配煤摻燒比例對鍋爐運行性能的影響

摘 "要""為了掌握配煤摻燒比例對超臨界直流鍋爐的性能影響，采用現場試驗測量的方法進行摸底試驗并提出改進配煤比例的3種方案，探究3種方案下鍋爐的運行性能、燃燒情況和性能指標。結果表明：隨著A、D磨煤機摻燒比例的增大，寬廣負荷下最高鍋爐效率減小，鍋爐效率最高時對應的負荷有所提高。3種配煤摻燒方案在試驗負荷下屏式過熱器和末級再熱器發生結焦的可能性較小，但超過一定負荷時爐內中上部受熱面存在結焦風險。在400 MW以下負荷，采用B磨煤機摻燒50%褐煤，A、D摻燒40%，C、F摻燒10%，對降低企業經營成本效果顯著。在400 MW以上負荷，為避免爐膛出口受熱面結焦、影響機組帶負荷能力，可采用B磨煤機摻燒50%褐煤，A、D摻燒30%，C、F摻燒15%的方案。

關鍵詞""超臨界直流鍋爐 "配煤摻燒比例 "運行性能 "摻燒試驗

DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406006

中圖分類號""TQ053.2""""""""""""""""""文獻標志碼 "A""""""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2024）06-0000-00

隨著“碳中和、碳達峰”能源發展戰略的提出，我國新能源發電量逐年增加[1]。但由于新能源（如風能、太陽能）存在隨機性、間歇性、波動性的特點，使得系統難以長期持續穩定輸出，因此仍需保有一定的煤電進行調峰，起到“壓艙石”的作用。設計煤種決定著鍋爐的燃燒性能，同時煤質對火電廠運行的安全性、經濟性與環保性至關重要。但目前煤炭儲量緊張，無法長期供應設計煤種，因此采用配煤摻燒滿足機組運行要求是大部分電廠常用的手段。然而采用復雜多煤種配煤摻燒時若選用不恰當的煤種比例和摻燒方式會造成鍋爐燃燒效果不佳、負荷降低、設備不穩定運行、煤質波動大及經濟性差等問題[2]。

合理的配煤摻燒策略不僅可以保證火電機組在寬廣負荷下安全穩定運行，還可以降低成本、提高經濟效益、延長設備使用壽命，實現資源利用多元化。文獻[3，4]研究了改善混合煤種揮發分、發熱量、著火特性的配煤摻燒優化方案，對配煤摻燒安全性的研究給出了一系列邊界條件和措施建議。在保證鍋爐安全運行的基礎上，經濟性研究對企業效益極其重要。楊青綜合考慮了配煤摻燒對鍋爐效率、廠用電率、汽機熱耗的影響，利用線性規劃，建立了加權標煤單價最小化的數學模型，其優選方案對節約燃煤成本有較強的實用價值[5]。針對當前燃煤機組靈活調峰中配煤摻燒決策的難題，張海林等提出了一種智能化配煤摻燒優化決策方法，建立了效率SBM動態評價模型并利用余弦相似度搜索獲得了最佳匹配運行工況[6]。黃剛清和周小根對循環流化床鍋爐進行了4個工況下不同摻配比例的現場混煤試驗，發現隨著淮南煤與本地煤摻混比例的提高，鍋爐效率的最大值所對應負荷也隨之升高[7]。

為避免能量大量損失，防止受熱面結焦，提高燃燒效率，達到爐型和煤質之間的最佳耦合，同時為實驗室提供實際運行數據做參考，進行煤種摻燒現場試驗計算變得至關重要。筆者利用分磨摻燒方式，依據可供煤種特性提出3種配煤比例方案，開展經濟煤種摻燒試驗，使摻燒煤種的各項煤質指標接近或達到鍋爐適用煤種的煤質指標，分析摻燒比例對爐膛受熱面結焦情況、鍋爐燃燒情況、機組安全性、經濟性、環保性的影響。

1 "鍋爐概況及判別標準

1.1""鍋爐概況

研究對象為某公司生產的HG-1900/25.4-YM3型超臨界直流鍋爐。該鍋爐采用一次中間再熱、變壓運行，固態排渣、單爐膛平衡通風、Π型布置、尾部雙煙道、對沖燃燒方式和全封閉布置。鍋爐不同工況下的主要設計參數見表1。

