燃用褐煤鍋爐熱一次風(fēng)加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

田夢(mèng)潔，楊學(xué)權(quán)，劉宇鋼

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 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）

0 引言

由于褐煤的含水量高，為提高制粉系統(tǒng)的干燥出力，褐煤鍋爐一般會(huì)選取較高的一次風(fēng)溫及一次風(fēng)率［1-2］。但是采用較高的一次風(fēng)率會(huì)導(dǎo)致二次風(fēng)量降低，進(jìn)而影響二次風(fēng)剛性及爐膛的空氣動(dòng)力場(chǎng)，導(dǎo)致燃燒效果變差，不完全燃燒熱損失增加［3］。提高熱一次風(fēng)溫，則需要相應(yīng)提高空氣預(yù)熱器入口煙溫，有時(shí)甚至達(dá)420 ℃以上才能滿足制粉系統(tǒng)對(duì)熱風(fēng)溫度的要求，很容易造成空氣預(yù)熱器受熱元件超溫，同時(shí)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［4-6］。這都增加了褐煤鍋爐的設(shè)計(jì)難度。

依托印尼某2×380 MW發(fā)電廠工程實(shí)例，介紹一種優(yōu)化的褐煤鍋爐熱一次風(fēng)加熱系統(tǒng)，并對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。該系統(tǒng)可提高褐煤鍋爐的效率，通過對(duì)煙氣側(cè)的擋板調(diào)節(jié)，也具有一定的干燥出力的適應(yīng)性。

1 工程概況和制粉系統(tǒng)選型分析

1.1 工程概況

2×380 MW 發(fā)電廠工程采用前后墻對(duì)沖燃燒超臨界鍋爐，每臺(tái)鍋爐配2 臺(tái)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器、5 套中速磨煤機(jī)、冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，4 臺(tái)運(yùn)行1 臺(tái)備用；燃用校核煤種時(shí)，5臺(tái)運(yùn)行。

鍋爐燃用水分高、揮發(fā)分高、灰熔點(diǎn)低、熱值低的褐煤。煤種參數(shù)見表1。

表1 煤質(zhì)參數(shù)

1.2 制粉系統(tǒng)選型分析

DL/T 466—2017《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》的9.2.4條，根據(jù)褐煤水分的高低推薦采用不同的制粉系統(tǒng)：“當(dāng)磨制褐煤的磨損指數(shù)Ke＜3.5、且煤的收到基全水分w（Mar）≥35%時(shí)，宜選用風(fēng)扇磨煤機(jī)爐煙干燥直吹式系統(tǒng)；當(dāng)磨制褐煤的全水分30%≤w（Mar）≤35%時(shí)，可根據(jù)情況選用中速磨煤機(jī)直吹式系統(tǒng)或風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)；當(dāng)磨制褐煤的全水分w（Mar）＜30%時(shí)，宜選用中速磨煤機(jī)直吹式系統(tǒng)”［7］。

上述兩種制粉系統(tǒng)各具特點(diǎn)：中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、操作方便、控制較靈活、檢修工作量相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)［8］。但其干燥介質(zhì)為熱風(fēng)，受到磨煤機(jī)通風(fēng)能力、磨煤機(jī)允許溫度（60～70 ℃）等條件的制約［9］，干燥能力不如風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)。風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)可以采用高溫爐煙、熱風(fēng)和冷爐煙或冷風(fēng)作為干燥介質(zhì)，磨煤機(jī)入口混合溫度可達(dá)550 ℃以上［10］。采用高溫爐煙調(diào)節(jié)干燥出力時(shí)，一次風(fēng)率保持在20%～25%即可滿足鍋爐燃燒的要求。但風(fēng)扇磨煤機(jī)的研磨件壽命僅為800～3 000 h，遠(yuǎn)低于中速磨的4 000～15 000 h，打擊輪壽命短導(dǎo)致其可靠性不高且維護(hù)檢修工作量大［11］。經(jīng)綜合考慮，本鍋爐采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)。

