三種提高褐煤鍋爐中速磨煤機干燥出力方法的對比分析

劉文建， 潘紹成， 李文吉， 易廣宙， 莫春鴻

(1. 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室， 成都 611731；2. 東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001)

褐煤是煤化程度最低的煤，煤中的含水量較高，因此制粉系統設計時需要考慮較高的干燥出力。燃用褐煤的鍋爐因運行條件變動或入爐煤種水分含量相對于設計煤種正向變化較大時，普遍存在干燥出力不足的問題。褐煤在動力煤儲量中有較高的比例，電力行業內對如何高效穩定利用褐煤資源，尤其是針對褐煤制粉系統從褐煤的預處理、制粉系統的選擇和制粉系統干燥出力的提升進行了大量研究[1-7]。

目前，根據褐煤的水分含量高低，國內投運的褐煤鍋爐制粉系統分為風扇磨煤機制粉系統和中速磨煤機制粉系統兩大類，中速磨煤機制粉系統常用于全水分質量分數低于35%的煤種，水分含量更高的褐煤則多選用風扇磨煤機制粉系統[8-11]。

風扇磨煤機制粉系統采用抽取爐內高溫煙氣并混合熱空氣或冷煙氣作為制粉系統干燥劑，因此具有較高的干燥出力，可適應含有較高水分含量的褐煤，對褐煤中含水量變化的適應能力也較好。但是，由于風扇磨煤機打擊輪壽命短、高溫爐煙管易結渣和易泄漏等問題導致風扇磨煤機制粉系統可靠性不高且維護檢修工作量大。

中速磨煤機制粉系統可靠性相對較高，但是其干燥出力受空氣預熱器出口一次風溫的限制，在不增加熱一次風輔助加熱裝置的情況下，干燥出力很難有較大幅度的提升。

鑒于風扇磨煤機制粉系統可靠性較低且維護工作量大，運行時經常面臨“缺角”燃燒、爐內煙溫偏差大等一系列問題[12]，其適應高參數機組的能力較差，國內超超臨界褐煤鍋爐選型時盡可能采用中速磨煤機制粉系統。

針對燃用褐煤采用中速磨煤機制粉系統干燥出力不足的問題，筆者介紹了三種提高干燥出力的方法，即提高空氣預熱器入口煙溫增加空氣預熱器換熱面積(方法一)、串聯熱一次風再熱管式空氣預熱器(方法二)及熱一次風蒸汽加熱系統(方法三)，分析其系統特征、運行情況及存在的問題，并進行了優缺點比較。

1 方法一

提高制粉系統干燥出力最直接的方法是提高進入制粉系統做干燥介質用的熱一次風溫，即提高空氣預熱器出口一次風溫。最常用的方法是盡量提高空氣預熱器入口煙溫，增加空氣預熱器換熱面積，且采用正轉方式，目前已經投運的內蒙古上都電廠(簡稱上都)三期2臺660 MW超臨界發電機組、內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司2臺660 MW超臨界發電機組等機組均采用該方法。

空氣預熱器出口熱一次風溫的高低主要取決于其入口的煙溫，一般空氣預熱器蓄熱元件采用碳鋼材料，考慮材料的使用溫度和脫硝催化劑活性溫度限制，空氣預熱器入口煙溫一般設計在420 ℃以下。空氣預熱器入口煙溫接近420 ℃且換熱面積足夠時，熱一次風溫可達到400 ℃。某660 MW超臨界褐煤機組采用中速磨煤機直吹式制粉系統，磨煤機型號為MPS212HP-II，鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況設計參數見表1。

采用該方法可滿足制粉系統干燥出力的要求，但是存在以下缺點：

(1) 空氣預熱器入口煙溫設計值達到416 ℃，空氣預熱器需要承受如此高的煙溫，設計難度和成本增加；且由于煤種變化和設計誤差，易導致空氣預熱器入口煙溫超過設計值，造成脫硝催化劑和空氣預熱器超溫。

