張樹林， 曹 暉， 李劍寧， 熊顯巍， 王 璞

(1. 上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240；2. 上海外高橋發(fā)電有限責任公司， 上海 200137)

我國燃煤鍋爐的燃料主要是褐煤、煙煤、無煙煤等，其中煙煤占總量的四分之三；對煙煤的過度開采和燃燒，使其儲量已低于煤炭總儲量的百分之七十，不能滿足電力供應的旺盛需求。因此，必須積極開展劣質煤的利用，擴大煤種的適應性，加大褐煤、泥煤等煤炭資源在燃煤中的比重，從而緩解煙煤需求緊張的現(xiàn)狀。最新數(shù)據(jù)表明，已探明的褐煤儲量高達1 000億t，約占全國煤炭總儲量的16%[1]。面對褐煤豐富的儲量和廉價的特點，許多發(fā)電企業(yè)開始要求燃燒煙煤鍋爐大比例摻燒褐煤。褐煤具有高揮發(fā)分、高水分、低發(fā)熱量等特點，造成了鍋爐在摻燒褐煤時往往出現(xiàn)磨煤機出力不足現(xiàn)象，迫使機組只能降負荷運行或者降低褐煤的摻燒比例，嚴重影響了機組的經(jīng)濟性。

燃燒煙煤鍋爐的空氣預熱器出口熱一次風風溫一般設計在310～320 ℃，磨煤機出口溫度在65 ℃左右，在進行褐煤大比例摻燒時，由于褐煤的高水分、高揮發(fā)分特點，造成磨煤機在冷一次風全關狀態(tài)下，熱一次風的干燥能力依舊不足。常規(guī)的調整手段主要有兩種：一種是增加一次風風率，會造成一次風風機電耗增加，并且降低了二次風風率，影響二次風剛性及爐膛的空氣動力場，導致燃燒效果變差，不完全燃燒熱損失增加；另一種是減少磨煤量，但會造成鍋爐燃燒熱量不足，機組負荷上不去，被迫低負荷運行。

針對目前摻燒過程中存在的以上問題，國內(nèi)針對磨煤機出力問題也有一些研究，如馮偉忠[2]提出在磨煤機出口增加中溫加熱器來提升風粉混合物溫度。筆者提出了在磨煤機前的熱一次風風道中增加蒸汽換熱器，將熱一次風進行二次再熱，熱一次風風率恢復到原來設計參數(shù)附近的改造方案，即在保證磨煤機干燥能力的同時，控制磨煤機側出口溫度在65 ℃，為煙煤機組大比例摻燒褐煤開辟了新的技術途徑。

1 改造前運行狀況

該鍋爐為SG - 1025/18.3- M831型亞臨界強迫循環(huán)汽包鍋爐。鍋爐結構為П形布置，平衡通風，四角噴燃。鍋爐配2臺離心式一次風機，其最大風量為240 336 m3/h，最大全壓為11 282 Pa；電動機最大功率為1 050 kW。鍋爐采用正壓直吹制粉HP863碗式中速磨煤機，磨碗直徑為2 184 mm，磨碗轉速為38.4 r/min，基本出力為48.1 t/h。

鍋爐在改造之前進行了摻燒試驗摸底，情況見表1。

表1 鍋爐改造前摻燒情況

當鍋爐在70%BRL工況下，最大摻燒褐煤比例可達50%；而當鍋爐在100%BRL工況下，最多只能摻燒30%褐煤。

當制粉系統(tǒng)的旁路冷風門全關、熱風門全開時，冷風份額最小為24%，這其中包含密封風冷風，實際冷一次風份額減少到約15%。從其他褐煤機組的運行情況來看，15%的冷風份額已經(jīng)到了最小冷風份額的極限。按目前風門的設計和運行情況判斷，即便將冷風風門全關、熱風門全開，還是會有一定量的冷風量流入。

根據(jù)磨煤機設計使用手冊得知，磨煤機基本出力可達到48.1 t/h，實際運行時最大出力為31 t/h。干燥出力嚴重不足，限制了在摻燒褐煤時磨煤機出力，無法繼續(xù)增加褐煤的摻燒比例。

