基于ELHC 驗證結果的煤粉爆炸指數計算規范比選及研究

張建中，李 政，曹理平

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.中國華電集團有限公司經濟技術咨詢分公司，北京 100031；3.電力規劃設計總院，北京 100120)

0 引言

磨煤機及制粉系統的防爆是火電廠設計和安全生產管理的一項重要內容，其核心環節在于正確評估燃用煤種的爆炸特性。就防爆安全生產角度，需對燃煤的爆炸等級有足夠的估計并且留有煤質變化的安全裕量。而就鍋爐經濟運行角度，又不宜因為過高估計燃煤爆炸等級而采取過于保守的運行方式。有電廠在提高直吹式制粉系統磨煤機出口溫度的節能潛力方面進行了實踐，并收到了良好成效(某電廠在600 MW 機組HP 型中速磨煤機上的試驗表明，當磨煤機出口溫度由80℃提高到100℃后，因冷風摻入量減少使排煙溫度降低了6.1℃，鍋爐效率可提高約0.31%，發電煤耗下降約1 g/kWh)。

為準確評估煤粉爆炸風險，目前對煤粉爆炸特性的評價標準主要有：揮發份Vdaf、前蘇聯工業性指標BC、爆炸指數Kd、熱重著火溫度t、煤粉氣流著火溫度IT等。根據王月明[1]等在試驗臺上以煤粉爆炸下限熱量濃度，方法ELHC(explosion lower heat concentration) 為 參照，對23 例火電廠用煤(包括無煙煤、貧煤、煙煤、褐煤等)試驗煤樣進行爆炸性試驗驗證。結果表明，這些方法中以爆炸指數Kd方法的預報成功率為最好。現行技術規范編制中，均以爆炸指數Kd作為煤粉爆炸特性的評判指標。

目前，國內在磨煤機選型、制粉系統設計、防爆設計等規范體系中，煤粉爆炸指數Kd的理念、計算和分級所依據的技術源頭，均來自ВТИ 的E.N.Tolchinskii 等于1996 年所發表的“固體化石燃料粉末爆炸性準則”一文[2](以下簡稱“ВТИ 準則”)。二十多年來國內技術規范中關于爆炸指數Kd的規定歷經多次升級，形成了一套規范體系[3-7]；但如文獻[8]所指出，實際上均存在偏離ВТИ 試驗研究成果現象，導致相關技術規范在選擇和應用中的混亂，并由此造成燃煤管理中對煤種爆炸特性的誤判，項目設計及審查中對防爆設施配置失當等實際問題。對此需要正確解讀ВТИ 準則基礎上研究煤粉爆炸指數計算方法的完善化和精準規范化問題。

1 現行規范中爆炸指數Kd計算值預報準確度驗證

1.1 驗證比較的方法

1)以煤粉爆炸下限熱量濃度ELHC 試驗臺測試結果作為驗證比較基準。

2)在23 例煤種的測試結果中選擇“不爆煤”及“極易爆”兩類代表性煤種作為驗證案例。

3)選擇目前國內實際使用的幾種規范進行驗證比選；其中的“ВТИ 準則”(校正版)所引用的規范已經進行了單位制正確換算；DL/T 5203—2005[4]、DL/T 5145—2012[6]及DL/T 466—2017[7]均為現行有效版本。

1.2 現行規范的驗證比較

現行規范對代表性測試煤種的驗證比選見表1 所列。

表1 以ELHC試驗臺方法為參照對現行技術規范的驗證比選

1.3 驗證比選結果

除ВТИ 準則(校正版)而外，國內幾種有效版本的預報準確度均不理想；其中DL/T 5145—2012 規范已經基本無預報價值可言；較新的DL/T 466—2017 中對爆炸指數Kd的計算和分級作了更改但仍偏離ВТИ 準則，而且也未宣布廢止DL/T5145—2012 中相關條款的規定。

