660MW 機組摻燒低熱值煤對機組帶負荷能力的影響分析

張耿范，吳劍波，錢旭明，章榮頂

（1，浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 310003；2，浙江浙能能源服務有限公司，浙江 杭州 310003；3，浙江浙能樂清發電有限責任公司，浙江 溫州 325604）

0 引 言

近年來電煤供應緊張，煤質劣化、煤價高企[1]，發電企業不得不燃用低熱值的劣質煤以保證電力供應。我國東南沿海城市的火力發電站設計煤種多為高熱值的優質煙煤[2]，電廠燃用低熱值煤種無法達到機組設計的滿負荷工況，影響供電安全[3-5]。電廠燃用低熱值煤種時的發電能力主要受制于風煙系統、制粉系統、灰硫系統及鍋爐燃燒狀況等。

同樣負荷下，燃用低熱值煤種會增加制粉系統和風煙系統的負荷[6-8]，此外，煤種熱值低一般是由于水分或灰分高，故低熱值煤也分為高水分煤和高灰分煤，而高水分和高灰分對機組的影響也有所區別。

高灰分煤會增加制粉系統能量消耗，也會增加機組除塵系統與撈渣機的負荷[9]。煤中灰分含量增加，相應的煤中可燃成分便減少，發熱量降低，而在燃燒時灰分變為溶融態，在帶走大量熱能的同時會包裹部分未燃燒或燃燒完全的煤，形成渣帶出爐膛，增加未完全燃燒損失[9]。灰分會降低理論燃燒溫度，不可燃的灰分外殼阻礙了可燃物質與氧氣的接觸，使著火推遲，火焰充滿度差，易出現“閃火”現象，甚至滅火，從而導致煤粉燃燼性低以及爐膛溫度下降，增加了鍋爐不完全燃燒損失，降低了燃燒的效率[10]。

煤中的水分含量越多，會增大引風機電耗，也會造成原煤倉、給煤機及落煤管的堵塞，同時引起磨煤機出力下降，還容易加劇低溫受熱面的積灰及腐蝕[11]。燃燒過程中，水分因蒸發、汽化和過熱而消耗大量熱能，會增加著火熱，使著火推遲；水分多會降低爐內溫度，導致著火困難，不完全燃燒熱損失會增加[12-13]；同時吸熱變成水蒸汽的水分隨同煙氣排出爐外會增加煙氣量，從而使排煙損失增大，降低鍋爐效率。

綜上所述，燃用低熱值煤種主要影響的是制粉系統和風煙系統的出力情況，其次影響的是灰硫、出渣等系統的適配能力[14]。本文選取某電廠660MW 機組為研究對象，在保證設備安全運行以及環保排放達標的情況下，開展低熱值煤摻燒試驗，探究摻燒低熱值煤對機組的帶負荷能力的影響。

1 鍋爐概況

研究對象為某660MW 超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構Π 型、半露天布置燃煤鍋爐。鍋爐型號：SG-1913/25.4-M956 型。鍋爐主要設計參數見表1。

表1 鍋爐主要設計數據

鍋爐設計煤種如表2 所示，可以看出設計煤種為活雞兔礦煤，低位發熱量為23390 kJ/kg，屬于熱值較高的煙煤，全水分14%，收到基灰分7.04%。

表2 鍋爐設計煤種

每臺鍋爐共配置六臺 HP-1003 型中速磨煤機，每臺磨煤機的出口由四根煤粉管接至爐膛四角的同一層煤粉噴嘴。磨煤機在設計煤種下的技術參數如表3 所示。

表3 磨煤機技術參數表

鍋爐引風機為上海電機廠制造，型式為雙級動葉可調軸流式風機，風機型號為HU26650-22G，具體設計參數見表4。

表4 引風機設計參數表

2 工況設置

在某電廠660MW 機組進行了摻燒高灰煤（平均入爐煤熱值分別為19958、19577、18531kJ/kg）及高水煤（平均入爐煤熱值分別為19841、19192、18673kJ/kg）共6 個工況下機組帶負荷能力摸底試驗。因試驗在冬季進行，考慮到夏季工況更為惡劣，最后均將試驗工況折算至夏季工況，對夏季工況下摻燒低熱值煤期間機組帶負荷能力、鍋爐及輔機系統運行安全、環保、經濟性進行評估。摻燒低熱值煤試驗工況設置見表5，加權平均入爐煤質參數見表6。

