邢振中，劉 忠，冷 杰

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206;2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

1 設(shè)備及煤質(zhì)概況

1.1 設(shè)備

某電廠2×1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐由東方鍋爐 (集團(tuán))股份有限公司與東方－日立鍋爐有限公司聯(lián)合設(shè)計(jì)、制造，型號(hào)為DG3000/26.25－Ⅱ1，為超超臨界參數(shù)、對(duì)沖燃燒方式、固態(tài)排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊П型結(jié)構(gòu)變壓直流爐。鍋爐爐膛四周為全焊式膜式水冷壁。過(guò)熱器受熱面由頂棚、后豎井煙道四壁、后豎井分隔墻、布置在尾部豎井后煙道內(nèi)的低溫過(guò)熱器、爐膛上部的屏式過(guò)熱器和位于折焰角上方的高溫過(guò)熱器組成。制粉系統(tǒng)為6臺(tái)中速磨配動(dòng)態(tài)分離器直吹式系統(tǒng)。燃燒器為新型DHDB－NR3旋流煤粉燃燒器，前后墻各布置3層燃燒器，每層每面墻8只。在前后墻各布置一層燃盡風(fēng)噴口，其中每層每面墻2個(gè)側(cè)燃盡風(fēng)噴口，8個(gè)燃盡風(fēng)噴口。

1.2 褐煤和混煤煤質(zhì)特性

某電廠2×1 000 MW超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)煤種為準(zhǔn)葛爾2號(hào)煙煤，2種校核煤種為準(zhǔn)葛爾2號(hào)煤和神華煤，設(shè)計(jì)燃料特性見(jiàn)表1。在燃煤供應(yīng)緊張、煤價(jià)不斷上漲的形勢(shì)下，煙煤供應(yīng)日益緊張，因此電廠計(jì)劃摻燒霍林河褐煤。由于褐煤和煙煤特性差異較大，因此摻燒褐煤必將對(duì)鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)影響。根據(jù)電廠所用的神華煤摻燒霍林河褐煤的試驗(yàn)，分析神華煤摻燒褐煤后對(duì)機(jī)組的影響。

表1 設(shè)計(jì)燃料特性

表2 額定負(fù)荷下某電廠混煤的煤質(zhì)分析

褐煤中含碳量低，其Vdaf≥40%，有利于著火和煤的燃盡，同時(shí)也極易自燃。褐煤中水分、灰分和含氧量高，因而發(fā)熱量較低，Qnet，ar在11 000～15 000 kJ/kg。褐煤的變形溫度和軟化溫度均較低，實(shí)際燃燒過(guò)程中很容易結(jié)焦，因而褐煤燃燒中要解決由于灰熔融溫度低而引起的燃燒結(jié)渣問(wèn)題。煤的磨損指數(shù)是指煤在研磨的過(guò)程中，對(duì)研磨設(shè)備部件磨損的強(qiáng)烈程度［1］，褐煤的磨損指數(shù)較高，一般可達(dá)4～7。由于混煤的燃燒特性并不具備可加性，可磨性差異較大的2種煤混燒，其可磨性更趨向于難磨煤種。研究表明，混煤的組分煤在著火過(guò)程中各自保持其著火特性［2］。

分別在30%、40%、50%的摻燒比例下，進(jìn)行鍋爐熱效率試驗(yàn)，并通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比得出摻燒褐煤對(duì)機(jī)組的影響?；烀旱拿嘿|(zhì)分析見(jiàn)表2。摻燒褐煤后，煤粉水分比設(shè)計(jì)煤種高，將影響到磨煤機(jī)的出力，相應(yīng)磨煤機(jī)電耗也會(huì)升高。由于褐煤的揮發(fā)分較高，因此摻燒褐煤后有利于煤粉的燃盡。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鍋爐效率試驗(yàn)

