周亮，陳文

(1. 國電長源荊州熱電有限公司，湖北 荊州434000；2. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007；3. 高效清潔火力發(fā)電技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410007)

0 引言

由于燃料價格、運輸、運力等多方面的原因,火力發(fā)電機組的入爐煤質經常隨著市場變化, 多數(shù)電廠實際未燃用設計煤質。煤質的變化對鍋爐運行的安全性與經濟性影響很大, 機組運行期間經常需要根據(jù)入爐煤質變化和制粉系統(tǒng)出力來調整煤粉細度以提高鍋爐燃燒的經濟性。因用電結構原因, 電網(wǎng)負荷的峰谷差較大, 燃煤機組大多須參與深度調峰。機組負荷變化時, 制粉系統(tǒng)運行工況也不同,鍋爐燃燒的最佳煤粉細度也會隨之發(fā)生變化, 需要根據(jù)機組實際運行情況調整煤粉細度, 以降低飛灰和爐渣含碳量, 提高鍋爐效率。制粉系統(tǒng)的性能直接關系到鍋爐帶負荷能力和煤粉燃燒的穩(wěn)定性和經濟性, 國內外多位學者專家對制粉系統(tǒng)優(yōu)化調整進行了相關研究, 開展了磨煤機參數(shù)優(yōu)化調整試驗,探討了輸粉管煤粉分配的均勻性和煤粉細度的變化規(guī)律[1]。文獻 [2-3] 對磨煤機出力和單耗、煤粉細度、風煤比、磨煤機出口溫度等因素進行了分析研究, 文獻 [4-5] 對爐內熱負荷、NOx的生成、鍋爐運行特性和經濟性等進行了研究論證。文獻[6-8] 針對磨煤機運行期間煤粉細度偏粗、煤粉細度調節(jié)等問題進行了設備改造, 因缺少在線測量裝置, 煤粉細度的測量存在一定的延時。本文針對某燃煤電廠鍋爐制粉系統(tǒng)煤粉細度偏粗、煤粉細度無實時數(shù)據(jù)等問題, 從粗粉分離器調整入手開展了一系列試驗研究。

1 系統(tǒng)概述

某電廠鍋爐采用冷一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng), 配置6 臺HP803 型中速磨煤機, 設計燃用晉北煙煤, 磨煤機主要性能數(shù)據(jù)見表1, 每臺磨出口設計有4 根一次粉管, 運行期間存在煤粉細度偏粗、磨出力不足的問題。

表1 磨煤機主要性能參數(shù)

依靠調節(jié)分離器擋板的不同角度來調節(jié)煤粉細度, 調節(jié)擋板又可分為靜態(tài)擋板和動態(tài)擋板。靜態(tài)擋板調節(jié)一般為手動形式, 調整起來相對比較困難, 除非煤質發(fā)生大的變化, 運行中一般不進行調整。動態(tài)調節(jié)擋板大多可遠程控制, 依靠變頻電機帶動, 調節(jié)方式相對方便靈活, 可以適應入爐煤質變化、機組負荷變化、制粉系統(tǒng)運行方式變化, 通過調整其轉速來獲得需要的煤粉細度。因此為滿足煤種變化、負荷變化、制粉系統(tǒng)出力變化和高效低NOx運行的需要, 選配動態(tài)旋轉式粗粉分離器。

2 煤粉細度對鍋爐運行的影響

2.1 煤粉細度對鍋爐運行安全性的影響

煤粉顆粒尺寸越小, 煤粉的比表面積越大, 同等條件下?lián)]發(fā)分析出速率越快, 著火和穩(wěn)燃能力越強。在當前電網(wǎng)要求機組參與深度調峰的大背景下, 鍋爐低負荷穩(wěn)燃能力顯得尤為重要。煤粉顆粒的著火特性直接影響低負荷穩(wěn)燃能力, 煤粉細度越小, 煤粉顆粒著火相對提前, 穩(wěn)燃能力增強, 燃盡時間相對降低。煤粉細度越大, 揮發(fā)分析出越慢,煤粉顆粒的著火溫度相應提高, 著火燃燒速率更慢, 燃燒穩(wěn)定性差, 低負荷下鍋爐滅火可能性亦隨之增大[5,9], 在燃用貧煤和無煙煤時更為突出。

