鍋爐煤倉(cāng)堵煤的原因及改造

關(guān)鑫源

0　概述

火力發(fā)電廠煤倉(cāng)的堵煤現(xiàn)象，是影響機(jī)組負(fù)荷和威脅安全運(yùn)行的主要原因之一。當(dāng)多個(gè)煤倉(cāng)的出煤口被堵塞時(shí)，將造成多臺(tái)給煤機(jī)斷煤，會(huì)使機(jī)組被迫大幅度甩負(fù)荷，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行。給煤機(jī)斷煤后，將使?fàn)t膛內(nèi)的燃燒極不穩(wěn)定，在這樣的燃燒工況下，將使鍋爐的熱負(fù)荷下降。為了確保鍋爐運(yùn)行、爐膛內(nèi)不滅火，將被迫投油助燃，造成大量的燃油消耗。若投油不及時(shí)，還將造成鍋爐滅火使機(jī)組非停。另外，當(dāng)給煤機(jī)斷煤后，引起主蒸汽溫度和壓力的大幅波動(dòng)，水冷壁汽水分界面不穩(wěn)定，傳熱狀態(tài)受到影響，久而久之造成水冷壁爆管［1-2］。因此，化解煤倉(cāng)出煤口的堵煤現(xiàn)象，對(duì)于保障機(jī)組的安全運(yùn)行，有著重要的意義。

1　設(shè)備布置

某型機(jī)組的鍋爐，是燃煤超臨界660 MW鍋爐，為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型布置。采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配6臺(tái)磨煤機(jī)，5運(yùn)1備，煤粉細(xì)度R90為18%。每臺(tái)磨煤機(jī)配1臺(tái)稱重式計(jì)量給煤機(jī)，在給煤過(guò)程中，可準(zhǔn)確地進(jìn)行稱重計(jì)算。而且，根據(jù)鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的要求，能自動(dòng)調(diào)節(jié)給煤量，使實(shí)際給煤量和鍋爐的負(fù)荷相匹配。每臺(tái)機(jī)組共有6個(gè)煤倉(cāng)，煤倉(cāng)高為18 m、進(jìn)口直徑為 9.01 m，出口直徑為 0.9 m，半頂角為24°，截面收縮率為0.11%，煤倉(cāng)的容量為729 t。原煤倉(cāng)的設(shè)計(jì)技術(shù)條件為:煤粒粒度≤35 mm，堆積密度為1.0 t/m3，動(dòng)安息角為 40°，全水分為15%。原煤由雙輸送皮帶被送至犁煤器后，再通過(guò)4個(gè)入口進(jìn)入煤倉(cāng)。煤倉(cāng)具有儲(chǔ)煤和供煤的作用。

2　煤倉(cāng)的運(yùn)行

2.1　煤質(zhì)及摻燒煤泥

自機(jī)組投產(chǎn)后，燃煤的煤灰熔點(diǎn)＜1200℃，硫分＞1.4%。這種燃煤成分，對(duì)于鍋爐結(jié)焦與煙氣脫硫設(shè)備的運(yùn)行壓力較大。由于缺少灰熔點(diǎn)與全硫指標(biāo)俱佳的穩(wěn)定煤源，為了均衡和提高發(fā)電效益，只能最大程度地?fù)綗耗?，發(fā)揮其改善鍋爐結(jié)焦、降低硫分含量及降低標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)的綜合優(yōu)勢(shì)。為此，逐步啟動(dòng)并規(guī)范了煤泥的收耗存管理。通過(guò)摸索，煤泥的月平均利用率為15%～20%，短期最大利用率曾達(dá)到35%～40%。

