褐煤鍋爐中速磨熱平衡計(jì)算若干問題的探討

王 巍，彭紅文，李少華，侯全輝，劉 闖

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

0 引言

由于褐煤水分高、熱值低，褐煤鍋爐能否采用中速磨煤機(jī)(以下簡稱“中速磨”)直吹式制粉系統(tǒng)往往取決于中速磨制粉系統(tǒng)的干燥能力，而中速磨制粉系統(tǒng)的干燥能力計(jì)算也可稱之為制粉系統(tǒng)熱力計(jì)算。不管是哪種形式的中速磨，制粉系統(tǒng)熱力計(jì)算的基本原則和算法都是一致的，均遵循系統(tǒng)帶入熱量與帶出熱量相當(dāng)?shù)臒崞胶庠瓌t。

目前，國內(nèi)中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算的主要依據(jù)是DL/T 5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》，以下簡稱《粉規(guī)2012》)[1]。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)給出了系統(tǒng)各項(xiàng)輸入和輸出熱量的計(jì)算方法、關(guān)鍵參數(shù)的選取方法。但對(duì)于褐煤鍋爐中速磨制粉系統(tǒng)，煤粉水分和磨煤機(jī)出口溫度選取、系統(tǒng)散熱損失、原煤溫度及計(jì)入解凍熱等在標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的過程中仍存在取值和計(jì)算等值得商榷的問題，由此可能產(chǎn)生較大的計(jì)算偏差，進(jìn)而影響制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型。

本文通過對(duì)比、分析，探討標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于褐煤鍋爐中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算的部分參數(shù)選取、熱量計(jì)算原則等，并提出合理性建議。

1 煤粉水分選取

對(duì)于褐煤鍋爐中速磨制粉系統(tǒng)熱力計(jì)算，煤粉水分的取值至關(guān)重要。不同國家對(duì)煤粉水分計(jì)算與取值的經(jīng)驗(yàn)方法都有所不同。

我國對(duì)于煤粉水分的取值依據(jù)《粉規(guī)2012》第3.6.2 條，煤粉水分與設(shè)備終端溫度以及原煤水分有關(guān)，具體數(shù)值應(yīng)按圖1(《粉規(guī)2012》圖3.6.2(b))選取。

圖1 直吹式和中間倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)中熱空氣干燥時(shí)磨制褐煤煤粉水分取值圖

《粉規(guī)2012》條文說明中解釋“該圖引用前蘇聯(lián)1971 年版制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)我國實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以核對(duì)、補(bǔ)充和修改”。該圖在原煤水分不高于40%時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。在原煤水分高于40%時(shí)并無試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，與《粉規(guī)2012》附錄表B.5(MPS-HP-Ⅱ型中速磨煤機(jī)的煤粉水分與原煤水分和磨煤機(jī)出口溫度的關(guān)系)相比，存在煤粉水分取值偏高的問題。

文獻(xiàn)[2]中則提出，對(duì)中速磨按0.5 ～1 倍的空氣干燥基水分來選取褐煤煤粉水分，因?yàn)橹兴倌ツブ频拿悍奂?xì)度R90通常取35%，相比風(fēng)扇磨來說，煤粉細(xì)度較小，煤粉水分可按空氣干燥基水分選取。

美國A 公司對(duì)于高水分褐煤，煤粉水分按原煤水分的一半選取。我國上海某廠家X 引進(jìn)A 公司的HP 型中速磨也按此進(jìn)行選取。

前蘇聯(lián)1958 年煤粉制備設(shè)計(jì)和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定褐煤的煤粉水分不應(yīng)低于空氣干燥基水分，但不應(yīng)超過空氣干燥劑水分+8%[3-4]。

德國S 公司對(duì)于煤粉水分可選取：Mpc≤Mad+4[(Mar-Mad)/Mad]或略大于空氣干燥基水分Mad。

德國E 公司認(rèn)為煤粉水分與原煤水分、磨煤機(jī)出力、磨煤機(jī)出口介質(zhì)溫度和煤粉細(xì)度等因素有關(guān)，推薦通過試磨來提供較為準(zhǔn)確的煤粉水分?jǐn)?shù)據(jù)。