在現(xiàn)有摻燒褐煤的工況下，機組的一次風風率和風阻大大增加，一次風風機壓頭裕量剩余約10%，風機電動機功率裕量僅剩約3%。

2 改造方案確定

2.1 改造原則

鍋爐在摻燒褐煤后出現(xiàn)的問題根本原因是風煤比例偏離原設計值。由于負荷一定時，總風量是一定的，一次風風率過高會造成二次風風率的下降，二次風剛性不足會使爐膛內(nèi)燃燒效果惡化，影響機組的整體性能和鍋爐效率。為此，在確定改造方案時主要考慮將機組參數(shù)盡量靠近設計值，即保持機組熱力性能基本不變，尤其是一次風風率降低到原設計值附近，回歸到原有的運行工況，有利于機組的長期安全運行。

2.2 改造方案

2.2.1 理論計算

本次改造在熱一次風風道上設置蒸汽換熱器，采用汽輪機三號抽汽的過熱度來加熱熱一次風，提升磨煤機的干燥出力，換熱后的蒸汽再回到三號高壓加熱器繼續(xù)加熱給水。

根據(jù)表1鍋爐運行數(shù)據(jù)，可計算出在BRL工況下熱一次風總量qf為232 t/h，熱一次風風溫為314 ℃。在汽輪機額定出力(THA)工況下壓力為1.72 MPa，溫度達到437.4 ℃，焓值hi為3 334.1 kJ/kg， 抽汽流量qs為37.94 t/h。為保證傳熱溫差，蒸汽加熱器出口汽溫設為329 ℃(高于未加熱的熱一次風風溫15 K)，焓值ho為3 098 kJ/kg，則汽輪機三號抽汽可提供給熱一次風的總熱量Q為：

Q=(hi-ho)×qs

(1)

經(jīng)計算可得抽汽對外提供總熱量為9 071 454 kJ/h ，空氣在300～400 ℃時的比定壓熱容cp為1.05 kJ/(kg·K)，則可提升的熱一次風風溫Δt為：

(2)

式(1)代入式(2)后得到一次風風溫可提升約35 K。

2.2.2 改造系統(tǒng)圖

系統(tǒng)改造設備主要包括蒸汽管道、蒸汽換熱器、相應閥門及控制儀表等，見圖1。

圖1 熱一次風再熱系統(tǒng)改造圖

2.2.3 安全技術措施

根據(jù)《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設計技術規(guī)程》的規(guī)定，在磨煤機干燥劑進口風道上(冷、熱風混合后)，靠近磨煤機處加裝了自動啟閉式防爆門，垂直或斜向上45°安裝；同時，增設CO防爆監(jiān)測儀，實時監(jiān)測磨煤機內(nèi)部的CO含量?？紤]后續(xù)煤種可能的變化和機組運行的要求，增設CO防爆檢測儀后可以滿足后續(xù)需要提高磨煤機的最大干燥出力，以達到磨煤機褐煤的最大摻混比運行時的防爆要求。

3 改造效果評價

3.1 改造前后主要參數(shù)

鍋爐改造后摻燒神木煤+印尼褐煤。改造后根據(jù)煤質熱量平衡核算得出：在100%BRL工況下，磨煤機干燥出力可提高褐煤平均摻燒比例為49.2%，褐煤摻燒比例增加了19.2百分點，其余工況下褐煤摻燒比例均有所上升。褐煤摻燒比例結果見表2。

