胡昌斌，張滌宇，王新，段學(xué)農(nóng)

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007 2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

利用小煤斗降低無(wú)煙煤鍋爐油耗

A new optimized design scheme of blending bituminous coal scheme for anthracite－fired boiler

胡昌斌1，張滌宇1，王新1，段學(xué)農(nóng)2

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007 2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

本文給出一種無(wú)煙煤鍋爐摻燒煙煤的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)設(shè)置專用的煙煤小煤斗，使得無(wú)煙煤鍋爐摻燒煙煤變得相對(duì)簡(jiǎn)單。尤其適合無(wú)煙煤鍋爐采用煙煤?jiǎn)?dòng)或低負(fù)荷采用煙煤助燃工況，可以大大降低燃用無(wú)煙煤鍋爐啟動(dòng)或低負(fù)荷助燃用油，對(duì)于改善燃用無(wú)煙煤電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性，都有參考價(jià)值。

無(wú)煙煤；摻燒；煙煤；小煤斗；油耗；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 概述

我國(guó)火電廠燃用的無(wú)煙煤約占全國(guó)發(fā)電用煤的3%～4%(折合成標(biāo)準(zhǔn)煤)，加上低揮發(fā)份貧煤可達(dá)10%左右〔1〕。湖南省雖然煤炭?jī)?chǔ)量居全國(guó)第18位，但煤炭資源中無(wú)煙煤的保有量占68%〔2〕，如何保證無(wú)煙煤在電廠鍋爐的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全燃燒，制造廠、設(shè)計(jì)單位、設(shè)備調(diào)試單位、電廠運(yùn)行人員進(jìn)行了針對(duì)性的探索，取得了顯著成績(jī)。

首先是設(shè)備制造廠家，針對(duì)無(wú)煙煤研發(fā)了適用于無(wú)煙煤燃燒的 “W”型火焰鍋爐、CFB循環(huán)流化床、四角切圓燃燒鍋爐〔3－4〕。3種爐型目前都有大型鍋爐的運(yùn)行業(yè)績(jī)，尤其以 “W”型火焰鍋爐燃用無(wú)煙煤應(yīng)用最為廣泛。

設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行人員則針對(duì)無(wú)煙煤燃燒，采取了以無(wú)煙煤摻燒煙煤為主的方式來(lái)提高無(wú)煙煤燃燒的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。

1.1 目前混煤摻燒有2種主要方式

1) “爐前摻配，爐內(nèi)混燒”方式:即在煤進(jìn)入磨煤機(jī)之前，將無(wú)煙煤和煙煤按比例混合后進(jìn)入磨煤機(jī)一起制粉，然后進(jìn)入鍋爐燃燒。該方式主要存在以下問(wèn)題:無(wú)煙煤和煙煤在同一磨煤機(jī)內(nèi)磨制，無(wú)煙煤煤粉粗、煙煤煤粉細(xì)，即煤粉粗細(xì)不勻；粗細(xì)不勻的煤粉進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，以煙煤為主的細(xì)粉 “搶風(fēng)”，影響無(wú)煙煤為主的粗粉燃燒；混煤比例難以控制，容易引起制粉系統(tǒng)爆炸、回火〔5〕。

2) “分磨制粉，爐內(nèi)摻燒”方式:即煙煤和無(wú)煙煤分別進(jìn)入不同的磨煤機(jī)磨制，研磨無(wú)煙煤的磨煤機(jī)可以控制煤粉較細(xì)，研磨煙煤的磨煤機(jī)可以控制煤粉較粗.不同磨煤機(jī)磨制的煤粉通過(guò)各自的送粉管道進(jìn)入爐內(nèi)燃燒。該方式較好的解決了爐前混煤摻燒存在的問(wèn)題，目前應(yīng)用越來(lái)越多〔2〕。

1.2 “分磨制粉”存在的新問(wèn)題

1)由于每個(gè)煤斗容量有五百多噸，非正常停機(jī)時(shí)，分磨制粉中如果煙煤煤斗剩余的煙煤較多，為防止煙煤在煤斗中自然，在停機(jī)期間需要將煙煤煤斗中的剩余煙煤從給煤機(jī)處放空，該放空工作量很大，而且對(duì)電廠的文明生產(chǎn)極為不利。

