三種提高褐煤鍋爐中速磨煤機(jī)干燥出力方法的對比分析

劉文建， 潘紹成， 李文吉， 易廣宙， 莫春鴻

(1. 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 611731；2. 東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001)

褐煤是煤化程度最低的煤，煤中的含水量較高，因此制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮較高的干燥出力。燃用褐煤的鍋爐因運(yùn)行條件變動(dòng)或入爐煤種水分含量相對于設(shè)計(jì)煤種正向變化較大時(shí)，普遍存在干燥出力不足的問題。褐煤在動(dòng)力煤儲量中有較高的比例，電力行業(yè)內(nèi)對如何高效穩(wěn)定利用褐煤資源，尤其是針對褐煤制粉系統(tǒng)從褐煤的預(yù)處理、制粉系統(tǒng)的選擇和制粉系統(tǒng)干燥出力的提升進(jìn)行了大量研究[1-7]。

目前，根據(jù)褐煤的水分含量高低，國內(nèi)投運(yùn)的褐煤鍋爐制粉系統(tǒng)分為風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)和中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)兩大類，中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)常用于全水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于35%的煤種，水分含量更高的褐煤則多選用風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)[8-11]。

風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)采用抽取爐內(nèi)高溫?zé)煔獠⒒旌蠠峥諝饣蚶錈煔庾鳛橹品巯到y(tǒng)干燥劑，因此具有較高的干燥出力，可適應(yīng)含有較高水分含量的褐煤，對褐煤中含水量變化的適應(yīng)能力也較好。但是，由于風(fēng)扇磨煤機(jī)打擊輪壽命短、高溫爐煙管易結(jié)渣和易泄漏等問題導(dǎo)致風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)可靠性不高且維護(hù)檢修工作量大。

中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)可靠性相對較高，但是其干燥出力受空氣預(yù)熱器出口一次風(fēng)溫的限制，在不增加熱一次風(fēng)輔助加熱裝置的情況下，干燥出力很難有較大幅度的提升。

鑒于風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)可靠性較低且維護(hù)工作量大，運(yùn)行時(shí)經(jīng)常面臨“缺角”燃燒、爐內(nèi)煙溫偏差大等一系列問題[12]，其適應(yīng)高參數(shù)機(jī)組的能力較差，國內(nèi)超超臨界褐煤鍋爐選型時(shí)盡可能采用中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)。

針對燃用褐煤采用中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)干燥出力不足的問題，筆者介紹了三種提高干燥出力的方法，即提高空氣預(yù)熱器入口煙溫增加空氣預(yù)熱器換熱面積(方法一)、串聯(lián)熱一次風(fēng)再熱管式空氣預(yù)熱器(方法二)及熱一次風(fēng)蒸汽加熱系統(tǒng)(方法三)，分析其系統(tǒng)特征、運(yùn)行情況及存在的問題，并進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)比較。

1 方法一

提高制粉系統(tǒng)干燥出力最直接的方法是提高進(jìn)入制粉系統(tǒng)做干燥介質(zhì)用的熱一次風(fēng)溫，即提高空氣預(yù)熱器出口一次風(fēng)溫。最常用的方法是盡量提高空氣預(yù)熱器入口煙溫，增加空氣預(yù)熱器換熱面積，且采用正轉(zhuǎn)方式，目前已經(jīng)投運(yùn)的內(nèi)蒙古上都電廠(簡稱上都)三期2臺660 MW超臨界發(fā)電機(jī)組、內(nèi)蒙古國華呼倫貝爾發(fā)電有限公司2臺660 MW超臨界發(fā)電機(jī)組等機(jī)組均采用該方法。

空氣預(yù)熱器出口熱一次風(fēng)溫的高低主要取決于其入口的煙溫，一般空氣預(yù)熱器蓄熱元件采用碳鋼材料，考慮材料的使用溫度和脫硝催化劑活性溫度限制，空氣預(yù)熱器入口煙溫一般設(shè)計(jì)在420 ℃以下?？諝忸A(yù)熱器入口煙溫接近420 ℃且換熱面積足夠時(shí)，熱一次風(fēng)溫可達(dá)到400 ℃。某660 MW超臨界褐煤機(jī)組采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，磨煤機(jī)型號為MPS212HP-II，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