某電廠在不同比例下?lián)綗置旱脑囼?yàn)中，參照GB10184—1988《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行鍋爐效率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可見(jiàn)，在額定負(fù)荷下，排煙熱損失在30%、40%和50%摻燒比例下，分別為5.679%、5.964%和5.791%。隨著摻燒褐煤比例的增大，排煙熱損失、鍋爐輔機(jī)電耗和廠用電率隨之增大。在設(shè)計(jì)煤種下，機(jī)組的供電煤耗為294.86 g/kWh。摻燒30%褐煤與設(shè)計(jì)煤種相比，機(jī)組供電煤耗增加0.73 g/kWh;摻燒40%褐煤與設(shè)計(jì)煤種相比，機(jī)組供電煤耗增加0.94 g/kWh;摻燒50%褐煤與設(shè)計(jì)煤種相比，機(jī)組供電煤耗增加1.28 g/kWh。隨著摻燒褐煤比例的增大，總給煤量增大，在總風(fēng)量一定的情況下，導(dǎo)致煙氣量增大，從而使排煙熱損失q2增大。又由于褐煤本身水分大，導(dǎo)致排煙水蒸氣熱損失增大，同時(shí)煙氣量增大會(huì)使煙氣流速增大，使煤粉顆粒與碳顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間減少，導(dǎo)致固體未完全燃燒熱損失q4增大［3］。

2.2 神華煤與褐煤不同摻燒比例下機(jī)組最大出力試驗(yàn)

由于霍林河褐煤水分大，隨著褐煤摻燒比例的增大，磨煤機(jī)最大出力逐漸減小，機(jī)組的最大出力也逐漸減小。依據(jù)DL/T 5145—2002《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)定》進(jìn)行磨煤機(jī)試驗(yàn)［4］，選取1臺(tái)磨煤機(jī)進(jìn)行最大出力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。在5個(gè)工況下，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，磨煤機(jī)出口露點(diǎn)溫度在50～52℃，對(duì)于直吹式制粉系統(tǒng)，干燥劑的終端溫度應(yīng)高于露點(diǎn)溫度2℃以上，且不能低于60℃。當(dāng)Vdaf≥40%時(shí)，干燥劑的終端溫度應(yīng)小于70℃。因此磨煤機(jī)出口溫度應(yīng)控制在60～70℃。

表3 額定負(fù)荷下神華煤摻燒褐煤對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響試驗(yàn)結(jié)果

表4 神華煤與褐煤不同摻燒比例下單臺(tái)磨最大出力試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)在35號(hào)磨煤機(jī)上進(jìn)行，磨煤機(jī)的最大出力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。隨著褐煤摻燒比例的增大，磨煤機(jī)的最大出力逐漸減小。神華煤摻燒30%霍林河褐煤時(shí)磨煤機(jī)最大出力為84.6 t/h，全燒霍林河褐煤時(shí)，磨煤機(jī)的最大出力為46.3 t/h。將磨煤機(jī)最大出力與摻燒褐煤比例的關(guān)系進(jìn)行擬合為

y=－0.524 7x+98.581

式中 y——神華煤摻燒霍林河褐煤時(shí)磨煤機(jī)最大出力，t/h;

x——霍林河褐煤摻燒比例，%。

通過(guò)試驗(yàn)，當(dāng)5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，摻燒比例小于30%，機(jī)組能帶滿負(fù)荷;當(dāng)摻燒褐煤比例為40%時(shí)，5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)組最大出力為840 MW，6臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)能帶滿負(fù)荷;當(dāng)摻燒褐煤比例為50%時(shí)，即使6臺(tái)磨煤機(jī)全部運(yùn)行，機(jī)組的最大出力只能達(dá)到940 MW。可見(jiàn)，當(dāng)摻燒褐煤的比例大于50%時(shí)，機(jī)組的最大出力受到明顯影響。

2.3 神華煤摻燒霍林河褐煤的燃燒優(yōu)化試驗(yàn)

過(guò)量空氣系數(shù)是電站鍋爐運(yùn)行中的重要參數(shù)［5］，對(duì)其測(cè)量通常是通過(guò)對(duì)空預(yù)器進(jìn)口的煙氣煙量的監(jiān)測(cè)間接實(shí)現(xiàn)的。過(guò)量空氣系數(shù)的改變對(duì)鍋爐燃燒、鍋爐效率的影響很大［6］。目前，判斷鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)多以供電煤耗率為主。供電煤耗率在不同負(fù)荷下是不同的，隨著負(fù)荷升高，供電煤耗率降低。但在某一負(fù)荷下，可以通過(guò)對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)使供電煤耗率達(dá)到最低，此時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)為最佳過(guò)量空氣系數(shù)［5，7］。