表5 摻燒低熱值煤試驗工況表

3 低熱值煤摻燒試驗

首先進行磨煤機最大出力試驗，選擇在檢修周期中段的磨煤機，探究不同煤種下單臺磨煤機最大出力情況，以此為依據判斷折算至夏季工況時制粉系統帶負荷能力受限情況。

3.1 磨煤機最大出力試驗

選取1E 磨進行最大出力試驗，試驗期間，分別上倉伊泰煤（熱值18648kJ/kg，全水22.5%，灰分13.2%）、外購4500（熱值18531kJ/kg，全水14.4%，灰分24.0%）和俄煤（熱值20280kJ/kg，全水19.6%，灰分10.2%）進行了最大出力試驗。

上倉煤種為伊泰時，給煤量49.4t/h，磨煤機出口溫度較低 ；上倉煤種為外購時，給煤量49.4t/h，熱風門接近全開，干燥出力受限；上倉煤種為俄煤時，當給煤量設定為45t/h 時，磨煤機電流53A 左右,磨碗壓差接近3.4kPa，給煤量下調至43t/h，俄煤R90煤粉細度相比于伊泰和外購較大。

上倉伊泰煤和外購4500 煤時，1E 磨煤機最大出力約為50t/h；上倉俄煤時，因磨煤機電流較大且磨碗差壓較高，1E磨煤機最大出力約為43t/h。

3.2 高灰低熱值煤摻燒試驗情況

3.2.1 高灰煤工況

試驗期間，風煙系統阻力及引風機性能試驗情況如表8 所示。將該工況下引風機實測值換算至夏季滿負荷工況下比較，修正后：風機流量為437m3/s，風機全壓升為9434Pa，比設計風量偏大3.39%，比設計全壓值偏大2.94%；折算至夏季滿負荷工況參數與TB 點設計參數比較，風量裕量為10.11%，風壓裕量為7.68%，風壓裕量偏低。

試驗期間制粉系統運行情況如下表9 所示。該工況下，總煤量為288t/h（E、F 磨熱風門全開），如折算至夏季滿負荷工況，所需總煤量約為304t/h，單臺磨所需煤量50 ～51t/h，結合磨煤機最大出力試驗結果，該煤種時制粉系統勉強能夠滿足夏季工況帶負荷需求。

表9 制粉系統運行情況

試驗期間，出渣、脫硝、脫硫、干電除塵、輸灰系統運行正常。

實際入爐煤Qnet.ar為19958kJ/kg，機組基本能帶滿負荷，但是存在引風機風壓裕量偏低的情況。試驗期間，機組帶負荷至655MW，主蒸汽流量1890t/h，總煤量288t/h，氧量控制在2.5%左右。

3.2.2 高灰煤工況2

試驗期間，風煙系統阻力及引風機性能試驗情況如表10 所示。將該工況下引風機實測值換算至夏季滿負荷工況下比較，修正后：風機流量為441m3/s，風機全壓升為9787Pa，比設計風量偏大4.14%，比設計全壓值偏大6.96%；折算至夏季滿負荷工況參數與TB 點設計參數比較，風量裕量為9.45%，風壓裕量為4.08%，風壓裕量偏低。

試驗期間制粉系統運行情況如下表11 所示。該工況下，總煤量為288t/h（C、E、F 磨熱風門全開），如折算至夏季滿負荷工況，所需總煤量約為311t/h，單臺磨所需煤量52t/h，結合磨煤機最大出力試驗結果，該煤種時夏季滿負荷工況下制粉系統將出現受限情況。

試驗期間，出渣、脫硝、脫硫、干電除塵、輸灰系統運行正常。

實際入爐煤Qnet.ar為19577kJ/kg，機組不能帶滿負荷。主要為緩慢加負荷過程中，引風機電流上升至500A 以上，且電流在500A 以上加負荷時引風機電流會突變，后將負荷穩定至645MW 進行試驗，試驗期間，主蒸汽流量1850t/h，總煤量288t/h，氧量控制在2.5%左右。

3.2.3 高灰煤工況3

試驗期間，風煙系統阻力及引風機性能試驗情況如表12 所示。該工況下引風機實測值換算至夏季滿負荷工況下比較，修正后：風機流量為458m3/s，風機全壓升為10894Pa，比設計風量偏大8.17%，比設計全壓值偏大19.09%；折算至夏季滿負荷工況參數與TB 點設計參數比較，風量裕量為5.94%，風壓裕量為-6.80%，該煤種引風機出力不能滿足夏季工況機組帶負荷需求。

