節。為盡量減少結渣等問題,在爐膛結構設計方面一般采用的數據較為保守,同時經常采用分級燃燒方式來控制NOX的生成。鍋爐制粉系統各國家有明顯區,美國采用中速磨正壓吹式制粉系統較多，而德國、澳大利亞采用風扇磨直吹式制粉系統較多。但國外機組類型一般以用量定容量，如200 MW、300 MW、400 MW、500 MW、550 MW、800 MW、1000 MW、1100 MW等機型。因此在國外基本沒有350 MW機組風扇磨制粉系統應用情況。

2.2 國內褐煤發電現狀

我國褐煤開發研究起步較晚,現已建成和在建的燃用褐煤的大型火力發電廠的總裝機容量有1200萬～1300萬kW,只占全國火力發電總裝機容量的3%左右,這與我國褐煤總儲量的比例相比并不匹配。目前，哈鍋地處東北，周邊褐煤資源十分豐富，從50年代建廠以來一直為國內唯一致力于褐煤鍋爐方面開發、設計及制造的廠家，經過了半個多世紀的發展，哈鍋已經全面掌握了我國不同地方褐煤的燃燒特性，并且先后成功開發出了二百余臺涵蓋了超高壓、亞臨界、超臨界及超超臨界褐煤鍋爐配風扇磨煤機、中速磨煤機，并且包含了π型和塔式鍋爐等諸多爐型。截至2013年12月，國內135 MW及以上褐煤鍋爐共200臺，其中哈鍋占196臺，國內已投運300 MW及以上褐煤鍋爐 72臺，哈鍋占68臺。同時，哈鍋也是國內唯一具有超臨界及以上褐煤鍋爐合同業績、運行業績的廠家。褐煤具有水份高、揮發份和灰份高、熱值低、灰熔點低、易結渣、不利于長途運輸等特點，同時，褐煤鍋爐爐膛火焰溫度低、輻射換熱能力差，非常難于設計。哈鍋經過數十年來的經驗積累，在褐煤鍋爐領域一直處于領先地位。

圖1 風扇磨煤機的構造

2.3 國內外風扇磨煤機技術發展水平、現狀及發展趨勢

1920年，第一臺風扇磨煤機由前西德EVT公司設計制造，至今已有1850臺風扇磨煤機，超過300臺磨煤機已經擁有高于100 t/h磨制原煤的生產能力。

俄羅斯賽斯蘭重型機械公司上世紀六十年代開始大力發展風扇磨煤機技術，其技術來源為德國，依托本國先進的空氣動力學技術，在原德國EVT設備基礎上，針對遠東褐煤資源的特性，研制出MB型風扇磨煤機。

目前國內生產風扇磨煤機的廠家有沈重（北方重工集團公司）、長春發電設備總廠兩家。長春發電設備總廠的FM系列風扇磨技術源于德國EVT公司S型，最大型號為FM340-820，最大出力45 t/h。沈重從俄羅斯引進了打擊輪直徑為Φ3600 mm、Φ3850 mm和Φ4100 mm的MB型風扇磨煤機技術，主要用于600 MW級的火電機組。

截至目前，沈重以技術合作方式，與賽斯蘭聯合設計制造了64臺MB3600/1000/490型風扇磨煤機， 24臺MB4100/1300/420型風扇磨煤機。MB4100/1300/420是我公司生產的最大型號風扇磨煤機，最大出力為115 t/h。

從磨煤出力看，EVT的N型、BABCOCk的DGS型的出力最大，基本滿足1000 MW以上機組要求；MB型磨一般煤時，可滿足1000 MW以上機組要求，磨特差煤時出力受限。從提升壓頭能力看，EVT的N型、BABCOCk的DGS型的能力不足以克服制粉系統的阻力，MB型在國內有較好的表現。因此，在MB風扇磨的基礎上設置適當數量的前置錘，提高MB的最大出力是風扇磨煤機的發展方向之一。

2.4 國內火電機組風扇磨煤制粉系統應用情況

50年代初,我國火電廠是從國外引進風扇磨煤機設備,在國內進行試驗使用，例如，望亭電廠是匈牙利進口設備，西村電廠是東德進口設備等。

80～90年代,將引進技術消化吸收后，大多為國產設備，200 MW機組如富拉爾基發電廠、長山熱電廠、海拉爾熱電廠、內蒙錫林浩特電廠、通遼00629部隊電廠，300 MW機組如雙遼電廠等。

