褐煤鍋爐中速磨熱平衡計算若干問題的探討

王 巍，彭紅文，李少華，侯全輝，劉 闖

(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

由于褐煤水分高、熱值低，褐煤鍋爐能否采用中速磨煤機(以下簡稱“中速磨”)直吹式制粉系統往往取決于中速磨制粉系統的干燥能力，而中速磨制粉系統的干燥能力計算也可稱之為制粉系統熱力計算。不管是哪種形式的中速磨，制粉系統熱力計算的基本原則和算法都是一致的，均遵循系統帶入熱量與帶出熱量相當的熱平衡原則。

目前，國內中速磨制粉系統熱平衡計算的主要依據是DL/T 5145—2012《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》，以下簡稱《粉規2012》)[1]。該標準詳細給出了系統各項輸入和輸出熱量的計算方法、關鍵參數的選取方法。但對于褐煤鍋爐中速磨制粉系統，煤粉水分和磨煤機出口溫度選取、系統散熱損失、原煤溫度及計入解凍熱等在標準執行的過程中仍存在取值和計算等值得商榷的問題，由此可能產生較大的計算偏差，進而影響制粉系統設計選型。

本文通過對比、分析，探討標準關于褐煤鍋爐中速磨制粉系統熱平衡計算的部分參數選取、熱量計算原則等，并提出合理性建議。

1 煤粉水分選取

對于褐煤鍋爐中速磨制粉系統熱力計算，煤粉水分的取值至關重要。不同國家對煤粉水分計算與取值的經驗方法都有所不同。

我國對于煤粉水分的取值依據《粉規2012》第3.6.2 條，煤粉水分與設備終端溫度以及原煤水分有關，具體數值應按圖1(《粉規2012》圖3.6.2(b))選取。

圖1 直吹式和中間倉儲式制粉系統中熱空氣干燥時磨制褐煤煤粉水分取值圖

《粉規2012》條文說明中解釋“該圖引用前蘇聯1971 年版制粉系統設計計算標準，根據我國實際運行試驗數據加以核對、補充和修改”。該圖在原煤水分不高于40%時具有較好的準確性，并與試驗數據較為吻合。在原煤水分高于40%時并無試驗數據驗證，與《粉規2012》附錄表B.5(MPS-HP-Ⅱ型中速磨煤機的煤粉水分與原煤水分和磨煤機出口溫度的關系)相比，存在煤粉水分取值偏高的問題。

文獻[2]中則提出，對中速磨按0.5 ～1 倍的空氣干燥基水分來選取褐煤煤粉水分，因為中速磨磨制的煤粉細度R90通常取35%，相比風扇磨來說，煤粉細度較小，煤粉水分可按空氣干燥基水分選取。