2 熱一次風(fēng)加熱系統(tǒng)優(yōu)化方案

根據(jù)工程和磨煤機(jī)型號(hào)選取情況，制粉系統(tǒng)數(shù)據(jù)見表2。由表2 可以看出，設(shè)計(jì)煤的磨煤機(jī)入口熱風(fēng)溫度需要達(dá)到389 ℃，校核煤需要達(dá)到400 ℃。如果采用常規(guī)一次風(fēng)系統(tǒng)，為滿足校核煤的制粉系統(tǒng)干燥出力，空預(yù)器設(shè)計(jì)難度及成本較高，且鍋爐效率低。若是配置脫硝系統(tǒng)，還需采用寬溫催化劑，增加投資。為解決上述難點(diǎn)，需對(duì)一次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，本工程采用增加一節(jié)管箱式預(yù)熱器的方法，延展一次風(fēng)加熱面積，提高進(jìn)磨煤機(jī)的一次風(fēng)溫。

表2 制粉系統(tǒng)數(shù)據(jù)（BMCR工況）

從鍋爐尾部煙道引出部分煙氣，在旁路煙道布置熱一次風(fēng)加熱系統(tǒng)（即管式空預(yù)器），并用擋板調(diào)節(jié)，進(jìn)一步加熱回轉(zhuǎn)式空預(yù)器出口一次風(fēng)。預(yù)熱器入口煙溫按常規(guī)煙煤設(shè)計(jì)，可降低排煙溫度，提高鍋爐效率。本工程熱一次風(fēng)加熱系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 串聯(lián)管式空預(yù)器布置

熱一次風(fēng)加熱系統(tǒng)（即管式空預(yù)器）布置在尾部豎井后或是左右兩側(cè)，煙氣從后煙道上級(jí)省煤器出口引出，煙氣通過管式空預(yù)器后進(jìn)入回轉(zhuǎn)式空預(yù)器進(jìn)口煙道與主煙氣匯合后進(jìn)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器；經(jīng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器加熱的一次風(fēng)進(jìn)入管式空預(yù)器進(jìn)一步加熱提高一次熱風(fēng)溫度。在空預(yù)器進(jìn)口另設(shè)置一路冷風(fēng)，作為調(diào)節(jié)進(jìn)磨煤機(jī)的一次風(fēng)，同時(shí)也可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)管式空預(yù)器的煙氣量調(diào)節(jié)控制進(jìn)磨煤機(jī)的風(fēng)溫，達(dá)制粉系統(tǒng)所需的干燥出力。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）工況、鍋爐額定出力（Boiler Rated Load，BRL）工況、各熱耗保證（Turbine Heat Acceptance，THA）工況下的抽煙點(diǎn)煙氣參數(shù)見表3。

表3 抽煙點(diǎn)煙氣參數(shù)

從表3 可以看出，目前選取的抽煙點(diǎn)煙氣溫度BMCR 工況下有500 ℃以上，最低負(fù)荷也有接近400 ℃，經(jīng)計(jì)算滿足將熱一次風(fēng)加熱到制粉系統(tǒng)入磨風(fēng)溫的要求。煙氣旁路加熱熱一次風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 煙氣旁路加熱一次熱風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)

從表4 可以看出，采用旁路煙道加熱一次熱風(fēng)，能將一次風(fēng)溫進(jìn)一步加熱至393 ℃（設(shè)計(jì)煤種，BMCR 工況），在負(fù)荷不同、煤質(zhì)不同時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)旁路煙氣份額來滿足入磨風(fēng)溫的要求。

管式空預(yù)器設(shè)計(jì)為獨(dú)立管箱，為增強(qiáng)換熱，采用螺旋槽管，立式錯(cuò)列2 級(jí)布置，煙氣走管內(nèi)，空氣走管外，如圖2 所示。在管式空預(yù)器進(jìn)口煙道設(shè)置調(diào)節(jié)關(guān)斷擋板，在不同負(fù)荷或是煤質(zhì)變化下可調(diào)節(jié)旁路煙氣量，控制一次風(fēng)的換熱。在熱一次風(fēng)管路串聯(lián)管式預(yù)熱器后，熱一次風(fēng)阻力將增加約600 Pa 的空氣阻力（BMCR工況）。

圖2 換熱器結(jié)構(gòu)