鍋爐汽水流程以內置式汽水分離器為界成雙流程，水冷壁為膜式水冷壁，下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，上部水冷壁為垂直管屏。爐膛上部沿煙氣流程，依次流經屏式過熱器、末級過熱器、水平煙道中的高溫再熱器；至尾部雙煙道后煙氣分兩路，一路流經前部煙道中的立式和水平低溫再熱器、省煤器，另一路流經后部煙道的水平低溫過熱器、省煤器，最后流經布置在下方的兩臺三分倉回轉式空氣預熱器。

1.2""設計煤種參數

鍋爐設計煤種為鐵法次煙煤，設計煤質特性如下：

收到基碳含量Car""39.49%

收到基氫含量Har""2.76%

收到基氧含量Oar""7.83%

收到基氮含量Nar""0.82%

收到基硫含量Sar""0.91%

收到基灰分Aar""34.97%

收到基水分Mar""13.22%

空氣干燥基水分Mad""4.8%

干燥無灰基揮發分Vdaf""43.74%

收到基低位發熱量""15"300"kJ/kg

可磨性系數""75

灰變形溫度""1"360"℃

灰軟化溫度""1"415"℃

灰熔化溫度""1"440"℃

根據提供的入廠煤量統計情況得知，可供煤種中褐煤水分偏高，熱值偏低，且灰熔點低易于結渣，價格低廉，適合作為經濟煤種摻燒。因此文中的摻燒試驗以大平、金寶屯和小康煙煤為主力煤種，蒙宏和烏拉蓋褐煤為主要摻燒的經濟煤種，通過調節合理的摻燒比例以接近設計煤種參數，從而實現鍋爐的高效運行。

1.3""煤種結焦特性判別標準

煤種結焦特性主要與煤灰成分及其礦巖結構特性有關。通常主要通過煤灰軟化溫度等特征參數來判別煤種結焦程度，但辨識精準度不高。因此，提出了綜合結渣判別指數Rz，該判別指數對煤質結焦程度的辨識精準度可達90%。Rz計算式為：

其中，ω為物質的質量分數，ST為軟化溫度，G為硅比，B/A為酸堿比。

當Rz≦1.5時，屬于輕微結焦煤；當1.5＜Rz＜2.5時，屬于中等結焦煤；當Rz≧2.5時，屬于嚴重結焦煤。

2 "配煤摻燒策略研究

2.1""摸底試驗

為了解和掌握鍋爐性能實際情況，快速準確地找出最佳摻燒比例，進行摸底試驗發現問題和不足，為后續的決策和行動提供準確的基礎數據和參考。文中配煤摻燒采用分磨摻燒方式，根據不同煤種采用不同的磨煤機磨制摻燒。前墻和后墻燃燒器對應的磨煤機從下至上分別為B、D、C（同時對應相應的煤倉）和E、A、F（同時對應相應的煤倉）。摸底試驗中，A、B、C、D、F磨煤機摻燒10%褐煤，E磨煤機直上大平煤。

2.1.1"nbsp;入爐煤種特性對比

對機組入爐煤進行綜合結渣判別指數計算并與設計煤種進行對比，結果見表2。可以看出，煤倉煤種除F煤倉外低位發熱量均高于設計煤種；除E、F煤倉，其余煤倉煤種收到基灰分質量分數均低于設計煤種；除E煤倉，其余煤倉煤種收到基硫分質量分數均高于設計煤種；A～F煤倉煤種的灰熔點均低于設計煤種。煤種收到基硫分質量分數越高，灰熔點越低，越容易結焦。收到基灰分質量分數越高，鍋爐受熱面積灰越嚴重，會進一步加劇結焦。收到基低位發熱量越低，燃料量增加，會使灰分同步增加，也會加劇結焦。綜合分析可知，A～F煤倉煤種的綜合結渣判別指數均高于設計煤種，D、E、F煤倉煤種灰熔點低，即爐膛出口位置易出現結焦現象。需改進現煤斗配置的混煤：D、F煤倉對應的燃燒器屬于上層噴口，應配置灰熔點高、綜合結渣判別指數Rz低的混煤，有助于改善熱負荷集中區域的結焦狀況。

2.1.2""溫度分布情況與最大出力試驗

在450 MW負荷下，對鍋爐進行爐內溫度場測試，評估鍋爐不同位置受熱面面臨的結焦風險，得到鍋爐爐內溫度場分布結果見表3，此時的磨運行方式為A、B、C、D、F。可以看出，鍋爐在燃盡風層區域分別測得爐內溫度最高值為1 186.4、1 283.3、1 268.3 ℃，從燃盡風層沿垂直方向向上下兩個方向遞減，說明鍋爐內火焰中心位于燃盡風層區域。B、E層燃燒器區域爐內的煙溫較低，有利于摻燒灰熔點偏低的煤種，屏底區域爐內煙溫明顯低于燃盡風層，以當前配煤摻燒方式來看，屏式過熱器和末級再熱器發生結焦的可能性較小。