供電煤耗率是鍋爐效率、機(jī)組熱耗和廠用電率的函數(shù)，而鍋爐效率和廠用電率為氧量的函數(shù)，通過(guò)變氧量試驗(yàn)取得不同氧量下的試驗(yàn)參數(shù)，擬合出各種曲線并求導(dǎo)，從而得到不同負(fù)荷下的最佳氧量［8］。由于在試驗(yàn)中保持熱耗不變是不可能的，所以用此方法得出的曲線誤差較大，得出的最佳氧量準(zhǔn)確性不高。

文中采用實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到機(jī)組最佳性能對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)作為最佳值。通過(guò)在額定負(fù)荷和850 MW負(fù)荷下，分別摻燒30%褐煤和40%褐煤，對(duì)機(jī)組進(jìn)行變氧量試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

由圖1可見(jiàn)，在額定負(fù)荷下，當(dāng)煙氣中的含氧量從2.48%升至3.22%時(shí)，鍋爐熱效率從93.05%升至93.31%，排煙熱損失、可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失和固體未完全燃燒熱損失之和逐漸降低。此時(shí)可燃?xì)怏w未完全燃燒熱損失從0.495%降至0.07%，所以可以推斷當(dāng)煙氣中含氧量為3.22%時(shí)的鍋爐效率最大。

由圖2可見(jiàn)，在850 MW負(fù)荷下，當(dāng)煙氣中的含氧量從2.62%升至3.47%時(shí)，鍋爐熱效率從93.32%升至93.77%，q2、q3、q4之和逐漸降低。煙氣中含氧量從3.01%升至3.47%時(shí)，鍋爐效率的增加幅度明顯減緩，根據(jù)圖2及q3變化，可以推斷鍋爐熱效率在煙氣中含氧量為3.47%時(shí)最大。因此在850 MW負(fù)荷下，摻燒40%褐煤時(shí)，含氧量在3.47%附近取值最佳。

2.4 神華煤摻燒霍林河褐煤的燃盡風(fēng)優(yōu)化試驗(yàn)

分級(jí)燃燒技術(shù) (燃盡風(fēng)技術(shù))是目前國(guó)內(nèi)使用最普遍的低NOx燃燒技術(shù)［9］，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功應(yīng)用于電站鍋爐上。但在實(shí)際運(yùn)行中，分級(jí)燃燒技術(shù)對(duì)NOx的控制受負(fù)荷、燃盡風(fēng)噴入位置、燃盡風(fēng)率、煤質(zhì)等因素影響。

燃盡風(fēng)風(fēng)量對(duì)煤粉的燃盡程度有較大影響。燃盡風(fēng)比例增大，NOx排放減少，固體未完全燃燒熱損失增大，反之燃盡風(fēng)比例減小，NOx排放增加，固體未完全燃燒熱損失減小。針對(duì)某電廠3號(hào)機(jī)組，在神華煤摻燒30%褐煤的額定負(fù)荷下，5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行了燃盡風(fēng)調(diào)整試驗(yàn)，該試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定最佳燃盡風(fēng)擋板開(kāi)度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 神華煤摻燒30%褐煤時(shí)燃盡風(fēng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可見(jiàn)，在鍋爐氧量不變條件下，隨著燃盡風(fēng)率的降低，鍋爐熱效率逐漸升高，鍋爐排放煙氣中NOx含量逐漸增大。當(dāng)燃盡風(fēng)擋板開(kāi)度偏置從－10%到10%時(shí)，鍋爐熱效率由93.45%變化到93.32%，省煤器出口煙氣中NOx的含量由293.2 mg/Nm3變化到258.9 mg/Nm3。綜合考慮鍋爐熱效率和NOx排放濃度，建議神華煤摻燒30%霍林河褐煤的額定負(fù)荷下，燃盡風(fēng)擋板開(kāi)度偏置為－10%。

3 神華煤摻燒褐煤存在問(wèn)題及防范措施

3.1 存在問(wèn)題

a． 褐煤的灰熔點(diǎn)較低、揮發(fā)分高、易著火、熱值低、容易引起自燃。進(jìn)入爐膛后著火容易提前，受熱面噴嘴受熱，容易結(jié)焦。

b． 褐煤水分偏大，容易導(dǎo)致磨煤機(jī)干燥出力不足、堵煤、壓磨等現(xiàn)象，制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)石子煤量較平時(shí)明顯偏大，造成磨煤機(jī)電耗增加。同時(shí)，由于褐煤水分大，要求加大進(jìn)入磨煤機(jī)的風(fēng)量，可能造成磨煤機(jī)振動(dòng)加大。風(fēng)機(jī)原有出力無(wú)法滿足磨煤機(jī)干燥、輸送需要，也容易引起一次風(fēng)機(jī)喘振。

c． 大量摻燒褐煤時(shí)，褐煤水分大造成煙氣量增大，造成爐內(nèi)各受熱面吸熱量偏離設(shè)計(jì)值，影響主汽溫度、再熱汽溫，使排煙熱損失增加。此外，摻燒不均勻還容易引起機(jī)組運(yùn)行工況大范圍波動(dòng)，使燃燒優(yōu)化調(diào)整的工作量增大。

