燃用褐煤時(shí)輸粉管路結(jié)露及應(yīng)對(duì)措施

韓新海 程智海 邱盈忠 王嘉顥

1.上海電力大學(xué)

2.中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司福建規(guī)劃發(fā)展中心

0 前言

隨著煤炭?jī)r(jià)格的不斷攀升，尋求低價(jià)煤炭資源已成為電廠降低成本的有效手段之一，尤其是國(guó)外價(jià)格較低的煤炭資源在降低電廠燃料成本方面非常明顯，所占的比重也越來越大。進(jìn)口煤種的來源國(guó)不同其煤質(zhì)存在較大差異，其中印尼褐煤具有高揮發(fā)分、低硫分、低灰分、可磨性好等優(yōu)點(diǎn)，但也具有高水分、低發(fā)熱量和易結(jié)渣特點(diǎn)，給制粉系統(tǒng)運(yùn)行帶來不小的挑戰(zhàn)。

目前大型燃煤發(fā)電機(jī)組普遍采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，所采用的設(shè)計(jì)煤種大多為煙煤；燃用煤種已與機(jī)組原設(shè)計(jì)煤種有很大差異，針對(duì)燃用高水分褐煤劉春陽(yáng)[1]等人從受熱面結(jié)渣、低溫腐蝕等方面進(jìn)行研究；蘇攀[2]等人從摻燒印尼褐煤投運(yùn)方式、摻燒比例對(duì)燃燒的影響進(jìn)行研究；焦偉航[3]等人從印尼煤摻燒對(duì)機(jī)組燃料校正、煤水比控制、協(xié)調(diào)控制等重要部分的影響角度進(jìn)行研究。本文以某電廠實(shí)例，進(jìn)行輸粉管道露點(diǎn)熱力計(jì)算，并對(duì)防治輸粉管路結(jié)露情況的發(fā)生提出應(yīng)對(duì)措施。

1 設(shè)備概況與燃煤參數(shù)

某電廠2×600 MW 超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，配置哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司與三井巴布科克公司合作設(shè)計(jì)、制造的HG-1900/25.4-YM4 型超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，鍋爐形式為一次再熱、單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒方式、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)、采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、全鋼構(gòu)架、露天布置、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型爐。燃燒系統(tǒng)采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所的中心給粉旋流煤粉燃燒器，燃燒方式采用前后墻對(duì)沖燃燒。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)正壓直吹冷一次風(fēng)方式，每爐配6 臺(tái)HP1003 型磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)5 臺(tái)運(yùn)行可滿足BMCR工況出力。每臺(tái)磨煤機(jī)出口5根輸粉管對(duì)應(yīng)一層煤粉燃燒器，6臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)前后墻各3層（前墻：上-D，中-C，下-E；后墻：上-A，中-F，下-B）燃燒器。磨煤機(jī)參數(shù)見表1。

表1 HP1003型磨煤機(jī)參數(shù)

針對(duì)褐煤具有高水份、高揮發(fā)性特點(diǎn)，在摻燒或者單獨(dú)燃用時(shí)，制粉系統(tǒng)通常需要考慮磨煤機(jī)內(nèi)部的自燃等引起的安全性問題，因此磨煤機(jī)入口管路常常摻入冷風(fēng)以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，但在降低磨煤機(jī)入口風(fēng)溫的同時(shí)還需顧及磨煤機(jī)出口輸粉管路中風(fēng)粉混合物的結(jié)露問題，尤其在南方，電廠普遍存在輸粉管路不設(shè)保溫材料的情況，在遇到冬季極端氣候條件時(shí)，易出現(xiàn)輸粉管路的結(jié)露，造成煤粉隨煤粉中水蒸汽凝結(jié)而發(fā)生沉積粘附現(xiàn)象，在合適的溫度和氧化性氛圍條件下易發(fā)生煤粉的沉積爆燃事故。燃煤參數(shù)見表2。

表2 煤質(zhì)對(duì)比匯總

2 計(jì)算原理及依據(jù)

2.1 計(jì)算原理及依據(jù)

