摻燒褐煤提高一次風溫的技術研究

陳朝松， 熊顯巍， 李劍寧

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

隨著電力市場競爭加劇，發(fā)電企業(yè)實行競價上網(wǎng)，進一步降低發(fā)電成本來提高企業(yè)的核心競爭力和贏利水平是火電企業(yè)的長期目標，鍋爐摻燒褐煤是常用的技術。但是褐煤濕度大等缺點導致以前在電站鍋爐中使用較少，褐煤的摻燒及其摻燒比例的提高都會給鍋爐燃燒帶來很多問題，其中最大的問題是褐煤含水量較大，摻燒褐煤或提高摻燒比例后，原設計一次風熱風溫度不能滿足磨煤機干燥出力要求[1]，制粉系統(tǒng)不能滿足鍋爐正常運行要求，無法實現(xiàn)燃用褐煤鍋爐機組正常的帶負荷能力[2]。

筆者通過對幾種提高一次風溫技術的對比分析，根據(jù)電廠實際情況，選擇切實可行的技術方案。

1 鍋爐概況

上海外高橋發(fā)電有限責任公司4號鍋爐為SG-1025/18.3-M831型亞臨界一次再熱的控制循環(huán)鍋爐，采用四角切圓燃燒方式，露天布置全鋼懸吊等結構。配置5臺HP863碗式中速磨煤機，回轉式三分倉空氣預熱器(簡稱空預器)和軸流送引風機。

鍋爐在最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)時的設計參數(shù)見表1。

表1 鍋爐BMCR主要設計參數(shù)

鍋爐改造前摻燒褐煤情況見表2。

表2 鍋爐改造前摻燒褐煤情況

從表2可知，運行中實際單臺磨煤機帶鍋爐負荷越小，摻燒褐煤比例越大。

改造前在熱風全開、冷風全關的情況下，冷風百分比最小為23%，去除密封風冷風，冷一次風量實際只有約15%。從其他同類型褐煤機組的運行情況來看，這個冷風量已經(jīng)達到最小冷風量的極限。

由于改造前已經(jīng)摻燒一定比例的褐煤，總的一次風率、熱風份額相比原設計都增加了，一次風機壓頭裕量約10%，風機電動機功率裕量僅剩約3%。風機壓頭、電動機功率都無法滿足完全切斷冷風的通風要求。

磨煤機原設計基本出力可達48 t/h，而實際運行時的最大干燥出力僅有31 t/h，這是因為原設計一次風熱風溫度偏低，磨煤機制粉系統(tǒng)干燥出力不足，從而無法進一步增加褐煤摻燒比例。

2 提高一次風溫的技術比較

2.1 改變空預器旋轉方向

一般空預器的旋轉方式為逆轉式,通常二次風溫高于一次風溫,能起到穩(wěn)定整個鍋爐燃燒動力場的作用。如果改變空預器原有的旋轉方式，就可以達到提高較小幅度一次風溫的目的[4]。在設計燃用褐煤的鍋爐時，主要考慮褐煤含水量大,制粉系統(tǒng)需要的干燥用熱量較大,必須提高一次風溫度才能實現(xiàn)?？疹A器實行順轉后可以提高一次風溫度,這樣有利于提高制粉系統(tǒng)干燥出力。

通過改變空預器旋轉方向,一次風溫度一般能提高7～10 K。但改變空預器原有轉向，會給原密封系統(tǒng)造成較大損害。如果在熱風溫度較低的情況下,靠改變旋轉方向來提高熱風溫度,一次風溫度提升幅度不是很大。在摻燒褐煤比例不大的情況下，采取這種提高一次風溫的方法是可行的。

當空預器原設計性能已經(jīng)不能滿足摻燒褐煤需要的一次風溫時，可以考慮對原有的空預器進行重新設計或局部改進，提升空預器本身的換熱能力，以達到提高一次風溫的目的。

對空預器的重新設計改造需要花費的成本比較大，投資回報較低。

2.2 轉向室抽取煙氣

從轉向室抽取煙氣加熱一次風，可以根據(jù)需要將一次風溫度提高30～50 K，甚至更高。在每側一側風道上布置一臺管式換熱器，采用煙氣管外與空氣管內的流動方式，然后從轉向室抽取一定的煙氣，通過管式換熱器加熱一次風，從而提高一次風溫度；煙氣經(jīng)過換熱器后再回到脫硝裝置入口或省煤器出口。

由于管式加熱器的加熱介質是從轉向室抽取的煙氣，因此必須考慮旁路煙道的設計。需要加裝引風機作為抽取煙氣的動力源，克服新設計的換熱器給一次風道增加的局部阻力。

另外，空氣側阻力一般增加較少，原有送風機余量即可滿足管式換熱器空氣側出力的工作要求。煙氣側阻力一般增加較多，可以通過加裝一臺新的引風機，確保抽取的旁路煙氣能夠克服管式換熱器增加的阻力，并將煙氣輸送至脫硝裝置入口。

根據(jù)熱力過程分析，抽取一定比例的轉向室煙氣加熱一次風提高一次風溫，則流過尾部煙道受熱面的煙氣量將會減小，導致尾部煙道受熱面的出口汽溫和省煤器出口水溫都會降低。因為一般抽取的煙氣量很小，不影響鍋爐的正常運行。

該技術系統(tǒng)復雜程度高，投資較大。增壓風機的選型苛刻，安全防爆要求嚴格，設備運行和維護費用高。

2.3 汽輪機抽蒸汽

從汽輪機抽取一定蒸汽加熱一次風，可以根據(jù)需要將一次風溫度提高30～50 K，換熱器主要受風道空間限制。通常在每一側風道上布置1臺管式換熱器，采用一次風管外與蒸汽管內的流動方式。通過管式換熱器加熱一次風，從而提高一次風溫度；蒸汽經(jīng)過換熱器后再回到高壓加熱器。加熱后的一次風送往磨煤機進口，從而提升磨煤機干燥出力，解決了摻燒褐煤鍋爐干燥出力不足的問題，達到提高褐煤摻燒比例。