采用該方法可滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求，但是存在以下缺點(diǎn)：

(1) 空氣預(yù)熱器入口煙溫設(shè)計(jì)值達(dá)到416 ℃，空氣預(yù)熱器需要承受如此高的煙溫，設(shè)計(jì)難度和成本增加；且由于煤種變化和設(shè)計(jì)誤差，易導(dǎo)致空氣預(yù)熱器入口煙溫超過設(shè)計(jì)值，造成脫硝催化劑和空氣預(yù)熱器超溫。

(2) 按400 ℃以上煙溫設(shè)計(jì)時(shí)，脫硝裝置須采用高溫催化劑，增加了電廠的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

(3) 提高空氣預(yù)熱器入口煙溫將導(dǎo)致排煙溫度升高，鍋爐效率降低，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低。為保證機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性，空氣預(yù)熱器入口煙溫按420 ℃左右設(shè)計(jì)后不宜進(jìn)一步提高，限制了一次風(fēng)溫的調(diào)節(jié)范圍，對運(yùn)行條件波動(dòng)的適應(yīng)性不高。機(jī)組投運(yùn)后空氣預(yù)熱器性能逐年降低，或由于沾污和堵塞等原因，傳熱效率下降，空氣預(yù)熱器出口一次風(fēng)溫隨運(yùn)行時(shí)間增加而下降，難以長期穩(wěn)定在400 ℃以上，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)干燥出力達(dá)不到設(shè)計(jì)值。

2 方法二

方法二是在常規(guī)單級回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器熱一次風(fēng)出口再布置一級管式空氣預(yù)熱器。從鍋爐后豎井旁路抽取一部分煙氣加熱熱一次風(fēng)，使熱一次風(fēng)溫滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求，其布置示意圖見圖1。國內(nèi)上都二期660 MW亞臨界褐煤鍋爐采用該方法。

圖1 串聯(lián)二級管式空氣預(yù)熱器示意

從運(yùn)行情況來看，方法二可提高進(jìn)入制粉系統(tǒng)的熱一次風(fēng)溫，提高制粉系統(tǒng)干燥出力，同時(shí)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器入口煙溫和鍋爐排煙溫度降低，機(jī)組效率提高。

方法二存在以下缺點(diǎn)：

(1) 空氣的流程較長，風(fēng)側(cè)的阻力增加。熱一次風(fēng)再熱管式空氣預(yù)熱器布置在脫硝裝置之前，標(biāo)高位置與省煤器相當(dāng)，回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器出口熱一次風(fēng)需要向上引到管式空氣預(yù)熱器，加熱后再向下引到熱一次風(fēng)母管，因此風(fēng)側(cè)阻力除增加管式空氣預(yù)熱器本體的阻力外，熱一次風(fēng)道的阻力也將大幅增加。

(2) 熱一次風(fēng)再熱管式空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)溫度較高，設(shè)備投資成本高。為了獲得足夠的傳熱溫壓，管式空氣預(yù)熱器入口煙氣引自省煤器入口(煙溫約為500 ℃)，因此管式空氣預(yù)熱器將采用合金鋼材料，相對于常規(guī)采用碳鋼材料的管式空氣預(yù)熱器，其成本大幅提高。同時(shí)，由于熱一次風(fēng)再熱管式空氣預(yù)熱器冷熱工質(zhì)之間溫壓低、傳熱效率低，其換熱面積大，金屬耗量高，成本較高。