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合分析

3.1 對(duì)機(jī)組和整體系統(tǒng)的影響

3.1.1 對(duì)鍋爐效率及機(jī)組煤耗的影響

采用熱一次風(fēng)煙氣加熱系統(tǒng)，抽取后煙道部分煙氣量后，會(huì)減少通過下組省煤器的煙氣量，下組省煤器出口煙溫降低，主煙道煙氣與旁路煙道煙氣混合后進(jìn)入回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器。BRL 工況下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析如表5 所示。由表5 可以看出，若要滿足制粉系統(tǒng)的要求，達(dá)到同樣的入磨風(fēng)溫，采用常規(guī)的回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器入口煙溫需要提升至410 ℃，排煙溫度增加11 ℃，機(jī)組煤耗會(huì)增加2.07 g/kWh，采用熱一次風(fēng)煙氣加熱系統(tǒng)收益非常明顯。

表5 BRL工況下鍋爐性能參數(shù)對(duì)比

3.1.2 對(duì)煙風(fēng)阻力的影響

由表4 的計(jì)算結(jié)果可以看出，增加熱一次風(fēng)煙氣加熱系統(tǒng)，煙氣側(cè)阻力很小，基本可以忽略不計(jì)，但由于增加了管式預(yù)熱器，會(huì)增加一次風(fēng)管道的阻力，BMCR 工況下管組的換熱器阻力約600 Pa，風(fēng)道阻力約200 Pa，一次風(fēng)機(jī)選型時(shí)，需要考慮增加800 Pa壓頭。

3.1.3 煙氣側(cè)的可調(diào)性

熱一次風(fēng)煙氣加熱系統(tǒng)是在鍋爐后豎井煙道設(shè)置一路煙氣旁路，通過調(diào)節(jié)進(jìn)管式空預(yù)器的煙氣量調(diào)節(jié)控制進(jìn)磨煤機(jī)的風(fēng)溫，達(dá)到制粉系統(tǒng)所需的干燥出力。

本項(xiàng)目為尾部雙煙道設(shè)計(jì)，再熱汽溫主要通過擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，但增加熱一次風(fēng)煙氣加熱系統(tǒng)以后，尾部不僅只是再熱汽溫的調(diào)節(jié)，還需考慮管式空預(yù)器的煙量調(diào)節(jié)。

對(duì)于擋板調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于擋板流量特性以及熱力特性的優(yōu)劣。在擋板結(jié)構(gòu)一定的情況下（擋板特性曲線固定），擋板的開度與擋板縮口尺寸（縮口面積）相關(guān)，擋板縮口面積越小，開度越大。考慮到旁路煙道的影響，將再熱器側(cè)與過熱器側(cè)擋板尺寸適當(dāng)縮小，縮小后設(shè)計(jì)煤與校核煤的擋板開度情況如圖3、圖4所示。

圖3 設(shè)計(jì)煤前后煙道擋板開度

圖4 校核煤前后煙道擋板開度

從上述計(jì)算情況看，設(shè)計(jì)煤和校核煤擋板開度在20%～65%，從高負(fù)荷到低負(fù)荷的范圍內(nèi)，通過擋板調(diào)節(jié)，可以達(dá)到阻力平衡。

對(duì)于過熱器側(cè)來說，考慮旁路之后擋板開度情況如圖5—圖8所示。

圖5 設(shè)計(jì)煤-設(shè)計(jì)工況旁路擋板開度

從圖5、圖6 可以看出，在設(shè)計(jì)工況時(shí)，旁路煙道及過熱器側(cè)擋板開度均在10%～60%之間，擋板調(diào)節(jié)特性仍處于最佳范圍。同時(shí)考慮到其他因素影響，計(jì)算BMCR 工況下入磨風(fēng)溫為420 ℃時(shí)的擋板調(diào)節(jié)能力，低負(fù)荷亦考慮同比提高。圖7、圖8 為旁路煙道能力工況，此時(shí)旁路煙道及過熱器側(cè)擋板開度亦在10%～60%之間。因此，本工程擋板從高負(fù)荷到低負(fù)荷的范圍內(nèi)，通過擋板調(diào)節(jié)，都可以達(dá)到阻力平衡，系統(tǒng)具有較好的可調(diào)性。

圖6 校核煤-設(shè)計(jì)工況旁路擋板開度

圖7 設(shè)計(jì)煤-能力工況旁路擋板開度

圖8 校核煤-能力工況旁路擋板開度

3.1.4 對(duì)干燥出力的適應(yīng)能力

實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)煤種及環(huán)境條件的變化，制粉系統(tǒng)對(duì)干燥出力的要求也有所不同。制粉系統(tǒng)干燥出力主要看入磨風(fēng)溫是否足夠，入磨風(fēng)溫即管式預(yù)熱器出口風(fēng)溫，主要影響包括：

