印尼煤摻燒設(shè)備性能分析及熱值邊界評估

員盼鋒，楊培軍，于海疆，陸 源，孫 騰，陳清亮

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.大唐黃島發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 青島 266500；3.華能國際電力股份有限公司海門電廠，廣東 汕頭 515041）

為降低燃煤成本，提高電廠經(jīng)濟性，部分沿海電廠大量摻燒印尼煤[1-4]，導(dǎo)致鍋爐運行中出現(xiàn)一系列問題[5-7]。印尼煤熱值低、水分高、灰分低[8]，與原燃用煤質(zhì)差異大，需對摻燒印尼煤后的制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、環(huán)保及風(fēng)煙系統(tǒng)進行性能、裕量分析，并評估受系統(tǒng)、設(shè)備裕量所限的入爐煤熱值邊界及對應(yīng)的設(shè)備改造[9]。

1 煤質(zhì)特性

某660 MW機組為SG-2102/25.4-M953超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)П型燃煤爐。配6臺ZGM113G型中速磨煤機，設(shè)計R90為24%。設(shè)計煤種為兗州煙煤，校核煤種為兗州煙煤和晉中貧煤混煤。

BMCR下主蒸汽參數(shù)為2 102 t/h、571 ℃、25.4 MPa，設(shè)計鍋爐效率（按低位熱值）為93.58%，設(shè)計燃煤量為248.5 t/h。采用SCR脫硝、海水脫硫、靜電除塵器+濕式電除塵器，以實現(xiàn)超低排放。

鍋爐原燃用煤種為神華煤、伊泰煤、同煤及澳洲煙煤（澳煙煤），計劃摻燒低熱值印尼煤。摻燒煤質(zhì)及設(shè)計煤質(zhì)特性、熱重分析結(jié)果見表1。

表1 摻燒煤質(zhì)及設(shè)計煤質(zhì)特性、熱重分析Tab.1 Coal properties and thermogravimetric analysis results of the blended coals and design coal

從表1可知：澳煙煤、神華煤、伊泰煤和同煤這4種煤質(zhì)均為高揮發(fā)分煙煤，煤性相近，與設(shè)計煤質(zhì)相比，除了水分更高、熱值較低外，其他特性相近；印尼煤水分高、熱值低、灰分低，哈氏可磨度相當(dāng)，中等熔融，磨損性輕微；上述煤質(zhì)著火性能均為極易，燃盡性能均為極易或者易。

2 現(xiàn)場試驗

表2為100%、75%、50% BMCR習(xí)慣配煤及運行工況下的鍋爐性能試驗主要運行參數(shù)及試驗結(jié)果。從表2可知，100%負(fù)荷基準(zhǔn)工況：A磨煤機為同煤、B—F磨煤機澳煙煤、印尼煤、同煤的質(zhì)量比為2:3:5，A磨煤機可在53 t/h出力下正常運行，B—F磨煤機可在49 t/h出力下正常運行，鍋爐熱效率為93.09%，NOx排放質(zhì)量濃度為226.2 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；75%負(fù)荷基準(zhǔn)工況：配煤方式與100%負(fù)荷基準(zhǔn)工況相同，鍋爐熱效率為93.33%，NOx排放質(zhì)量濃度為219.0 mg/m3；50%負(fù)荷基準(zhǔn)工況：A磨煤機為澳煙煤、B—F磨煤機印尼煤和同煤的質(zhì)量比為3:7，鍋爐熱效率為93.56%，NOx排放質(zhì)量濃度為247.0 mg/m3。表2中各負(fù)荷下的配煤方式、各磨煤機出力、鍋爐熱效率、NOx排放質(zhì)量濃度及主要輔機電流為后續(xù)的理論計算及分析提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

表2 現(xiàn)場試驗結(jié)果Tab.2 The field test results

3 理論計算及分析

根據(jù)煤質(zhì)特性、現(xiàn)場試驗結(jié)果及實際營運數(shù)據(jù)確定的邊界條件及計算基準(zhǔn)如下：

1）6臺磨煤機帶BMCR負(fù)荷，A磨煤機澳煙煤和同煤的質(zhì)量比為1:1，B—F磨煤機為澳煙煤摻燒印尼煤；A磨煤機按最大出力59 t/h運行，B—F磨煤機出力相同；單磨煤機最大通風(fēng)量為95 t/h；BMCR下一次熱風(fēng)溫度實際值為280 ℃，設(shè)計值為

