W火焰鍋爐低負(fù)荷磨煤機(jī)運(yùn)行技術(shù)研究

趙永國,陶 勇,馬國智,石賢捷

(國家能源菏澤發(fā)電有限公司, 山東 菏澤 274032)

0 引 言

在發(fā)電廠鍋爐工作流程中,由于對配套技術(shù)的不準(zhǔn)確跟蹤,導(dǎo)致不能及時對燃煤鍋爐中的煙氣含量、燃料消耗量、飛灰等有害物、鍋爐內(nèi)的所有裝置熱能損失和空氣預(yù)熱器通風(fēng)率,以及受熱表面污染程度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行在線的監(jiān)控。該問題導(dǎo)致電廠在燃用煤種多樣的狀況下,影響對燃煤鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)做出有效調(diào)度,及科學(xué)合理地組織爐內(nèi)空氣動力場工作;情況嚴(yán)重時,可造成在鍋爐低負(fù)荷工作時出現(xiàn)事故停機(jī),直接危及鍋爐工作安全和經(jīng)濟(jì)效益[1]。由于電網(wǎng)負(fù)荷巨大需求,很多300 MW以上火力機(jī)組是重要的調(diào)峰型發(fā)電設(shè)備。由于每天的峰谷間機(jī)組負(fù)載變化很大,出于對鍋爐穩(wěn)燃安全性與經(jīng)濟(jì)性的考量,在燃煤鍋爐滿帶基本負(fù)載(170～230 MW)時,要保證2臺磨煤機(jī)運(yùn)行,另一臺磨煤機(jī)備用;在負(fù)荷峰值時,則啟動第三臺磨煤機(jī)運(yùn)行,按照原規(guī)定的磨煤機(jī)啟停要求,磨煤機(jī)在啟停后就必須投油助燃。在2臺磨煤機(jī)運(yùn)行方式下,僅助燃用油每月費(fèi)用約8.4萬元,如果出現(xiàn)磨煤機(jī)跳閘鍋爐滅火,在機(jī)組恢復(fù)過程一般需要燃油費(fèi)用10多萬元,更不具有經(jīng)濟(jì)性。所以,在確保鍋爐燃燒平穩(wěn)安全的前提下,研究減少磨煤機(jī)啟停助燃油損耗的對策,以及低負(fù)荷2臺磨煤機(jī)運(yùn)行技術(shù)是非常有意義的[2]。

1 鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計特點(diǎn)

菏澤發(fā)電廠二期工程為2臺300 MW發(fā)電機(jī)組,配備型號為MBEL-1025/17.3-541/541的大型高壓鍋爐設(shè)備裝置。該型高壓鍋爐裝置為單爐膛尺寸出口、平衡通風(fēng)、一次中間再加熱、亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、單汽包高壓鍋爐燃燒裝置,設(shè)計蒸汽生產(chǎn)能力為1 025 t/h,正壓直吹式制粉系統(tǒng),W型火焰鍋爐。鍋爐系統(tǒng)設(shè)計煤種為85%無煙煤和15%半無煙煤,鍋爐設(shè)備的燃煤系統(tǒng)由制粉系統(tǒng)、燃燒器和噴油嘴、均衡煙風(fēng)控制系統(tǒng)和輔機(jī)、下爐膛出口和燃料室等構(gòu)成。煤倉在23 m高爐拱處分為上下兩部分,下煤倉斷面為19.32 m×15.63 m,呈八角形;上煤倉為19.32 m×7.176 m,呈正方形;煤倉容量為6 557 m3。在煤倉四周鋪設(shè)569 m2高衛(wèi)燃帶。該高壓鍋爐制粉系統(tǒng)中,安裝3臺雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī),每臺磨煤機(jī)又分為兩端,每端均連接一粗粉分離器,從粗粉分離器出口的一次風(fēng)管在距離鍋爐本體28 m處又通過分配器再分成2根,3臺磨煤機(jī)共有12條一次風(fēng)管在燃燒器前端,再通過每個管路連接一次旋風(fēng)分離機(jī)構(gòu)。鍋爐左右2個爐拱處,均布設(shè)3組直流垂直向下的狹縫型點(diǎn)燃器,每套點(diǎn)燃器共由4只主煤粉噴射器、4只乏氣噴射器、8只二次風(fēng)噴射器所構(gòu)成。二次風(fēng)噴氣孔分別位于主煤粉鍋爐噴射器和乏氣噴射器送風(fēng)口的兩端,每組燃燒器包裹2支油槍。在鍋爐后壁爐下方設(shè)有爐底管注入的熱風(fēng),用以在負(fù)荷變動時調(diào)節(jié)再熱汽溫[3]。

