劉學(xué)增,徐國軍,馮軍文

（1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006; 2.華能國際電力股份有限公司大連電廠,遼寧 大連 116100）

某電廠一期2臺(tái)600 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組飛灰可燃物含量一直居高不下,且隨著機(jī)組負(fù)荷的升高,飛灰可燃物含量呈上升趨勢(shì),曾達(dá)20%左右,僅飛灰未完全燃燒熱損失一項(xiàng)就使鍋爐熱效率降低近2個(gè)百分點(diǎn),機(jī)組供電煤耗增加近6 g/kWh。針對(duì)上述問題,從運(yùn)行、管理、設(shè)計(jì)、維護(hù)等方面對(duì)影響鍋爐燃燒的因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析,并根據(jù)分析結(jié)果提出了降低飛灰可燃物含量的建議,供摻燒無煙煤的機(jī)組在經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行方面參考。

1 鍋爐設(shè)備概況

1.1 設(shè)備簡介

鍋爐為超臨界變壓直流本生型,采用一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu),煙氣擋板用于調(diào)節(jié)再熱汽溫,固態(tài)排渣,平衡通風(fēng),露天布置。燃用貧煤、煙煤的混合煤種。

鍋爐過熱器系統(tǒng)受熱面由四部分組成,第一部分為頂棚及后豎井煙道四壁及后豎井分隔墻;第二部分為布置在尾部豎井煙道內(nèi)的水平對(duì)流過熱器;第三部分為位于爐膛上部的屏式過熱器;第四部分為位于折焰角上方的末級(jí)過熱器。過熱器按蒸汽流程分為頂棚過熱器、包墻過熱器/分隔墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器及末級(jí)過熱器。過熱蒸汽溫度通過水/煤比和兩級(jí)噴水減溫控制;再熱汽溫通過布置在低溫再熱器和省煤器后的平行煙氣擋板來調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)煙氣擋板開度的大小來控制流經(jīng)后豎井水平再熱器管束及過熱器管束煙氣量的多少,從而控制再熱蒸汽出口溫度。

爐膛四周為全焊式膜式水冷壁,爐膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁2種不同的結(jié)構(gòu)組成,兩者間由過渡水冷壁轉(zhuǎn)換連接。

鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng),配6臺(tái)磨煤機(jī),1臺(tái)備用。采用前后墻對(duì)沖燃燒方式,24只旋流燃燒器分3層布置在爐膛前后墻上。旋流燃燒器中空氣被分為3股：直流一次風(fēng)、直流二次風(fēng)和旋流三次風(fēng)。燃燒器上部布置有12只燃燼風(fēng)（OFA）風(fēng)口,燃燼風(fēng)包含2股獨(dú)立氣流;中央部位為非旋轉(zhuǎn)氣流,直接穿透爐膛中心;外圈氣流是旋轉(zhuǎn)氣流,用于和靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進(jìn)行混合。

1.2 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 設(shè)計(jì)燃料特性（見表2）

表2 設(shè)計(jì)燃料特性

2 飛灰可燃物含量高原因分析

一般情況下,飛灰可燃物含量的高低與鍋爐燃煤特性、配風(fēng)情況、煤粉細(xì)度、鍋爐主輔設(shè)備是否存在缺陷等有關(guān)。經(jīng)過多次試驗(yàn)分析確認(rèn),鍋爐摻燒揮發(fā)分含量較低的無煙煤是飛灰可燃物含量高的主要原因。

圖1是該廠1號(hào)爐不同負(fù)荷下鍋爐飛灰可燃物含量的柱狀趨勢(shì)圖,由圖1可見,飛灰可燃物含量高達(dá)7%～10%,且隨著負(fù)荷升高,飛灰可燃物含量也隨之升高,機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)飛灰可燃物含量最高。以下就影響飛灰可燃物含量的主要因素進(jìn)行分析。

圖1 飛灰可燃物含量與負(fù)荷變化關(guān)系柱狀圖

2.1 鍋爐燃煤特性對(duì)飛灰可燃物含量的影響

鍋爐設(shè)計(jì)燃用貧煤、煙煤的混合煤種,但機(jī)組投運(yùn)后,一直燃用10余種混煤,其中包含無煙煤,其特點(diǎn)是碳化程度高,揮發(fā)分含量不足10%,揮發(fā)分析出溫度高（500～700℃）,著火困難。