表12 引風機性能試驗情況

試驗期間制粉系統運行情況如表13 所示。該工況下，總煤量為294t/h（EF 磨熱風門全開），如折算至夏季滿負荷工況，所需總煤量約為333t/h，單臺磨所需煤量56t/h，該煤種時制粉系統不能滿足夏季工況帶負荷需求。

表13 制粉系統運行情況

試驗期間，出渣、脫硝、脫硫、干電除塵系統運行正常；輸灰系統雖未堵管，但是試驗末期1B6B、1B6A、1A5A 發生高料報警，輸灰系統已受限。

實際入爐煤Qnet.ar為18531kJ/kg，機組不能帶滿負荷。主要受限的系統和設備有輸灰系統、引風機、制粉系統。因輸灰系統出力首先受限，機組負荷穩定在630MW 進行試驗。試驗期間，主蒸汽流量1774t/h，總煤量294t/h，氧量控制在2.5%左右。

3.3 高水低熱值煤摻燒試驗情況

3.3.1 高水煤工況4

試驗期間，引風機性能試驗情況如表14 所示。將該工況下引風機實測值換算至夏季滿負荷工況下比較，修正后：風機流量為452m3/s，風機全壓升為10752Pa，比設計風量偏大6.79%，比設計全壓值偏大17.55%；折算至夏季滿負荷工況參數與TB 點設計參數比較，風量裕量為7.14%，風壓裕量為-5.42%，該煤種折算至夏季工況時引風機出力不能滿足機組帶負荷需求。

表14 引風機性能試驗情況

試驗期間制粉系統運行情況如表15 所示。試驗期間，制粉系統ABEF 磨出口溫度偏低（約60℃），各磨煤機入口冷風調整門關至5%以下，磨碗差壓偏高，單磨平均出力約47t/h，總煤量為278t/h，制粉系統干燥出力受限。如折算至夏季滿負荷工況，所需總煤量約為307t/h，即使夏季環境溫度上升，單磨干燥出力預計可提升約2t/h，但該煤種時制粉系統干燥出力仍不能滿足夏季工況帶負荷需求。

表15 制粉系統運行情況

試驗期間，出渣、脫硝、脫硫、干電除塵、輸灰系統運行正常。

實際入爐煤Qnet.ar為19840kJ/kg，機組不能帶滿負荷。主要受限的系統和設備有引風機、制粉系統。因制粉系統干燥出力首先受限，機組負荷穩定在640MW 進行試驗。試驗期間，主蒸汽流量1830t/h，總煤量278t/h，氧量控制在2.5%左右。

3.3.2 高水煤工況5

試驗期間，風煙系統阻力及引風機性能試驗情況及如表16 所示。將該工況下引風機實測值換算至夏季滿負荷工況下比較，修正后：風機流量為476m3/s，風機全壓升為10971Pa，比設計風量偏大12.51%，比設計全壓值偏大19.94%；折算至夏季滿負荷工況參數與TB點設計參數比較，風量裕量為2.18%，風壓裕量為-7.56%，該煤種折算至夏季工況時引風機出力不能滿足機組帶負荷需求。

試驗期間制粉系統運行情況如表17 所示。試驗期間，BCDF 磨磨碗差壓偏高達3.3 kPa 以上，ADEF 磨出口溫度相對偏低(約60℃)。該工況下，總煤量為286t/h，如折算至夏季滿負荷工況，所需總煤量約為331t/h，單臺磨所需煤量55t/h，該煤種時制粉系統干燥出力不能滿足夏季工況帶負荷需求。

表17 制粉系統運行情況

試驗期間，脫硝、脫硫、干電除塵、輸灰系統運行正常；因為配煤加權灰熔點ST 為1201℃較低，鍋爐大量掉渣導致驅動油壓最高至13MPa（驅動油壓報警值12MPa，達14MPa 需限制負荷），出渣系統受限。

實際入爐煤Qnet.ar為19192kJ/kg，機組不能帶滿負荷。主要受限的系統和設備有引風機、制粉系統。因制粉系統首先受限，機組負荷穩定在620MW 進行試驗。試驗期間，主蒸汽流量1749t/h，總煤量286t/h，氧量控制在2.5%左右。