近10年，在600 MW機組伊敏電廠（二、三期）、九臺（塔式爐）、寶清、老撾hongsa等電廠均引進俄羅斯技術，部件大多國內生產。但在350 MW超臨界機組中還沒有風扇磨應用的成功案例。

最近幾年，我國為了風扇磨煤機在火電機組上發揮更好的作用,從設計上、制造方面進行了反復的研究和分析,在運行方面進行多次試驗,也做了大量改進工作，使風扇磨煤機運行周期(沖擊板對于扎賚諾爾煤礦褐煤運行時間)達到了3000 h以上；采用風扇磨煤機輕型打擊輪技術 ，在降低磨煤機電耗、降低制造費用、提高檢修工作效率、增加設備的使用壽命、增加經濟效益等方面都起到了很好的效果，這也將為350 MW超臨界機組風扇磨研發與應用提供了強有力的支持。

風扇磨煤機是目前我國電站采用最多的一種高速磨煤機,是火力發電廠燃用高水分褐煤鍋爐機組直吹式制粉系統的主體設備。結構簡單、制造方便，占地面積及金屬耗量均較少，因而初投資低。風扇磨煤機還具有制粉系統簡單，設備宜安裝等優點。此外，風扇磨煤機集干燥、破碎、輸送三種功能于一身，可少用一臺風機。風扇磨煤機中的煤粒大多處于懸浮狀態，通風和干燥十分強烈，所采用的干燥劑可由熱爐煙、冷爐煙和熱空氣混合組成。運行中可根據燃煤水分，調節這三種介質的比例，控制方便靈活，并使得干燥劑具有良好的防爆作用。

風扇磨煤機的構造類同風機，結構如圖1所示,帶有8～10個葉片的葉輪以750～1500 r/min高速旋轉。所不同的是這些葉片是采用錳鋼制成，它又稱沖擊板。機殼上裝有可拆換的耐磨護板，又稱護甲，它是用Mn13制成。風扇磨運行時，原煤隨干燥劑進入磨煤機后，被沖擊板和葉輪框架擊碎，煤粒又被濺到機殼的護甲上進一步擊碎，煤粉經分離器被干燥劑帶出，過粗的煤粉又落回風扇磨中重新磨碎。整個煤的破碎方式以撞擊為主。風扇磨煤機主要由引入管、密封隔斷擋板、大門、打擊輪、機殼、軸承箱底座、軸承箱、聯軸器、主電機、分離器、潤滑油站(包括潤滑管路)等組成，此外還有一些輔助工具。

國內生產風扇磨煤機廠家主要有北方重工集團有限公司、長春 發電設備總廠兩家。這兩家企業在國內扇磨煤設計、研發、制造處于領先地位，同時引進了國外如德國、俄羅斯等先進的風扇磨技術。

東北電力設計院是設計風扇磨鍋爐最多的設計院，主要有富拉爾基發電廠200 MW超高壓機組、國電雙遼發電有限公司300 MW亞臨界機組、大慶油田自備電廠200 MW機組、伊敏二期、伊敏三期600 MW、九臺600 MW（塔式爐）、寶清600 MW、老撾hongsa600 MW、上都四期600 MW（塔式爐）等。本項目選擇了風扇磨設計有相當技術實力的東北電力設計院，對于350 MW超臨界機組風扇磨煤機技術研究與應用意義重大。

哈鍋是國內最早開發350 MW超臨界鍋爐的廠家，目前，哈鍋的350 MW超臨界鍋爐燃用煤種從煙煤、貧煤、褐煤、無煙煤均有業績，布置方式有π型、塔式、W火焰鍋爐，制粉系統有中速磨煤機、鋼球磨煤機和風扇磨煤機。隨著近年600 MW超臨界、超超臨界及1000 MW超超臨界鍋爐相繼成功投運，哈鍋不斷總結經驗并優化設計，超臨界鍋爐的技術水平有了持續長足的進步。在此基礎上，為滿足國內電力市場，特別是城市供熱機組的需求，并結合鍋爐領域幾十年設計制造大型鍋爐的經驗，開發出擁有完全獨立自主知識產權的350 MW超臨界鍋爐，以滿足300 MW等級火力發電機組提高運行效率、降低能耗和污染物排放的要求。鍋爐采用成熟的結構布置方式和燃燒器型式，通過對爐膛、燃燒器及各受熱面的優化設計，以確保鍋爐高效、經濟、穩定運行。同時，哈鍋的褐煤鍋爐技術在國內處于絕對領先地位，對于配風扇磨煤機的鍋爐有著豐富的設計經驗。