(2) 按400 ℃以上煙溫設計時，脫硝裝置須采用高溫催化劑，增加了電廠的投資和運行費用。

(3) 提高空氣預熱器入口煙溫將導致排煙溫度升高，鍋爐效率降低，機組經濟性降低。為保證機組的綜合經濟性，空氣預熱器入口煙溫按420 ℃左右設計后不宜進一步提高，限制了一次風溫的調節范圍，對運行條件波動的適應性不高。機組投運后空氣預熱器性能逐年降低，或由于沾污和堵塞等原因，傳熱效率下降，空氣預熱器出口一次風溫隨運行時間增加而下降，難以長期穩定在400 ℃以上，導致制粉系統干燥出力達不到設計值。

2 方法二

方法二是在常規單級回轉式空氣預熱器熱一次風出口再布置一級管式空氣預熱器。從鍋爐后豎井旁路抽取一部分煙氣加熱熱一次風，使熱一次風溫滿足制粉系統干燥出力的要求，其布置示意圖見圖1。國內上都二期660 MW亞臨界褐煤鍋爐采用該方法。

圖1 串聯二級管式空氣預熱器示意

從運行情況來看，方法二可提高進入制粉系統的熱一次風溫，提高制粉系統干燥出力，同時回轉式空氣預熱器入口煙溫和鍋爐排煙溫度降低，機組效率提高。

方法二存在以下缺點：

(1) 空氣的流程較長，風側的阻力增加。熱一次風再熱管式空氣預熱器布置在脫硝裝置之前，標高位置與省煤器相當，回轉式空氣預熱器出口熱一次風需要向上引到管式空氣預熱器，加熱后再向下引到熱一次風母管，因此風側阻力除增加管式空氣預熱器本體的阻力外，熱一次風道的阻力也將大幅增加。

(2) 熱一次風再熱管式空氣預熱器設計溫度較高，設備投資成本高。為了獲得足夠的傳熱溫壓，管式空氣預熱器入口煙氣引自省煤器入口(煙溫約為500 ℃)，因此管式空氣預熱器將采用合金鋼材料，相對于常規采用碳鋼材料的管式空氣預熱器，其成本大幅提高。同時，由于熱一次風再熱管式空氣預熱器冷熱工質之間溫壓低、傳熱效率低，其換熱面積大，金屬耗量高，成本較高。

(3) 熱一次風再熱管式空氣預熱器體積較大，布置困難。管式空氣預熱器屬于氣氣換熱器，傳熱系數不高，如果需要獲得足夠的熱一次風溫，則須要布置較多的受熱面積；加上褐煤鍋爐一次風率(質量分數)一般在35%以上，一次風量較大，遠高于煙煤鍋爐的一次風率。經初步計算，對于600 MW等級的褐煤鍋爐，采用臥式布置的管式空氣預熱器，如果要達到40 K的空氣溫升，管箱截面尺寸應大于5 m×26 m，同時管子長度需要6 m，即管式空氣預熱器管箱占5 m×26 m×6 m空間。這是大型褐煤鍋爐基本不采用方法二的重要原因。

基于以上原因，上都二期600 MW亞臨界褐煤鍋爐采用了方法二后，上都三期超臨界褐煤鍋爐并未采用該方法。

3 方法三

方法三是在熱一次風道上布置蒸汽加熱器，利用蒸汽進一步加熱空氣預熱器出口的熱一次風，使熱一次風溫進一步升高并滿足制粉系統干燥出力的要求，系統流程見圖2。

圖2 熱一次風蒸汽加熱系統流程

為了使熱一次風加熱到足夠的溫度，需要提供與之對應溫度和流量的蒸汽作為熱端介質，雖然鍋爐內部可提供高溫的過熱蒸汽或再熱蒸汽，但鍋爐設計難度較大，系統變負荷工況難以協調。

通過對汽輪機熱平衡圖進行分析，發現汽輪機3號抽汽溫度較高，且抽汽量較大，能夠滿足熱一次風蒸汽加熱器對蒸汽參數的要求。

某660 MW空冷超超臨界機組汽輪機高壓加熱器(簡稱高加)系統抽汽參數見表2。從表2可以看出：3號抽汽溫度較高(在BMCR工況達到519.2 ℃)，同時抽汽量較大，完全具備將熱一次風加熱至410 ℃以上的能力；且在中低負荷工況時蒸汽仍然維持較高溫度，具備將熱一次風加熱到足夠溫度的能力。

