中速磨煤机在褐煤机组上的适应能力探究

顾琳琳，徐卫华

(中国电力工程顾问集团 华北电力设计院有限公司,北京 100120)

0 引言

褐煤具有水分较高、发电量较低的特点，燃用褐煤的发电机组制粉系统的选择是十分重要的。早期各地区燃用褐煤的电厂主要以塔式炉配风扇磨型式居多，而π型炉配中速磨的火电机组较少。21世纪以来，在大型燃用褐煤机组(如上都电厂)上采用了中速磨煤机方案后，已有多台大型褐煤锅炉配中速磨煤机制粉系统的机组投运，且运行稳定。

DL/T5145《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》[1]和DL/T5240《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》[2]中均提到褐煤机组的制粉系统根据煤质成分的不同可选用风扇磨或中速磨，国内褐煤电厂采用中速磨和风扇磨方案的机组均有运行实例。褐煤机组运行过程中，采用风扇磨存在检修维护量大、抽炉烟口结焦等现象；而采用中速磨虽然简化了系统，控制更灵活、检修更方便，但实际运行中普遍存在热一次风温度不足、一次风率偏大等问题。本文依托内蒙古锡林浩特某燃用褐煤的发电厂，研究提高褐煤锅炉中速磨煤机干燥能力的方法，以提高中速磨煤机在褐煤锅炉上的应用能力。

1 提高中速磨煤机在褐煤锅炉上适应能力的技术路线

中速磨制粉系统与其他制粉系统比较，具有系统简单、操作方便、控制较灵活、检修工作量相对较少等特点。GB50660—2011《大中型火力发电厂设计规程》[3]规定：对于大容量机组，在煤种适宜时，宜优先选用中速磨煤机；燃用高水分、磨损性不强的褐煤时，宜选用风扇式磨煤机；当制粉系统的干燥能力满足要求并经论证合理时，也可采用中速磨煤机。由于褐煤中的全水分很高，为了保证磨煤机的干燥出力足够干燥煤粉，褐煤机组热一次风温度的选取较烟煤机组高，并且为预防出现燃用偏离设计煤种较大的情况，制粉系统需要配置调温风。对于较高水分或热值较低的褐煤发电机组，为保证配置中速磨正压直吹式系统，且使燃烧效率变化不大和保证空气动力场，空气空预器出口热一次风温度应达到400 ℃以上，为达到此温度，空预器入口(脱硝入口)的烟气温度则需要达到420 ℃以上。目前燃煤电站锅炉因环保要求，均同步配备脱硝装置，若脱硝装置入口烟气温度过高，长期高温运行催化剂的寿命将会折减,而且随着空预器入口的烟气温度提高，锅炉排烟温度也会提高，锅炉效率则随之降低。因此，褐煤机组如采用中速磨制粉系统，需要较高的一次热风温度，同时还需综合考虑对排烟温度、脱硝装置和锅炉效率的影响。

通过分析和研究，合理提高一次风温及中速磨煤机在褐煤锅炉上的适应性，可采用的主要技术路线如下：

(1) 可采用一次热风增设管式空预器方案以及外置蒸汽冷却器加热一次风方案。以采用中速磨直吹式制粉系统燃用高水分褐煤的内蒙古上都电厂一、二期工程为例，其设计/校核煤种全水分为29.5%/33%、空干基水分为14.71%/15%、外在水分Mf为17.34%/21.17%、热值为3 522/3 206 kcal/kg，机组配置了8台中速磨煤机，设计一次风率为36.8%。为满足褐煤高水分对干燥的要求，设计采用了增设管式空预器方案，将一次风温提高到430 ℃，加大干燥能力。当电厂燃用煤质接近设计或校核煤质时，干燥出力满足要求，电厂可以实现稳定、连续、满负荷运行，电厂实测的制粉系统各参数接近设计值。

(2) 采用外置蒸汽冷却器加热一次风方案，利用三段高压抽汽的过热度将原加热给水的蒸汽冷却器改为加热一次热风的蒸汽冷却器。本文主要对此方案依托相关工程进行论述分析。

2 外置蒸汽冷却器加热一次风方案

2.1 系统拟定

2.1.1 热一次风蒸汽加热系统理论基础

在早期项目汽轮机系统中没有蒸汽冷却器，汽轮机3抽蒸汽温度较高，直接进入汽轮机3#高加，对汽轮机热耗有一定影响，而且提高了高加的成本。随着对热耗的追求，系统上增加了蒸汽冷却器，蒸汽冷却器是将3抽蒸汽的高温热量传递给省煤器入口的给水，使给水温度进一步提升，同时使进入3#高加的温度降低，也在一定程度上降低了3#高加的造价。同样参数情况下，布置蒸冷器和不布置蒸冷器,汽机热耗相差约15 kJ/(kW·h)，影响煤耗约0.5 g/(kW·h)左右。