此外, 煤粉細度值偏大會導致煤粉顆粒著火推遲, 爐膛燃燒火焰中心位置相對升高, 水冷壁吸熱量相對減少, 爐膛出口煙溫升高, 可能造成受熱面超溫、結焦[10]。此外, 煤粉顆粒越粗, 燃盡特性越差, 偏粗的飛灰顆粒對水平煙道及尾部煙道受熱面的磨損也會加劇, 受熱面的磨損、高溫腐蝕、結焦、受熱面管壁溫度超溫的可能性增大, 對鍋爐運行不利。

2.2 煤粉細度對鍋爐運行經濟性的影響

煤粉細度對鍋爐運行經濟性的影響首先表現(xiàn)在煤粉氣流著火和燃盡等方面。相關實驗研究結果表明, 煤粉越細, 活化能越低, 其著火溫度下降, 燃盡時間相對縮短, 煤粉顆粒燃盡時間與顆粒直徑的平方成正比。

煤粉氣流的著火溫度隨煤粉細度變細而明顯下降, 這是因為煤粉顆粒尺寸減小后增大了燃燒反應的相對比表面積, 降低了煤粉顆粒的活化能, 煤粉顆粒更易著火燃燒, 使得飛灰和爐渣可燃物含量下降, 機械不完全燃燒熱損失減小, 鍋爐效率提高。曾對某1 000 MW 機組進行了煤粉細度調整試驗,煤粉細度R90從11%降至8.3%時, 鍋爐效率從92.76%提高至93.19%[11-12]。

雖然煤粉細度降低, 可以增強煤粉著火和燃盡, 提高鍋爐效率, 但是也會帶來制粉系統(tǒng)出力下降、磨煤機電耗升高、金屬耗量增大等問題。因此, 需要綜合考慮煤粉細度的最佳值, 使鍋爐運行經濟性處于較好水平。

2.3 煤粉細度對鍋爐運行環(huán)保指標的影響

煤粉細度的變化也會對煤粉燃燒后形成的污染物排放產生影響, 研究顯示煤粉細度對NOx、PM10、PM2.5和痕量元素等污染物的排放具有一定影響。煤粉細度減小后, 無論是NOx生成還是NOx還原,NOx體積分數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢[4]。煤粉越細、燃燒時間越長、燃燒溫度越高, 生成的 PM10、PM2.5、PM1的量均越大[13]。同時, 煤粉越細, 排放顆粒物中Cu、Ni、Pb、Zn、Cr 等痕量元素含量越高[14]。

3 煤粉細度調節(jié)試驗

影響煤粉細度的因素較多, 煤質因素 (如水分、灰分、可磨性指數(shù)等)、制粉系統(tǒng)設備狀況(如磨輥磨損、回粉管堵塞等) 和運行參數(shù) (如磨煤機出力、系統(tǒng)通風量、加載力等) 都會直接影響到煤粉細度值。排除煤質因素和制粉系統(tǒng)設備狀況外, 制粉系統(tǒng)運行期間一般通過調整旋轉分離器的轉速、系統(tǒng)通風量、加載力等方法來調整煤粉細度, 其中動態(tài)旋轉分離器的實時調整可以在線調整煤粉細度以增加對煤種的適應性。雖然旋轉分離器確保了煤粉細度可以根據(jù)煤質和負荷變化情況進行調節(jié), 但因缺乏在線檢測手段無法獲知在不同出力和分離器轉速下的煤粉細度值, 運行人員一般依靠經驗值。

3.1 變分離器轉速試驗

動態(tài)分離器利用離心分離和撞擊分離將合格的細煤粉從煤粉流中分離出來, 分離器轉速越高, 分離出來的煤粉粒子直徑越小。因煤粉細度隨動態(tài)分離器轉速的變化規(guī)律受煤種變化影響較小, 為獲得動態(tài)分離器轉速對煤粉細度的特性函數(shù), 將磨煤機出力調至30 t/h 不變, 保持運行參數(shù)穩(wěn)定, 分離器轉速從500 r/min 變化至900 r/min, 在磨煤機出口4 根煤粉管的取樣孔上進行等速取樣抽取煤粉, 利用氣流篩分析煤粉細度R90, 煤粉細度試驗結果見表2, 煤質數(shù)據(jù)見表3。