2)如果煤斗內(nèi)同時(shí)存有無(wú)煙煤和煙煤，運(yùn)行過(guò)程中，2種煤的切換過(guò)程難以準(zhǔn)確控制，對(duì)運(yùn)行安全存有隱患。

3)磨制煙煤的制粉系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組將純燒無(wú)煙煤，機(jī)組啟動(dòng)期間點(diǎn)火耗油量較大，且沒(méi)有完全燃燼的油煙粘附會(huì)影響爐后脫硝裝置和除塵器的投運(yùn)。

為解決上述問(wèn)題，電廠運(yùn)行人員對(duì)設(shè)計(jì)院提出了增加小煤斗的要求，即在燃用無(wú)煙煤的鍋爐制粉系統(tǒng)中，適當(dāng)設(shè)置幾個(gè)小煤斗，專門存儲(chǔ)煤質(zhì)較好的煙煤，用來(lái)滿足無(wú)煙煤鍋爐點(diǎn)火或低負(fù)荷助燃需求，在降低燃油消耗的同時(shí)，也改善脫硝裝置和除塵器的運(yùn)行條件。

2 小煤斗設(shè)計(jì)方案

2.1 小煤斗容量選擇

燃用無(wú)煙煤的鍋爐，目前以配置 “W”型火焰鍋爐較多，而 “W”型火焰鍋爐則以配雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)的直吹式制粉系統(tǒng)為常規(guī)配置。

如圖1所示，600 MW機(jī)組一般配置6臺(tái)雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)設(shè)置2個(gè)大煤斗，分別向雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)兩端進(jìn)煤。布置600 MW機(jī)組雙進(jìn)雙出球磨機(jī)的廠房柱距一般采用12.0 m，2個(gè)大煤斗 (每個(gè)538 m3)約占用6.5 m即可滿足規(guī)程規(guī)定的儲(chǔ)煤量，剩余5.5 m寬度完全可以滿足設(shè)置小煤斗的空間要求。工程實(shí)際設(shè)計(jì)中，小煤斗設(shè)計(jì)容積取120 m3左右，按有效容積率85%計(jì)算，可儲(chǔ)煤102 t。

根據(jù)湖南某燃用無(wú)煙煤的電廠摻燒煙煤的啟動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，600 MW級(jí)機(jī)組鍋爐從冷態(tài)點(diǎn)火至機(jī)組達(dá)到30%負(fù)荷 (此時(shí)切換至正常煤種)，一次啟動(dòng)煙煤消耗在120～200 t左右，即使不考慮啟動(dòng)過(guò)程中的皮帶連續(xù)補(bǔ)充給煤，2臺(tái)小煤斗儲(chǔ)滿204 t煙煤也基本可以滿足鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)的需求。

2.2 小煤斗給煤管道解決方案

為防止給煤管道堵煤，文獻(xiàn)〔6〕第4.5.2條規(guī)定:給、落煤管道宜垂直布置。受條件限制時(shí)，則與水平面的傾斜角不宜小于60°。

根據(jù)600 MW燃煤火力發(fā)電機(jī)組典型布置，小煤斗出口與最近的大煤斗出口水平距離約6.0 m，小煤斗出口到給煤機(jī)入口高度差約4.0 m，落煤管要滿足60°的最小傾斜角度要求常規(guī)布置是不可能做到的。如果采用提高小煤斗出口標(biāo)高，以滿足落煤管道60°的角度，則小煤斗出口標(biāo)高要高出給煤機(jī)進(jìn)口10.4 m以上，由于小煤斗上標(biāo)高受給煤皮帶機(jī)層標(biāo)高 (38.0 m)限制，無(wú)法抬高，這樣小煤斗容積將大大減小，失去了實(shí)際意義，所以要滿足小煤斗的給煤管道角度要求，需要另找解決辦法。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，通過(guò)在小煤斗下方設(shè)置專用的小煤斗給煤機(jī)，來(lái)保證小煤斗給煤管道垂直布置，小煤斗與磨煤機(jī)之間的水平給煤距離通過(guò)給煤機(jī)的二次轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，解決了上述落煤管角度問(wèn)題。

對(duì)應(yīng)小煤斗的給煤機(jī)有并聯(lián)布置或串聯(lián)布置2種設(shè)置方式。工程設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)如圖1所示。

