摻燒非設計煤種對鍋爐安全經濟運行的影響

楊曉華

(華能吉林發電有限公司長春熱電廠，吉林 長春 130216)

0 引言

隨著社會對一次能源需求的增加，煤炭的供應越來越緊張。對于電廠來說，設計煤種的供應量往往不能滿足日常生產的需求，就要求摻燒非設計煤種。另外，隨著以新能源為主電力建設的快速發展，燃煤電廠在電網中的地位發生變化，機組需要深度參與調峰，導致利用小時數下降，盈利能力下降。為增加盈利，燃煤機組一般選擇摻燒一定比例的污泥、固廢等。

1 機組概況

某熱電廠裝機容量為2×350 MW，具體配置如下。

(1) 鍋爐為哈爾濱鍋爐有限責任公司制造的超臨界參數變壓運行直流爐，平衡通風、一次中間再熱、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構、Π型布置、緊身封閉，型號HG-1110/25.4-HM2。

(2) 汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的C350/272-24.2/0.4/566/566型單軸、雙缸、雙排汽，一次中間再熱、雙抽凝汽式汽輪機。

(3) 制粉系統為中速磨正壓直吹系統，配置6臺HP863型中速磨煤機，燃燒設計煤種(扎賚諾爾褐煤，簡稱扎煤)時，在鍋爐最大連續蒸發量(boiler maximum continuous rating，BMCR)工況下，5臺運行，1臺備用，煤粉細度R90為37 %。燃燒方式為四角切圓燃燒，每套制粉系統對應一層燃燒器，共布置六層煤粉燃燒器，下層燃燒器設置等離子點火器。

2 摻燒影響分析

設計煤種在BMCR工況下入爐煤量183.04 t/h，收到基灰分含量12.06 % (見表1)，可計算得到入爐煤總攜帶的灰分(飛灰和爐渣總量)為22.07 t/h，設計煤種的低位發熱量17 340 kJ/kg，則入爐煤量計算功率為881.64 MW。磨煤機在使用設計煤種時(2A，2E)出力可達到40 t/h，在非設計煤種時(其他磨煤機)出力最多為33 t/h，根據表2入爐煤的工業分析數據，可以得出總的入爐灰分(飛灰和鍋爐底渣總量)為49.543 t/h和入爐煤對應計算功率808.33 MW，為設計煤種輸入功率的91 %，所以鍋爐出力為91 % BMCR，即1 010 t/h。由于煤質熱量的偏差和磨煤機出力不足，鍋爐出力一般可維持在880～1 045 t/h。

表1 燃煤成分與特性

表2 鍋爐入爐煤的工業分析

2.1 受熱面影響分析

由于入爐煤灰分成倍增加，在相同負荷下，鍋爐煙氣中的飛灰攜帶量也成倍增加，對鍋爐受熱面的沖刷磨損加劇，減少了鍋爐受熱面的壽命，使受熱面失效泄露的幾率增加。另一方面，由于煙氣中攜帶的飛灰量成倍增加，使受熱面的積灰相應增加，吹灰頻率加大，消耗的吹灰蒸汽量也增加，影響機組的經濟性，同時，無論怎樣增加吹灰頻率，都不能保證比使用設計煤種時積灰少，積灰的增加導致熱阻增加，受熱面溫度上升，嚴重時甚至會引起受熱面超溫，使得受熱面壽命縮短，增加了受熱面超溫失效、泄露的幾率，是嚴重威脅鍋爐安全運行的問題之一。2020—2021年供熱季，某熱電廠一機組就發生了“四管”泄露的報警，再加上入爐煤發熱量所限，導致鍋爐蒸發量只能維持在800 t/h左右，為保證供熱，機組只能降壓降負荷運行；在臨近供熱季結束的3月末，另一臺機組也發生了“四管”泄露報警。可見高灰分、低發熱量的入爐煤對鍋爐安全運行有著重要影響。