依據(jù)電力DLT5145-2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》制粉系統(tǒng)輸粉管路最低溫度要求[4]。

tdp與d2關(guān)系式：

Tdp—露點(diǎn)溫度

d—空氣的含濕量，通常取10 g/kg；

g1—制粉系統(tǒng)始端干燥劑量，kg/kg；

電廠鍋爐實(shí)際燃用的煤種已和設(shè)計(jì)煤種有較大差異。

針對(duì)不同工況負(fù)荷下磨煤機(jī)出力，采用在同一磨煤機(jī)不同出力下參數(shù)計(jì)算煤粉管出口d2值及tdp值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 同一磨煤機(jī)不同出力下數(shù)值對(duì)比

tm2、Δt 及tdp關(guān)系如圖1 所示，粉管溫度與露點(diǎn)計(jì)算值已非常接近，此過程尚未考慮煤粉沿輸粉管路的溫降。

圖1 磨煤機(jī)出力、粉管溫度、露點(diǎn)溫度關(guān)系

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)比表1 和圖1，隨著磨煤機(jī)出力的增加，風(fēng)粉混合物中水蒸汽的露點(diǎn)tdp逐漸升高，而對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混合物的溫度卻逐漸下降，導(dǎo)致風(fēng)粉混合物的溫度越來越接近混合物中水蒸汽的露點(diǎn)溫度；從實(shí)際情況來看，輸粉管路沿程溫降依據(jù)不同溫度環(huán)境有5～10℃的溫降，此時(shí)輸粉管路中的水蒸汽已達(dá)露點(diǎn)，勢(shì)必造成結(jié)露和煤粉團(tuán)聚現(xiàn)象。這也是造成風(fēng)粉混合物沉降粘附的重要原因之一。

2.3 實(shí)例驗(yàn)證

針對(duì)輸粉管路的溫降對(duì)南方某電廠冬季制粉系統(tǒng)輸粉管路的溫降進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，冬季480 MW 負(fù)荷下磨出口溫度燃燒器前粉管溫度實(shí)測(cè)值見表4。

表4 480 MW負(fù)荷下磨煤機(jī)出口溫度/燃燒器前粉管溫度

由于燃燒器布置原因，B、F 磨對(duì)應(yīng)燃燒器處于迎風(fēng)面，從圖2中明顯看出，B、F磨煤機(jī)的粉管溫度下降值高于對(duì)應(yīng)層的C、F磨煤機(jī)出口粉管溫度。

圖2 磨煤機(jī)出口溫降

參考相關(guān)文獻(xiàn)[5,6]，在制粉系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于直吹式制粉系統(tǒng)，推薦的露點(diǎn)與磨煤機(jī)出口溫度的關(guān)系為tdp≤（t2-2）℃。

從表3 參數(shù)實(shí)測(cè)值可見，當(dāng)磨煤機(jī)出力在80%以上的情況下，輸粉管路的溫降普遍在7 ℃以上，此時(shí)輸粉管路中對(duì)應(yīng)的風(fēng)粉混合物的溫度已降至水蒸汽露點(diǎn)溫度以下，即：煤粉管路中已存在水蒸汽結(jié)露的狀況。

3 煤粉管中水蒸汽凝結(jié)的影響因素

3.1 從水分的來源角度分析

一部分為干燥劑中含有的水分，若采用熱空氣作為干燥劑，其含有的水分大致為對(duì)應(yīng)氣壓下的含濕量，我國(guó)主要南方城市的大氣壓力和含濕量分布見表5。

表5 選取代表性城市的大氣壓力和含濕量

另一部分為燃料中所攜帶的水分，分為外在水分和內(nèi)在水分，且全水分受原煤產(chǎn)地、煤質(zhì)、貯存條件等影響變化非常大[7]。不同煤種的水分范圍見表6。

表6 不同煤種的水分范圍

制粉系統(tǒng)中一般要求的風(fēng)粉比在1.8～2.2，因此煤粉中水分主要為燃煤中的全水分，且煤粉中水分受磨煤機(jī)內(nèi)干燥劑的溫度影響[8]。對(duì)應(yīng)同一磨煤機(jī)出力工況，隨著燃煤水分的升高，煤粉中水蒸汽的露點(diǎn)逐漸升高，見圖3。