為保證鍋爐燃燒穩(wěn)定,下層燃燒器配煤揮發(fā)分較高,中層燃燒器配煤揮發(fā)分次之,上層燃燒器燃用揮發(fā)分最低的無煙煤。機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),一般采用中、下兩層燃燒器運(yùn)行方式;高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),采用上、中、下三層燃燒器運(yùn)行方式,即為圖1中低負(fù)荷時(shí)飛灰可燃物含量相對(duì)低,高負(fù)荷時(shí)飛灰可燃物含量偏高的原因,均為燃用無煙煤所致。上層燃燒器燃煤量所占比例越大,飛灰可燃物含量越高。

飛灰可燃物含量的高低是由煤粉的燃燼程度決定的,與煤化程度、煤的組分、巖相結(jié)構(gòu)、礦物組分及研磨細(xì)度有關(guān),還與爐內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)和熱動(dòng)力因素有關(guān),爐內(nèi)停留時(shí)間和爐膛壓力對(duì)其也有一定作用。國內(nèi)常用Vdaf來判別煤粉的燃燼程度,但該指標(biāo)未考慮不同煤粉細(xì)度對(duì)煤粉燃燼程度的影響,因此在同一條件下,采用Vdaf來判別褐煤和煙煤的煤粉燃燼程度不適宜。美國和日本常用燃料比R作為判別可燃性的指標(biāo),比單純用揮發(fā)分作判別分辨率更高。

式中 Cgd——固定碳,%;

V——揮發(fā)分,%（Cgd和V是同一基準(zhǔn)）。

利用燃料比判別燃料的可燃性,有如下關(guān)系：

R＜4（易燃）

R=4～9（中等）

R＞9（難燃）

表3是該電廠和其它電廠所燒煤質(zhì)的燃料比及飛灰可燃物含量表,由表3可見,電廠混煤屬中等燃燒煤,無煙煤屬難燃煤,鐵法煤和神華混煤都屬易燃煤。根據(jù)燃料比,通過圖2飛灰可燃物含量與燃料比的關(guān)系曲線可查得,電廠燒混煤其飛灰可燃物含量為10%左右,與目前實(shí)際測(cè)試的飛灰可燃物含量基本一致,表明該廠鍋爐飛灰可燃物含量高主要是燃用無煙煤所致。

2.2 運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)對(duì)飛灰可燃物含量的影響

a.煤粉細(xì)度對(duì)飛灰可燃物含量的影響

適宜的煤粉細(xì)度是鍋爐燃燒、燃燼的必要保證,既能提高機(jī)組的穩(wěn)燃能力,又能使鍋爐高效、清潔燃燒。

表3 部分電廠所燒煤質(zhì)的燃料比

圖2 飛灰可燃物含量與燃料比的關(guān)系

表4是該廠1號(hào)爐各臺(tái)磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度匯總表,由表4可見,6臺(tái)磨的煤粉細(xì)度R75在15%～18%,低于設(shè)計(jì)值20%,即低于200目篩子煤粉通過率是80%這一指標(biāo)。因此,單從設(shè)計(jì)指標(biāo)上看,煤粉細(xì)度并不粗。但機(jī)組自投產(chǎn)以來,鍋爐并未燃用設(shè)計(jì)煤種,而一直燃用當(dāng)?shù)睾推渌貐^(qū)10余種混煤,鍋爐燃煤特性已發(fā)生很大變化,因而煤粉細(xì)度也應(yīng)隨煤質(zhì)特性的變化而改變。

表4 磨煤機(jī)煤粉細(xì)度匯總

根據(jù)《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》（DL/T466—2004）,對(duì)于固態(tài)排渣煤粉爐,燃用無煙煤、貧煤和煙煤時(shí),在無燃燼率指數(shù)BP的分析值時(shí),煤粉細(xì)度按以下公式選?。?/p>

式中 R90——用90μm篩子篩分時(shí)篩上剩余量占煤粉總量的百分比,%;

n——煤粉均勻性指數(shù);

Vdaf——煤的干燥無灰基揮發(fā)分,%。由公式（2）可見,煤粉細(xì)度主要與Vdaf有關(guān)。按照目前Vdaf含量,依據(jù)公式（2）算得電廠混煤的煤粉細(xì)度R90應(yīng)為9%左右（n取1.2）,換算到R75約為14.4%;單燒無煙煤的煤粉細(xì)度R90應(yīng)為5%左右,換算到R75約為9%。由計(jì)算結(jié)果可見,目前2臺(tái)爐燃用混煤所保持的煤粉細(xì)度略粗;而上層燃燒器燃用無煙煤的煤粉細(xì)度則明顯偏粗,上層燃燒器投運(yùn)后飛灰可燃物含量偏高。