德國B 公司對(duì)于煤粉水分按《粉規(guī)2012》附錄表B.5 取值。我國長春某廠家Y 引進(jìn)B 公司的MPS-HP-II 型中速磨也按此表對(duì)煤粉水分進(jìn)行取值。

表1 為上述煤粉水分計(jì)算方法計(jì)算數(shù)據(jù)與三個(gè)工程中的中速磨性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表。表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為三個(gè)工程中速磨所采用的煤種和部分試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。

表1 煤粉水分計(jì)算值與中速磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

從表1 來看，文獻(xiàn)[2]、美國A 公司對(duì)煤粉水分的計(jì)算并沒有反映出煤粉水分與磨煤機(jī)出口溫度的關(guān)系，只有個(gè)別計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為接近，大部分偏差較大。前蘇聯(lián)1958 版標(biāo)準(zhǔn)和德國S 公司對(duì)煤粉水分的計(jì)算取值為一較大范圍，且部分計(jì)算的取值范圍并沒有涵蓋試驗(yàn)數(shù)據(jù)，適用性和執(zhí)行性較差。《粉規(guī)2012》圖3.6.2(b)和德國B 公司的計(jì)算數(shù)據(jù)較好地反映了煤粉水分與分離器出口溫度以及全水分的關(guān)系，計(jì)算數(shù)據(jù)趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，但不同程度地與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在偏差，當(dāng)煤粉細(xì)度R90較小(小于20%)時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)大于試驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)煤粉細(xì)度R90 較大(大于30%)時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)略小于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，磨煤機(jī)出口溫度約65 ℃，計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最接近；磨煤機(jī)出口溫度約60 ℃，計(jì)算數(shù)據(jù)低于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由以上對(duì)比可以看出，煤粉水分為多因素影響的煤粉固有特性，其與原煤特性(全水分)、煤粉溫度、煤粉細(xì)度等因素均相關(guān)，這一結(jié)論與《粉規(guī)2012》中相關(guān)條文說明是一致的。對(duì)于褐煤鍋爐中速磨制粉系統(tǒng)熱力計(jì)算，當(dāng)R90取35%，收到基全水分低于40%時(shí)，煤粉水分可按《粉規(guī)2012》圖3.6.2(b)和德國B 公司經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取；當(dāng)收到基全水分高于40%時(shí)，煤粉水分可按德國B 公司經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取。當(dāng)R90取值更大、磨煤機(jī)出口溫度取值較低時(shí)，煤粉水分可適當(dāng)提高。

2 磨煤機(jī)出口溫度

在不影響設(shè)備本體正常工作且滿足防爆條件要求的情況下，磨煤機(jī)出口溫度t2越高越好。褐煤由于干燥無灰基揮發(fā)分高(通常大于40%)，磨煤機(jī)出口溫度t2要求較低。根據(jù)《粉規(guī)2012》第5.3.6 條規(guī)定：“對(duì)于中速磨煤機(jī)直吹式系統(tǒng)，當(dāng)Vdaf≥40%時(shí)，磨煤機(jī)(分離器)出口最高允許溫度tM2=t2=60 ～70 ℃，同時(shí)t2應(yīng)高于露點(diǎn)tdp，且不能低于60 ℃，磨煤機(jī)(分離器)出口最低溫度t2min=tdp+2 ℃”。

上海某廠家X 和長春某廠家Y 則認(rèn)為磨煤機(jī)出口最低溫度不應(yīng)低于t2min=tdp+5 ℃；而北京某廠家Z 認(rèn)為滿足《粉規(guī)2012》的t2min=tdp+2 ℃要求即可。