3.3.3 高水煤工況

試驗期間，風煙系統阻力及引風機性能試驗情況如表18 所示。將該工況下引風機實測值換算至夏季滿負荷工況下比較，修正后：風機流量為467m3/s，風機全壓升為10893Pa，比設計風量偏大10.35%，比設計全壓值偏大19.10%；折算至夏季滿負荷工況參數與原TB點設計參數比較，風量裕量為4.05%，風壓裕量為-6.81%，該煤種折算至夏季工況時引風機出力不能滿足機組帶負荷需求。

表18 引風機性能試驗情況

試驗期間制粉系統運行情況如表19 所示。試驗期間，B 磨磨碗壓差偏高達3.3 kPa 以上，ACEF 磨出口溫度相對偏低（約60℃）。該工況下，總煤量為290t/h，如折算至夏季滿負荷工況，所需總煤量約為344t/h，單臺磨所需煤量57t/h，制粉系統干燥出力不能滿足帶負荷需求。

表19 制粉系統運行情況

試驗期間，出渣、脫硝、脫硫、干電除塵、輸灰系統運行正常。

實際入爐煤Qnet.ar為18673kJ/kg，機組不能帶滿負荷。主要受限的系統和設備有引風機、制粉系統。因制粉系統首先受限，機組負荷穩定在610MW 進行試驗。試驗期間，主蒸汽流量1712t/h，總煤量290t/h，氧量控制在2.5%左右。

3.4 鍋爐效率及供電煤耗情況

試驗期間，摻燒低熱值煤各工況下進行了鍋爐性能試驗，同時，統計了鍋爐側三大風機、磨煤機、脫硫漿液循環泵等電耗情況，并結合汽輪機設計工況下熱耗率計算了供電煤耗， 試驗工況下鍋爐效率變化情況和供電煤耗變化情況如圖1、圖2 所示。

圖1 摻燒不同煤種時鍋爐效率

圖2 摻燒不同煤種時供電煤耗

摻燒低熱值高灰煤時，熱值每下降500kJ/kg鍋爐效率降低約0.13%，供電煤耗增加約0.29g/(kw·h-1)；摻燒低熱值高水煤時，熱值每下降500kJ/kg 鍋爐效率降低約0.17%，供電煤耗增加約0.38g/(kw·h-1)。總體來看，高灰煤供電煤耗低于高水煤(工況1 供電煤耗低于工況4)。

工況1、工況2、工況3 在水分相差不大的情況下，灰分每增加1%，鍋爐效率降低0.093%。根據相關研究文獻[15-16]，當入爐煤水分每增加1%，鍋爐效率降低0.060%～0.125%；灰分每增加1%，鍋爐效率降低0.065%～0.097%；此外，考慮水分增加對煙氣量的影響等因素[17-19]，整體而言因灰分增加導致的熱值降低對供電煤耗的影響要略小于因水分增加導致的熱值降低對供電煤耗的影響。

4 總結

1)高灰煤試驗期間，工況1 機組基本能帶滿負荷，工況2 和工況3，機組帶負荷過程中會出現系統或設備出力受限。

工況2 折算至夏季滿負荷工況，引風機存在風壓裕量偏低的情況，制粉系統將出現受限情況；預計引風機負荷受限30MW，制粉系統負荷受限20MW。

工況3 折算至滿負荷夏季工況，引風機、制粉系統、輸灰系統均會出現受限；預計引風機負荷受限60MW，制粉系統負荷受限50MW。

2)高水煤試驗期間，工況4、5、6 三個工況，機組帶負荷過程中均會出現系統或設備出力受限。

工況4 折算至夏季滿負荷工況時，引風機出力及制粉系統干燥出力不能滿足夏季工況帶負荷需求；預計引風機負荷受限55MW，制粉系統負荷受限60MW。

工況5 折算至夏季滿負荷工況時，引風機、制粉系統、出渣系統均會出現受限；預計引風機負荷受限60MW，制粉系統負荷受限80MW。

工況6 折算至夏季滿負荷工況時，引風機出力及制粉系統出力不能滿足機組帶負荷需求；預計引風機負荷受限65MW，制粉系統負荷受限100MW。

3)摻燒低熱值高灰煤時，熱值每下降500kJ/kg 鍋爐效率降低約0.13%，供電煤耗增加約0.29g/(kw·h)；摻燒低熱值高水煤時，熱值每下降500kJ/kg 鍋爐效率降低約0.17%，供電煤耗增加約0.38g/(kw·h)。總體來看，高灰煤供電煤耗低于高水煤(工況2 供電煤耗低于工況4)，因灰分增加導致的熱值降低對供電煤耗的影響要略小于因水分增加導致的熱值降低對供電煤耗的影響。