2.2　煤倉(cāng)堵煤現(xiàn)狀

摻混煤泥后，頻繁發(fā)生了煤倉(cāng)的棚煤現(xiàn)象，使給煤機(jī)斷煤、甚至煤倉(cāng)板結(jié)后被堵死，造成了磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的異常振動(dòng)，增加了設(shè)備故障發(fā)生率，提高了發(fā)電成本。究其原因，是摻燒煤泥后，煤泥的水分為17%～20%，燃煤的濕度和黏度增大，加之煤倉(cāng)下部為錐形形狀，沿著煤流動(dòng)方向的流通截面積逐漸變小，擠壓力增大，煤粒與倉(cāng)壁、煤粒之間的摩擦力也越來(lái)越大，但煤沿壁面流動(dòng)的重力分力不變。故隨著煤的流動(dòng)，錐形煤斗內(nèi)的等效流動(dòng)動(dòng)力越來(lái)越小。當(dāng)煤粒含水量較大時(shí)，煤的團(tuán)聚性更強(qiáng)，煤在倉(cāng)體內(nèi)的流動(dòng)就愈加困難，結(jié)拱堵塞的幾率大大增加。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，發(fā)生堵煤的主要部位，是在最小截面積插板門以上1.5 m的范圍，90%的堵煤現(xiàn)象發(fā)生在該部位。通常情況下，在上部形成堵煤，是由于下部堵塞造成的。下部堵煤后，整個(gè)倉(cāng)體內(nèi)部原煤的流動(dòng)狀態(tài)就發(fā)生了變化。原是整體流動(dòng)的煤流，逐漸變?yōu)樵谥行膮^(qū)域的層流狀態(tài)。中心層流形成后，煤在整個(gè)倉(cāng)壁上形成黏結(jié)，倉(cāng)容積嚴(yán)重變小，堵塞現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。在煤倉(cāng)下料倉(cāng)段內(nèi)，更易形成堵煤。所以，為了機(jī)組的安全運(yùn)行，必須采取有效的措施，解決煤倉(cāng)的堵煤現(xiàn)象。

3　加裝空氣炮

3.1　空氣炮的工作原理

空氣炮的工作介質(zhì)為壓縮空氣，主要部件包括儲(chǔ)氣罐、電磁速關(guān)閥及控制系統(tǒng)等。當(dāng)電磁速關(guān)閥快速打開(kāi)時(shí)，氣體便自動(dòng)進(jìn)入炮體。堵煤后，按下起動(dòng)按鈕，給換向閥一個(gè)脈沖電信號(hào)或氣信號(hào)，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣在壓差的作用下，形成高速噴出的強(qiáng)烈氣流，高動(dòng)能的空氣直接沖擊倉(cāng)內(nèi)的堵塞部位，使煤粒重新在重力作用下流動(dòng)起來(lái)。空氣炮內(nèi)氣體被釋放后，將自動(dòng)進(jìn)行充氣，隨時(shí)可完成第二個(gè)工作循環(huán)［3-5］。釋放空氣炮的操作程序，應(yīng)為先放下層炮，后放上層炮，更易使原煤順利排出。

3.2　空氣炮的安裝與控制

經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，90%以上的原煤倉(cāng)堵塞都發(fā)生在下部原煤倉(cāng)出口以上1～2 m的范圍內(nèi)［6］。所以，在煤倉(cāng)的錐斗部位，安裝8只空氣炮。在直段部位，安裝4只空氣炮?？諝馀诘陌惭b部位，如圖1所示。安裝時(shí)，倉(cāng)內(nèi)噴射接管應(yīng)向下布置，排氣管與水平線夾角不得小于10°。安裝氣動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，炮體與氣動(dòng)控制閥之間的距離，不得超過(guò)15 m。需過(guò)濾和干燥壓縮空氣，且最大工作壓力不得超過(guò)0.8 MPa，最小工作壓力不得低于0.4 MPa。電磁快速排氣閥的交流額定電壓為220 V、消耗功率為15 W?？諝馀诘牟僮?，由自動(dòng)控制儀進(jìn)行控制。煤倉(cāng)空氣炮的電氣控制圖，如圖2所示。也可對(duì)空氣炮進(jìn)行手動(dòng)操作，在換向閥上，設(shè)有手動(dòng)把手及電氣控制按鈕。

