中速磨煤機在褐煤機組上的適應能力探究

顧琳琳，徐衛華

(中國電力工程顧問集團 華北電力設計院有限公司,北京 100120)

0 引言

褐煤具有水分較高、發電量較低的特點，燃用褐煤的發電機組制粉系統的選擇是十分重要的。早期各地區燃用褐煤的電廠主要以塔式爐配風扇磨型式居多，而π型爐配中速磨的火電機組較少。21世紀以來，在大型燃用褐煤機組(如上都電廠)上采用了中速磨煤機方案后，已有多臺大型褐煤鍋爐配中速磨煤機制粉系統的機組投運，且運行穩定。

DL/T5145《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》[1]和DL/T5240《火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程》[2]中均提到褐煤機組的制粉系統根據煤質成分的不同可選用風扇磨或中速磨，國內褐煤電廠采用中速磨和風扇磨方案的機組均有運行實例。褐煤機組運行過程中，采用風扇磨存在檢修維護量大、抽爐煙口結焦等現象；而采用中速磨雖然簡化了系統，控制更靈活、檢修更方便，但實際運行中普遍存在熱一次風溫度不足、一次風率偏大等問題。本文依托內蒙古錫林浩特某燃用褐煤的發電廠，研究提高褐煤鍋爐中速磨煤機干燥能力的方法，以提高中速磨煤機在褐煤鍋爐上的應用能力。

1 提高中速磨煤機在褐煤鍋爐上適應能力的技術路線

中速磨制粉系統與其他制粉系統比較，具有系統簡單、操作方便、控制較靈活、檢修工作量相對較少等特點。GB50660—2011《大中型火力發電廠設計規程》[3]規定：對于大容量機組，在煤種適宜時，宜優先選用中速磨煤機；燃用高水分、磨損性不強的褐煤時，宜選用風扇式磨煤機；當制粉系統的干燥能力滿足要求并經論證合理時，也可采用中速磨煤機。由于褐煤中的全水分很高，為了保證磨煤機的干燥出力足夠干燥煤粉，褐煤機組熱一次風溫度的選取較煙煤機組高，并且為預防出現燃用偏離設計煤種較大的情況，制粉系統需要配置調溫風。對于較高水分或熱值較低的褐煤發電機組，為保證配置中速磨正壓直吹式系統，且使燃燒效率變化不大和保證空氣動力場，空氣空預器出口熱一次風溫度應達到400 ℃以上，為達到此溫度，空預器入口(脫硝入口)的煙氣溫度則需要達到420 ℃以上。目前燃煤電站鍋爐因環保要求，均同步配備脫硝裝置，若脫硝裝置入口煙氣溫度過高，長期高溫運行催化劑的壽命將會折減,而且隨著空預器入口的煙氣溫度提高，鍋爐排煙溫度也會提高，鍋爐效率則隨之降低。因此，褐煤機組如采用中速磨制粉系統，需要較高的一次熱風溫度，同時還需綜合考慮對排煙溫度、脫硝裝置和鍋爐效率的影響。

通過分析和研究，合理提高一次風溫及中速磨煤機在褐煤鍋爐上的適應性，可采用的主要技術路線如下：

(1) 可采用一次熱風增設管式空預器方案以及外置蒸汽冷卻器加熱一次風方案。以采用中速磨直吹式制粉系統燃用高水分褐煤的內蒙古上都電廠一、二期工程為例，其設計/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，機組配置了8臺中速磨煤機，設計一次風率為36.8%。為滿足褐煤高水分對干燥的要求，設計采用了增設管式空預器方案，將一次風溫提高到430 ℃，加大干燥能力。當電廠燃用煤質接近設計或校核煤質時，干燥出力滿足要求，電廠可以實現穩定、連續、滿負荷運行，電廠實測的制粉系統各參數接近設計值。

(2) 采用外置蒸汽冷卻器加熱一次風方案，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的蒸汽冷卻器。本文主要對此方案依托相關工程進行論述分析。

