摻燒褐煤提高一次風溫的技術研究

陳朝松， 熊顯巍， 李劍寧

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

隨著電力市場競爭加劇，發電企業實行競價上網，進一步降低發電成本來提高企業的核心競爭力和贏利水平是火電企業的長期目標，鍋爐摻燒褐煤是常用的技術。但是褐煤濕度大等缺點導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，原設計一次風熱風溫度不能滿足磨煤機干燥出力要求[1]，制粉系統不能滿足鍋爐正常運行要求，無法實現燃用褐煤鍋爐機組正常的帶負荷能力[2]。

筆者通過對幾種提高一次風溫技術的對比分析，根據電廠實際情況，選擇切實可行的技術方案。

1 鍋爐概況

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

鍋爐在最大連續蒸發量(BMCR)時的設計參數見表1。

表1 鍋爐BMCR主要設計參數

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，運行中實際單臺磨煤機帶鍋爐負荷越小，摻燒褐煤比例越大。

改造前在熱風全開、冷風全關的情況下，冷風百分比最小為23%，去除密封風冷風，冷一次風量實際只有約15%。從其他同類型褐煤機組的運行情況來看，這個冷風量已經達到最小冷風量的極限。

由于改造前已經摻燒一定比例的褐煤，總的一次風率、熱風份額相比原設計都增加了，一次風機壓頭裕量約10%，風機電動機功率裕量僅剩約3%。風機壓頭、電動機功率都無法滿足完全切斷冷風的通風要求。

磨煤機原設計基本出力可達48 t/h，而實際運行時的最大干燥出力僅有31 t/h，這是因為原設計一次風熱風溫度偏低，磨煤機制粉系統干燥出力不足，從而無法進一步增加褐煤摻燒比例。

2 提高一次風溫的技術比較

2.1 改變空預器旋轉方向

一般空預器的旋轉方式為逆轉式,通常二次風溫高于一次風溫,能起到穩定整個鍋爐燃燒動力場的作用。如果改變空預器原有的旋轉方式，就可以達到提高較小幅度一次風溫的目的[4]。在設計燃用褐煤的鍋爐時，主要考慮褐煤含水量大,制粉系統需要的干燥用熱量較大,必須提高一次風溫度才能實現。空預器實行順轉后可以提高一次風溫度,這樣有利于提高制粉系統干燥出力。

通過改變空預器旋轉方向,一次風溫度一般能提高7～10 K。但改變空預器原有轉向，會給原密封系統造成較大損害。如果在熱風溫度較低的情況下,靠改變旋轉方向來提高熱風溫度,一次風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溫的方法是可行的。

當空預器原設計性能已經不能滿足摻燒褐煤需要的一次風溫時，可以考慮對原有的空預器進行重新設計或局部改進，提升空預器本身的換熱能力，以達到提高一次風溫的目的。

對空預器的重新設計改造需要花費的成本比較大，投資回報較低。

2.2 轉向室抽取煙氣

從轉向室抽取煙氣加熱一次風，可以根據需要將一次風溫度提高30～50 K，甚至更高。在每側一側風道上布置一臺管式換熱器，采用煙氣管外與空氣管內的流動方式，然后從轉向室抽取一定的煙氣，通過管式換熱器加熱一次風，從而提高一次風溫度；煙氣經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是從轉向室抽取的煙氣，因此必須考慮旁路煙道的設計。需要加裝引風機作為抽取煙氣的動力源，克服新設計的換熱器給一次風道增加的局部阻力。

另外，空氣側阻力一般增加較少，原有送風機余量即可滿足管式換熱器空氣側出力的工作要求。煙氣側阻力一般增加較多，可以通過加裝一臺新的引風機，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。

根據熱力過程分析，抽取一定比例的轉向室煙氣加熱一次風提高一次風溫，則流過尾部煙道受熱面的煙氣量將會減小，導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。因為一般抽取的煙氣量很小，不影響鍋爐的正常運行。