3.2 防范措施

a． 由于摻燒褐煤后磨煤機(jī)出力受到制約，導(dǎo)致煤粉細(xì)度不均勻、煤粉燃燒不充分及灰渣含碳量增加，從而使鍋爐燃燒效率下降，鍋爐熱效率降低。通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在摻燒30%褐煤、6臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，磨煤機(jī)出力為85 t/h，磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速均控制在35 r/min時(shí)，通過(guò)煤粉細(xì)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)煤粉細(xì)度合適。因此建議2臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)，分離器轉(zhuǎn)速控制在35 r/min。

b． 通過(guò)神華煤摻燒不同比例褐煤對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響的試驗(yàn)，隨著褐煤摻燒比例的增大，鍋爐熱效率逐漸降低，發(fā)電煤耗和供電煤耗相應(yīng)增加。通過(guò)燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，神華煤摻燒30%霍林河褐煤時(shí)，額定負(fù)荷下氧量偏置為+40%時(shí)的鍋爐效率最高。

c． 由于褐煤灰熔點(diǎn)較低、著火距離短及容易燒毀燃燒器，因此摻燒比例應(yīng)適當(dāng)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)檢查，若發(fā)現(xiàn)結(jié)焦等情況，應(yīng)立即投入吹灰器。情況較嚴(yán)重的應(yīng)及時(shí)清理。同時(shí)，要對(duì)停運(yùn)磨煤機(jī)及其管道內(nèi)殘余的煤粉進(jìn)行排空處理，以防止積粉自燃，制粉系統(tǒng)必須采取防爆措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前電煤煤源供給高度緊張，因此發(fā)展褐煤摻燒技術(shù)勢(shì)在必行。根據(jù)霍林河褐煤的煤質(zhì)特性，通過(guò)不同比例褐煤摻燒試驗(yàn)，研究磨煤機(jī)最大出力和鍋爐各方面性能，從而確定能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理混配、摻燒和燃燒調(diào)整，極大地緩解了因鍋爐摻燒褐煤引起的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)褐煤摻燒技術(shù)的培訓(xùn)和摻燒管理，為今后大型發(fā)電企業(yè)全力推進(jìn)摻燒低價(jià)劣質(zhì)煤積累經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 夏學(xué)敏，劉學(xué)東．600 MW超超臨界鍋爐褐煤摻燒分析［J］．華電技術(shù)，2011，33(12):18－19．

［2］ 段學(xué)農(nóng)，朱光明，焦慶豐，等．電廠鍋爐混煤摻燒技術(shù)研究與實(shí)踐［J］．中國(guó)電力，2008，41(6):51－54.

［3］ 寧新宇，梁紹華，張希光，等．1 025 t/h煙煤鍋爐摻燒褐煤的可行性試驗(yàn)研究［J］．熱力發(fā)電，2010，39(12):53－55．

［4］ DL/T 5145—2002，火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)定［S］．

［5］ 閆順林，張 斌．電站鍋爐最佳過(guò)量空氣系數(shù)的研究［J］．發(fā)電設(shè)備，2010，24(4):237－240．

［6］ 樊泉桂，閻維平，閆順林．鍋爐原理［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［7］ 張振杰，王彥海．摻燒褐煤對(duì)350 MW機(jī)組煙煤鍋爐經(jīng)濟(jì)性影響研究［J］．東北電力技術(shù)，2011，32(3):17－19．

［8］ 谷俊杰，孔德奇，高大明，等．電站鍋爐燃燒優(yōu)化中最佳煙氣含氧量設(shè)定值計(jì)算 ［J］．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34(6):61－65．

［9］ Thomas L B，F(xiàn)rancisco C，Sebastien C，etal．Coal Combustion Modeling of Large Power Plant for NOxAbatement［J］．Fuel，2007，86(14):2 213－2 220．