2 現行規范存在問題

2.1 理論層面

1)國內升級版規范中對引用ВТИ 準則的單位制換算出現過量修正，導致計算公式甚至進一步擴大了與ВТИ 準則的偏離。

2)因引用ВТИ 準則的單位制換算失誤，導致爆炸指數Kd的計算與分級之間不再構成合理匹配體系。

3)國內規范中自行定義對爆炸指數Kd分級的界定標準，既不符合所引用ВТИ 準則的定義又缺乏試驗或實踐依據。如DL/T 5145—2012 中的煤粉爆炸指數Kd數據，將易爆煤種的界定標準從ВТИ 準則中的Kd＞1.5 改為Kd＞12.0；DL/T 466—2017 將起爆標準從Kd=1.0 改到Kd=0.5，理論上已經不再符合ВТИ 準則對煤粉爆炸指數Kd的定義。

2.2 實踐層面

1)爆炸特性的分級界定標準脫離實際，導致對煤種爆炸特性的誤判。

①DL/T 466—2017 將Kd＞0.5 作為起爆標準，這相當于將揮發份Vadf≤20%的貧煤都劃為可爆煤種，與實際不符。如潞安貧煤Vadf=18.76%，按ВТИ 準則Kd=0.87 判別為不爆煤與ELHC 試驗臺結果相符，而按DL/T 466—2017 被誤判為可爆煤種。

②DL/T 466—2017 將Kd≥3.5 作為極易爆標準，這相當于將絕大部分高揮發份煙煤甚至褐煤都劃為極易爆煤種之外，與實際不符。DL/T 466—2017 的附錄D.1“我國一些電廠燃煤煤粉的爆炸性指數Kd”中，序號15-60 的46 種高揮發份煙煤、褐煤(Vdaf=30%～50%)中，只有一例特殊煤種(Monto 煤)Kd≥3.5，這顯然也不符合基本實際情況。

2)極易爆煤種與難爆/不爆煤種界限混淆，導致制粉系統設防標準配置不當

①按防爆規程DL/T 5203—2005[4]，對于爆炸感應指數Kd高的煤種制粉系統宜設置的“CO檢測裝置+磨煤機后溫度變化梯度測量裝置”。

②而按DL/T 5145—2012，對易爆煤種的界定標準定為Kd>12.0，相當于將一大批揮發份Vdaf≤25%的煙煤甚至貧煤都劃為易爆煤種。

對于潞安貧煤、貴州煙煤等低揮發份煤種，按ВТИ 準則判別為不爆煤種與ELHC 試驗臺結果相符，無需設防；而按DL/T 5145—2012 計算的爆炸指數Kd分別為17.84 及20.1，屬極易爆炸煤種，必須設置“CO 檢測裝置+磨煤機后溫度變化梯度測量裝置”，這將導致不必要的投資增加。

3)因界定防爆對策時混用Vdaf及Kd這兩個指標，使得有些項目制粉系統過度設防導致閑置投資。

內蒙京能盛樂2×350 MW 機組因燃用Vdaf≥35%的高揮發份煤，按防爆規程選用了CO 檢測裝置；但按煤質條件核算的爆炸指數Kd判斷為“中等”甚至“不爆”煤種，可以確認其無需配置CO 檢測裝置，見表2 所列。

表2 內蒙京能盛樂熱電煤種爆炸性核算數據

以上表明，國內規范不符合國內ELHC 試驗的驗證情況。

2.3 實際操作層面

現行技術規范中，對爆炸指數Kd的確定均沿用DL/T 466[3]所推薦的方程組逐級計算方法，需要6 個歩驟。文獻[9]就運行管理角度指出，易爆煤種的煤粉爆炸指數Kd對于燃煤電廠煤質管理和入爐煤摻配控制十分重要，而現有計算方法涉及參數較多，需要對煤樣進行多重分析后才能算出，增加了電廠檢測人員工作量，因此有必要尋求更加簡便的方法，探索煤粉爆炸指數預測模型的優化。