表2 改造前后摻燒比例對比

3.2 經(jīng)濟性分析

根據(jù)摻燒褐煤與計劃內(nèi)神木標煤價格為計算依據(jù)，分析購煤成本的經(jīng)濟性。兩種煤標煤價格對比見表3。

表3 標煤價格對比 元/kg

由表3可得：每增加10%摻燒褐煤比例，則購煤成本下降5.75元/kg。

300 MW機組鍋爐在100%BRL下燃用標煤約為100 t/h，機組平均年利用小時按照3 500 h計算，褐煤摻燒比例增加19.2%，則每年節(jié)省燃煤成本386.4萬元。

3.3 熱經(jīng)濟性分析

3.3.1 排煙熱損失

鍋爐排煙熱損失主要影響因素是排煙溫度及排煙的熱容量。排煙溫度不變時，若全燒褐煤排煙熱容量導致的鍋爐效率下降約0.6%；摻燒褐煤時會造成排煙溫度一定的升高。若全燒褐煤排煙溫度升高約15 K，影響鍋爐效率約0.95%，整體排煙損失帶來的鍋爐效率下降約1.55%。

3.3.2 機械不完全燃燒熱損失

褐煤煤化程度低，燃盡性較好，鍋爐摻燒褐煤后，飛灰含碳量有所下降。一般情況下，煙煤飛灰含碳質量分數(shù)約1%，褐煤飛灰含碳質量分數(shù)約0.5%[3]，因此若全燒褐煤，飛灰含碳量減少所引起的鍋爐效率將增加約0.16%。

若全燒褐煤，鍋爐效率比全燒煙煤降低1.39%。在熱一次風風道中加裝蒸汽換熱器后，褐煤摻燒比例增加19.2百分點，則鍋爐效率降低0.267%，增加煤耗約0.88 g/(kW·h)。

3.3.3 汽輪機熱耗及熱風溫度升高對煤耗的影響

三號抽汽加熱熱一次風后，增加熱耗約24 kJ/(kW·h)，增加煤耗約0.96 g/(kW·h)。

在熱一次風風道中加裝熱一次風蒸汽換熱器后，熱一次風風溫升高35 K。由于熱一次風占總風量約25%，相當于總風溫升高8.75 K，等效鍋爐效率增加0.43%，降低煤耗1.42 g/(kW·h)。

3.3.4 廠用電率影響

300 MW鍋爐若全改燒褐煤后，由于輔機電耗增加，廠用電率增加約1.2%，增加供電煤耗約3.7 g/(kW·h)；若增加褐煤摻混比例19.2百分點后，折合增加供電煤耗0.71 g/(kW·h)。

因此，在熱一次風風道中加裝蒸汽換熱器加熱一次風后，褐煤摻燒比例增加19.2百分點，最終煤耗增加1.13 g/(kW·h)。分項煤耗匯總見表4。

表4 改造后分項煤耗 g/(kW·h)

綜上分析，按改造后加權標煤單價(不含稅)469元/t、機組平均年利用小時數(shù)3 500 h計算，每年由于煤耗上升增加燃煤成本55.6萬元，實際每年可節(jié)省燃煤成本330.8萬元。

4 結語

通過在一次風風道中增設熱一次風蒸汽換熱器，對鍋爐的一次風風率和整體燃燒狀況都有了很大的改善；通過提高褐煤的摻燒比例，取得了良好的經(jīng)濟效益，具體如下：

(1) 在熱一次風風道中增設蒸汽換熱器可以在原有摻燒褐煤比例的基礎上提高19.2百分點，大比例摻燒褐煤后鍋爐原有的熱力性能基本不變。

(2) 增設熱一次風蒸汽換熱器后，實際每年可節(jié)省燃煤成本330.8萬元，經(jīng)濟效益顯著。

(3) 通過改造提高了機組的煤種適應性，為后續(xù)燃煤機組摻燒劣質煤的技術提供了新的途徑。

參考文獻：

[1] 李劍寧. 燃用褐煤塔式鍋爐爐內(nèi)過程及NOx排放技術研究[D]. 上海: 上海發(fā)電設備成套設計研究院, 2016.

[2] 馮偉忠. 1 000 MW超超臨界機組的綜合優(yōu)化和技術創(chuàng)新——外高橋電廠三期工程的節(jié)能減排之路[J]. 上海電力, 2007(5): 441-446.

[3] 中國電力投資集團公司. 火電機組節(jié)能對標系列叢書: 300 MW火電機組節(jié)能對標指導手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.