表2 煤粉細度試驗值

表3 試驗煤質數(shù)據(jù)

從試驗結果分析可知, 隨著分離器轉速的升高, 煤粉細度R90值下降, 表明分離器擋板對煤粉顆粒的離心分離和撞擊分離作用越強, 煤粉的細度越低。從試驗數(shù)據(jù)上看, 在分離器轉速 500 ～900 r/min時, 煤粉細度與分離器轉速之間存在較好的線性調節(jié)關系。

更換煤質為神混煤后, 在磨煤機出力下降至21 t/h時進行了同樣的試驗, 如圖1 所示, 動態(tài)分離器轉速與煤粉細度之間的關系也存在著同樣的線性關系, 在制粉系統(tǒng)運行期間可以參照該線性曲線來進行煤粉細度的調節(jié)。如在30 t/h 出力下時, 煤粉細度R90與分離器轉速x間存在著如下關系式:

圖1 煤粉細度與分離器轉速的關系曲線

同時從試驗可知, 在分離器轉速500 r/min 時,磨煤機煤粉細度偏粗,R90達到30%以上。煤粉細度的調整應根據(jù)入爐煤質情況, 可參考燃燒調整試驗結果和響應規(guī)程進行。根據(jù)該鍋爐試驗情況, 結合DL/T 467 《電站磨煤機及制粉系統(tǒng)性能試驗》宜將煤粉細度控制在18%～22%。

3.2 煤粉細度與磨煤機出力特性試驗

分離器轉速不變時, 即分離器轉速不進行調節(jié)時, 煤粉細度與磨煤機出力之間存在著一定的函數(shù)關系。為研究磨煤機出力與煤粉細度之間的關系, 維持分離器轉速600 r/min 不變, 對該磨煤機出口煤粉細度進行取樣分析, 試驗結果如圖 2所示。

圖2 煤粉細度與磨煤機出力的關系曲線

從煤粉細度與磨煤機出力特性試驗中可以看出, 在分離器轉速不變的情況下, 隨著磨煤機出力的增大, 煤粉細度R90值逐漸增大。分析認為, 磨煤機出力為研磨出力、通風出力和干燥出力, 且為其中最小者。對于該磨煤機而言, 磨煤機出力越大, 其研磨能力要求越強, 同時為保證一定的風煤比, 通風量也隨著磨煤出力的增大而增大, 煤粉細度與磨煤機出力之間存在著一定的函數(shù)關系, 進一步研究可以得出, 對于該磨煤機, 磨煤機出力為20～30 t/h 時, 通過試驗數(shù)據(jù)的曲線擬合得到煤粉細度R90與磨煤機出力x間存在著如下關系式:

在試驗條件下, 煤粉細度與磨煤機出力之間存在二次函數(shù)關系, 為達到煤粉經濟細度, 結合試驗結果可以得到磨煤機在不同出力下的分離器轉速控制曲線, 如圖3 所示。

圖3 不同出力下分離器轉速控制曲線

4 結語

1) 煤粉的經濟細度受煤種變化、電網(wǎng)負荷變化和制粉系統(tǒng)出力變化而變化, 只有根據(jù)實際入爐煤質和電網(wǎng)調度負荷情況調整煤粉細度, 才能確保機組安全、經濟運行。

2) 煤粉細度R90值隨著分離器轉速的升高而下降, 在分離器轉速500 ～900 r/min 之間時, 煤粉細度與分離器轉速之間存在較好的線性調節(jié)關系。若燃用煤質發(fā)生變化時, 應對分離器轉速進行調整。

3) 在分離器轉速不變的情況下, 隨著磨煤機出力的增加, 煤粉細度R90值逐漸增大, 煤粉細度R90與磨煤機出力之間存在著二次函數(shù)關系。

4) 制粉系統(tǒng)的健康運行對鍋爐經濟性影響較大, 通過煤粉細度調整試驗可得到磨煤機在不同出力下的分離器轉速控制曲線, 能有效提高鍋爐運行經濟性。