蒙宏和烏拉蓋褐煤具有水分高、熱值低的特性，對于制粉系統而言，大比例摻燒此類褐煤的主要制約因素是干燥出力是否滿足磨煤機安全穩定運行要求，如果干燥出力不足，會引起磨煤機出口風粉溫度下降，造成粉管堵塞的風險。經過綜合考慮，在摻燒30%褐煤的情況下，B磨煤機的最大出力不應大于65 t/h；在摻燒50%褐煤的情況下，B磨煤機的最大出力不應大于62 t/h。

2.2""配煤摻燒方案

經過摸底試驗后，為防止受熱面結焦、探索最佳配煤比例，根據綜合結渣判別指數，筆者提出3種配煤摻燒方式進行試驗。方式1：B磨煤機摻燒30%褐煤，A、D磨煤機摻燒20%，C、F磨煤機摻燒15%。方式2：B磨煤機摻燒比例提升至50%，A、D磨煤機提升至30%，C、F磨煤機仍為15%。方式3在方式2的基礎上繼續提高A、D磨煤機的摻燒比例至40%，與此同時C、F磨煤機將至10%。方式3可在中低負荷下有效提升褐煤的摻燒比例。

2.3""入爐煤質特性

分析3種摻燒方式下的入爐煤煤質，結果見表4。在350 MW負荷下，采用BDAF磨煤機組合方式運行，3種方式的總摻燒褐煤比例可分別達到21.50%、31.25%、35.00%；400 MW負荷下，采用BEDAF磨煤機組合方式運行，摻燒比例可分別達到17%、21%、28%。

3""試驗結果與分析

采用上述3種配煤摻燒方案進行現場試驗，揭示不同摻燒比例對爐內燃燒情況、結焦情況、鍋爐效率和性能的影響規律。

3.1""對爐內燃燒情況的影響

不同負荷下各方式爐內溫度場分布如圖1所示。可以看出，3種方式的燃盡風層區域均測得爐內溫度最高值，從燃盡風層沿垂直方向向上下兩個方向遞減，說明爐內火焰中心始終位于燃盡風層區域。負荷增大，燃煤量和發熱量增多，整體溫度也隨之提高。另外，3種方式分別在500、490、420 MW下，位于47.2 m屏底區域處的煙溫均小于對應方式下的配煤煤種灰熔點，因此在屏式過熱器和末級再熱器發生結焦的可能性都較小。

燃盡風層區域溫度最高，該處水冷壁發生結焦的可能性最大。據試驗發現，方式1在500 MW及以上負荷工況下，燃盡風層區域溫度場可達到1 284.8 ℃以上，超過烏拉蓋褐煤、大強煙煤和蒙宏褐煤灰熔點溫度。方式2在490 MW及以上負荷工況下，鍋爐燃盡風層區域溫度場可達到1 287.6 ℃以上，超過烏拉蓋褐煤、大強煙煤和蒙宏褐煤灰熔點溫度。方式3在420 MW及以上負荷工況下，燃盡風層區域溫度場可達到1 258.9 ℃以上，超過烏拉蓋褐煤和大強煙煤灰熔點，接近蒙宏褐煤灰熔點溫度。為避免鍋爐結焦，在溫度場超過灰熔點的區段應減少或不進行C、F煤斗的褐煤和大強煤摻燒。

無論哪種配煤方式，在500 MW及以上負荷工況下，由于燃盡風層區域爐內溫度超過褐煤灰熔點溫度，爐內中上部受熱面依然存在一定的結焦風險。中低負荷下煙氣溫度較低，有利于提高經濟煤種比例，若需繼續加大褐煤摻燒比例，則優先選擇中下層燃燒器。

3.2""對鍋爐效率的影響

在進行摻燒試驗前，對機組進行鍋爐效率測試。圖2為各摻燒方式下不同負荷時修正后的鍋爐效率。可以看出，無褐煤時300、350、450 MW負荷下修正后鍋爐效率分別是94.89%、94.26%、94.06%，鍋爐熱效率與機組運行負荷關系較大。當摻燒比例發生變化時，即3種摻燒方式使得爐內燃燒過程和傳熱過程發生變化，導致各方式在相同負荷下鍋爐效率表現不同。