328 ℃，磨煤機出口溫度不得低于60 ℃。

2）上網(wǎng)電價采用2018年度均值0.408 元/(kW·h)，發(fā)電煤耗287.6 g/(kW·h)，廠用電率3.8 %，年平均負(fù)荷率75%。印尼煤標(biāo)煤單價623.41元/t，澳煙煤、同煤標(biāo)煤單價為737.93元/t、770.69元/t。

3.1 制粉系統(tǒng)性能分析

3.1.1 不同摻混比例下碾磨出力

圖1計算了B—F磨煤機在不同印尼煤摻混比例下的中后期碾磨出力及BMCR下出力需求[10-11]。

圖1 不同摻混比例下碾磨出力Fig.1 The grinding output at different mixing proportions

由圖1可見：受磨煤機碾磨出力所限，B—F磨煤機印尼煤摻燒比例最高為42.5%，對應(yīng)整爐的印尼煤摻燒比例最高為34.6%，對應(yīng)入爐煤熱值邊界為18.70 MJ/kg。

3.1.2 不同摻混比例下干燥出力

圖2為B—F磨煤機在不同印尼煤摻混比例下的干燥出力及BMCR下出力需求[10-11]。由圖2可見：受制粉系統(tǒng)干燥出力所限，當(dāng)一次風(fēng)熱風(fēng)溫度按實際值280 ℃，B—F磨煤機印尼煤最大摻配比例為24%，對應(yīng)整爐印尼煤摻配比例為19.4%，對應(yīng)入爐煤熱值邊界為19.35 MJ/kg；當(dāng)一次風(fēng)熱風(fēng)溫度按設(shè)計值328 ℃，B—F磨煤機印尼煤最大摻配比例為42%，對應(yīng)整爐印尼煤摻配比例為34.2%。

圖2 不同摻混比例下干燥出力Fig.2 The drying output at different mixing proportions

制粉系統(tǒng)干燥出力是限制印尼煤摻配比例主要因素之一，而提高一次風(fēng)熱風(fēng)溫度是提高干燥出力的首要途徑。一次風(fēng)熱風(fēng)溫度與最大摻燒比例關(guān)系如圖3所示。由圖3可見：B—F磨煤機最大干燥出力、B—F磨煤機印尼煤最大摻配比例與一次風(fēng)熱風(fēng)溫度基本呈線性正增長關(guān)系。一次風(fēng)熱風(fēng)溫度每提高10 ℃，B—F磨煤機最大干燥出力可提高0.425 t/h，B—F磨煤機印尼煤最大摻配比例可提高3.8百分點。

圖3 一次風(fēng)熱風(fēng)溫度與最大摻燒比例關(guān)系Fig.3 The relation between the primary air hot air temperature and the maximum blending ratio

3.1.3 制粉電耗、磨損及石子煤分析

在B—F磨煤機印尼煤摻燒比例0%、24%、42%下，制粉電耗、磨損及石子煤量分析及對比結(jié)果見表3。

表3 制粉電耗、磨損分析及對比[12]Tab.3 The power consumption and wear in pulverizing system

由表3可見：相較于B—F磨煤機印尼煤摻燒比例0%，當(dāng)摻燒比例達到24%時，B—F磨煤機制粉電耗增加13.48%，整臺爐制粉電耗增加10.88%，廠用電率增加0.1百分點；煤中總灰分降低，石子煤量減少，磨輥磨損量略有減少；一次風(fēng)速增加，管道磨損加劇。

3.2 燃燒系統(tǒng)性能分析

3.2.1 鍋爐穩(wěn)燃、運行安全及NOx分析

摻燒印尼煤后，鍋爐穩(wěn)燃能力略有增強。印尼煤屬于中等熔融，但灰熔點仍在1 300 ℃以上，摻燒后運行控制得當(dāng)，不會加劇結(jié)焦。摻燒后煙氣量增加，但幅度不大，運行控制得當(dāng)，受熱面超溫等情況不會明顯惡化。

目前鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度控制在250 mg/m3，按照超低標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)脫硝效率達到80%以上時可實現(xiàn)超低排放。印尼煤揮發(fā)分更高，NOx質(zhì)量濃度還會降低[13]。

3.2.2 鍋爐經(jīng)濟性分析

鍋爐熱效率計算結(jié)果見表4。由表4可知，印尼煤摻燒比例由0%提高到42%后，鍋爐熱效率由93.01%提高到93.26%，鍋爐熱效率略有提高。

表4 鍋爐熱效率對比[14]Tab.4 Comparison of thermal efficiency between boilers[14]