(3) 熱一次風(fēng)再熱管式空氣預(yù)熱器體積較大，布置困難。管式空氣預(yù)熱器屬于氣氣換熱器，傳熱系數(shù)不高，如果需要獲得足夠的熱一次風(fēng)溫，則須要布置較多的受熱面積；加上褐煤鍋爐一次風(fēng)率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))一般在35%以上，一次風(fēng)量較大，遠(yuǎn)高于煙煤鍋爐的一次風(fēng)率。經(jīng)初步計(jì)算，對于600 MW等級的褐煤鍋爐，采用臥式布置的管式空氣預(yù)熱器，如果要達(dá)到40 K的空氣溫升，管箱截面尺寸應(yīng)大于5 m×26 m，同時(shí)管子長度需要6 m，即管式空氣預(yù)熱器管箱占5 m×26 m×6 m空間。這是大型褐煤鍋爐基本不采用方法二的重要原因。

基于以上原因，上都二期600 MW亞臨界褐煤鍋爐采用了方法二后，上都三期超臨界褐煤鍋爐并未采用該方法。

3 方法三

方法三是在熱一次風(fēng)道上布置蒸汽加熱器，利用蒸汽進(jìn)一步加熱空氣預(yù)熱器出口的熱一次風(fēng)，使熱一次風(fēng)溫進(jìn)一步升高并滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求，系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 熱一次風(fēng)蒸汽加熱系統(tǒng)流程

為了使熱一次風(fēng)加熱到足夠的溫度，需要提供與之對應(yīng)溫度和流量的蒸汽作為熱端介質(zhì)，雖然鍋爐內(nèi)部可提供高溫的過熱蒸汽或再熱蒸汽，但鍋爐設(shè)計(jì)難度較大，系統(tǒng)變負(fù)荷工況難以協(xié)調(diào)。

通過對汽輪機(jī)熱平衡圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)3號抽汽溫度較高，且抽汽量較大，能夠滿足熱一次風(fēng)蒸汽加熱器對蒸汽參數(shù)的要求。

某660 MW空冷超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)高壓加熱器(簡稱高加)系統(tǒng)抽汽參數(shù)見表2。從表2可以看出：3號抽汽溫度較高(在BMCR工況達(dá)到519.2 ℃)，同時(shí)抽汽量較大，完全具備將熱一次風(fēng)加熱至410 ℃以上的能力；且在中低負(fù)荷工況時(shí)蒸汽仍然維持較高溫度，具備將熱一次風(fēng)加熱到足夠溫度的能力。

表2 某項(xiàng)目汽輪機(jī)高加系統(tǒng)抽汽參數(shù)

注：1)TMCR為汽輪機(jī)最大連續(xù)功率；2)THA為汽輪機(jī)熱耗率驗(yàn)收。

利用汽輪機(jī)3號抽汽，加熱回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器出口的熱一次風(fēng)，使空氣預(yù)熱器出口熱一次風(fēng)溫(約350 ℃)提升至400 ℃以上，滿足制粉系統(tǒng)干燥出力的要求，放熱后的3號抽汽再次回到汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，進(jìn)入蒸汽冷卻器(或者直接進(jìn)入3號高加)[13-14]。在BMCR工況下，方法一和方法三的相關(guān)參數(shù)對比見表3。

表3 方法一和方法三的溫度參數(shù)對比

采用方法三時(shí)空氣預(yù)熱器和脫硝反應(yīng)器入口設(shè)計(jì)溫度可以按常規(guī)煤種(380 ℃)設(shè)計(jì)，與方法一(420 ℃)相比，脫硝裝置不需要采用高溫催化劑，脫硝系統(tǒng)投資及運(yùn)行成本降低；同時(shí)空氣預(yù)熱器入口煙溫降低，排煙溫度可降低11 K，鍋爐效率可相應(yīng)提升0.55百分點(diǎn)左右。

汽輪機(jī)3號抽汽溫度在低負(fù)荷時(shí)仍處在較高的水平，因此在低負(fù)荷時(shí)也能使熱一次風(fēng)加熱到足夠溫度。各工況下風(fēng)溫及調(diào)溫風(fēng)(冷風(fēng))質(zhì)量分?jǐn)?shù)見圖3(TRL為汽輪機(jī)額定功率)。由圖3可以看出：在40%THA工況下，冷風(fēng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍達(dá)到8%以上，說明熱一次風(fēng)蒸汽加熱器出口風(fēng)溫在各負(fù)荷下均滿足制粉系統(tǒng)干燥出力要求。