2.2 鍋爐結焦影響分析

入爐煤的高灰分、低發熱量也使得鍋爐結焦加劇，底渣系統經常出現大焦塊，甚至堵塞冷灰斗的下渣門，運行期間需要通過觀察孔人工除焦，人員長時間從事除焦作業，會使大量冷風從爐底漏入，影響了鍋爐的效率，甚至導致爐膛溫度降低，影響鍋爐的安全運行。同時，除焦作業中大焦塊掉落，對除焦人員也是一種威脅，可能燙傷人員，甚至是威脅除焦人員的生命安全，而這種危險往往是不可控的。寧波某電廠就曾經因為結焦發生了嚴重事故（非入爐煤質偏離設計煤種的原因），致使23人死亡，8人重傷，16人輕傷，車間停爐搶修所費時間達到了132天，清除的灰渣堆容積達到了934 m3，事故總直接經濟損失就達780萬元(按照當年物價計算)，事故調查發現造成這起事故的直接原因就是鍋爐嚴重結渣。由于入爐煤質偏離設計煤種可能會加劇鍋爐結焦，因此，在鍋爐運行中應盡可能避免嚴重結焦現象。

2.3 水冷壁管影響分析

嚴重結渣、積渣形成了較大的靜載，加上大塊焦渣下落的動載，使得冷灰斗局部失穩，從而導致側墻與冷灰斗連接處的水冷壁管被撕裂。撕裂后形成的裂口向爐內噴水，遇高溫落渣后產生水汽升溫膨脹，使得鍋爐內部壓力增大，加重冷灰斗塌陷；爐膛內水冷壁的包角管斷裂，致使噴水量迅速增加，爐膛的壓力也因此快速增加，造成更加嚴重的塌陷。

2.4 電除塵系統影響分析

入爐煤的灰分增加，電除塵系統的飛灰處理量也成倍增加，廠用電也隨之增大，電除塵的料斗高料位幾率上升。因電除塵的灰斗在設計上未考慮灰斗中灰分的載荷，高料位容易引發電除塵倒塌事故。山東某電廠曾經就發生過因灰斗料位高引起的電除塵倒塌事故。

2.5 給煤系統影響分析

入爐煤質的下降，特別是摻燒固廢后，給煤機斷煤的頻率上升。給煤機一旦斷煤，制粉系統的阻力將發生變化，容易發生一次風從抽空磨煤機短路的現象，對正常運行磨煤機的一次風會產生較大的擾動，從而使進入爐膛的煤粉量產生較大的擾動，造成燃燒系統與給水的平衡被破壞，主汽溫、主汽壓(負荷)產生波動[1]，受熱面產生嚴重超溫。若入爐煤質量太差，比如煤摻沙，沙子會長時間停留在磨煤機內，使磨煤機出力嚴重下降，甚至不出力，導致鍋爐降至穩燃負荷以下[2]，為保證鍋爐燃燒，必須采取等離子穩燃或者投油槍穩燃[3]。

2.6 供熱可靠性影響分析

當前城市熱源緊缺，熱電廠的機組進行了低壓缸零出力改造，所以在供熱季對供熱的可靠性要求很高，一旦機組停運，供熱不足，甚至中斷，對于保障民生工作將造成嚴重影響。因此，在一定程度上供熱的可靠性是不能以成本來衡量的。

3 解決方案

根據上述分析，選用合適的動力煤提質降灰，既可以降低入爐煤的灰分，提高入爐煤的熱量，又可以增加磨煤機的出力，滿足機組負荷的需要，提高供熱的可靠性。同時入爐煤的灰分降低，也減輕了鍋爐受熱面的磨損和降低了超溫失效的幾率。

摻燒后降負荷幅度在20 %左右，若入爐煤進行降灰提質，機組不再降負荷運行，供熱季實現滿發供熱，按160天并參考表3 (BMCR工況1 110 t/h，發電功率263 MW，供熱量493 MW)計算，累計可多發電20 198.4萬kWh，參考電價0.37元/kWh、廠用電率6 %、供熱31.5元/GJ，則可增加發電收入約為7 024萬元，多供熱約136萬GJ，供熱收入增加約4 284萬元，合計增收11 308萬元，估算利潤為2 000萬元以上，兩臺機組一個供熱季多出來的利潤在4 000萬以上。

表3 機組低壓缸零出力工況熱力計算結果

總之，煤電機組摻燒非設計煤種和污泥、固廢等，要提前進行入爐煤的降灰提質，使進入鍋爐的灰分盡可能的低，發熱量盡可能的高，給入爐煤提供一定的熱量裕量。