3.2.3 受熱面及煙道磨損分析

受熱面及煙道磨損計算分析見表5。由表5可知，因印尼煤灰分低，摻燒后受熱面及煙道磨損減弱。

表5 磨損檢修成本計算[15]Tab.5 The cost calculation of wear and repair of heating surface and flue[15]

3.3 環(huán)保及風(fēng)煙系統(tǒng)性能分析

環(huán)保及風(fēng)煙系統(tǒng)性能分析見表6。由表6可知：印尼煤摻燒比例越高，硫分越低，灰分越低，NOx質(zhì)量濃度越低；煙氣量增加幅度很小，摻燒印尼煤后對環(huán)保系統(tǒng)出力無影響。由表6可知：摻燒印尼煤比例提高后，總空氣量幾乎不變，二次風(fēng)量減少，煙氣量增加；根據(jù)輔機運行規(guī)程，一次風(fēng)機、送風(fēng)機及引風(fēng)機的電動機額定總電流分別為461.4、254.4、1 413.4 A，對比表6中折算后一次風(fēng)機、送風(fēng)機及引風(fēng)機總電流與上述額定總電流數(shù)值，計算出B—F磨煤機印尼煤24%，一次風(fēng)機最大裕量僅10%，而引風(fēng)機最大裕量不足6%，一旦出現(xiàn)煤質(zhì)波動、空氣預(yù)熱器阻力增加等干擾后，引風(fēng)機出力將無法滿足BMCR。可見，引風(fēng)機出力不足是限制印尼煤摻燒比例的主要因素之一。

表6 環(huán)保及風(fēng)煙系統(tǒng)性能計算Tab.6 The performance calculation of environmental protection and air-smoke system

4 入爐煤熱值邊界評估

通過分析上述各系統(tǒng)的設(shè)備性能和裕量限制，確定摻燒印尼煤后的入爐煤熱值邊界，限制入爐煤熱值的主要因素有磨煤機碾磨出力、制粉系統(tǒng)干燥出力以及一次風(fēng)機、引風(fēng)機的出力裕量。入爐煤熱值邊界見表7。

表7 受設(shè)備裕量限制的入爐煤熱值邊界Tab.7 The calorific value boundary of coal in furnace limited by equipment margin

表7可知：當(dāng)入爐煤熱值大于20.18 MJ/kg，若空氣預(yù)熱器壓差維持良好，則不用設(shè)備改造；當(dāng)入爐煤熱值在19.35~20.18 MJ/kg，需要引風(fēng)機增容；當(dāng)入爐煤熱值在19.25~19.35 MJ/kg，需要引風(fēng)機增容、提高制粉系統(tǒng)干燥出力；當(dāng)入爐煤熱值在18.70~19.25 MJ/kg，則需要引風(fēng)機增容、提高制粉系統(tǒng)干燥出力、提高一次風(fēng)機出力；當(dāng)入爐煤熱值低于18.70 MJ/kg，則需要引風(fēng)機增容、提高制粉系統(tǒng)干燥出力、提高一次風(fēng)機出力、提高磨煤機碾磨出力；當(dāng)入爐煤熱值低于18.41 MJ/kg，可能涉及到受熱面等鍋爐大面積拆除改造。

5 結(jié) 論

1）在目前的設(shè)備條件及煤質(zhì)下，按照各受限因素計算的入爐煤熱值邊界從低到高分別為鍋爐安全運行、磨煤機碾磨出力、一次風(fēng)機出力、制粉系統(tǒng)干燥出力、引風(fēng)機出力。

2）摻燒印尼煤后的入爐煤熱值邊界主要受制粉系統(tǒng)干燥出力及引風(fēng)機出力所限。受制粉系統(tǒng)最大干燥出力所限，整臺爐印尼煤摻配比例為19.4%，對應(yīng)入爐煤熱值為19.35 MJ/kg；受引風(fēng)機出力所限，摻燒印尼煤比例為0%，對應(yīng)入爐煤熱值為20.18 MJ/kg。

3）當(dāng)入爐煤熱值大于20.18 MJ/kg，若空氣預(yù)熱器壓差維持良好狀態(tài)，則不用設(shè)備改造；低于20.18 MJ/kg，不同入爐煤熱值范圍對應(yīng)不同設(shè)備改造。