由圖2可見,降低煤粉細(xì)度能降低飛灰可燃物含量。若將煤粉細(xì)度R75降到10%以下,飛灰可燃物含量將大幅度降到5%以下,無疑可使鍋爐效率提高1個(gè)百分點(diǎn)以上,這對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是有利的。但是降低煤粉細(xì)度會(huì)降低磨煤機(jī)出力,尤其目前在2臺(tái)爐上層磨煤機(jī)出力不足40 t/h（設(shè)計(jì)56.8 t/h）的情況下,繼續(xù)降低煤粉細(xì)度并不現(xiàn)實(shí)。

b.爐膛出口氧量控制水平對(duì)飛灰可燃物含量的影響

爐膛出口煙氣含氧量是運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo),如果爐膛出口氧量偏小,煤粉燃燒缺氧,燃燒不充分,灰渣可燃物含量高,鍋爐熱效率低;如果爐膛出口氧量過大,不利于煤粉著火和燃燒,增加送、引風(fēng)機(jī)電耗,加速尾部受熱元件磨損,影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

圖3為爐膛出口氧量控制參數(shù)與飛灰可燃物含量的關(guān)系圖。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為470 MW,氧量升至4.2%時(shí),CO含量從300～1 400μL/L降至60μL/ L以下,飛灰可燃物含量相對(duì)偏低,說明鍋爐采用稍高的運(yùn)行氧量時(shí),對(duì)降低飛灰可燃物含量乃至CO含量是有利的。目前鍋爐運(yùn)行氧量要求控制在3.8%（表盤比實(shí)測(cè)偏高0.5個(gè)百分點(diǎn)）,從試驗(yàn)結(jié)果上看略低。

圖3 飛灰可燃物含碳量與氧量關(guān)系柱狀圖

綜上所述,該廠一期2臺(tái)鍋爐飛灰可燃物含量高的原因是摻燒無煙煤,而爐膛出口煙氣含氧量保持偏低又使這一問題更加嚴(yán)重。按《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》規(guī)定,燃用無煙煤,宜采用球磨制粉系統(tǒng)、W型爐,無煙煤的煤粉細(xì)度應(yīng)按公式（2）選取,采用目前的煤粉細(xì)度對(duì)無煙煤偏粗,但降低煤粉細(xì)度又受到磨煤機(jī)出力不足的限制,總體來說,該廠一期2臺(tái)鍋爐不適合摻燒無煙煤。

二期3號(hào)、4號(hào)機(jī)組與一期1號(hào)、2號(hào)機(jī)組除制粉系統(tǒng)不同外,其它方面都是相同的。從設(shè)計(jì)方面比較來看,二期采用雙進(jìn)雙出鋼球磨直吹式制粉系統(tǒng),要比一期采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)更適合摻燒晉城無煙煤,多次對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果也驗(yàn)證了結(jié)論的正確性（在配煤方式相同情況下,二期2臺(tái)機(jī)組可將煤粉細(xì)度R75降至5%以下,仍能保證機(jī)組滿出力運(yùn)行,且飛灰可燃物含量在6%左右）。建議二期2臺(tái)機(jī)組多燃用無煙煤,而一期則少燃用或不燃用該煤種,采用這種配煤方式,可使一期2臺(tái)鍋爐飛灰可燃物含量降低約3個(gè)百分點(diǎn),鍋爐熱效率提高約1個(gè)百分點(diǎn)。

3 磨煤機(jī)出力不足的原因分析

該廠磨煤機(jī)設(shè)計(jì)基本出力為50.9 t/h,最大出力是58.6 t/h,目前1號(hào)、2號(hào)機(jī)組磨煤機(jī)單燒無煙煤其出力不足40 t/h,磨煤機(jī)出力偏低。

式（3）是磨煤機(jī)碾磨出力計(jì)算公式。由式（3）可見,影響磨煤機(jī)出力的因素分別為可磨性指數(shù)、煤粉細(xì)度、原煤水分、原煤灰分、原煤粒度及碾磨件磨損等。表5是磨煤機(jī)出力與其修正系數(shù)匯總表。表5中,可磨性系數(shù)為80的是中下兩層磨的混合煤樣化驗(yàn)結(jié)果,可磨性系數(shù)為60的是上中下三層磨的混合煤樣化驗(yàn)結(jié)果,通過對(duì)比可見,無煙煤的可磨性系數(shù)遠(yuǎn)小于64,據(jù)此計(jì)算上層磨出力不會(huì)超過40 t/h,而中下層磨煤機(jī)出力為50～57 t/h,理論計(jì)算與實(shí)際情況相吻合。由此可推斷,磨煤機(jī)出力不足是燃用無煙煤所致。

表5 靡煤機(jī)出力及修正系數(shù)匯總表