利用小煤斗降低無煙煤鍋爐油耗

胡昌斌，張滌宇，王新，段學農

(1.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙410007 2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

利用小煤斗降低無煙煤鍋爐油耗

A new optimized design scheme of blending bituminous coal scheme for anthracite－fired boiler

胡昌斌1，張滌宇1，王新1，段學農2

(1.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙410007 2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

本文給出一種無煙煤鍋爐摻燒煙煤的設計方案，通過設置專用的煙煤小煤斗，使得無煙煤鍋爐摻燒煙煤變得相對簡單。尤其適合無煙煤鍋爐采用煙煤啟動或低負荷采用煙煤助燃工況，可以大大降低燃用無煙煤鍋爐啟動或低負荷助燃用油，對于改善燃用無煙煤電廠的經濟性和安全性，都有參考價值。

無煙煤；摻燒；煙煤；小煤斗；油耗；優化設計

1 概述

我國火電廠燃用的無煙煤約占全國發電用煤的3%～4%(折合成標準煤)，加上低揮發份貧煤可達10%左右〔1〕。湖南省雖然煤炭儲量居全國第18位，但煤炭資源中無煙煤的保有量占68%〔2〕，如何保證無煙煤在電廠鍋爐的穩定、經濟、安全燃燒，制造廠、設計單位、設備調試單位、電廠運行人員進行了針對性的探索，取得了顯著成績。

首先是設備制造廠家，針對無煙煤研發了適用于無煙煤燃燒的 “W”型火焰鍋爐、CFB循環流化床、四角切圓燃燒鍋爐〔3－4〕。3種爐型目前都有大型鍋爐的運行業績，尤其以 “W”型火焰鍋爐燃用無煙煤應用最為廣泛。

設計、調試、運行人員則針對無煙煤燃燒，采取了以無煙煤摻燒煙煤為主的方式來提高無煙煤燃燒的穩定性、經濟性。

1.1 目前混煤摻燒有2種主要方式

1) “爐前摻配，爐內混燒”方式:即在煤進入磨煤機之前，將無煙煤和煙煤按比例混合后進入磨煤機一起制粉，然后進入鍋爐燃燒。該方式主要存在以下問題:無煙煤和煙煤在同一磨煤機內磨制，無煙煤煤粉粗、煙煤煤粉細，即煤粉粗細不勻；粗細不勻的煤粉進入爐內燃燒，以煙煤為主的細粉 “搶風”，影響無煙煤為主的粗粉燃燒；混煤比例難以控制，容易引起制粉系統爆炸、回火〔5〕。

2) “分磨制粉，爐內摻燒”方式:即煙煤和無煙煤分別進入不同的磨煤機磨制，研磨無煙煤的磨煤機可以控制煤粉較細，研磨煙煤的磨煤機可以控制煤粉較粗.不同磨煤機磨制的煤粉通過各自的送粉管道進入爐內燃燒。該方式較好的解決了爐前混煤摻燒存在的問題，目前應用越來越多〔2〕。

1.2 “分磨制粉”存在的新問題

1)由于每個煤斗容量有五百多噸，非正常停機時，分磨制粉中如果煙煤煤斗剩余的煙煤較多，為防止煙煤在煤斗中自然，在停機期間需要將煙煤煤斗中的剩余煙煤從給煤機處放空，該放空工作量很大，而且對電廠的文明生產極為不利。

2)如果煤斗內同時存有無煙煤和煙煤，運行過程中，2種煤的切換過程難以準確控制，對運行安全存有隱患。

3)磨制煙煤的制粉系統出現故障時，機組將純燒無煙煤，機組啟動期間點火耗油量較大，且沒有完全燃燼的油煙粘附會影響爐后脫硝裝置和除塵器的投運。

為解決上述問題，電廠運行人員對設計院提出了增加小煤斗的要求，即在燃用無煙煤的鍋爐制粉系統中，適當設置幾個小煤斗，專門存儲煤質較好的煙煤，用來滿足無煙煤鍋爐點火或低負荷助燃需求，在降低燃油消耗的同時，也改善脫硝裝置和除塵器的運行條件。