由于褐煤水分較高，在中速磨磨制褐煤后的出口干燥劑中含濕量較大，其水露點(diǎn)較高，一般在53 ～58 ℃之間。因此按上海某廠家X和長春某廠家Y 的經(jīng)驗(yàn)，t2應(yīng)取值60 ～65 ℃；而根據(jù)北京某廠家Z經(jīng)驗(yàn)，t2一般取值60 ℃即可。

從多個(gè)褐煤電廠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，磨煤機(jī)出口溫度多在55 ～60 ℃之間，不同程度地低于磨煤機(jī)出口設(shè)計(jì)溫度。但在該運(yùn)行溫度下，并未出現(xiàn)堵磨、堵管的現(xiàn)象。因此，當(dāng)原煤水分較高、且制粉系統(tǒng)干燥能力受限時(shí)，磨煤機(jī)出口溫度可按《粉規(guī)2012》相關(guān)規(guī)定的取值范圍下限選??；原煤水分較低或制粉系統(tǒng)干燥能力足夠時(shí)，磨煤機(jī)出口溫度可適當(dāng)提高。

3 系統(tǒng)散熱損失

根據(jù)《粉規(guī)2012》第5.3.2 條規(guī)定，對(duì)于中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，系統(tǒng)散熱損失為帶入總熱量的2%。從條文說明來看，2%的散熱損失量已包括干燥介質(zhì)抽出點(diǎn)至磨煤機(jī)前的溫降，且該版標(biāo)準(zhǔn)已刪除2002 版標(biāo)準(zhǔn)第6.4 條“組成干燥劑的氣體在起始計(jì)算斷面處的溫度宜比抽出點(diǎn)的溫度低5 ～10 ℃，大容量機(jī)組取下限”的要求。因此當(dāng)系統(tǒng)散熱損失取總熱量的2%時(shí)，組成干燥劑的氣體在起始計(jì)算斷面處的溫度相比抽出點(diǎn)的溫度，無需低5 ～10 ℃。

此外，散熱損失與制粉系統(tǒng)的保溫與電廠管理水平有密切關(guān)系，我國目前新建燃煤電站的設(shè)備及管道保溫水平和運(yùn)行管理水平均已大幅提升，系統(tǒng)散熱量已明顯減少。中速磨直吹式制粉系統(tǒng)的散熱損失主要包括熱風(fēng)管道散熱q5,ha和磨煤機(jī)設(shè)備散熱q5,cm，可分別按式(1)和式(2)計(jì)算：

式中：[q5]為設(shè)備和管道保溫外表面散熱損失，W/m2；Aha為熱風(fēng)抽出點(diǎn)處至磨煤機(jī)的熱風(fēng)管道散熱面積，m2；Acm為磨煤機(jī)本體的散熱面積，m2。

根據(jù)DL/T 5072-2019《 發(fā)電廠保溫油漆 設(shè) 計(jì) 規(guī) 程》[5]， 按[q5] = 52 W/m2，Aha取6 000 m2，Acm取200 m2( 單 臺(tái) 磨)， 初 步 計(jì)算，q5,ha約310 kW，約占系統(tǒng)總帶入熱量的0.3%～0.5%(褐煤機(jī)組制粉系統(tǒng)總帶入熱量普遍在60 ～100 MW)，干燥介質(zhì)抽出點(diǎn)至磨煤機(jī)前的溫降約2 ℃，與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相吻合。每臺(tái)磨煤機(jī)散熱約10 kW，全部運(yùn)行磨散熱占系統(tǒng)總帶入熱量不到0.1%?？梢?，隨著設(shè)備和管道保溫水平的提升，系統(tǒng)散熱損失和管道溫降均有大幅下降。建議國內(nèi)新建電廠的制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算中系統(tǒng)散熱損失可按式(1)和式(2)分別計(jì)算，也可按照系統(tǒng)輸入熱量的0.4%～0.6%簡化取值。