燃用煤質為高水分低熱值的褐煤，特別是設計煤種水分達到40%以上時，制粉系統的選型對于高水分褐煤鍋爐的設計至關重要，如果采用中速磨煤機存在干燥出力不足，排煙溫度高等問題，采用中速磨煤機需要很高的一次風率，使得二次風量減少，不能實現低溫燃燒，對于降低NOX的排放不利。采用高溫爐煙、熱風、冷煙的三介質風扇磨制粉系統很容易達到干燥出力。

哈爾濱鍋爐廠有限責任公司已經設計制造了幾十臺300 MW～600 MW等級風扇磨煤機褐煤鍋爐，其中雙遼電廠300 MW亞臨界鍋爐、伊敏二期600MW、伊敏三期600MW、九臺600MW（塔式爐）已運行，寶清、老撾hongsa、上都四期（塔式爐）正在建設中，特別對于燃燒有強結焦傾向褐煤方面積累了豐富的經驗。哈鍋在國內外科研單位對350 MW超臨界機組相類似燃料所做的研究工作的基礎上，對設計煤種和校核煤種進行了全面的分析和評價，同時，哈鍋在其它參比鍋爐，特別是伊敏三期、九臺電廠等燃煤鍋爐上得到的成熟經驗，并充分考慮350 MW超臨界機組技術要求，對本項目方案進行綜合分析和論證。這將對本項目的研究、落實起到至關重要的作用。

3 選用風扇磨煤的投資經濟分析

褐煤主要分布在我國的內蒙古東部和云南，預測總資源量為3194億噸，其中內蒙古東部地區的褐煤占全國的77.55%，云南的褐煤占全國的11.88%。在黑龍江、吉林、遼寧、廣西、河北、山東、廣東、海南和四川等省區的局部地區也有少量分布。我國90%以上的褐煤用于電站鍋爐和各種工業鍋爐的燃燒。在電廠中的燃料成本約占電廠經營成本的70%，如采用價格低的褐煤，以富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程為例：燃用伊敏、扎泥河、天順煤礦這幾種煤的混煤，發熱量在12950 kJ/kg左右，用煤量在146.7萬t/年左右，每噸煤降低拾元，每年就將得到1467萬元的經濟效益。選用高水分的褐煤，入廠煤的標煤單價會更低，可見350 MW超臨界機組配置風扇磨煤機磨制褐煤的電廠效益會更加可觀。

東北電力設計院在《烏拉蓋電廠2×600 MW褐煤燃燒制粉系統比選專題報告》中，對風扇磨煤機制粉系統和中速磨煤機制粉系統方案經濟性比較得出如下結論：

（1）兩臺風扇磨煤機制粉系統比中速磨煤機制粉系統方案增加投資24.62萬元，二者投資相差不大。

（2）兩臺風扇磨煤機制粉系統比中速磨煤機制粉系統方案年運行維護降低147.914萬元。

（3）從總體上看風扇磨煤機制粉系統好些。

4 風扇磨煤機經濟性調研情況分析

表1 磨煤機電耗對比（調研結果）

表2 考察電廠運行維護費用對比（調研結果）

通過以上比較可以看出，風扇磨電耗、檢修維護費用低。風扇磨煤機的磨煤機電耗比中速磨煤機的磨煤機電耗低4 kWh/t左右，以富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程為例：燃用伊敏、扎泥河、天順煤礦這幾種煤的混煤，用煤量146.7萬噸/年左右，每年將節約用電586.8萬kWh，按0.33元/kWh計算，年節約 193.644萬元。

風扇磨煤機的檢修維護費用比中速磨煤機低6萬元/臺磨，按350 MW超臨界機組風扇磨煤機常規配置為6臺，則每年又將節約36萬元。

5 結論

綜合分析，富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程350 MW超臨界機組配置風扇磨煤機制粉系統，對電廠來帶來可觀的經濟效益的同時，又優化了煤炭資源，使劣質的煤種得到充分利用。