表2 某項目汽輪機高加系統抽汽參數

注：1)TMCR為汽輪機最大連續功率；2)THA為汽輪機熱耗率驗收。

利用汽輪機3號抽汽，加熱回轉式空氣預熱器出口的熱一次風，使空氣預熱器出口熱一次風溫(約350 ℃)提升至400 ℃以上，滿足制粉系統干燥出力的要求，放熱后的3號抽汽再次回到汽輪機回熱系統，進入蒸汽冷卻器(或者直接進入3號高加)[13-14]。在BMCR工況下，方法一和方法三的相關參數對比見表3。

表3 方法一和方法三的溫度參數對比

采用方法三時空氣預熱器和脫硝反應器入口設計溫度可以按常規煤種(380 ℃)設計，與方法一(420 ℃)相比，脫硝裝置不需要采用高溫催化劑，脫硝系統投資及運行成本降低；同時空氣預熱器入口煙溫降低，排煙溫度可降低11 K，鍋爐效率可相應提升0.55百分點左右。

汽輪機3號抽汽溫度在低負荷時仍處在較高的水平，因此在低負荷時也能使熱一次風加熱到足夠溫度。各工況下風溫及調溫風(冷風)質量分數見圖3(TRL為汽輪機額定功率)。由圖3可以看出：在40%THA工況下，冷風質量分數仍達到8%以上，說明熱一次風蒸汽加熱器出口風溫在各負荷下均滿足制粉系統干燥出力要求。

圖3 各工況風溫及冷風質量分數

熱一次風蒸汽加熱器汽源采用了汽輪機3號抽汽，且加熱器僅利用了3號抽汽的部分高溫熱量，與原汽輪機系統布置的蒸汽冷卻器作用一致，因此采用熱一次風蒸汽加熱器相當于代替了蒸汽冷卻器的作用。同時利用原系統中3號蒸汽管路，汽輪機也不需要單獨設計開孔。因此，采用方法三對整個機組熱力系統設計影響較小。

方法二和方法三均是對熱一次風進行了再次加熱，不同之處在于方法三采用蒸汽加熱，而方法二采用煙氣加熱。蒸汽加熱空氣相比煙氣加熱空氣，具有相當的優勢，其傳熱系數高、換熱器體積小、布置方便，還可以采用擴展受熱面換熱管進一步縮小換熱器體積，成功解決了串聯管式空氣預熱器體積較大、布置困難的問題。熱一次風蒸汽加熱器布置示意圖見圖4，換熱器可直接布置在熱一次風道上，還具有風道布置簡單、一次風阻力增加小等優點。

圖4 蒸汽加熱器布置

熱一次風蒸汽加熱器本身與常規暖風器一樣是一種應用成熟的換熱器，且與空氣進行熱交換，換熱器基本無磨損和堵灰的問題；同時，溫度也達到350 ℃以上，不會產生低溫腐蝕。因此，該方法的蒸汽加熱器本身是一種成熟的方法，具有較高的可靠性和安全性。

由于該方法在熱一次風管路上布置了熱一次風蒸汽換熱器，熱一次風阻力將增加0.5～1.0 kPa，熱一次風機壓力增加，而相同條件下方法二的系統阻力增加約1.5 kPa，方法三具有明顯優勢。

4 三種方法優缺點對比

三種方法優缺點對比見表4。三種提高褐煤鍋爐制粉系統干燥出力的方法均可滿足制粉系統出力的要求，但方法三更具有工程實施性，優勢更大。

表4 三種方法優缺點對比

表5為基于該660 MW超超臨界鍋爐測算的三種方法的對比數據，鍋爐效率為BRL工況時的計算效率，空氣阻力為回轉式空氣預熱器一次風阻力和熱一次風加熱器及增加風道的阻力之和，鍋爐投資不含脫硝系統投資。由表5可以看出：方法三僅需要增加機組少量的投資，即可達到更高的鍋爐效率，在三種方法中屬于最佳的方法。

表5 三種方法對比

5 結語

對比三種提高褐煤鍋爐制粉系統干燥出力的方法，方法三具有系統簡單、增加成本低、效果明顯、工程實施難度小、對機組系統影響小、提升鍋爐效率明顯等特點。該方法已經在華潤五間房電廠和內蒙古大唐錫林浩特電廠的660 MW超超臨界褐煤機組中采用。除在新建工程中使用外，方法三還可以應用到改造項目中，更適合應用于需要提升中速磨煤機制粉系統干燥出力的高參數褐煤鍋爐機組。