2.2.1 大、小煤斗給煤機(jī)串聯(lián)設(shè)置方案

圖1 增加小煤斗方案系統(tǒng)圖

該方案是將需要串接的大煤斗給煤機(jī)進(jìn)煤端設(shè)置2個(gè)進(jìn)煤口，近端進(jìn)煤口接大煤斗出口，遠(yuǎn)端進(jìn)煤口接小煤斗給煤機(jī)出口來(lái)煤，小煤斗給煤機(jī)布置在大煤斗給煤機(jī)上方。小煤斗來(lái)煤通過(guò)小煤斗給煤機(jī)和大煤斗給煤機(jī)串聯(lián)后進(jìn)入磨煤機(jī)。

該方案小煤斗給煤時(shí)，大、小煤斗給煤機(jī)需要同時(shí)運(yùn)行，但這種布置方式相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)，尤其適用于已有電廠的改造工程。

由于大、小煤斗給煤機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，大煤斗給煤機(jī)已經(jīng)有稱重設(shè)施，故小煤斗給煤機(jī)可以簡(jiǎn)化稱重系統(tǒng)，以降低設(shè)備費(fèi)用。

條件具備時(shí)，建議采用串聯(lián)布置為宜，主要是可以節(jié)省設(shè)備費(fèi)用。

攸縣660 MW超臨界參數(shù) “W”型火焰鍋爐建設(shè)工程采用的就是串聯(lián)布置方案。

2.2.2 大、小煤斗給煤機(jī)并聯(lián)設(shè)置方案

該方案是將小煤斗給煤機(jī)出口接在大煤斗給煤機(jī)出口的正上方，大、小煤斗給煤機(jī)共用一個(gè)磨煤機(jī)進(jìn)煤口。

該方案在采用小煤斗給煤時(shí)，大煤斗給煤機(jī)可以停運(yùn)，但由于給煤機(jī)層布置緊張，該方案實(shí)施起來(lái)難度較大。

對(duì)于新建工程，在設(shè)計(jì)之初需要統(tǒng)籌規(guī)劃主廠房給煤機(jī)層的布置，才容易實(shí)施，由于小煤斗給煤機(jī)是可以單獨(dú)運(yùn)行，所以必須設(shè)置稱重裝置，設(shè)備費(fèi)用較高。

2.3 小煤斗給煤機(jī)接入磨煤機(jī)位置

無(wú)論小煤斗給煤機(jī)是采用串聯(lián)布置還是并聯(lián)布置，小煤斗給煤機(jī)均布置在大煤斗給煤機(jī)的上方。

工程實(shí)際中，靠C列柱側(cè) (汽機(jī)側(cè))給煤機(jī)進(jìn)出口距離只有1.8 m左右，布置位置緊張，而靠D列柱側(cè) (鍋爐側(cè))給煤機(jī)進(jìn)出口距離則有7.5 m左右，空間相對(duì)寬裕。由于小煤斗給煤機(jī)與大煤斗給煤機(jī)需要一定的連接空間，所以小煤斗給煤機(jī)一般接入磨煤機(jī)D列柱側(cè) (鍋爐側(cè))入口，對(duì)設(shè)備布置比較方便。

圖2 增加小煤斗方案布置圖

工程設(shè)計(jì)方案布置如圖2所示。

2.4 小煤斗與給煤皮帶機(jī)的連接

為便于小煤斗給煤，小煤斗最好能與同一給煤皮帶機(jī)下方大煤斗共中心線。由于小煤斗只能接受一條皮帶給煤，在鍋爐啟動(dòng)前，向小煤斗給煤的皮帶必須保證能夠正常運(yùn)行。

為簡(jiǎn)化小煤斗的給煤程序，同一個(gè)廠房的小煤斗宜接入同一條皮帶。

3 增設(shè)小煤斗方案注意事項(xiàng)

3.1 煤斗防爆措施

由于存在無(wú)煙煤和煙煤2種性質(zhì)極端的煤種，無(wú)論上煤過(guò)程如何控制，都難免有煤斗混入其它煤種的可能。小煤斗混入無(wú)煙煤只是增加運(yùn)行難度，但大煤斗混入煙煤，則有可能發(fā)生煙煤爆炸、自燃的可能。所以設(shè)計(jì)上需要在大、小煤斗上設(shè)置鈍化和滅火系統(tǒng)。

