富拉爾基電廠350 MW超臨界機組應(yīng)用風(fēng)扇磨煤機技術(shù)分析

富拉爾基熱電廠基建處工程部 王文宏

富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程350 MW超臨界機組應(yīng)用風(fēng)扇磨煤機技術(shù),風(fēng)扇磨煤機結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、設(shè)備宜安裝、初投資低。風(fēng)扇磨煤機集干燥、破碎、輸送三種功能于一身，可少用一臺風(fēng)機，既帶來可觀的經(jīng)濟效益，又優(yōu)化了煤炭資源，對同類型電廠來說具有推廣價值。

風(fēng)扇磨煤機；高水分褐煤

本期工程1×350 MW機組采用以扎尼河煤60%與伊敏煤40%混煤作為設(shè)校核煤種計煤種，以扎尼河煤與天順礦褐煤混煤作為校核煤種，設(shè)計煤種收到基全水份Mt40.1%，校核煤種收到基全水份Mt39%，屬于燃用高水褐煤。鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造，工程設(shè)計由東部電力設(shè)計院負(fù)責(zé)。制粉系統(tǒng)采用風(fēng)扇磨煤機直吹系統(tǒng)。

1 應(yīng)用前景分析

世界褐煤的地質(zhì)儲量約為4萬億噸。據(jù)統(tǒng)計,全世界褐煤儲量足夠供2100座發(fā)電能力為1000 MW的電站使用30年。我國有豐富的褐煤礦藏資源，預(yù)測總資源量為3194億噸。目前已探明的褐煤儲量達1303億噸，占全國煤炭總儲量的13%左右。由于儲量巨大，褐煤將為我國火電廠提供強大的燃料動力，具有廣闊的前景。從投入產(chǎn)出效率角度出發(fā)，充分考慮煤炭市場供應(yīng)和價格, 為降低入廠標(biāo)煤單價，降低發(fā)電成本，大部分電廠在有條件的情況下，優(yōu)先選擇褐煤。

褐煤是一種形成年代較短、性能彈性變化很大的劣等燃煤，具有高水分、高揮發(fā)分、高灰分和低灰熔點、低發(fā)熱量的特點，由于褐煤這種“三高兩低”的獨特性質(zhì)，以褐煤為主要燃料的電廠對燃燒鍋爐制粉系統(tǒng)有特殊的要求。根據(jù)磨煤機設(shè)計導(dǎo)則要求：含水量低于35%的褐煤為燃料的鍋爐，采用中速磨煤即可；使用含水量35%～40%褐煤為燃料的鍋爐，采用中速磨煤機或風(fēng)扇磨煤機均可；對于含水量大于40%的褐煤，一般均采用風(fēng)扇磨煤機。風(fēng)扇磨煤機結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，占地面積及金屬耗量均較少，集干燥、破碎、輸送三種功能于一身，初投資低。所采用的干燥劑可由熱爐煙、冷爐煙和熱空氣混合組成。運行中可根據(jù)燃煤水分，調(diào)節(jié)這三種介質(zhì)的比例，控制方便靈活，并使得干燥劑具有良好的防爆作用。適合磨制高水分褐煤及磨制一些較軟煙煤，風(fēng)扇磨煤機是目前電站采用最多的一種高速磨煤機。

在我國采用風(fēng)扇磨煤機制粉系統(tǒng)的機組類型有200 MW超高壓機組、300 MW亞臨界機組及600 MW超、亞臨界的機組，而在350 MW超臨界機組中受風(fēng)扇磨、高溫爐煙管布置、場地、干渣機出線、鍋爐鋼架空間交叉等難點尚未得到應(yīng)用。如克服掉這幾方面的制約，將充分發(fā)揮褐煤在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重大作用。同時，在國內(nèi)市場中利用廉價的褐煤，會給電廠帶來可觀的經(jīng)濟效益，研發(fā)成功將填補這一項國內(nèi)空白。東北電力設(shè)計院、哈爾濱鍋爐廠北方重工集團有限公司積極研究和推廣風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)在350 MW超臨界機組上應(yīng)用，目前，正在華電富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程和華電哈爾濱熱電廠“上大壓小”擴建工程中設(shè)計并加以實施。