2 小煤斗設計方案

2.1 小煤斗容量選擇

燃用無煙煤的鍋爐，目前以配置 “W”型火焰鍋爐較多，而 “W”型火焰鍋爐則以配雙進雙出鋼球磨煤機的直吹式制粉系統為常規配置。

如圖1所示，600 MW機組一般配置6臺雙進雙出鋼球磨煤機，每臺磨煤機設置2個大煤斗，分別向雙進雙出磨煤機兩端進煤。布置600 MW機組雙進雙出球磨機的廠房柱距一般采用12.0 m，2個大煤斗 (每個538 m3)約占用6.5 m即可滿足規程規定的儲煤量，剩余5.5 m寬度完全可以滿足設置小煤斗的空間要求。工程實際設計中，小煤斗設計容積取120 m3左右，按有效容積率85%計算，可儲煤102 t。

根據湖南某燃用無煙煤的電廠摻燒煙煤的啟動經驗，600 MW級機組鍋爐從冷態點火至機組達到30%負荷 (此時切換至正常煤種)，一次啟動煙煤消耗在120～200 t左右，即使不考慮啟動過程中的皮帶連續補充給煤，2臺小煤斗儲滿204 t煙煤也基本可以滿足鍋爐點火啟動的需求。

2.2 小煤斗給煤管道解決方案

為防止給煤管道堵煤，文獻〔6〕第4.5.2條規定:給、落煤管道宜垂直布置。受條件限制時，則與水平面的傾斜角不宜小于60°。

根據600 MW燃煤火力發電機組典型布置，小煤斗出口與最近的大煤斗出口水平距離約6.0 m，小煤斗出口到給煤機入口高度差約4.0 m，落煤管要滿足60°的最小傾斜角度要求常規布置是不可能做到的。如果采用提高小煤斗出口標高，以滿足落煤管道60°的角度，則小煤斗出口標高要高出給煤機進口10.4 m以上，由于小煤斗上標高受給煤皮帶機層標高 (38.0 m)限制，無法抬高，這樣小煤斗容積將大大減小，失去了實際意義，所以要滿足小煤斗的給煤管道角度要求，需要另找解決辦法。

實際工程設計中，通過在小煤斗下方設置專用的小煤斗給煤機，來保證小煤斗給煤管道垂直布置，小煤斗與磨煤機之間的水平給煤距離通過給煤機的二次轉運來實現，解決了上述落煤管角度問題。

對應小煤斗的給煤機有并聯布置或串聯布置2種設置方式。工程設計方案系統如圖1所示。

2.2.1 大、小煤斗給煤機串聯設置方案

圖1 增加小煤斗方案系統圖

該方案是將需要串接的大煤斗給煤機進煤端設置2個進煤口，近端進煤口接大煤斗出口，遠端進煤口接小煤斗給煤機出口來煤，小煤斗給煤機布置在大煤斗給煤機上方。小煤斗來煤通過小煤斗給煤機和大煤斗給煤機串聯后進入磨煤機。