該技術系統復雜程度高，投資較大。增壓風機的選型苛刻，安全防爆要求嚴格，設備運行和維護費用高。

2.3 汽輪機抽蒸汽

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

該技術是根據原有一次風道設計合適的蒸汽加熱器。鍋爐一次風道一般截面較小，須要對原有風道進行擴建才能放置新設計的加熱器，風道擴建后須要對這部分進行流場數值模擬計算，以保證改造后風道流場比較均勻，加熱器具有良好的換熱效果。

3 提高一次風溫的改造方案及應用

3.1 改造方案

上海外高橋發電有限責任公司4號鍋爐在原有摻燒褐煤的基礎上提高摻燒比例改造工程，經過對以上幾種提高一次風溫的技術進行分析，結合電廠實際情況，最終采用抽取汽輪機三抽蒸汽加熱一次風的技術。該技術不但能夠滿足提高一次風熱風溫度，提升磨煤機制粉系統的干燥出力，進一步提高褐煤摻燒比例，具有很好的工程應用價值。

采用抽取汽輪機三抽蒸汽加熱一次風的技術工藝流程圖見圖1。

圖1 汽輪機抽蒸汽加熱一次風系統圖

鍋爐的原設計一次風道截面為1 700 mm×1 525 mm，為了安裝新設計的蒸汽加熱器，根據加熱器熱力計算分析，須要將一次風道擴大為2 200 mm×3 125 mm，才能滿足安裝新設計的蒸汽加熱器提升一次風溫度的性能要求。由于風道擴大，如果在風道內不安裝導流裝置，加熱器區域的流場分布將不均勻，不利于充分實現加熱器的換熱效果。對擴大后的風道沒安裝導流裝置的流場分布進行數值模擬研究，應用FLUENT軟件計算其流場分布，見圖2。

圖2 沒有導流時風道流場速度分布圖

從圖2分析可知：沒有導流裝置時，一次風在風道里流速分布很不均勻，上部一次風流速可達20 m/s以上，下部一次風流速遠遠低于上部流速。這樣會導致新加裝的蒸汽加熱器不能和一次風進行良好的熱交換，一次風溫的提升效果不好。

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

圖3 加裝導流板后風道流場速度分布圖

圖4 加裝導流板后風道流場速度矢量圖

從圖3分析可知：加裝導流裝置后，一次風在整個擴大后的風道里流速分布較為均勻。從圖4分析可知：加裝導流裝置后，風道流場已經基本沒有回流區，速度偏差也較小。

綜上所述，加裝導流裝置后，可以大大改善擴大后風道內蒸汽加熱器和一次風之間的換熱效果，從而提升加熱器的換熱能力。通過研究發現，該技術能夠達到提高一次風熱風溫度的性能指標，滿足摻燒褐煤后磨煤機干燥出力的要求。

3.2 工程應用

該鍋爐改造后一次風熱風溫度實際提高近30 K，磨煤機干燥出力增加。改造后電廠委托第三方對加熱器進行了詳細的性能測試，鍋爐主要性能數據見表3，加熱器性能數據見表4。

表3 改造后鍋爐性能檢測數據表

表4 改造后加熱器性能檢測數據表

從表3分析可知：在投運熱一次風加熱器情況下，鍋爐主蒸汽、再熱蒸汽和排煙的溫度基本達到設計參數，說明改造沒有影響鍋爐的主要性能指標，不影響鍋爐的安全經濟運行。從表4分析可知：在285 MW工況下熱一次風平均溫升為34.5 K，低負荷時熱一次風平均溫升提高更多。

電廠實際燃煤主要為神木煤和印尼褐煤，根據磨煤機熱量平衡核算可知，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 %

根據電廠提供的燃煤購買價格，神木煤和印尼褐煤換算為標煤價格相差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機組按照年運行2 500 h、摻燒比例提高0.19核算，則每年可節約燃煤成本約267萬元。由此可以降低電廠發電成本，提升企業的市場競爭力。

4 結語

(1) 針對某電廠提高褐煤摻燒比例的工程改造，提出在熱一次風管道上新增蒸汽加熱器，利用汽輪機三抽蒸汽加熱一次風，提高一次風溫。改造系統簡單，投資較小。

(2) 通過數值模擬，研究在擴大后的風道上加設導流板，改善風道流場分布，提高加熱器的換熱能力。

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