2 外置蒸汽冷卻器加熱一次風方案

2.1 系統擬定

2.1.1 熱一次風蒸汽加熱系統理論基礎

在早期項目汽輪機系統中沒有蒸汽冷卻器，汽輪機3抽蒸汽溫度較高，直接進入汽輪機3#高加，對汽輪機熱耗有一定影響，而且提高了高加的成本。隨著對熱耗的追求，系統上增加了蒸汽冷卻器，蒸汽冷卻器是將3抽蒸汽的高溫熱量傳遞給省煤器入口的給水，使給水溫度進一步提升，同時使進入3#高加的溫度降低，也在一定程度上降低了3#高加的造價。同樣參數情況下，布置蒸冷器和不布置蒸冷器,汽機熱耗相差約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器方案類似，采用擴展受熱面方案，具有傳熱效率高、換熱器體積小等特點。

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暖風器類似，技術難度不大，傳熱過程是3抽蒸汽中的過熱蒸汽換熱，常規暖風器是過熱蒸汽換熱外加一個相變換熱，且換熱器設計無任何難度。

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

2.2 依托工程應用方案

以下依托內蒙古某2×660 MW發電廠工程實例進行外置式蒸汽加熱器系統擬定、設計和布置，并在此基礎上進行系統的經濟性分析。

2.2.1 煤質、灰成分分析

本工程煤質資料祥見表1。

表1 本工程煤質資料

根據《火力發電廠燃燒系統設計計算技術規程》中的煤質等級分類，由表1可以看出，該煤質屬于高水分、高揮發分、中高灰分、低熱值的褐煤。

2.2.2 系統概況及相關設備

鍋爐型式：超超臨界參數變壓直流爐，單爐膛、平衡通風、熱一次風二次加熱、一次中間再熱、緊身封閉布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。

最大連續蒸發量：2 127 t/h。

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

燃燒器型式、布置方式：旋流式、前后墻對沖燃燒。

空氣空預器型式：采用兩臺三分倉回轉式空氣空預器。

磨煤機型式：中速磨。

2.2.3 熱一次風蒸汽加熱系統

本工程采用汽輪機3抽蒸汽再次將空預器出口熱一次風進行加熱，滿足制粉系統干燥出力的要求。

采用中速磨煤機熱一次風二次加熱正壓直吹式制粉系統，燃用設計煤種和校核煤種2時，6臺磨煤機運行能滿足鍋爐BMCR(鍋爐最大連續蒸發量)工況時對燃煤量的要求，1臺磨煤機備用，7臺磨煤機中的任何1臺磨煤機均可作為備用；燃用校核煤種1時，7臺磨煤機運行。制粉系統數據見表2。由表2可以看出，制粉系統均需要保留一定的調溫風，在運行偏離設計值及煤種變化時具有較強的適應性，此時若要保證磨煤機的干燥出力，磨煤機入口熱風溫度需要達到375 ℃，空預器出口熱一次風應達到410 ℃以上，磨煤機入口冷熱風比例為92∶8。此時空預器入口(脫硝入口等)煙溫則需要達到430 ℃以上。如果采用中速磨和普通空預器配置方案，即便提高一次風溫盡量來滿足中速磨制粉系統干燥出力，也會對空預器、脫硝系統、排煙溫度、鍋爐效率等均造成較大影響。

表2 制粉系統數據

由于汽輪機3抽蒸汽溫度較高，且抽汽量較大，且在早期設計時3抽蒸汽是直接進入3號高加，近期為了降低汽輪機熱耗增加了一個蒸汽冷卻器。鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況、汽輪機最大出力(TMCR)工況、汽輪機額定出力(THA)工況、75%汽輪機額定出力(75%THA)工況、50%汽輪機額定出力(50%THA)工況和40%汽輪機額定出力(40%THA)工況下汽輪機3抽蒸汽參數見表3。從表3可以看出，3抽蒸汽溫度較高，且高低負荷差別不大，同時蒸汽量也較大，特別是蒸汽溫度較高，經計算具備將熱的一次風空氣加熱到410℃以上的能力。