摻燒比例的增加可能會影響鍋爐內的燃燒穩定性。為了保證燃燒的穩定性和效率，鍋爐可能需要在較高的負荷下運行，以達到最佳的燃燒狀態。從現有數據上看，方式3在400"MW時熱效率最高，方式2在350"MW時效率最高，方式1在300"MW時效率最高。因此，隨著摻燒比例的增加，鍋爐效率最高時對應的負荷隨之提高。另外，隨著A、D磨煤機摻燒比例的增大，寬廣負荷下最高鍋爐效率在減小。這是因為褐煤發熱量低，入爐摻配煤熱慣性較大，會引起汽溫大幅波動，隨著摻燒比例的增加，這種慣性也隨之加大，導致鍋爐效率下降。

3.3""安全性、經濟性、環保性指標綜合評價

根據3種配煤方式的現場試驗結果，從安全性、經濟性、環保性3個方面進行綜合對比分析。

從安全角度來看，摻混高水分、高灰分、易結焦和低熱值的褐煤勢必對鍋爐制粉系統、燃燒系統、受熱面產生較大影響。不同煤種可磨性不同，差異較大時，極易導致制粉系統干燥出力不足。B磨煤機摻混比例最高，最大出力在62～65 t/h范圍內，3種摻燒方式下制粉系統均可以滿足運行要求。但隨著摻混比例的增加，干燥出力升高，一次風量增大，加劇了對燃燒器的磨損。通過優化配比和煤種，可以有效防止摻燒對鍋爐制粉系統和燃燒系統帶來的不利影響。根據3種方式不同負荷下的溫度場測試結果可以明顯看出，中低負荷下鍋爐各級受熱面發生結焦的可能性較小。在500 MW及以上負荷，由于燃盡風層區域爐內溫度超過褐煤灰熔點溫度，因此爐內中上部受熱面依然存在一定的結焦風險。

從經濟效益上看，經濟煤種褐煤價格低于主力煤種鐵煤每噸50元。提高經濟煤種總摻燒比例，能有效降低企業運營成本。在350 MW（年運行3 000 h）和450 MW（年運行1 500 h）負荷下，摻燒方式3摻燒經濟煤種的比例最大，在未扣除脫硝系統運營成本的情況下每年可節約燃料成本651.15萬元和291.1萬元。

從環保角度來看，大比例摻燒經濟煤種將引起燃燒產生的煙氣量升高，因此若單位體積煙氣含NOx一定，則鍋爐產生的NOx總量提升，這對環境會產生極大的影響，需要增加脫硝裝置。產生的NOx越多，所需投運的脫硝系統成本也越高。

綜合分析經濟煤種摻燒的安全性、經濟性和環保性，在400"MW以下負荷時，采用摻燒方式3對降低企業經營成本效果顯著；在400"MW以上負荷時，為避免爐膛出口受熱面結焦、影響機組帶負荷能力，可采用摻燒方式2。

4 "結論

4.1 "通過摸底試驗，在摻燒30%褐煤的情況下，B磨煤機的最大出力不應大于65 t/h。在摻燒50%褐煤的情況下，B磨煤機的最大出力不應大于62 t/h。

4.2 "3種配煤方式下，爐內火焰中心始終位于燃盡風層區域。3種方式分別在500、490、420 MW負荷下運行時，屏式過熱器和末級再熱器發生結焦的可能性較小。但3種方式下超過對應上述負荷時燃盡風層區域溫度高于煤種灰熔點，爐內中上部受熱面存在結焦風險。為避免結焦，最好在中低負荷下選用中下層燃燒器大比例摻燒經濟煤種。

4.3 "隨著A、D磨煤機摻燒比例的增大，寬廣負荷下最高鍋爐效率在減小，鍋爐效率最高時對應的負荷有所提高。

4.4 "綜合分析經濟煤種摻燒的安全性、經濟性和環保性，當負荷在400 MW以下時，采用摻燒方式3對降低企業經營成本效果顯著。當負荷在400 MW以上時，為避免爐膛出口受熱面結焦、影響機組帶負荷能力，可采用摻燒方式2。

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（收稿日期：2023-12-07，修回日期：2024-10-25）

基金項目：國家重點研發計劃（批準號：2017YFB0602102）資助的課題。

作者簡介：宋大勇（1977-），正高級工程師，從事火電發電廠熱力系統性能診斷及故障處理工作。

通訊作者：汪瑾（2000-），碩士研究生，從事煤燃燒及污染物控制、水冷壁動態特性的研究，jinwang@stu.xjtu.edu.cn。

引用本文：宋大勇，陳曉龍，張海濤，等.配煤摻燒比例對鍋爐運行性能的影響[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.