2 磨煤機(jī)運(yùn)行方式綜合分析

2.1 磨煤機(jī)運(yùn)行臺數(shù)對經(jīng)濟(jì)性的影響

2.1.1 對制粉單耗的影響

1)根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析:同樣負(fù)荷下,運(yùn)行2臺磨煤機(jī)比運(yùn)行3臺磨煤機(jī)制粉單耗下降1/3左右。

2)同樣負(fù)荷下,負(fù)荷越高,運(yùn)行2臺磨煤機(jī)單耗下降越少;負(fù)荷越低,運(yùn)行2臺磨煤機(jī)單耗下降越多。

3)無論3臺磨煤機(jī)運(yùn)行還是2臺磨煤機(jī)運(yùn)行,隨著負(fù)荷的升高,單耗下降。

4)受煤質(zhì)影響,250 MW負(fù)荷以下,運(yùn)行2臺磨煤機(jī)(目前最多帶負(fù)荷230 MW),磨煤機(jī)單耗未達(dá)到設(shè)計值24.40 (kW·h)/t; 250 MW負(fù)荷以上,運(yùn)行2臺磨煤機(jī)能低于設(shè)計值。運(yùn)行3臺磨煤機(jī)在滿負(fù)荷時磨煤機(jī)單耗尚未達(dá)到設(shè)計值[4]。

2.1.2 對廠用電率的影響

1)運(yùn)行2臺磨煤機(jī),由于總負(fù)荷的減少,廠用電率也降低較多,在250 MW負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)2臺磨煤機(jī)時,廠用電率至少下降0.5%。

2)運(yùn)行2臺磨煤機(jī),在負(fù)荷210 MW以上,廠用電率能低于設(shè)計值(4.98%),而運(yùn)行3臺磨煤機(jī)負(fù)荷應(yīng)在230 MW以上能達(dá)到設(shè)計值。

2.1.3 磨煤機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺數(shù)及對飛灰、爐渣等可燃物的影響

2臺磨煤機(jī)同時運(yùn)轉(zhuǎn),飛灰有害物含量平均達(dá)到4.41%,焊渣有害物含量平均達(dá)到4.95%,分別比3臺磨煤機(jī)同時運(yùn)轉(zhuǎn)時高1.5%、2.38%。

綜上可知,在機(jī)組出力230 MW負(fù)荷以下時,2臺磨煤機(jī)運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)[5]。

2.2 磨煤機(jī)啟停對經(jīng)濟(jì)性的影響

2.2.1 磨煤機(jī)啟停對燃油和節(jié)電的影響

1)磨煤機(jī)啟停燃油。根據(jù)磨煤機(jī)的設(shè)計邏輯和現(xiàn)場實(shí)際需要,磨煤機(jī)啟停時需要投入最少2只油槍運(yùn)行,油槍在工作壓力1.2 MPa下,噴油1.7 t/h,按油壓0.8 MPa計, 1只油槍燃油為1.13 t/h,啟動磨煤機(jī)最少需要燃油30 min,停磨煤機(jī)最少需要燃油20 min,手動啟停時磨煤機(jī)需要燃油約2 t/次,每月每爐需要的燃油約60 t,油價按5 000元/t測算,需燃油費(fèi)約30萬元[6]。

2) 2臺磨煤機(jī)運(yùn)行節(jié)電。230 MW負(fù)荷以下運(yùn)轉(zhuǎn)2臺磨煤機(jī),每臺磨煤機(jī)能耗按最小計算, 每臺磨煤機(jī)能耗消耗約1 200 (kW·h)/h,每日按12 h計算,日節(jié)電約14 400 kW·h, 月節(jié)電432 000 kW·h,電價按0.5元/(kW·h)計算,每月節(jié)省電費(fèi)約21.6萬元[7]。

從燃油與節(jié)電的比較可發(fā)現(xiàn), 2臺磨煤機(jī)運(yùn)行僅助燃用油每月需投入8.4萬元。當(dāng)2臺磨煤機(jī)同時運(yùn)轉(zhuǎn),出現(xiàn)磨煤機(jī)跳閘鍋爐滅火,在機(jī)組恢復(fù)過程通常需要燃油約20 t,費(fèi)用約10萬元,更不具有經(jīng)濟(jì)性。