表3 汽輪機3抽蒸汽參數

利用汽輪機3抽蒸汽加熱回轉式空預器出口的熱一次風，使空預器出口熱一次風溫度(約360 ℃)提升至410 ℃以上，釋放熱量后的3抽蒸汽再次回到回熱系統進入3#高加。

采用外置蒸汽加熱器加熱一次熱風系統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時空預器(脫硝)入口設計溫度可以按常規煤種設計(約370 ℃～380 ℃)，脫硝不需要采用高溫催化劑；空預器進口煙溫降低，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系統后鍋爐煙氣溫度

外置蒸汽加熱器計算數據如表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，能將空預器出口熱一次風溫從360 ℃加熱至410 ℃，且從不同負荷計算情況來看，均滿足制粉系統干燥出力的要求,燃用校核煤時也能獲得足夠的干燥風溫。在熱一次風管路上布置換熱器后，熱一次風阻力將增加約1 kPa的空氣阻力。

表5 外置蒸汽加熱器計算數據

換熱器擬采用常規的暖風器形式或鰭片管，采用分模塊設計在現場組裝的方案，以減少現場工作量。換熱器結構如圖1所示。

圖1 換熱器結構

2.3 技術經濟性綜合分析

2.3.1 對機組和整體系統的影響

(1) 電耗影響：換熱器方案的布置會增加一次風管道的阻力，BMCR工況下換熱器阻力約1 kPa，一次風機選型時，需要考慮增加1 kPa左右壓頭。風機電機功率增加200 kW，電耗略有增加。

(2) 對機組煤耗的影響:由于熱量由汽輪機傳遞至鍋爐，涉及鍋爐及汽輪機兩個部分，對整個機組的煤耗應綜合考慮，不能重復計算，因此將此部分熱量分別計入鍋爐效率和汽輪機熱耗進行計算。THA工況下的技術經濟性分析如表6所示。由表6可以看出，采用兩種不同的計算方案并考慮計算誤差的影響，兩種方法計算煤耗值影響一致。

表6 THA工況下的技術經濟性分析

(3) 系統調節性：通過與汽輪機廠的交流，汽輪機抽汽量控制主要靠高加的水位，而高加的設計是以總的換熱量決定的，如果高加入口工質溫度升高，那么對應的抽汽量則會下降，由于高加換熱量主要是相變換熱，因此蒸汽溫度對抽汽量影響較小，同時對1#和2#高加影響更小。

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

根據目前已到貨的每臺爐兩臺蒸汽加熱器招標訂貨價格為200萬人民幣，同等級機組3抽蒸汽冷卻器近年訂貨價格約200萬～240萬不等，加熱一次熱風加熱器方案3抽蒸汽管道比蒸汽冷卻器方案略多，故從經濟角度來講，兩種方案投資相當，相差很小，但以全廠為邊界來看，采用加熱一次熱風加熱器方案能夠節省煤耗0.03 g/(kw·h)，電耗略有增加在低負荷下也能保證安全運行，而且能夠保證脫硝反應的溫度，降低脫硝的運行成本，長期運行可靠性較高。

2.3.2 蒸汽加熱器加熱一次熱風方案的優勢

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

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

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

(4) 由于獲得了脫硝反應的最佳溫度，降低了脫硝的運行成本。

(5) 避免了采用風扇磨制粉系統，鍋爐爐膛內煙氣側的熱偏差控制更優，更易達到再熱蒸汽623 ℃的要求。

(6) 提升了中速磨制粉系統干燥出力和煤種水份的適應能力。

3 結論與建議

采用熱一次風道上設置蒸汽加熱器，3抽蒸汽作為熱源，取消原3抽蒸汽冷卻器，從而達到提高一次熱風溫度的目的，可以實現中速磨在褐煤機組的良好應用。該電廠1號機組已于2019年12月投入運行，2號機組于2020年2月投入運行，當電廠燃用煤質接近設計或校核煤質時，干燥出力滿足要求，電廠可以實現穩定、連續、滿負荷運行，電廠實測的制粉系統各參數接近設計值。

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