2 國內(nèi)外研究水平綜述

2.1 國外褐煤發(fā)電現(xiàn)狀

在德國、俄羅斯、美國、澳大利亞等國家,這些存儲褐煤大國,均對褐煤的開發(fā)利用的較早,研究也比較深入,已經(jīng)形成了不同容量等級的電站常規(guī)煤粉爐的系列成熟產(chǎn)品,褐煤鍋爐燃燒技術(shù)相對比較穩(wěn)定,其中德國、美國應(yīng)用褐煤作為電站鍋爐動力用煤使用較廣泛。 德國在燃用高水分、碳化程度淺褐煤方面有著豐富的的經(jīng)驗,是擁有世界上百萬等級褐煤鍋爐的主要國家,其最大的超超臨界褐煤鍋爐為裝于NiedrauBem電廠的950 MW鍋爐,該鍋爐為塔式布置、單切圓燃燒、正方形爐膛、主汽壓力為26.5 MPa。其它百萬等級褐煤鍋爐,如Lippendorf 940 MW鍋爐、Frimmerdorf 915 MW 鍋爐、Schwarze Pumpe的815 MW鍋爐。 美國褐煤水分高,灰分較少,煤質(zhì)較硬,磨損性強且難燃燒。美國在六、七十年代生產(chǎn)的容量為500～800 MW的褐煤鍋爐大部分為亞臨界控制循環(huán)和自然循環(huán)鍋爐,大容量鍋爐一般采用復(fù)合循環(huán)直流鍋爐,四角布置擺動式燃燒器,采用擺動式燃燒器進行蒸汽溫度調(diào)節(jié)。為盡量減少結(jié)渣等問題,在爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計方面一般采用的數(shù)據(jù)較為保守,同時經(jīng)常采用分級燃燒方式來控制NOX的生成。鍋爐制粉系統(tǒng)各國家有明顯區(qū),美國采用中速磨正壓吹式制粉系統(tǒng)較多，而德國、澳大利亞采用風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)較多。但國外機組類型一般以用量定容量，如200 MW、300 MW、400 MW、500 MW、550 MW、800 MW、1000 MW、1100 MW等機型。因此在國外基本沒有350 MW機組風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)應(yīng)用情況。

2.2 國內(nèi)褐煤發(fā)電現(xiàn)狀

我國褐煤開發(fā)研究起步較晚,現(xiàn)已建成和在建的燃用褐煤的大型火力發(fā)電廠的總裝機容量有1200萬～1300萬kW,只占全國火力發(fā)電總裝機容量的3%左右,這與我國褐煤總儲量的比例相比并不匹配。目前，哈鍋地處東北，周邊褐煤資源十分豐富，從50年代建廠以來一直為國內(nèi)唯一致力于褐煤鍋爐方面開發(fā)、設(shè)計及制造的廠家，經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展，哈鍋已經(jīng)全面掌握了我國不同地方褐煤的燃燒特性，并且先后成功開發(fā)出了二百余臺涵蓋了超高壓、亞臨界、超臨界及超超臨界褐煤鍋爐配風(fēng)扇磨煤機、中速磨煤機，并且包含了π型和塔式鍋爐等諸多爐型。截至2013年12月，國內(nèi)135 MW及以上褐煤鍋爐共200臺，其中哈鍋占196臺，國內(nèi)已投運300 MW及以上褐煤鍋爐 72臺，哈鍋占68臺。同時，哈鍋也是國內(nèi)唯一具有超臨界及以上褐煤鍋爐合同業(yè)績、運行業(yè)績的廠家。褐煤具有水份高、揮發(fā)份和灰份高、熱值低、灰熔點低、易結(jié)渣、不利于長途運輸?shù)忍攸c，同時，褐煤鍋爐爐膛火焰溫度低、輻射換熱能力差，非常難于設(shè)計。哈鍋經(jīng)過數(shù)十年來的經(jīng)驗積累，在褐煤鍋爐領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。

圖1 風(fēng)扇磨煤機的構(gòu)造

2.3 國內(nèi)外風(fēng)扇磨煤機技術(shù)發(fā)展水平、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1920年，第一臺風(fēng)扇磨煤機由前西德EVT公司設(shè)計制造，至今已有1850臺風(fēng)扇磨煤機，超過300臺磨煤機已經(jīng)擁有高于100 t/h磨制原煤的生產(chǎn)能力。