圖3 各工況風(fēng)溫及冷風(fēng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

熱一次風(fēng)蒸汽加熱器汽源采用了汽輪機(jī)3號抽汽，且加熱器僅利用了3號抽汽的部分高溫?zé)崃浚c原汽輪機(jī)系統(tǒng)布置的蒸汽冷卻器作用一致，因此采用熱一次風(fēng)蒸汽加熱器相當(dāng)于代替了蒸汽冷卻器的作用。同時(shí)利用原系統(tǒng)中3號蒸汽管路，汽輪機(jī)也不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)開孔。因此，采用方法三對整個(gè)機(jī)組熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響較小。

方法二和方法三均是對熱一次風(fēng)進(jìn)行了再次加熱，不同之處在于方法三采用蒸汽加熱，而方法二采用煙氣加熱。蒸汽加熱空氣相比煙氣加熱空氣，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，其傳熱系數(shù)高、換熱器體積小、布置方便，還可以采用擴(kuò)展受熱面換熱管進(jìn)一步縮小換熱器體積，成功解決了串聯(lián)管式空氣預(yù)熱器體積較大、布置困難的問題。熱一次風(fēng)蒸汽加熱器布置示意圖見圖4，換熱器可直接布置在熱一次風(fēng)道上，還具有風(fēng)道布置簡單、一次風(fēng)阻力增加小等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 蒸汽加熱器布置

熱一次風(fēng)蒸汽加熱器本身與常規(guī)暖風(fēng)器一樣是一種應(yīng)用成熟的換熱器，且與空氣進(jìn)行熱交換，換熱器基本無磨損和堵灰的問題；同時(shí)，溫度也達(dá)到350 ℃以上，不會(huì)產(chǎn)生低溫腐蝕。因此，該方法的蒸汽加熱器本身是一種成熟的方法，具有較高的可靠性和安全性。

由于該方法在熱一次風(fēng)管路上布置了熱一次風(fēng)蒸汽換熱器，熱一次風(fēng)阻力將增加0.5～1.0 kPa，熱一次風(fēng)機(jī)壓力增加，而相同條件下方法二的系統(tǒng)阻力增加約1.5 kPa，方法三具有明顯優(yōu)勢。

4 三種方法優(yōu)缺點(diǎn)對比

三種方法優(yōu)缺點(diǎn)對比見表4。三種提高褐煤鍋爐制粉系統(tǒng)干燥出力的方法均可滿足制粉系統(tǒng)出力的要求，但方法三更具有工程實(shí)施性，優(yōu)勢更大。

表4 三種方法優(yōu)缺點(diǎn)對比

表5為基于該660 MW超超臨界鍋爐測算的三種方法的對比數(shù)據(jù)，鍋爐效率為BRL工況時(shí)的計(jì)算效率，空氣阻力為回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器一次風(fēng)阻力和熱一次風(fēng)加熱器及增加風(fēng)道的阻力之和，鍋爐投資不含脫硝系統(tǒng)投資。由表5可以看出：方法三僅需要增加機(jī)組少量的投資，即可達(dá)到更高的鍋爐效率，在三種方法中屬于最佳的方法。

表5 三種方法對比

5 結(jié)語

對比三種提高褐煤鍋爐制粉系統(tǒng)干燥出力的方法，方法三具有系統(tǒng)簡單、增加成本低、效果明顯、工程實(shí)施難度小、對機(jī)組系統(tǒng)影響小、提升鍋爐效率明顯等特點(diǎn)。該方法已經(jīng)在華潤五間房電廠和內(nèi)蒙古大唐錫林浩特電廠的660 MW超超臨界褐煤機(jī)組中采用。除在新建工程中使用外，方法三還可以應(yīng)用到改造項(xiàng)目中，更適合應(yīng)用于需要提升中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)干燥出力的高參數(shù)褐煤鍋爐機(jī)組。