分級標準與計算方法之間的匹配失衡也是需要同步解決的問題。重點在于實施煤粉爆炸指數Kd分級標準的精準規范化。

上述理論層面的規范編制升版問題已有專門文獻[8]進行論述；本文著重研究討論實踐中提出的實用化完善化途徑。

3 爆炸指數Kd的計算方法

3.1 精準實用化計算方法的選用

基于對ВТИ 準則中計算方程組的推導變換，文獻[8]對爆炸指數Kd提出了如下精準實用化計算式：

式中：Qnet,daf為煤的干燥無灰基低位發熱量，kJ/kg；Vd為煤的干燥基揮發份，%；Vdaf為煤的干燥無灰基揮發份，%。

3.2 計算方法的應用

應用式(1)除了實現對爆炸指數Kd計算過程一步到位的簡化而外，還可用來判別煤粉爆炸性的計算條件是否成立。

1) DL/T 466—2004 示例中的燃煤條件 為Vdaf=16%，Ad=32.26%，Vd=10.84%，Qnet,daf=22 580 kJ/kg。計算的煤粉爆炸性Kd=1.028，爆炸性中等，但這與貧煤煤種并不相符。

2)按式(1)計算如下：

因計算值為負值，表明所賦予的燃煤條件不成立，應該重新設置。后在DL/T 5145—2012《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》[6]中發現，將燃煤發熱量改為Qnet,daf=33 000 kJ/kg，但如文獻[8]所述該規定的計算方法有誤不能使用，應該按式(1)來計算，確切的煤粉爆炸性Kd=0.41，為不爆煤，與煤種條件相般配。

4 煤種爆炸特性預測模型擬合方法

4.1 煤種爆炸特性預測模型擬合公式方法

2019 年，王永佳[9]等以DL/T 466-2017 規范方程組為基準，用最小二乘法擬合了一組線型方程式來進行估算：

式中：Mad、Aad、Vad為空氣干燥基的水分、灰分和揮發份，%；Qnet,ar為收到基低位發熱量，kJ/kg。

擬合式(2)建立了爆炸指數與煤質特性之間的線性關系，煤的發熱量直接采用收到基計算，使用方便；但就核算數據來看該擬合公式與 DL/T 466—2017 的計算結果相去甚遠，以山東鄒縣電廠兗州/濟北混煤為例，按擬合式(2)計算的Kd=4.795 較按DL/T 466—2017 的精準計算值Kd=2.298 大了一倍；此外，就爆炸等級來看與DL/T 466—2017 也不相匹配。文獻[9]所引用實踐依據是山東某電廠“2016 年入廠煤樣共計1 179 個，爆炸指數在1.7 ～8.1 之間”；以及將易爆煤種的爆炸指數定為Kd≥3.0，將極易爆煤種的爆炸指數定為Kd＞7 的這些界定標準，與DL/T 466—2017 均無法對接—按該規范中所列國內60 個煤種的計算數據，對于Vdaf=35%～40%的煤種爆炸指數上限值Kd不超過4.0；對極易爆煤種的爆炸指數定Kd≥3.5而不是Kd＞7。因此擬合式(2)實際上是誤以DL/T 466—2004 作為擬合目標，并不具備直接使用價值。

4.2 對煤種爆炸特性預測模型擬合公式的修正方法

就公式結構，理論上可以通過重新調整各項系數建立起與DL/T 466—2017 相匹配的擬合方程。而利用文獻[8]對各種版本爆炸指數所建立的精準簡化式，可將以DL/T 466—2004 為目標的擬合式(2)換算成與其他版本對接的擬合方程修正式。