俄羅斯賽斯蘭重型機械公司上世紀(jì)六十年代開始大力發(fā)展風(fēng)扇磨煤機技術(shù)，其技術(shù)來源為德國，依托本國先進的空氣動力學(xué)技術(shù)，在原德國EVT設(shè)備基礎(chǔ)上，針對遠(yuǎn)東褐煤資源的特性，研制出MB型風(fēng)扇磨煤機。

目前國內(nèi)生產(chǎn)風(fēng)扇磨煤機的廠家有沈重（北方重工集團公司）、長春發(fā)電設(shè)備總廠兩家。長春發(fā)電設(shè)備總廠的FM系列風(fēng)扇磨技術(shù)源于德國EVT公司S型，最大型號為FM340-820，最大出力45 t/h。沈重從俄羅斯引進了打擊輪直徑為Φ3600 mm、Φ3850 mm和Φ4100 mm的MB型風(fēng)扇磨煤機技術(shù)，主要用于600 MW級的火電機組。

截至目前，沈重以技術(shù)合作方式，與賽斯蘭聯(lián)合設(shè)計制造了64臺MB3600/1000/490型風(fēng)扇磨煤機， 24臺MB4100/1300/420型風(fēng)扇磨煤機。MB4100/1300/420是我公司生產(chǎn)的最大型號風(fēng)扇磨煤機，最大出力為115 t/h。

從磨煤出力看，EVT的N型、BABCOCk的DGS型的出力最大，基本滿足1000 MW以上機組要求；MB型磨一般煤時，可滿足1000 MW以上機組要求，磨特差煤時出力受限。從提升壓頭能力看，EVT的N型、BABCOCk的DGS型的能力不足以克服制粉系統(tǒng)的阻力，MB型在國內(nèi)有較好的表現(xiàn)。因此，在MB風(fēng)扇磨的基礎(chǔ)上設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的前置錘，提高MB的最大出力是風(fēng)扇磨煤機的發(fā)展方向之一。

2.4 國內(nèi)火電機組風(fēng)扇磨煤制粉系統(tǒng)應(yīng)用情況

50年代初,我國火電廠是從國外引進風(fēng)扇磨煤機設(shè)備,在國內(nèi)進行試驗使用，例如，望亭電廠是匈牙利進口設(shè)備，西村電廠是東德進口設(shè)備等。

80～90年代,將引進技術(shù)消化吸收后，大多為國產(chǎn)設(shè)備，200 MW機組如富拉爾基發(fā)電廠、長山熱電廠、海拉爾熱電廠、內(nèi)蒙錫林浩特電廠、通遼00629部隊電廠，300 MW機組如雙遼電廠等。

近10年，在600 MW機組伊敏電廠（二、三期）、九臺（塔式爐）、寶清、老撾hongsa等電廠均引進俄羅斯技術(shù)，部件大多國內(nèi)生產(chǎn)。但在350 MW超臨界機組中還沒有風(fēng)扇磨應(yīng)用的成功案例。

最近幾年，我國為了風(fēng)扇磨煤機在火電機組上發(fā)揮更好的作用,從設(shè)計上、制造方面進行了反復(fù)的研究和分析,在運行方面進行多次試驗,也做了大量改進工作，使風(fēng)扇磨煤機運行周期(沖擊板對于扎賚諾爾煤礦褐煤運行時間)達到了3000 h以上；采用風(fēng)扇磨煤機輕型打擊輪技術(shù) ，在降低磨煤機電耗、降低制造費用、提高檢修工作效率、增加設(shè)備的使用壽命、增加經(jīng)濟效益等方面都起到了很好的效果，這也將為350 MW超臨界機組風(fēng)扇磨研發(fā)與應(yīng)用提供了強有力的支持。

風(fēng)扇磨煤機是目前我國電站采用最多的一種高速磨煤機,是火力發(fā)電廠燃用高水分褐煤鍋爐機組直吹式制粉系統(tǒng)的主體設(shè)備。結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，占地面積及金屬耗量均較少，因而初投資低。風(fēng)扇磨煤機還具有制粉系統(tǒng)簡單，設(shè)備宜安裝等優(yōu)點。此外，風(fēng)扇磨煤機集干燥、破碎、輸送三種功能于一身，可少用一臺風(fēng)機。風(fēng)扇磨煤機中的煤粒大多處于懸浮狀態(tài)，通風(fēng)和干燥十分強烈，所采用的干燥劑可由熱爐煙、冷爐煙和熱空氣混合組成。運行中可根據(jù)燃煤水分，調(diào)節(jié)這三種介質(zhì)的比例，控制方便靈活，并使得干燥劑具有良好的防爆作用。