該方案小煤斗給煤時，大、小煤斗給煤機需要同時運行，但這種布置方式相對比較容易實現，尤其適用于已有電廠的改造工程。

由于大、小煤斗給煤機串聯運行，大煤斗給煤機已經有稱重設施，故小煤斗給煤機可以簡化稱重系統，以降低設備費用。

條件具備時，建議采用串聯布置為宜，主要是可以節省設備費用。

攸縣660 MW超臨界參數 “W”型火焰鍋爐建設工程采用的就是串聯布置方案。

2.2.2 大、小煤斗給煤機并聯設置方案

該方案是將小煤斗給煤機出口接在大煤斗給煤機出口的正上方，大、小煤斗給煤機共用一個磨煤機進煤口。

該方案在采用小煤斗給煤時，大煤斗給煤機可以停運，但由于給煤機層布置緊張，該方案實施起來難度較大。

對于新建工程，在設計之初需要統籌規劃主廠房給煤機層的布置，才容易實施，由于小煤斗給煤機是可以單獨運行，所以必須設置稱重裝置，設備費用較高。

2.3 小煤斗給煤機接入磨煤機位置

無論小煤斗給煤機是采用串聯布置還是并聯布置，小煤斗給煤機均布置在大煤斗給煤機的上方。

工程實際中，靠C列柱側 (汽機側)給煤機進出口距離只有1.8 m左右，布置位置緊張，而靠D列柱側 (鍋爐側)給煤機進出口距離則有7.5 m左右，空間相對寬裕。由于小煤斗給煤機與大煤斗給煤機需要一定的連接空間，所以小煤斗給煤機一般接入磨煤機D列柱側 (鍋爐側)入口，對設備布置比較方便。

圖2 增加小煤斗方案布置圖

工程設計方案布置如圖2所示。

2.4 小煤斗與給煤皮帶機的連接

為便于小煤斗給煤，小煤斗最好能與同一給煤皮帶機下方大煤斗共中心線。由于小煤斗只能接受一條皮帶給煤，在鍋爐啟動前，向小煤斗給煤的皮帶必須保證能夠正常運行。

為簡化小煤斗的給煤程序，同一個廠房的小煤斗宜接入同一條皮帶。

3 增設小煤斗方案注意事項

3.1 煤斗防爆措施

由于存在無煙煤和煙煤2種性質極端的煤種，無論上煤過程如何控制，都難免有煤斗混入其它煤種的可能。小煤斗混入無煙煤只是增加運行難度，但大煤斗混入煙煤，則有可能發生煙煤爆炸、自燃的可能。所以設計上需要在大、小煤斗上設置鈍化和滅火系統。

另外，運行人員要注意嚴格控制上煤過程，保證無煙煤或煙煤能分別進入相應的煤斗。

3.2 制粉系統

制粉系統要配合煤斗進煤的不確定性，大煤斗對應的磨煤機不能完全按無煙煤進行設計。由于無煙煤設計磨煤機出口一次風溫度按120℃設計，而煙煤一般是按75℃設計，考慮大煤斗混入煙煤的可能，要適當加大磨煤機冷風調節能力，控制磨煤機內的制粉風溫。

與小煤斗連接的兩臺磨煤機則要按磨制全煙煤進行設計。

另外制粉系統要按煙煤增加相應惰化、防爆、滅火系統。

運行過程中，特別是有煙煤參與混燒時，要加強對一次風管燃燒器側的監控，防止發生回火。

3.3 機組啟動過程中磨煤機運行方式

由于小煤斗給煤是單側進入雙進雙出磨煤機，所以對于雙進雙出磨煤機的運行方式有3種:

1)對側單進單出方式:進煤和出粉不在同一側，類似常規單進單出磨煤機，由于煤的流向是貫通整個磨煤機，所以磨制的煤粉均勻性和磨煤機出力都比較好，不足之處是磨煤機單進單出，啟動過程中投運的一次風管數量為雙進雙出的一半，爐內火焰充滿度稍差。

2)同側單進單出方式:進煤和出粉在同一側，由于在磨煤機的遠側是個盲端，煤粉流動性差，氣流速度相對進出口側要低，煤粉細度相對較高，所以磨制的煤粉均勻性和磨煤機出力較對側單進單出要差，啟動過程中投運的一次風管數量也為雙進雙出的一半，爐內火焰均勻性稍差。