4 原煤溫度和解凍熱

《粉規(guī)2012》第5.3.2 條對(duì)原煤溫度規(guī)定：“對(duì)Mar≥(Qnet,ar/0.65)%(Qnet,ar的單位MJ/kg)的高水分燃料trc=20 ℃，對(duì)其他燃料trc=0 ℃”。而前蘇聯(lián)1958 年煤粉制備設(shè)計(jì)和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“原煤溫度通常取零度”[6]。可見，我國標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)高水分的煤，將環(huán)境溫度作為原煤溫度；對(duì)于低水分的煤，我國標(biāo)準(zhǔn)與前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)一致，均取零度為原煤溫度。在工程應(yīng)用中，認(rèn)為該取值已具有足夠的精度。但進(jìn)入系統(tǒng)的原煤溫度是客觀存在的，隨著進(jìn)入系統(tǒng)前的環(huán)境溫度變化而變化，與水分的高低并沒有直接的關(guān)系。對(duì)于中速磨制粉系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，原煤溫度的取值應(yīng)與鍋爐選型設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)溫度相一致。目前，國內(nèi)各大鍋爐廠關(guān)于鍋爐選型設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)溫度均取20 ℃，因此，建議中速磨制粉系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)溫度取20 ℃。

對(duì)于最低日平均溫度高于0 ℃的電廠，建議將原煤溫度按最低日平均溫度作為中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算校核工況。

《粉規(guī)2012》第5.3.2 條規(guī)定：“最低日平均溫度在零度以下又無解凍庫時(shí)需考慮原煤解凍熱”。但標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確將此工況作為設(shè)計(jì)工況還是校核工況。對(duì)于高水分褐煤，原煤解凍熱需求較大，約占系統(tǒng)總輸入熱量的10%～15%。因此當(dāng)最低日均溫度低于0 ℃時(shí)，建議電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)置和運(yùn)行充分考慮原煤解凍的需要，并按0 ℃且考慮解凍熱作為中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算校核工況。

5 結(jié)論和建議

1)對(duì)于磨制褐煤的中速磨直吹制粉系統(tǒng)，當(dāng)R90取35%、收到基全水分低于40%時(shí)，煤粉水分可按《粉規(guī)2012》(圖3.6.2(b))和德國B公司標(biāo)準(zhǔn)(即《粉規(guī)2012》的附錄表B.5)進(jìn)行選取；當(dāng)收到基全水分高于40%時(shí)，煤粉水分可按德國B 公司標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取。當(dāng)R90取值更大、磨煤機(jī)出口溫度取值較低時(shí)，可與磨煤機(jī)廠配合適當(dāng)提高煤粉水分。

2)當(dāng)原煤水分較高、且制粉系統(tǒng)干燥能力受限時(shí)，磨煤機(jī)出口溫度可按《粉規(guī)2012》相關(guān)規(guī)定的取值范圍下限選?。辉核州^低或制粉系統(tǒng)干燥能力足夠時(shí)，磨煤機(jī)出口溫度可適當(dāng)提高。

3)對(duì)于中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算中散熱損失，可按熱風(fēng)介質(zhì)管道散熱和磨煤機(jī)散熱分別計(jì)算，也可按照系統(tǒng)輸入熱量的0.4%～0.6%簡化取值。

4)中速磨制粉系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)溫度取20 ℃。對(duì)于最低日平均溫度高于0 ℃的電廠，建議將原煤溫度按最低日平均溫度作為中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算校核工況。當(dāng)最低日均溫度低于0 ℃時(shí)，建議電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)置和運(yùn)行充分考慮原煤解凍的需要，并按0 ℃且考慮解凍熱作為中速磨制粉系統(tǒng)熱平衡計(jì)算校核工況。

5)建議進(jìn)一步完善針對(duì)高水分褐煤采用中速磨制粉系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算，合理選取和計(jì)算煤粉水分、磨煤機(jī)出口溫度和系統(tǒng)散熱損失；明確中速磨制粉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況基準(zhǔn)溫度和校核工況。