另外，運(yùn)行人員要注意嚴(yán)格控制上煤過(guò)程，保證無(wú)煙煤或煙煤能分別進(jìn)入相應(yīng)的煤斗。

3.2 制粉系統(tǒng)

制粉系統(tǒng)要配合煤斗進(jìn)煤的不確定性，大煤斗對(duì)應(yīng)的磨煤機(jī)不能完全按無(wú)煙煤進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于無(wú)煙煤設(shè)計(jì)磨煤機(jī)出口一次風(fēng)溫度按120℃設(shè)計(jì)，而煙煤一般是按75℃設(shè)計(jì)，考慮大煤斗混入煙煤的可能，要適當(dāng)加大磨煤機(jī)冷風(fēng)調(diào)節(jié)能力，控制磨煤機(jī)內(nèi)的制粉風(fēng)溫。

與小煤斗連接的兩臺(tái)磨煤機(jī)則要按磨制全煙煤進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另外制粉系統(tǒng)要按煙煤增加相應(yīng)惰化、防爆、滅火系統(tǒng)。

運(yùn)行過(guò)程中，特別是有煙煤參與混燒時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)一次風(fēng)管燃燒器側(cè)的監(jiān)控，防止發(fā)生回火。

3.3 機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中磨煤機(jī)運(yùn)行方式

由于小煤斗給煤是單側(cè)進(jìn)入雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，所以對(duì)于雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)的運(yùn)行方式有3種:

1)對(duì)側(cè)單進(jìn)單出方式:進(jìn)煤和出粉不在同一側(cè)，類似常規(guī)單進(jìn)單出磨煤機(jī)，由于煤的流向是貫通整個(gè)磨煤機(jī)，所以磨制的煤粉均勻性和磨煤機(jī)出力都比較好，不足之處是磨煤機(jī)單進(jìn)單出，啟動(dòng)過(guò)程中投運(yùn)的一次風(fēng)管數(shù)量為雙進(jìn)雙出的一半，爐內(nèi)火焰充滿度稍差。

2)同側(cè)單進(jìn)單出方式:進(jìn)煤和出粉在同一側(cè)，由于在磨煤機(jī)的遠(yuǎn)側(cè)是個(gè)盲端，煤粉流動(dòng)性差，氣流速度相對(duì)進(jìn)出口側(cè)要低，煤粉細(xì)度相對(duì)較高，所以磨制的煤粉均勻性和磨煤機(jī)出力較對(duì)側(cè)單進(jìn)單出要差，啟動(dòng)過(guò)程中投運(yùn)的一次風(fēng)管數(shù)量也為雙進(jìn)雙出的一半，爐內(nèi)火焰均勻性稍差。

3)單進(jìn)雙出方式:單側(cè)進(jìn)煤，兩側(cè)出煤，兩端出來(lái)的煤粉均勻性差異較大。但投運(yùn)相同的磨煤機(jī)數(shù)量時(shí)，能夠投入的一次風(fēng)管數(shù)量比單進(jìn)單出多一倍，爐內(nèi)火焰的充滿度較好。

本方案考慮設(shè)置2個(gè)小煤斗，鍋爐點(diǎn)火可以啟動(dòng)2臺(tái)磨煤機(jī)，即便是采用單進(jìn)單出運(yùn)行方式，也能保證有足夠的一次風(fēng)管數(shù)量。

4 增設(shè)小煤斗方案效益分析

每臺(tái)600 MW級(jí)機(jī)組需要增設(shè)2個(gè)120 m3鋼制小煤斗，需要增加鋼材約56 t，約需費(fèi)用35萬(wàn)元；增加2臺(tái)小煤斗給煤機(jī)，費(fèi)用55萬(wàn)元；2臺(tái)犁煤器，費(fèi)用8萬(wàn)元；還有相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，費(fèi)用220萬(wàn)元。上述費(fèi)用合計(jì)約318萬(wàn)元。

