富拉尔基电厂350 MW超临界机组应用风扇磨煤机技术分析

2018-01-03

电力设备管理 2017年7期

富拉尔基热电厂基建处工程部王文宏

富拉尔基热电厂“上大压小”扩建工程350 MW超临界机组应用风扇磨煤机技术,风扇磨煤机结构简单、制造方便、设备宜安装、初投资低。风扇磨煤机集干燥、破碎、输送三种功能于一身，可少用一台风机，既带来可观的经济效益，又优化了煤炭资源，对同类型电厂来说具有推广价值。

风扇磨煤机；高水分褐煤

本期工程1×350 MW机组采用以扎尼河煤60%与伊敏煤40%混煤作为设校核煤种计煤种，以扎尼河煤与天顺矿褐煤混煤作为校核煤种，设计煤种收到基全水份Mt40.1%，校核煤种收到基全水份Mt39%，属于燃用高水褐煤。锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造，工程设计由东部电力设计院负责。制粉系统采用风扇磨煤机直吹系统。

1 应用前景分析

世界褐煤的地质储量约为4万亿吨。据统计,全世界褐煤储量足够供2100座发电能力为1000 MW的电站使用30年。我国有丰富的褐煤矿藏资源，预测总资源量为3194亿吨。目前已探明的褐煤储量达1303亿吨，占全国煤炭总储量的13%左右。由于储量巨大，褐煤将为我国火电厂提供强大的燃料动力，具有广阔的前景。从投入产出效率角度出发，充分考虑煤炭市场供应和价格, 为降低入厂标煤单价，降低发电成本，大部分电厂在有条件的情况下，优先选择褐煤。

褐煤是一种形成年代较短、性能弹性变化很大的劣等燃煤，具有高水分、高挥发分、高灰分和低灰熔点、低发热量的特点，由于褐煤这种“三高两低”的独特性质，以褐煤为主要燃料的电厂对燃烧锅炉制粉系统有特殊的要求。根据磨煤机设计导则要求：含水量低于35%的褐煤为燃料的锅炉，采用中速磨煤即可；使用含水量35%～40%褐煤为燃料的锅炉，采用中速磨煤机或风扇磨煤机均可；对于含水量大于40%的褐煤，一般均采用风扇磨煤机。风扇磨煤机结构简单、制造方便，占地面积及金属耗量均较少，集干燥、破碎、输送三种功能于一身，初投资低。所采用的干燥剂可由热炉烟、冷炉烟和热空气混合组成。运行中可根据燃煤水分，调节这三种介质的比例，控制方便灵活，并使得干燥剂具有良好的防爆作用。适合磨制高水分褐煤及磨制一些较软烟煤，风扇磨煤机是目前电站采用最多的一种高速磨煤机。

在我国采用风扇磨煤机制粉系统的机组类型有200 MW超高压机组、300 MW亚临界机组及600 MW超、亚临界的机组，而在350 MW超临界机组中受风扇磨、高温炉烟管布置、场地、干渣机出线、锅炉钢架空间交叉等难点尚未得到应用。如克服掉这几方面的制约，将充分发挥褐煤在国民经济发展中的重大作用。同时，在国内市场中利用廉价的褐煤，会给电厂带来可观的经济效益，研发成功将填补这一项国内空白。东北电力设计院、哈尔滨锅炉厂北方重工集团有限公司积极研究和推广风扇磨制粉系统在350 MW超临界机组上应用，目前，正在华电富拉尔基热电厂“上大压小”扩建工程和华电哈尔滨热电厂“上大压小”扩建工程中设计并加以实施。

2 国内外研究水平综述

2.1 国外褐煤发电现状

在德国、俄罗斯、美国、澳大利亚等国家,这些存储褐煤大国,均对褐煤的开发利用的较早,研究也比较深入,已经形成了不同容量等级的电站常规煤粉炉的系列成熟产品,褐煤锅炉燃烧技术相对比较稳定,其中德国、美国应用褐煤作为电站锅炉动力用煤使用较广泛。德国在燃用高水分、碳化程度浅褐煤方面有着丰富的的经验,是拥有世界上百万等级褐煤锅炉的主要国家,其最大的超超临界褐煤锅炉为装于NiedrauBem电厂的950 MW锅炉,该锅炉为塔式布置、单切圆燃烧、正方形炉膛、主汽压力为26.5 MPa。其它百万等级褐煤锅炉,如Lippendorf 940 MW锅炉、Frimmerdorf 915 MW 锅炉、Schwarze Pumpe的815 MW锅炉。美国褐煤水分高,灰分较少,煤质较硬,磨损性强且难燃烧。美国在六、七十年代生产的容量为500～800 MW的褐煤锅炉大部分为亚临界控制循环和自然循环锅炉,大容量锅炉一般采用复合循环直流锅炉,四角布置摆动式燃烧器,采用摆动式燃烧器进行蒸汽温度调节。为尽量减少结渣等问题,在炉膛结构设计方面一般采用的数据较为保守,同时经常采用分级燃烧方式来控制NOX的生成。锅炉制粉系统各国家有明显区,美国采用中速磨正压吹式制粉系统较多，而德国、澳大利亚采用风扇磨直吹式制粉系统较多。但国外机组类型一般以用量定容量，如200 MW、300 MW、400 MW、500 MW、550 MW、800 MW、1000 MW、1100 MW等机型。因此在国外基本没有350 MW机组风扇磨制粉系统应用情况。