換算通式

式中：Δ 為換算參量；[Kd]為擬合式(2)的計算值；Kd為換算后的數值。

由文獻[8]得知，與DL/T 466—2004 中爆炸指數對接的精準實用計算式如下：

由此得到與精準實用式(1)對接的線型擬合方程式為式(7)：

4.3 對換算修正后煤種爆炸特性預測模型擬合方程式的驗證

以精準實用式(1)為基準，對換算修正后的擬合方程(7)驗證如下：

1)驗證案例：以山東鄒縣電廠兗州/濟北混煤為例，已知Vdaf=39%，Vd=27.95%，按式(6)算得換算參量Δ=2.51，這與4.1(2)一節中按文獻[9]擬合式(2)的計算偏差(4.795-2.298)=2.497極為接近。

2)選擇5 種不同揮發份的代表性煤種，對兩種計算方法的驗算數據比較如圖1 所示。

圖1 擬合方程修正式與精準簡化式的比較

由圖1 可知，對于可爆、易爆煤種(Kd≥1.0，或Vdaf≥25%)，按擬合方程修正式(6)、式(7)計算的爆炸指數精準度高達99.05%以上；表明其具有較高實用價值。

對于不爆、難爆煤種(Kd≤1.0)，按煤種爆炸特性預測模型的擬合方程修正式(6)、式(7)所計算的爆炸指數存在一定偏差，但對實際應用的影響不大。

5 引入ELHC準則元素優化煤粉爆炸特性指數方法

5.1 引入ELHC準則元素的爆炸指數Kd方法

在現行規范或文獻中，對煤粉爆炸指數形成了幾種不同的分級界定標準而且反差巨大，見表3 所列。

表3 不同規范及文獻中的煤粉爆炸指數Kd分級界定標準對照

在表3 中，文獻[8]所引入以煤粉爆炸下限熱量濃度ELHC 準則為參照的爆炸特性分級，可作為對ВТИ 準則的一種優化。

5.2 引入ELHC準則元素爆炸指數Kd方法的應用

典型案例：安徽平山二期1×1 350 MW 機組因燃用Vdaf≥32%的高揮發份煤，按防爆規程配置了CO 檢測裝置。對其設防標準檢查如下：

1)按ВТИ 準則計算結果見表4 所列，因Kd＞1.5 屬易爆煤，配置CO 檢測裝置。

表4 安徽平山二期煤種爆炸性核算數據表

2) 而按表3 推薦引入ELHC 準則元素的爆炸指數Kd評估方法，因其①Kd≤2.5，②Ad≥20%，③Vdaf≤42%等煤質條件綜合判斷為“中等爆炸”煤種。

3)為穩妥起見，建議對煤質取樣進行ELHC 試驗，以測試結果及對磨煤機出口溫度優化期望值作為評估防爆對策選擇的依據。

5.3 對煤粉爆炸指數Kd分級標準的討論

1)分級界定標準的依據

ВТИ 準則是煤粉爆炸指數Kd的技術源頭，分級界定標準與其計算方法在原理上是相匹配的，應以其作為編制技術規范的基本依據，有必要對分級標準進行細化。

2)分級界定標準偏離所引用依據

①DL/T 5145—2012 中的計算方法存在失誤，計算的煤粉爆炸指數Kd數據偏離ВТИ 準則，所提出的分級界定標準不再具有實用價值。

②DL/T 466—2017 中的計算方法基本回歸到ВТИ 準則，但仍存在一定偏離；而其分級標準則明顯失當：

將起爆標準從Kd=1.0 改到Kd=0.5，這不符合ВТИ 準則對爆炸指數Kd的定義。

從規范附錄D.1 煤質資料來看，所列編號1、6、9、11、14 幾個Kd≈0.5 的煤種，按精準簡化式復算的爆炸指數Kd分別為0.57、0.397、0.384、0.497 及0.422，而且均為揮發份Vdaf低于20%的貧煤，屬難爆煤種，看不到與起爆界限的聯系；對照文獻[1]中關于Kd≤1.5 時基本無爆炸傾向試驗結果的論述，將Kd≥0.5 作為判斷是否可能起爆界限的規定更缺乏實際試驗臺數據的支持。