3)單進雙出方式:單側進煤，兩側出煤，兩端出來的煤粉均勻性差異較大。但投運相同的磨煤機數量時，能夠投入的一次風管數量比單進單出多一倍，爐內火焰的充滿度較好。

本方案考慮設置2個小煤斗，鍋爐點火可以啟動2臺磨煤機，即便是采用單進單出運行方式，也能保證有足夠的一次風管數量。

4 增設小煤斗方案效益分析

每臺600 MW級機組需要增設2個120 m3鋼制小煤斗，需要增加鋼材約56 t，約需費用35萬元；增加2臺小煤斗給煤機，費用55萬元；2臺犁煤器，費用8萬元；還有相應的監控系統，費用220萬元。上述費用合計約318萬元。

根據某燃用無煙煤的電廠運行經驗，常規600 MW級 “W”鍋爐燃用無煙煤啟動一次平均耗油約90～120 t。改用煙煤啟動后，一次耗油8～10 t。增加小煤斗后，啟動一次可節省燃油80 t以上，機組啟動一次可節省費用約60萬元。

按電廠每臺機組每年啟動2～3次，增加小煤斗的費用約2～3年即可回收。

燃用無煙煤鍋爐的最低穩燃負荷為45%～50% BMCR，在低負荷時，還可以將小煤斗的煙煤代替助燃油起穩燃作用，以節省助燃油，這樣電廠的節油效益將更為可觀。

另外，鍋爐啟動和助燃燃油如果燃燒不充分，其油煙附著在脫硝催化劑或布袋除塵器濾袋上，難以清除，對煙氣脫硝和布袋除塵器運行效果不利，采用小煤斗煙煤取代燃油，則可避免上述問題。

增設小煤斗改善無煙煤鍋爐運行條件的設計方案，已經運用在攸縣電廠的施工圖設計中，小煤斗給煤機采用的是串聯方式。

目前該方案正在工地進行施工。

5 結論

燃用無煙煤鍋爐設置煙煤小煤斗，可帶來以下幾個方面的收益:

1)當鍋爐主燃料為無煙煤時，可以用小煤斗的煙煤啟動鍋爐，節省啟動燃油消耗。也可以用小煤斗的煙煤作為鍋爐低負荷穩燃，節省穩燃燃油消耗。

2)鍋爐啟動和低負荷助燃減少燃油消耗的同時，也改善了脫硝催化劑和布袋除塵器的運行條件。

3)在無煙煤、煙煤混燒時，減少非計劃停機時大煤斗煙煤放空的工作量。

本方案雖然是針對燃用無煙煤的 “W”鍋爐設計的，但對采用直吹制粉系統的對沖爐、四角切圓燃燒鍋爐的機組，同樣具有參考價值。

〔1〕王漢強，盧益，劉進波.無煙煤混燒與鍋爐選型〔J〕.發電設備，2008，22(3):191-193.

〔2〕段學農，朱光明，賓誼沅，等.湖南省電廠鍋爐混煤摻燒技術應用〔J〕.中國電力，2010，43(2):48-51.

〔3〕楊震，莊恩如，張建文，等.大型電站鍋爐采用切向燃燒方式燃用無煙煤的研究〔J〕.動力工程，2006，26(6):766-772.

〔4〕孫獻斌.600 MW無煙煤超臨界鍋爐選型分析〔J〕.電力建設，2014(1):74-77.

〔5〕雷霖，段學農，朱光明，等.電站鍋爐混煤摻燒事故原因分析與預防〔J〕.湖南電力，2009，29(2):31-33.

〔6〕中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T5121—2000火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規定〔S〕.北京:中國電力出版社，2001.

TK227.1

B

1008-0198(2015)06-0077-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.022

胡昌斌 (1963)，男，漢族，湖北人，高級工程師，主要從事熱力發電廠設計工作。

張滌宇 (1986)，男，漢族，湖南人，工程師，主要從事熱力發電廠設計工作。

王新(1975)，女，漢族，湖南人，高級工程師，主要從事熱力發電廠設計工作。

段學農 (1963)，男，漢族，湖南人，高級工程師，主要從事電廠調試研究工作。

2015-05-28 改回日期:2015-07-01