既然蒸汽冷却的作用主要为冷却3抽蒸汽，那么这部分蒸汽也可以用来加热空气，完成换热。用蒸汽来加热空气方案原理与暖风器方案类似，采用扩展受热面方案，具有传热效率高、换热器体积小等特点。

2.1.2 换热器方案的可行性、可靠性和安全性

蒸汽加热空气换热器与常规暖风器类似，技术难度不大，传热过程是3抽蒸汽中的过热蒸汽换热，常规暖风器是过热蒸汽换热外加一个相变换热，且换热器设计无任何难度。

蒸汽加热空气换热器与空气换热，空气中不含灰，不会造成磨损问题，同时温度也能达到350 ℃以上，不会产生腐蚀和磨损的问题。其类似暖风器一样是一种成熟方案，具有较高的可靠性和安全性。

2.2 依托工程应用方案

以下依托内蒙古某2×660 MW发电厂工程实例进行外置式蒸汽加热器系统拟定、设计和布置，并在此基础上进行系统的经济性分析。

2.2.1 煤质、灰成分分析

本工程煤质资料祥见表1。

表1 本工程煤质资料

根据《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》中的煤质等级分类，由表1可以看出，该煤质属于高水分、高挥发分、中高灰分、低热值的褐煤。

2.2.2 系统概况及相关设备

锅炉型式：超超临界参数变压直流炉，单炉膛、平衡通风、热一次风二次加热、一次中间再热、紧身封闭布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。

最大连续蒸发量：2 127 t/h。

锅炉保证热效率(按低位发热量)：93.78%(BRL，考虑一次热风再加热)。

燃烧器型式、布置方式：旋流式、前后墙对冲燃烧。

空气空预器型式：采用两台三分仓回转式空气空预器。

磨煤机型式：中速磨。

2.2.3 热一次风蒸汽加热系统

本工程采用汽轮机3抽蒸汽再次将空预器出口热一次风进行加热，满足制粉系统干燥出力的要求。

采用中速磨煤机热一次风二次加热正压直吹式制粉系统，燃用设计煤种和校核煤种2时，6台磨煤机运行能满足锅炉BMCR(锅炉最大连续蒸发量)工况时对燃煤量的要求，1台磨煤机备用，7台磨煤机中的任何1台磨煤机均可作为备用；燃用校核煤种1时，7台磨煤机运行。制粉系统数据见表2。由表2可以看出，制粉系统均需要保留一定的调温风，在运行偏离设计值及煤种变化时具有较强的适应性，此时若要保证磨煤机的干燥出力，磨煤机入口热风温度需要达到375 ℃，空预器出口热一次风应达到410 ℃以上，磨煤机入口冷热风比例为92∶8。此时空预器入口(脱硝入口等)烟温则需要达到430 ℃以上。如果采用中速磨和普通空预器配置方案，即便提高一次风温尽量来满足中速磨制粉系统干燥出力，也会对空预器、脱硝系统、排烟温度、锅炉效率等均造成较大影响。

表2 制粉系统数据

由于汽轮机3抽蒸汽温度较高，且抽汽量较大，且在早期设计时3抽蒸汽是直接进入3号高加，近期为了降低汽轮机热耗增加了一个蒸汽冷却器。锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况、汽轮机最大出力(TMCR)工况、汽轮机额定出力(THA)工况、75%汽轮机额定出力(75%THA)工况、50%汽轮机额定出力(50%THA)工况和40%汽轮机额定出力(40%THA)工况下汽轮机3抽蒸汽参数见表3。从表3可以看出，3抽蒸汽温度较高，且高低负荷差别不大，同时蒸汽量也较大，特别是蒸汽温度较高，经计算具备将热的一次风空气加热到410℃以上的能力。

表3 汽轮机3抽蒸汽参数

利用汽轮机3抽蒸汽加热回转式空预器出口的热一次风，使空预器出口热一次风温度(约360 ℃)提升至410 ℃以上，释放热量后的3抽蒸汽再次回到回热系统进入3#高加。

采用外置蒸汽加热器加热一次热风系统后的锅炉烟气温度如表4所示。由表4可以看出,采用外置蒸汽加热器加热一次风时空预器(脱硝)入口设计温度可以按常规煤种设计(约370 ℃～380 ℃)，脱硝不需要采用高温催化剂；空预器进口烟温降低，排烟温度随之降低，锅炉效率得到提高。