圖3

3.2 從煤粉管的傳熱角度分析

由于大部分東南沿海地區(qū)電廠制粉系統(tǒng)輸粉管路未敷設(shè)保溫層，鍋爐布置方式為露天布置，冬季受季風(fēng)影響較明顯，輸粉管路傳熱受天氣影響很大。

同一磨煤機(jī)在不同工況下的參數(shù)對(duì)磨煤機(jī)出口溫度及輸粉管路的溫度、溫降產(chǎn)生直接影響，以下從煤量和入口風(fēng)量角度分析磨煤機(jī)出口輸粉管路中混合物水蒸汽露點(diǎn)影響。磨煤機(jī)入口風(fēng)量和水蒸汽露點(diǎn)關(guān)系見圖4。

圖4 磨煤機(jī)入口風(fēng)量和水蒸汽露點(diǎn)關(guān)系

從圖4可見，同一磨煤機(jī)出力工況下，隨著風(fēng)量的增大，風(fēng)粉混合物中的水蒸汽露點(diǎn)逐漸降低，即：在加大風(fēng)量的情況下，可以減小水蒸汽凝結(jié)情況的發(fā)生。

磨煤機(jī)給煤量和水蒸汽露點(diǎn)關(guān)系見圖5。由圖5可見，同一磨煤機(jī)同一風(fēng)量下，隨著磨煤機(jī)出力的增加，風(fēng)粉混合物中水蒸汽的露點(diǎn)逐漸升高，在運(yùn)行中需注意控制適宜的煤風(fēng)比。

圖5 磨煤機(jī)給煤量和水蒸汽露點(diǎn)關(guān)系

4 應(yīng)對(duì)措施

1）從運(yùn)行角度考慮，在參數(shù)控制中，應(yīng)及時(shí)關(guān)注制粉系統(tǒng)的運(yùn)行情況，做出合理的運(yùn)行調(diào)整，或者啟動(dòng)備用制粉系統(tǒng)，保持磨煤機(jī)出口粉管有合適的溫度；適當(dāng)增加磨煤機(jī)入口風(fēng)量，同時(shí)提高運(yùn)行風(fēng)速，對(duì)抑制輸粉管路結(jié)露也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

2）對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行改造，例如利用爐煙作為干燥煤粉的介質(zhì)，降低干燥劑的含氧量，可大幅減少磨煤機(jī)內(nèi)部的燃爆事故發(fā)生，提高磨煤機(jī)入口溫度，保持粉管溫度有足夠的裕量。

3）進(jìn)行混煤摻燒，將不同特性煤質(zhì)進(jìn)行混合，提高燃料平均熱值，減少磨煤機(jī)內(nèi)煤粉著火的情況。

4）建造干煤棚，降低燃用褐煤的外在水分含量，可以降低輸粉管路中水蒸汽的凝結(jié)，避免輸粉管路結(jié)露情況的發(fā)生。

5）輸粉管路敷設(shè)保溫，降低輸粉管路的溫降，使輸粉管路中風(fēng)粉混合物的溫度高于水蒸汽凝結(jié)溫度。

5 總結(jié)

結(jié)合某600 MW 燃煤電廠實(shí)例，針對(duì)燃燒高水分印尼褐煤出現(xiàn)的輸粉管路中水蒸汽凝結(jié)導(dǎo)致煤粉沉積造成煤粉自燃爆炸案例，從熱力計(jì)算所得水蒸汽凝結(jié)露點(diǎn)溫度，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)磨煤機(jī)出口各輸粉管路的粉管溫度的溫降，得出造成水蒸汽凝結(jié)的原因。同時(shí)針對(duì)水蒸汽凝結(jié)的影響因素，從不同方面提出具體應(yīng)對(duì)措施，以防止發(fā)生水蒸汽結(jié)露引起的煤粉自燃現(xiàn)象的發(fā)生。