根據(jù)某燃用無(wú)煙煤的電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)600 MW級(jí) “W”鍋爐燃用無(wú)煙煤?jiǎn)?dòng)一次平均耗油約90～120 t。改用煙煤?jiǎn)?dòng)后，一次耗油8～10 t。增加小煤斗后，啟動(dòng)一次可節(jié)省燃油80 t以上，機(jī)組啟動(dòng)一次可節(jié)省費(fèi)用約60萬(wàn)元。

按電廠每臺(tái)機(jī)組每年啟動(dòng)2～3次，增加小煤斗的費(fèi)用約2～3年即可回收。

燃用無(wú)煙煤鍋爐的最低穩(wěn)燃負(fù)荷為45%～50% BMCR，在低負(fù)荷時(shí)，還可以將小煤斗的煙煤代替助燃油起穩(wěn)燃作用，以節(jié)省助燃油，這樣電廠的節(jié)油效益將更為可觀。

另外，鍋爐啟動(dòng)和助燃燃油如果燃燒不充分，其油煙附著在脫硝催化劑或布袋除塵器濾袋上，難以清除，對(duì)煙氣脫硝和布袋除塵器運(yùn)行效果不利，采用小煤斗煙煤取代燃油，則可避免上述問(wèn)題。

增設(shè)小煤斗改善無(wú)煙煤鍋爐運(yùn)行條件的設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)運(yùn)用在攸縣電廠的施工圖設(shè)計(jì)中，小煤斗給煤機(jī)采用的是串聯(lián)方式。

目前該方案正在工地進(jìn)行施工。

5 結(jié)論

燃用無(wú)煙煤鍋爐設(shè)置煙煤小煤斗，可帶來(lái)以下幾個(gè)方面的收益:

1)當(dāng)鍋爐主燃料為無(wú)煙煤時(shí)，可以用小煤斗的煙煤?jiǎn)?dòng)鍋爐，節(jié)省啟動(dòng)燃油消耗。也可以用小煤斗的煙煤作為鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃，節(jié)省穩(wěn)燃燃油消耗。

2)鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷助燃減少燃油消耗的同時(shí)，也改善了脫硝催化劑和布袋除塵器的運(yùn)行條件。

3)在無(wú)煙煤、煙煤混燒時(shí)，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)大煤斗煙煤放空的工作量。

本方案雖然是針對(duì)燃用無(wú)煙煤的 “W”鍋爐設(shè)計(jì)的，但對(duì)采用直吹制粉系統(tǒng)的對(duì)沖爐、四角切圓燃燒鍋爐的機(jī)組，同樣具有參考價(jià)值。

〔1〕王漢強(qiáng)，盧益，劉進(jìn)波.無(wú)煙煤混燒與鍋爐選型〔J〕.發(fā)電設(shè)備，2008，22(3):191-193.

〔2〕段學(xué)農(nóng)，朱光明，賓誼沅，等.湖南省電廠鍋爐混煤摻燒技術(shù)應(yīng)用〔J〕.中國(guó)電力，2010，43(2):48-51.

〔3〕楊震，莊恩如，張建文，等.大型電站鍋爐采用切向燃燒方式燃用無(wú)煙煤的研究〔J〕.動(dòng)力工程，2006，26(6):766-772.

〔4〕孫獻(xiàn)斌.600 MW無(wú)煙煤超臨界鍋爐選型分析〔J〕.電力建設(shè)，2014(1):74-77.

〔5〕雷霖，段學(xué)農(nóng)，朱光明，等.電站鍋爐混煤摻燒事故原因分析與預(yù)防〔J〕.湖南電力，2009，29(2):31-33.

〔6〕中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL/T5121—2000火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

TK227.1

B

1008-0198(2015)06-0077-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.022

胡昌斌 (1963)，男，漢族，湖北人，高級(jí)工程師，主要從事熱力發(fā)電廠設(shè)計(jì)工作。

張滌宇 (1986)，男，漢族，湖南人，工程師，主要從事熱力發(fā)電廠設(shè)計(jì)工作。

王新(1975)，女，漢族，湖南人，高級(jí)工程師，主要從事熱力發(fā)電廠設(shè)計(jì)工作。

段學(xué)農(nóng) (1963)，男，漢族，湖南人，高級(jí)工程師，主要從事電廠調(diào)試研究工作。

2015-05-28 改回日期:2015-07-01