表4 采用外置蒸汽加热器加热一次热风系统后锅炉烟气温度

外置蒸汽加热器计算数据如表5所示。从表5可以看出，采用外置蒸汽加热器加热一次热风，能将空预器出口热一次风温从360 ℃加热至410 ℃，且从不同负荷计算情况来看，均满足制粉系统干燥出力的要求,燃用校核煤时也能获得足够的干燥风温。在热一次风管路上布置换热器后，热一次风阻力将增加约1 kPa的空气阻力。

表5 外置蒸汽加热器计算数据

换热器拟采用常规的暖风器形式或鳍片管，采用分模块设计在现场组装的方案，以减少现场工作量。换热器结构如图1所示。

图1 换热器结构

2.3 技术经济性综合分析

2.3.1 对机组和整体系统的影响

(1) 电耗影响：换热器方案的布置会增加一次风管道的阻力，BMCR工况下换热器阻力约1 kPa，一次风机选型时，需要考虑增加1 kPa左右压头。风机电机功率增加200 kW，电耗略有增加。

(2) 对机组煤耗的影响:由于热量由汽轮机传递至锅炉，涉及锅炉及汽轮机两个部分，对整个机组的煤耗应综合考虑，不能重复计算，因此将此部分热量分别计入锅炉效率和汽轮机热耗进行计算。THA工况下的技术经济性分析如表6所示。由表6可以看出，采用两种不同的计算方案并考虑计算误差的影响，两种方法计算煤耗值影响一致。

表6 THA工况下的技术经济性分析

(3) 系统调节性：通过与汽轮机厂的交流，汽轮机抽汽量控制主要靠高加的水位，而高加的设计是以总的换热量决定的，如果高加入口工质温度升高，那么对应的抽汽量则会下降，由于高加换热量主要是相变换热，因此蒸汽温度对抽汽量影响较小，同时对1#和2#高加影响更小。

以THA工况为例，如3抽蒸汽经过蒸冷进入3#高加温度为314.9 ℃时，3抽蒸汽量为128.813 t/h，如果温度升高至357.9 ℃时，升高43 ℃，3抽蒸汽量为123.026 t/h，3抽的蒸汽变化幅度有限。此时蒸汽加热器出口空气温度会从原404℃降低至402 ℃，同样完全能满足制粉系统干燥出力的要求。从表5可以看出，采用蒸汽换热器并采用3抽蒸汽加热时，能将空预器出口热一次风温从360 ℃加热至410 ℃以上，满足制粉系统对干燥出力的要求，且从不同负荷计算情况来看，均满足制粉系统干燥出力的要求。

根据目前已到货的每台炉两台蒸汽加热器招标订货价格为200万人民币，同等级机组3抽蒸汽冷却器近年订货价格约200万～240万不等，加热一次热风加热器方案3抽蒸汽管道比蒸汽冷却器方案略多，故从经济角度来讲，两种方案投资相当，相差很小，但以全厂为边界来看，采用加热一次热风加热器方案能够节省煤耗0.03 g/(kw·h)，电耗略有增加在低负荷下也能保证安全运行，而且能够保证脱硝反应的温度，降低脱硝的运行成本，长期运行可靠性较高。

2.3.2 蒸汽加热器加热一次热风方案的优势

(1) 为提高中速磨煤机的干燥出力，利用三段抽汽加热一次热风可以将一次热风温度提高到要求的温度，获得足够的制粉系统干燥出力。

(2) 采用三段抽汽加热一次热风方案，回转式空预器入口烟气温度更低，排烟温度可更低，锅炉效率更高，机组煤耗降低。

(3) 本方案仅用热一次风加热器替换原来三抽的外置蒸汽冷却器，不需要增加汽轮机开孔和系统复杂性。

(4) 由于获得了脱硝反应的最佳温度，降低了脱硝的运行成本。

(5) 避免了采用风扇磨制粉系统，锅炉炉膛内烟气侧的热偏差控制更优，更易达到再热蒸汽623 ℃的要求。

(6) 提升了中速磨制粉系统干燥出力和煤种水份的适应能力。

3 结论与建议

采用热一次风道上设置蒸汽加热器，3抽蒸汽作为热源，取消原3抽蒸汽冷却器，从而达到提高一次热风温度的目的，可以实现中速磨在褐煤机组的良好应用。该电厂1号机组已于2019年12月投入运行，2号机组于2020年2月投入运行，当电厂燃用煤质接近设计或校核煤质时，干燥出力满足要求，电厂可以实现稳定、连续、满负荷运行，电厂实测的制粉系统各参数接近设计值。

综上所述，采用热一次风道上设置蒸汽加热器能够提高中速磨煤机在褐煤锅炉上的适应能力的方法，具体工程可根据工程条件合理选用。