將Kd≥3.5 作為判別易爆煤種的上限也不夠合理：文獻[1]中將Kd≥3.0 作為判別易爆煤種的上限才是更加合理的選擇。從規范附錄D.1 中60 個煤種的計算數據來看，除特殊煤種Monto 煤外，其余煤種沒有1 例是Kd≥3.5 的(并且可以指出，其中序號52“平涼2 期煤種”的Kd= 3.85 乃是誤算數據，查該例煤種的元素成分中Nar、Oar數據二者明顯錯位，校正后的計算數據應為Kd=2.7)。基于上述，該規范中的分級標準也缺乏實用價值。

3)宜引入ELHC 準則元素對爆炸指數Kd方法進行優化

對于按ВТИ 準則Kd＞1.5 的煤種，宜按引入ELHC 準則元素的爆炸指數Kd方法進一步核算其爆炸特性。

4)分級標準的細化宜有對應的防爆對策

國內規范中的煤粉爆炸指數Kd分級從ВТИ 準則的3 級細化為5-6 級，雖有其必要，但在對應的防爆對策上有所漏缺。就宏觀層面對此建議如下：①對于不爆煤種——無需采取防爆設施。②對于極易爆煤種——要求采取防爆措施并配置“CO 檢測裝置+磨煤機后溫度變化梯度測量裝置”等防爆設施。③對于“可爆(難爆)”“較難爆”“中等爆炸”“較易爆”等煤種，分別采取不同等級的防爆對策，例如按不同爆炸指數Kd分級規定磨煤機允許出口溫度的上限；在電廠燃煤管理上按不同爆炸指數Kd對入爐煤進行分級存放、摻配控制等。

6 引入煤粉爆炸特性指數來完善磨煤機允許出口溫度的規定

如上所述，除了“不爆”和“極易爆”這兩級煤種劃分直接影響到燃煤管理和項目設計/審查而外，還有必要引入煤粉爆炸特性指數來進一步完善現有防爆規范，尤其是其中僅根據煤種揮發份來確定磨煤機允許出口溫度的規定——例如對直吹式制粉系統的中速磨煤機允許出口溫度tM2(℃)系按下式來確定(Vdaf≤40%時)：

而由ВТИ 準則及ELHC 準則均已表明，以爆炸指數Kd來替代Vdaf將是更加合理的選擇。若按有的文獻所推薦，對確定磨煤機允許出口溫度tM2存在更加密切關系的參量是“堆積煤粉起燃溫度”Tz，其與煤樣成分的試驗及回歸關系式如下(式中Mpc為煤粉水分%)：

對照式(9)、式(7)可知Tz與Kd之間存在一定相關性。但由于Kd與Vdaf之間不是簡單線性函數關系，而且該項完善化涉及對于防爆規程的修訂問題，故對此有必要另行討論。

7 結論及建議

爆炸指數Kd這一指標的計算和分級在國內煤粉制備規范規程中的引用已經出現過多種不同版本；但由于熱量單位制換算失誤，計算和分級標準匹配失衡等原因，導致在理論上和實踐中都存在問題。國內現行規范中對爆炸指數Kd確定方法存在失誤，導致對煤種爆炸特性的誤判，及工程項目設計/審查中的被動局面。對此需要予以核查澄清。

在ВТИ 準則及充分吸取煤粉爆炸下限熱量濃度ELHC 為參照的試驗研究成果基礎上，可以對爆炸指數Kd這一指標的計算和分級進行澄清和完善化。完善化的途徑主要有：①爆炸指數Kd計算方法的簡化優化；以一步到位的精準實用計算式來替代逐步求解方法。②煤種爆炸特性預測模型擬合方法的校正和精準化。③引入ELHC 準則元素來優化煤粉爆炸特性指數計算與分級標準匹配。④引入煤粉爆炸特性指數來完善防爆規程中對磨煤機允許出口溫度的規定等。

現有文獻中的線性擬合公式其擬合目標存在失誤，缺乏直接實用價值。本文對此提出了精準的換算修正方法。