圖1　煤倉(cāng)壁上的空氣炮位置

圖2　原煤倉(cāng)空氣炮控制原理圖

3.3　空氣炮的防堵效果

在運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)空氣炮需位于結(jié)拱位置，才能發(fā)揮防堵作用。若空氣炮處于結(jié)拱位置的上方，反而使煤越振越密實(shí)。由于煤倉(cāng)結(jié)拱和堵塞位置的不確定性，且不同燃煤品種具有不同的黏性，堵煤的位置更是在不斷地變化。因此，破堵的效果并不理想，當(dāng)煤的水分含量過(guò)大時(shí)，破堵的效果更差。

4　加裝清堵機(jī)

為解決加裝空氣炮后仍存在的堵煤現(xiàn)象，決定對(duì)煤倉(cāng)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析了煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)后，較佳的解決方案，是在煤倉(cāng)內(nèi)加裝旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)。

4.1　旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)的工作原理

旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)由圓柱形過(guò)渡筒、上部固定筒、旋轉(zhuǎn)筒體、下固定筒、清堵刮刀、減速機(jī)、傳動(dòng)大齒輪、插棍閥以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。減速機(jī)的功率為5.5 kW，減速比為 396.9，旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速為 0.7 r/min，倉(cāng)體的壁厚為12 mm，清堵高度為2 050 mm，清堵面積為7.95 m2。倉(cāng)體采用機(jī)械迷宮和接觸式的密封形式，可有效防止漏粉現(xiàn)象。

清堵機(jī)旋轉(zhuǎn)倉(cāng)段處于整個(gè)煤倉(cāng)的易堵段，是煤倉(cāng)堵煤的關(guān)鍵部位。在旋轉(zhuǎn)倉(cāng)段內(nèi)，安裝了42CrMo材質(zhì)的不銹鋼清堵刮刀組件。清堵刮刀的兩端被固定在上下固定倉(cāng)段上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，布置在旋轉(zhuǎn)倉(cāng)內(nèi)壁固定不動(dòng)的清堵刮刀，在煤與旋轉(zhuǎn)倉(cāng)壁之間形成一個(gè)全面積的分離區(qū)，使煤在倉(cāng)壁上無(wú)法形成結(jié)拱，堵塞現(xiàn)象就不會(huì)出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了清堵的目的。

4.2　加裝旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)及改造方案

煤倉(cāng)的堵煤現(xiàn)象，主要發(fā)生在4個(gè)區(qū)域內(nèi)。這些區(qū)域分別位于煤倉(cāng)上部、煤倉(cāng)下部、以及給煤機(jī)入口閘板處和煤閘板下部的直管段。根據(jù)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)，采取了擴(kuò)大原煤倉(cāng)出口尺寸、安裝旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)、將插板門更換為不銹鋼插棍閥、將給煤機(jī)入口煤閘板下移等措施。

原煤倉(cāng)改造前的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在給煤機(jī)入口平面標(biāo)高向上4 606 mm(倉(cāng)筒內(nèi)徑1 512 mm)處劃線，割去給煤機(jī)入口平面標(biāo)高150 mm至劃線標(biāo)高4 606 mm之間煤倉(cāng)下部的易堵段倉(cāng)體、插板閥與630直管，將割口打磨光滑。起吊旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)至已割去的煤倉(cāng)易堵段位置，讓煤倉(cāng)倉(cāng)體的下口，插入清堵裝置斗體，插入深度為25 mm。對(duì)位準(zhǔn)確后，焊接圓柱形過(guò)渡筒上口與煤倉(cāng)的連接處，過(guò)渡筒下口與旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)上部采用高強(qiáng)度法蘭連接。旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)的下口與給煤機(jī)的進(jìn)口焊接在一起。煤倉(cāng)加裝了旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)后的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖3　原煤倉(cāng)改造前的結(jié)構(gòu)

圖4　煤倉(cāng)改造后的結(jié)構(gòu)

在機(jī)組調(diào)停期間，對(duì)13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、23號(hào)、24號(hào)、25號(hào)給煤機(jī)的煤倉(cāng)，均安裝了旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)。自清堵機(jī)投運(yùn)后，基本上解決了煤倉(cāng)因摻燒煤泥而造成的堵煤現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)的電氣控制圖，如圖5所示。