通過以上分析,只有在低負(fù)荷工況(230 MW以下)研究2臺磨煤機(jī)運(yùn)行才有實(shí)際意義,要保證安全,在啟停磨煤機(jī)時必須投助燃油。如何降低啟停磨煤機(jī)時助燃油的投入與采取何種運(yùn)行方式有利于燃燒是研究的重點(diǎn)。

2.2.2 磨煤機(jī)啟停節(jié)油的可行性分析

2臺磨煤機(jī)運(yùn)行方式,在安全和經(jīng)濟(jì)方面存在不利因素,只有解決磨煤機(jī)啟停不投油的問題,才使低負(fù)荷時采取2臺磨煤機(jī)運(yùn)行方式,成為有效的方法。

1)按菏澤電廠二期鍋爐磨煤機(jī)啟停邏輯,要求投油的主要目的是引燃煤粉燃燒器并給之助燃,以確保煤粉燃燒器點(diǎn)火良好。在鍋爐最初啟動時,爐膛溫度較低,鍋爐燃燒狀態(tài)不佳,投油點(diǎn)燃煤粉燃燒器是必要的;但當(dāng)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行后,燃煤燃燒器的著火穩(wěn)定性主要與燃料煤質(zhì)、煤粉燃燒器的特性和爐膛出口溫度有關(guān),因此在燃用設(shè)計煤種(低揮發(fā)分、中高發(fā)熱量貧煤)的情況下,選擇較容易著火、穩(wěn)燃的燃燒器型式和適當(dāng)?shù)臓t膛出口溫度,是確保備用磨煤機(jī)自動啟停節(jié)油的關(guān)鍵[8]。

2)鍋爐運(yùn)行爐溫分析。菏澤電廠二期設(shè)計布局時,在爐膛尺寸與出口長度的選取上,采用大爐膛斷面,以降低燃煤鍋爐內(nèi)煙氣流上升的速度,因此延長了煙氣在燃煤鍋爐中的停留時間,提高了煤粉燃燼時間;為了提高爐膛溫度,以保證煤粉在鍋爐內(nèi)迅速著火、均勻燃燒,在水冷壁上布設(shè)具有相應(yīng)面積的穩(wěn)燃帶。該設(shè)計使在鍋爐正常工作時會產(chǎn)生適當(dāng)?shù)腻仩t高溫,以保持燃燒平衡。在鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,從實(shí)際測量的鍋爐高溫數(shù)值可知,菏澤電廠二期鍋爐正常運(yùn)行爐溫非常高,即使是位于鍋爐高溫燃燒區(qū)域的最底部,爐內(nèi)溫度最低處也接近1 100 ℃。研究證明,煤粉鍋爐著火熱量主要有兩個來源: 一是被煤粉射流卷吸到射流根部的高溫回流煙氣,這部分高熱煙氣與剛噴入的新煤粉高壓鍋爐噴流劇烈攪拌,以對流方式傳輸熱能; 二是高溫火焰及爐壁對煤粉射流的輻射加熱。如此高的爐溫對燃燒器噴入煤粉的著火提供了有力的保障。根據(jù)華能德州電廠資料,該廠燃用煤種的著火溫度為840～1 000 ℃ ,在不投油情況下,1 100 ℃的爐溫完全能夠滿足燃用煤種著火溫度的要求,即在鍋爐正常穩(wěn)定運(yùn)行時,啟停磨煤機(jī)時油槍點(diǎn)火助燃作用微弱。

2.3 2臺磨煤機(jī)運(yùn)行方式分析

A、B、C磨煤機(jī)中的2臺磨煤機(jī)同時運(yùn)轉(zhuǎn),有三種運(yùn)行組合,即A與B、A與C、B與C,組合選擇原則是有利于燃燒穩(wěn)定,有利于調(diào)整,有利于降低飛灰、爐渣可燃物[9-10]。

1) A與B運(yùn)行方式。此種方式下后墻A磨煤機(jī)所帶的兩組燃燒器與前墻B磨煤機(jī)所帶的兩組燃燒器下射后對沖,形成較好的兩組W火焰,對兩側(cè)墻及前后墻兩端水冷壁輻射換熱強(qiáng),火焰能均勻的充滿爐膛四周,燃燒穩(wěn)定性較好。但由于爐膛較寬,前墻或后墻同一磨煤機(jī)兩組火嘴之間跨度大,爐膛中間部分火焰較弱,使前后墻水冷壁中間部分吸熱量減少,并且兩組W火焰各在爐膛兩側(cè),使兩側(cè)爐膛溫度升高,容易在前后墻與兩側(cè)墻夾角處結(jié)焦,流下的積焦易掛在前后墻水冷壁斜坡與側(cè)墻夾角處造成堆積。此種方式下,由于形成了較好的W火焰,煤粉燃燒好,離析少,飛灰、爐渣可燃物含量較低。