風(fēng)扇磨煤機的構(gòu)造類同風(fēng)機，結(jié)構(gòu)如圖1所示,帶有8～10個葉片的葉輪以750～1500 r/min高速旋轉(zhuǎn)。所不同的是這些葉片是采用錳鋼制成，它又稱沖擊板。機殼上裝有可拆換的耐磨護板，又稱護甲，它是用Mn13制成。風(fēng)扇磨運行時，原煤隨干燥劑進入磨煤機后，被沖擊板和葉輪框架擊碎，煤粒又被濺到機殼的護甲上進一步擊碎，煤粉經(jīng)分離器被干燥劑帶出，過粗的煤粉又落回風(fēng)扇磨中重新磨碎。整個煤的破碎方式以撞擊為主。風(fēng)扇磨煤機主要由引入管、密封隔斷擋板、大門、打擊輪、機殼、軸承箱底座、軸承箱、聯(lián)軸器、主電機、分離器、潤滑油站(包括潤滑管路)等組成，此外還有一些輔助工具。

國內(nèi)生產(chǎn)風(fēng)扇磨煤機廠家主要有北方重工集團有限公司、長春 發(fā)電設(shè)備總廠兩家。這兩家企業(yè)在國內(nèi)扇磨煤設(shè)計、研發(fā)、制造處于領(lǐng)先地位，同時引進了國外如德國、俄羅斯等先進的風(fēng)扇磨技術(shù)。

東北電力設(shè)計院是設(shè)計風(fēng)扇磨鍋爐最多的設(shè)計院，主要有富拉爾基發(fā)電廠200 MW超高壓機組、國電雙遼發(fā)電有限公司300 MW亞臨界機組、大慶油田自備電廠200 MW機組、伊敏二期、伊敏三期600 MW、九臺600 MW（塔式爐）、寶清600 MW、老撾hongsa600 MW、上都四期600 MW（塔式爐）等。本項目選擇了風(fēng)扇磨設(shè)計有相當(dāng)技術(shù)實力的東北電力設(shè)計院，對于350 MW超臨界機組風(fēng)扇磨煤機技術(shù)研究與應(yīng)用意義重大。

哈鍋是國內(nèi)最早開發(fā)350 MW超臨界鍋爐的廠家，目前，哈鍋的350 MW超臨界鍋爐燃用煤種從煙煤、貧煤、褐煤、無煙煤均有業(yè)績，布置方式有π型、塔式、W火焰鍋爐，制粉系統(tǒng)有中速磨煤機、鋼球磨煤機和風(fēng)扇磨煤機。隨著近年600 MW超臨界、超超臨界及1000 MW超超臨界鍋爐相繼成功投運，哈鍋不斷總結(jié)經(jīng)驗并優(yōu)化設(shè)計，超臨界鍋爐的技術(shù)水平有了持續(xù)長足的進步。在此基礎(chǔ)上，為滿足國內(nèi)電力市場，特別是城市供熱機組的需求，并結(jié)合鍋爐領(lǐng)域幾十年設(shè)計制造大型鍋爐的經(jīng)驗，開發(fā)出擁有完全獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的350 MW超臨界鍋爐，以滿足300 MW等級火力發(fā)電機組提高運行效率、降低能耗和污染物排放的要求。鍋爐采用成熟的結(jié)構(gòu)布置方式和燃燒器型式，通過對爐膛、燃燒器及各受熱面的優(yōu)化設(shè)計，以確保鍋爐高效、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。同時，哈鍋的褐煤鍋爐技術(shù)在國內(nèi)處于絕對領(lǐng)先地位，對于配風(fēng)扇磨煤機的鍋爐有著豐富的設(shè)計經(jīng)驗。

燃用煤質(zhì)為高水分低熱值的褐煤，特別是設(shè)計煤種水分達到40%以上時，制粉系統(tǒng)的選型對于高水分褐煤鍋爐的設(shè)計至關(guān)重要，如果采用中速磨煤機存在干燥出力不足，排煙溫度高等問題，采用中速磨煤機需要很高的一次風(fēng)率，使得二次風(fēng)量減少，不能實現(xiàn)低溫燃燒，對于降低NOX的排放不利。采用高溫爐煙、熱風(fēng)、冷煙的三介質(zhì)風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)很容易達到干燥出力。

哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司已經(jīng)設(shè)計制造了幾十臺300 MW～600 MW等級風(fēng)扇磨煤機褐煤鍋爐，其中雙遼電廠300 MW亞臨界鍋爐、伊敏二期600MW、伊敏三期600MW、九臺600MW（塔式爐）已運行，寶清、老撾hongsa、上都四期（塔式爐）正在建設(shè)中，特別對于燃燒有強結(jié)焦傾向褐煤方面積累了豐富的經(jīng)驗。哈鍋在國內(nèi)外科研單位對350 MW超臨界機組相類似燃料所做的研究工作的基礎(chǔ)上，對設(shè)計煤種和校核煤種進行了全面的分析和評價，同時，哈鍋在其它參比鍋爐，特別是伊敏三期、九臺電廠等燃煤鍋爐上得到的成熟經(jīng)驗，并充分考慮350 MW超臨界機組技術(shù)要求，對本項目方案進行綜合分析和論證。這將對本項目的研究、落實起到至關(guān)重要的作用。

3 選用風(fēng)扇磨煤的投資經(jīng)濟分析

褐煤主要分布在我國的內(nèi)蒙古東部和云南，預(yù)測總資源量為3194億噸，其中內(nèi)蒙古東部地區(qū)的褐煤占全國的77.55%，云南的褐煤占全國的11.88%。在黑龍江、吉林、遼寧、廣西、河北、山東、廣東、海南和四川等省區(qū)的局部地區(qū)也有少量分布。我國90%以上的褐煤用于電站鍋爐和各種工業(yè)鍋爐的燃燒。在電廠中的燃料成本約占電廠經(jīng)營成本的70%，如采用價格低的褐煤，以富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程為例：燃用伊敏、扎泥河、天順煤礦這幾種煤的混煤，發(fā)熱量在12950 kJ/kg左右，用煤量在146.7萬t/年左右，每噸煤降低拾元，每年就將得到1467萬元的經(jīng)濟效益。選用高水分的褐煤，入廠煤的標(biāo)煤單價會更低，可見350 MW超臨界機組配置風(fēng)扇磨煤機磨制褐煤的電廠效益會更加可觀。

東北電力設(shè)計院在《烏拉蓋電廠2×600 MW褐煤燃燒制粉系統(tǒng)比選專題報告》中，對風(fēng)扇磨煤機制粉系統(tǒng)和中速磨煤機制粉系統(tǒng)方案經(jīng)濟性比較得出如下結(jié)論：

（1）兩臺風(fēng)扇磨煤機制粉系統(tǒng)比中速磨煤機制粉系統(tǒng)方案增加投資24.62萬元，二者投資相差不大。

（2）兩臺風(fēng)扇磨煤機制粉系統(tǒng)比中速磨煤機制粉系統(tǒng)方案年運行維護降低147.914萬元。

（3）從總體上看風(fēng)扇磨煤機制粉系統(tǒng)好些。

4 風(fēng)扇磨煤機經(jīng)濟性調(diào)研情況分析

表1 磨煤機電耗對比（調(diào)研結(jié)果）

表2 考察電廠運行維護費用對比（調(diào)研結(jié)果）

通過以上比較可以看出，風(fēng)扇磨電耗、檢修維護費用低。風(fēng)扇磨煤機的磨煤機電耗比中速磨煤機的磨煤機電耗低4 kWh/t左右，以富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程為例：燃用伊敏、扎泥河、天順煤礦這幾種煤的混煤，用煤量146.7萬噸/年左右，每年將節(jié)約用電586.8萬kWh，按0.33元/kWh計算，年節(jié)約 193.644萬元。

風(fēng)扇磨煤機的檢修維護費用比中速磨煤機低6萬元/臺磨，按350 MW超臨界機組風(fēng)扇磨煤機常規(guī)配置為6臺，則每年又將節(jié)約36萬元。

5 結(jié)論

綜合分析，富拉爾基熱電廠“上大壓小”擴建工程350 MW超臨界機組配置風(fēng)扇磨煤機制粉系統(tǒng)，對電廠來帶來可觀的經(jīng)濟效益的同時，又優(yōu)化了煤炭資源，使劣質(zhì)的煤種得到充分利用。