4.3　旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)的運(yùn)行方式

依據(jù)運(yùn)行狀況，在不同的季節(jié)，應(yīng)選擇不同的運(yùn)行方式。特別是機(jī)組負(fù)荷變化和夏季運(yùn)行時(shí)，采用不同的運(yùn)行方式，可降低廠用電的能耗。

圖5　旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)電路控制圖

(1)在5～10月的夏秋季節(jié)里，煤泥的濕度較小，適用節(jié)能的運(yùn)行模式。當(dāng)給煤機(jī)斷煤后，清堵裝置和空氣炮均會(huì)自行啟動(dòng)。清堵裝置運(yùn)行180 s后，自動(dòng)停止。因清堵裝置與給煤機(jī)的啟動(dòng)與運(yùn)行，均已連鎖。此功能，由系統(tǒng)控制中的DCS邏輯自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

(2)在冬季，清堵裝置的啟動(dòng)，也受給煤機(jī)斷煤信號(hào)的控制。同時(shí)，還增加了人工定時(shí)的操作。即設(shè)定清堵裝置每小時(shí)啟動(dòng)1次，每次運(yùn)行20 min。清堵機(jī)的定時(shí)運(yùn)行，避免了較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)煤泥形成板結(jié)后，使清堵裝置難以清理等現(xiàn)象。

4.4　改造后的效果分析

在煤倉(cāng)改造前，因摻燒煤泥的水分較大，情況最嚴(yán)重時(shí)，2臺(tái)機(jī)組每日的斷煤次數(shù)，達(dá)106次。煤倉(cāng)的清理周期，不超過(guò)7天。斷煤后，因磨煤機(jī)內(nèi)存煤減少，煤層厚度降低，雖然及時(shí)降低了加載壓力及抬升磨輥，但仍導(dǎo)致磨煤機(jī)的劇烈振動(dòng)。堵煤嚴(yán)重時(shí)，空氣炮投入失效，只能停運(yùn)制粉系統(tǒng)，采用人工清理和疏通。

改造后，以24號(hào)煤倉(cāng)為例，加裝了旋轉(zhuǎn)清堵裝置，累計(jì)運(yùn)行8天，共發(fā)生煤倉(cāng)堵煤、斷煤23次，旋轉(zhuǎn)清堵裝置發(fā)揮了有效的作用，運(yùn)行時(shí)的正確率達(dá)到100%，斷煤后，利用旋轉(zhuǎn)清堵裝置，及時(shí)疏通下煤22次，有效疏通率達(dá)到95.7%。

當(dāng)煤泥的摻燒比為30%時(shí)，斷煤次數(shù)約2～3次/周。將煤泥摻燒比提高至40%后，當(dāng)日就發(fā)生5次斷煤現(xiàn)象，次日也發(fā)生了5次斷煤現(xiàn)象。斷煤次數(shù)明顯增多，但旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)均能正常啟動(dòng)。在不需要投入空氣炮的情況下，能夠在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)下煤。將煤泥摻燒比提高至50%后，當(dāng)日斷煤3次，旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)的啟動(dòng)正常，但沒(méi)有正常下煤，就地投入空氣炮后，下煤恢復(fù)正常。次日斷煤增加為8次，但每次均能正常疏通。

可見(jiàn)，在現(xiàn)有煤倉(cāng)與煤泥水分的條件下，摻燒煤泥的比例不宜超過(guò)30%。當(dāng)摻燒比為40%～50%，煤倉(cāng)的堵煤次數(shù)將成倍增加。只有在旋轉(zhuǎn)清堵裝置和空氣炮的作用下，還需配以定期清空煤倉(cāng)，才能確保短期內(nèi)的清堵下煤。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，加裝空氣炮和旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)后，運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意幾方面的操作原則，才能有效避免煤倉(cāng)的堵煤現(xiàn)象，確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

(1)采用旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)和空氣炮相結(jié)合的運(yùn)行方式時(shí)，應(yīng)按照先投運(yùn)旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)，然后再投空氣炮的原則。

(2)在不同季節(jié)，因煤質(zhì)水分的變化，制訂不同季節(jié)內(nèi)旋轉(zhuǎn)清堵機(jī)的運(yùn)行方式。

(3)需根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況，確定合理的摻燒比例。

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