1）管式預(yù)熱器入口風(fēng)溫；

2）抽煙點(diǎn)煙溫的變化。

通過計(jì)算，管式預(yù)熱器入口風(fēng)溫（即回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度）變化時(shí)，抽煙點(diǎn)煙溫不變和降低20 ℃的情況下，不同比例的煙氣旁路下的入磨風(fēng)溫情況如圖9、圖10所示。

圖9 抽煙點(diǎn)煙溫不變，不同旁路份額下入磨風(fēng)溫情況

圖10 抽煙點(diǎn)煙溫降低20 ℃，不同旁路份額下入磨風(fēng)溫情況

從圖9、圖10 可以看出，當(dāng)回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度偏離設(shè)計(jì)值10 ℃，抽煙點(diǎn)煙溫降低20 ℃時(shí)，旁路份額從8%提高至12%即可達(dá)到原入磨風(fēng)溫；當(dāng)回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器出口熱風(fēng)溫度偏離設(shè)計(jì)值20 ℃，抽煙點(diǎn)煙溫降低20 ℃時(shí)，旁路份額從8%提高至14%即可達(dá)到原入磨風(fēng)溫。

因此采用合理的管式預(yù)熱器設(shè)計(jì)方案，即使在煙氣入口溫度與入口熱風(fēng)溫度均降低的情況下，仍然可以通過調(diào)節(jié)煙氣旁路份額，或者是冷風(fēng)旁路份額來確保進(jìn)入磨煤機(jī)風(fēng)溫，適應(yīng)較大的變化范圍。

3.1.5 系統(tǒng)可靠性、安全性

煙氣加熱熱一次風(fēng)系統(tǒng)主要是通過旁路煙道煙氣熱量加熱回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器出口的熱一次風(fēng)，換熱器采用技術(shù)成熟的管式空氣預(yù)熱器，無轉(zhuǎn)動(dòng)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，嚴(yán)密性好，具有較高的可靠性和安全性。

3.2 煙氣旁路加熱熱一次風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1）對(duì)于采用中速磨煤機(jī)的褐煤鍋爐，利用后豎井旁路煙道的管式預(yù)熱器將一次熱風(fēng)溫度再次加熱，獲得足夠的制粉系統(tǒng)干燥出力，可有效提高中速磨對(duì)褐煤鍋爐的適應(yīng)性。

2）采用旁路煙道加熱一次熱風(fēng)方案，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器入口可設(shè)計(jì)較低的煙氣溫度，排煙溫度較低，可有效提高機(jī)組效益。

3）對(duì)于帶脫硝系統(tǒng)的項(xiàng)目，脫硝入口煙溫亦可采用常規(guī)設(shè)計(jì)，無須使用高溫催化劑，可減少投資及運(yùn)行費(fèi)用。

4）無須采用風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)，減少了鍋爐和制粉系統(tǒng)的維護(hù)工作量，提高了設(shè)備可靠性。

5）在煤質(zhì)、負(fù)荷、環(huán)境條件變化時(shí)，熱一次風(fēng)加熱系統(tǒng)可滿足不同運(yùn)行工況下入磨風(fēng)溫的要求，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，使用范圍廣。

4 結(jié)語

針對(duì)燃用褐煤鍋爐制粉系統(tǒng)干燥出力不足的問題，提出在回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器出口串聯(lián)一組管式預(yù)熱器，作為加熱熱一次風(fēng)的補(bǔ)充，提高了褐煤鍋爐與中速磨系統(tǒng)的適配性。該系統(tǒng)在預(yù)熱器入口煙溫、抽煙點(diǎn)煙溫發(fā)生變化時(shí)，可通過調(diào)節(jié)旁路煙道的擋板開度來保證制粉系統(tǒng)所需的入磨風(fēng)溫，當(dāng)煤質(zhì)變化、負(fù)荷變化時(shí)均有一定的適應(yīng)性。采用該系統(tǒng)時(shí)，預(yù)熱器入口煙溫可按燃用煙煤的鍋爐進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低了褐煤鍋爐的排煙溫度，提高了鍋爐效率。