該技術是根據(jù)原有一次風道設計合適的蒸汽加熱器。鍋爐一次風道一般截面較小，須要對原有風道進行擴建才能放置新設計的加熱器，風道擴建后須要對這部分進行流場數(shù)值模擬計算，以保證改造后風道流場比較均勻，加熱器具有良好的換熱效果。

3 提高一次風溫的改造方案及應用

3.1 改造方案

上海外高橋發(fā)電有限責任公司4號鍋爐在原有摻燒褐煤的基礎上提高摻燒比例改造工程，經(jīng)過對以上幾種提高一次風溫的技術進行分析，結合電廠實際情況，最終采用抽取汽輪機三抽蒸汽加熱一次風的技術。該技術不但能夠滿足提高一次風熱風溫度，提升磨煤機制粉系統(tǒng)的干燥出力，進一步提高褐煤摻燒比例，具有很好的工程應用價值。

采用抽取汽輪機三抽蒸汽加熱一次風的技術工藝流程圖見圖1。

圖1 汽輪機抽蒸汽加熱一次風系統(tǒng)圖

鍋爐的原設計一次風道截面為1 700 mm×1 525 mm，為了安裝新設計的蒸汽加熱器，根據(jù)加熱器熱力計算分析，須要將一次風道擴大為2 200 mm×3 125 mm，才能滿足安裝新設計的蒸汽加熱器提升一次風溫度的性能要求。由于風道擴大，如果在風道內不安裝導流裝置，加熱器區(qū)域的流場分布將不均勻，不利于充分實現(xiàn)加熱器的換熱效果。對擴大后的風道沒安裝導流裝置的流場分布進行數(shù)值模擬研究，應用FLUENT軟件計算其流場分布，見圖2。

圖2 沒有導流時風道流場速度分布圖

從圖2分析可知：沒有導流裝置時，一次風在風道里流速分布很不均勻，上部一次風流速可達20 m/s以上，下部一次風流速遠遠低于上部流速。這樣會導致新加裝的蒸汽加熱器不能和一次風進行良好的熱交換，一次風溫的提升效果不好。

為了改善加熱器和一次風的換熱效果，必須使該區(qū)域的流場分布均勻化。在擴大的風道加裝導流裝置后，將會使加熱器區(qū)域的流場分布更均勻。對加裝導流板后的該區(qū)域流場分布進行數(shù)值模擬研究后表明：在風道截面上加裝了3塊不同傾斜度的導流板后，可以大大改善整個風道的流場均勻分布。應用FLUENT軟件計算其流場的分布見圖3，速度矢量見圖4。

圖3 加裝導流板后風道流場速度分布圖

圖4 加裝導流板后風道流場速度矢量圖

從圖3分析可知：加裝導流裝置后，一次風在整個擴大后的風道里流速分布較為均勻。從圖4分析可知：加裝導流裝置后，風道流場已經(jīng)基本沒有回流區(qū)，速度偏差也較小。

綜上所述，加裝導流裝置后，可以大大改善擴大后風道內蒸汽加熱器和一次風之間的換熱效果，從而提升加熱器的換熱能力。通過研究發(fā)現(xiàn)，該技術能夠達到提高一次風熱風溫度的性能指標，滿足摻燒褐煤后磨煤機干燥出力的要求。

3.2 工程應用

該鍋爐改造后一次風熱風溫度實際提高近30 K，磨煤機干燥出力增加。改造后電廠委托第三方對加熱器進行了詳細的性能測試，鍋爐主要性能數(shù)據(jù)見表3，加熱器性能數(shù)據(jù)見表4。

表3 改造后鍋爐性能檢測數(shù)據(jù)表

表4 改造后加熱器性能檢測數(shù)據(jù)表

從表3分析可知：在投運熱一次風加熱器情況下，鍋爐主蒸汽、再熱蒸汽和排煙的溫度基本達到設計參數(shù)，說明改造沒有影響鍋爐的主要性能指標，不影響鍋爐的安全經(jīng)濟運行。從表4分析可知：在285 MW工況下熱一次風平均溫升為34.5 K，低負荷時熱一次風平均溫升提高更多。

電廠實際燃煤主要為神木煤和印尼褐煤，根據(jù)磨煤機熱量平衡核算可知，在BRL工況下褐煤平均摻燒比例由改造前的30.0%提高到49.2%。其他工況褐煤的摻燒比例也得到相應提升。各工況改造前后摻燒比例對比見表5。

表5 鍋爐改造前后摻燒褐煤對比 %

根據(jù)電廠提供的燃煤購買價格，神木煤和印尼褐煤換算為標煤價格相差57 元/t。因此，摻燒褐煤比例每提高10%，燃煤成本降低約5.7元/t。300 MW機組按照年運行2 500 h、摻燒比例提高0.19核算，則每年可節(jié)約燃煤成本約267萬元。由此可以降低電廠發(fā)電成本，提升企業(yè)的市場競爭力。

4 結語

(1) 針對某電廠提高褐煤摻燒比例的工程改造，提出在熱一次風管道上新增蒸汽加熱器，利用汽輪機三抽蒸汽加熱一次風，提高一次風溫。改造系統(tǒng)簡單，投資較小。

(2) 通過數(shù)值模擬，研究在擴大后的風道上加設導流板，改善風道流場分布，提高加熱器的換熱能力。

(3) 改造后結果表明，一次風溫提高30 K以上，褐煤摻燒比例提高約19%，每年可節(jié)約燃煤約267萬元。