2) A與C運(yùn)行方式。C磨煤機(jī)所帶的前后墻兩組火嘴形成下射后形成一組W火焰,后墻A磨煤機(jī)所帶的兩組燃燒器各自形成一組V型火焰。兩組V型火焰與C磨煤機(jī)形成的一組W火焰相距較近,對燃燒的穩(wěn)定性有很大幫助。但V型火焰對相對側(cè)水冷壁沖刷較強(qiáng),使前墻1、4號角溫度過高,容易結(jié)焦。此種方式下,V型火焰向爐前墻噴射,煤粉燃燒時間長,飛灰、爐渣可燃物含量最低。不足之處是后墻三次風(fēng)門是手動門,不便調(diào)節(jié)三次風(fēng)量。

3) B與C方式。與A與C方式基本相同,只是前墻B磨煤機(jī)所帶的兩組燃燒器各自形成的一組V型火焰是向爐后墻沖刷,使前墻2、3號角溫度過高,容易結(jié)焦;由于V型火焰向爐后墻噴射,煤粉燃燒時間短,飛灰、爐渣可燃物含量最高。前墻三次風(fēng)門是電動門,方便調(diào)節(jié)三次風(fēng)量。

4) 在高負(fù)荷下,2臺磨煤機(jī)運(yùn)行,一次風(fēng)流量增加,煤粉下沖嚴(yán)重,嚴(yán)重時可以觀察到冷灰斗護(hù)板被燒紅,造成爐渣中煤粉含量增加;一次風(fēng)量增加,煤粉細(xì)度變大,飛灰可燃物升高,負(fù)荷較高時,煤粉離析較多。同時,高負(fù)荷時2臺磨煤機(jī)運(yùn)行,運(yùn)行燃燒器出口煤粉增多,造成局部缺氧燃燒,形成還原性氣氛,而灰渣在還原性氣氛中灰熔點(diǎn)下降,容易結(jié)焦。因此,2臺磨煤機(jī)運(yùn)行時,機(jī)組負(fù)荷不能太高,不超過230 MW為宜。

3 改進(jìn)建議

1)提高保護(hù)可靠性。為防止跳磨造成鍋爐滅火,對磨煤機(jī)保護(hù)進(jìn)行整理完善[11]。出現(xiàn)下列任一情況,運(yùn)行磨煤機(jī)跳閘、報警,如表1所示。

表1 磨煤機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)條件Table 1 Interlock protection condition of coal mill

2)提高自動調(diào)節(jié)性能:送風(fēng)自動、一/二次風(fēng)自動及磨煤機(jī)有關(guān)自動調(diào)節(jié)靈敏;

3)對非運(yùn)行人員操作原因引起磨煤機(jī)跳閘或引起鍋爐滅火的事件,對操作人員應(yīng)免于考核;

4)恢復(fù)調(diào)整后爐膛衛(wèi)燃帶面積,以提高爐膛溫度,保證鍋爐燃燒穩(wěn)定;

5)2臺磨煤機(jī)燃燒器之間增加聯(lián)絡(luò)。當(dāng)停1臺磨煤機(jī)時,其燃燒器利用相鄰磨煤機(jī)聯(lián)絡(luò)同樣能出粉燃燒。即停磨不停燃燒器,確保燃燒穩(wěn)定[12];

6)對油槍進(jìn)行改進(jìn)。將12只大油槍改為6只小油槍,在磨煤機(jī)啟停過程降低磨煤機(jī)燃油,保留6只大油槍,啟動點(diǎn)火用。

4 結(jié) 語

當(dāng)前,面對中國能源體制改革的深入實(shí)施,節(jié)能工作更加重要。對現(xiàn)有設(shè)備分析調(diào)研,挖掘既有設(shè)備節(jié)能潛力,是增強(qiáng)發(fā)電廠實(shí)力的有效手段。對配備了直吹式制粉系統(tǒng)的大型發(fā)電機(jī)組來說,可以采用切實(shí)可行的辦法,在低負(fù)荷階段維持磨煤機(jī)最少運(yùn)行方式,節(jié)電效益突出。