美國A 公司對于高水分褐煤，煤粉水分按原煤水分的一半選取。我國上海某廠家X 引進A 公司的HP 型中速磨也按此進行選取。

前蘇聯1958 年煤粉制備設計和計算標準規定褐煤的煤粉水分不應低于空氣干燥基水分，但不應超過空氣干燥劑水分+8%[3-4]。

德國S 公司對于煤粉水分可選取：Mpc≤Mad+4[(Mar-Mad)/Mad]或略大于空氣干燥基水分Mad。

德國E 公司認為煤粉水分與原煤水分、磨煤機出力、磨煤機出口介質溫度和煤粉細度等因素有關，推薦通過試磨來提供較為準確的煤粉水分數據。

德國B 公司對于煤粉水分按《粉規2012》附錄表B.5 取值。我國長春某廠家Y 引進B 公司的MPS-HP-II 型中速磨也按此表對煤粉水分進行取值。

表1 為上述煤粉水分計算方法計算數據與三個工程中的中速磨性能試驗數據對比表。表中試驗數據均為三個工程中速磨所采用的煤種和部分試驗測試數據。

表1 煤粉水分計算值與中速磨試驗數據對比表

從表1 來看，文獻[2]、美國A 公司對煤粉水分的計算并沒有反映出煤粉水分與磨煤機出口溫度的關系，只有個別計算數據與試驗數據較為接近，大部分偏差較大。前蘇聯1958 版標準和德國S 公司對煤粉水分的計算取值為一較大范圍，且部分計算的取值范圍并沒有涵蓋試驗數據，適用性和執行性較差。《粉規2012》圖3.6.2(b)和德國B 公司的計算數據較好地反映了煤粉水分與分離器出口溫度以及全水分的關系，計算數據趨勢與試驗數據一致，但不同程度地與試驗數據存在偏差，當煤粉細度R90較小(小于20%)時，計算數據均遠大于試驗數據；當煤粉細度R90 較大(大于30%)時，計算數據略小于試驗數據。另外，磨煤機出口溫度約65 ℃，計算數據與試驗數據最接近；磨煤機出口溫度約60 ℃，計算數據低于試驗數據。

由以上對比可以看出，煤粉水分為多因素影響的煤粉固有特性，其與原煤特性(全水分)、煤粉溫度、煤粉細度等因素均相關，這一結論與《粉規2012》中相關條文說明是一致的。對于褐煤鍋爐中速磨制粉系統熱力計算，當R90取35%，收到基全水分低于40%時，煤粉水分可按《粉規2012》圖3.6.2(b)和德國B 公司經驗進行選取；當收到基全水分高于40%時，煤粉水分可按德國B 公司經驗進行選取。當R90取值更大、磨煤機出口溫度取值較低時，煤粉水分可適當提高。

2 磨煤機出口溫度

在不影響設備本體正常工作且滿足防爆條件要求的情況下，磨煤機出口溫度t2越高越好。褐煤由于干燥無灰基揮發分高(通常大于40%)，磨煤機出口溫度t2要求較低。根據《粉規2012》第5.3.6 條規定：“對于中速磨煤機直吹式系統，當Vdaf≥40%時，磨煤機(分離器)出口最高允許溫度tM2=t2=60 ～70 ℃，同時t2應高于露點tdp，且不能低于60 ℃，磨煤機(分離器)出口最低溫度t2min=tdp+2 ℃”。

上海某廠家X 和長春某廠家Y 則認為磨煤機出口最低溫度不應低于t2min=tdp+5 ℃；而北京某廠家Z 認為滿足《粉規2012》的t2min=tdp+2 ℃要求即可。

由于褐煤水分較高，在中速磨磨制褐煤后的出口干燥劑中含濕量較大，其水露點較高，一般在53 ～58 ℃之間。因此按上海某廠家X和長春某廠家Y 的經驗，t2應取值60 ～65 ℃；而根據北京某廠家Z經驗，t2一般取值60 ℃即可。

從多個褐煤電廠的實際運行數據來看，磨煤機出口溫度多在55 ～60 ℃之間，不同程度地低于磨煤機出口設計溫度。但在該運行溫度下，并未出現堵磨、堵管的現象。因此，當原煤水分較高、且制粉系統干燥能力受限時，磨煤機出口溫度可按《粉規2012》相關規定的取值范圍下限選取；原煤水分較低或制粉系統干燥能力足夠時，磨煤機出口溫度可適當提高。

3 系統散熱損失

根據《粉規2012》第5.3.2 條規定，對于中速磨直吹式制粉系統，系統散熱損失為帶入總熱量的2%。從條文說明來看，2%的散熱損失量已包括干燥介質抽出點至磨煤機前的溫降，且該版標準已刪除2002 版標準第6.4 條“組成干燥劑的氣體在起始計算斷面處的溫度宜比抽出點的溫度低5 ～10 ℃，大容量機組取下限”的要求。因此當系統散熱損失取總熱量的2%時，組成干燥劑的氣體在起始計算斷面處的溫度相比抽出點的溫度，無需低5 ～10 ℃。

此外，散熱損失與制粉系統的保溫與電廠管理水平有密切關系，我國目前新建燃煤電站的設備及管道保溫水平和運行管理水平均已大幅提升，系統散熱量已明顯減少。中速磨直吹式制粉系統的散熱損失主要包括熱風管道散熱q5,ha和磨煤機設備散熱q5,cm，可分別按式(1)和式(2)計算：

式中：[q5]為設備和管道保溫外表面散熱損失，W/m2；Aha為熱風抽出點處至磨煤機的熱風管道散熱面積，m2；Acm為磨煤機本體的散熱面積，m2。

根據DL/T 5072-2019《 發電廠保溫油漆 設 計 規 程》[5]， 按[q5] = 52 W/m2，Aha取6 000 m2，Acm取200 m2( 單 臺 磨)， 初 步 計算，q5,ha約310 kW，約占系統總帶入熱量的0.3%～0.5%(褐煤機組制粉系統總帶入熱量普遍在60 ～100 MW)，干燥介質抽出點至磨煤機前的溫降約2 ℃，與實際運行數據相吻合。每臺磨煤機散熱約10 kW，全部運行磨散熱占系統總帶入熱量不到0.1%。可見，隨著設備和管道保溫水平的提升，系統散熱損失和管道溫降均有大幅下降。建議國內新建電廠的制粉系統熱平衡計算中系統散熱損失可按式(1)和式(2)分別計算，也可按照系統輸入熱量的0.4%～0.6%簡化取值。

4 原煤溫度和解凍熱

《粉規2012》第5.3.2 條對原煤溫度規定：“對Mar≥(Qnet,ar/0.65)%(Qnet,ar的單位MJ/kg)的高水分燃料trc=20 ℃，對其他燃料trc=0 ℃”。而前蘇聯1958 年煤粉制備設計和計算標準規定：“原煤溫度通常取零度”[6]。可見，我國標準針對高水分的煤，將環境溫度作為原煤溫度；對于低水分的煤，我國標準與前蘇聯標準一致，均取零度為原煤溫度。在工程應用中，認為該取值已具有足夠的精度。但進入系統的原煤溫度是客觀存在的，隨著進入系統前的環境溫度變化而變化，與水分的高低并沒有直接的關系。對于中速磨制粉系統選型設計，原煤溫度的取值應與鍋爐選型設計的基準溫度相一致。目前，國內各大鍋爐廠關于鍋爐選型設計的基準溫度均取20 ℃，因此，建議中速磨制粉系統選型設計的基準溫度取20 ℃。

對于最低日平均溫度高于0 ℃的電廠，建議將原煤溫度按最低日平均溫度作為中速磨制粉系統熱平衡計算校核工況。

《粉規2012》第5.3.2 條規定：“最低日平均溫度在零度以下又無解凍庫時需考慮原煤解凍熱”。但標準并沒有明確將此工況作為設計工況還是校核工況。對于高水分褐煤，原煤解凍熱需求較大，約占系統總輸入熱量的10%～15%。因此當最低日均溫度低于0 ℃時，建議電廠輸煤系統設置和運行充分考慮原煤解凍的需要，并按0 ℃且考慮解凍熱作為中速磨制粉系統熱平衡計算校核工況。

5 結論和建議

1)對于磨制褐煤的中速磨直吹制粉系統，當R90取35%、收到基全水分低于40%時，煤粉水分可按《粉規2012》(圖3.6.2(b))和德國B公司標準(即《粉規2012》的附錄表B.5)進行選取；當收到基全水分高于40%時，煤粉水分可按德國B 公司標準進行選取。當R90取值更大、磨煤機出口溫度取值較低時，可與磨煤機廠配合適當提高煤粉水分。

2)當原煤水分較高、且制粉系統干燥能力受限時，磨煤機出口溫度可按《粉規2012》相關規定的取值范圍下限選取；原煤水分較低或制粉系統干燥能力足夠時，磨煤機出口溫度可適當提高。

3)對于中速磨制粉系統熱平衡計算中散熱損失，可按熱風介質管道散熱和磨煤機散熱分別計算，也可按照系統輸入熱量的0.4%～0.6%簡化取值。

4)中速磨制粉系統選型設計的基準溫度取20 ℃。對于最低日平均溫度高于0 ℃的電廠，建議將原煤溫度按最低日平均溫度作為中速磨制粉系統熱平衡計算校核工況。當最低日均溫度低于0 ℃時，建議電廠輸煤系統設置和運行充分考慮原煤解凍的需要，并按0 ℃且考慮解凍熱作為中速磨制粉系統熱平衡計算校核工況。

5)建議進一步完善針對高水分褐煤采用中速磨制粉系統的熱平衡計算，合理選取和計算煤粉水分、磨煤機出口溫度和系統散熱損失；明確中速磨制粉系統的設計工況基準溫度和校核工況。