2.2 国内褐煤发电现状

我国褐煤开发研究起步较晚,现已建成和在建的燃用褐煤的大型火力发电厂的总装机容量有1200万～1300万kW,只占全国火力发电总装机容量的3%左右,这与我国褐煤总储量的比例相比并不匹配。目前，哈锅地处东北，周边褐煤资源十分丰富，从50年代建厂以来一直为国内唯一致力于褐煤锅炉方面开发、设计及制造的厂家，经过了半个多世纪的发展，哈锅已经全面掌握了我国不同地方褐煤的燃烧特性，并且先后成功开发出了二百余台涵盖了超高压、亚临界、超临界及超超临界褐煤锅炉配风扇磨煤机、中速磨煤机，并且包含了π型和塔式锅炉等诸多炉型。截至2013年12月，国内135 MW及以上褐煤锅炉共200台，其中哈锅占196台，国内已投运300 MW及以上褐煤锅炉 72台，哈锅占68台。同时，哈锅也是国内唯一具有超临界及以上褐煤锅炉合同业绩、运行业绩的厂家。褐煤具有水份高、挥发份和灰份高、热值低、灰熔点低、易结渣、不利于长途运输等特点，同时，褐煤锅炉炉膛火焰温度低、辐射换热能力差，非常难于设计。哈锅经过数十年来的经验积累，在褐煤锅炉领域一直处于领先地位。

图1 风扇磨煤机的构造

2.3 国内外风扇磨煤机技术发展水平、现状及发展趋势

1920年，第一台风扇磨煤机由前西德EVT公司设计制造，至今已有1850台风扇磨煤机，超过300台磨煤机已经拥有高于100 t/h磨制原煤的生产能力。

俄罗斯赛斯兰重型机械公司上世纪六十年代开始大力发展风扇磨煤机技术，其技术来源为德国，依托本国先进的空气动力学技术，在原德国EVT设备基础上，针对远东褐煤资源的特性，研制出MB型风扇磨煤机。

目前国内生产风扇磨煤机的厂家有沈重（北方重工集团公司）、长春发电设备总厂两家。长春发电设备总厂的FM系列风扇磨技术源于德国EVT公司S型，最大型号为FM340-820，最大出力45 t/h。沈重从俄罗斯引进了打击轮直径为Φ3600 mm、Φ3850 mm和Φ4100 mm的MB型风扇磨煤机技术，主要用于600 MW级的火电机组。

截至目前，沈重以技术合作方式，与赛斯兰联合设计制造了64台MB3600/1000/490型风扇磨煤机， 24台MB4100/1300/420型风扇磨煤机。MB4100/1300/420是我公司生产的最大型号风扇磨煤机，最大出力为115 t/h。

从磨煤出力看，EVT的N型、BABCOCk的DGS型的出力最大，基本满足1000 MW以上机组要求；MB型磨一般煤时，可满足1000 MW以上机组要求，磨特差煤时出力受限。从提升压头能力看，EVT的N型、BABCOCk的DGS型的能力不足以克服制粉系统的阻力，MB型在国内有较好的表现。因此，在MB风扇磨的基础上设置适当数量的前置锤，提高MB的最大出力是风扇磨煤机的发展方向之一。

2.4 国内火电机组风扇磨煤制粉系统应用情况

50年代初,我国火电厂是从国外引进风扇磨煤机设备,在国内进行试验使用，例如，望亭电厂是匈牙利进口设备，西村电厂是东德进口设备等。

80～90年代,将引进技术消化吸收后，大多为国产设备，200 MW机组如富拉尔基发电厂、长山热电厂、海拉尔热电厂、内蒙锡林浩特电厂、通辽00629部队电厂，300 MW机组如双辽电厂等。

近10年，在600 MW机组伊敏电厂（二、三期）、九台（塔式炉）、宝清、老挝hongsa等电厂均引进俄罗斯技术，部件大多国内生产。但在350 MW超临界机组中还没有风扇磨应用的成功案例。

最近几年，我国为了风扇磨煤机在火电机组上发挥更好的作用,从设计上、制造方面进行了反复的研究和分析,在运行方面进行多次试验,也做了大量改进工作，使风扇磨煤机运行周期(冲击板对于扎赉诺尔煤矿褐煤运行时间)达到了3000 h以上；采用风扇磨煤机轻型打击轮技术，在降低磨煤机电耗、降低制造费用、提高检修工作效率、增加设备的使用寿命、增加经济效益等方面都起到了很好的效果，这也将为350 MW超临界机组风扇磨研发与应用提供了强有力的支持。

风扇磨煤机是目前我国电站采用最多的一种高速磨煤机,是火力发电厂燃用高水分褐煤锅炉机组直吹式制粉系统的主体设备。结构简单、制造方便，占地面积及金属耗量均较少，因而初投资低。风扇磨煤机还具有制粉系统简单，设备宜安装等优点。此外，风扇磨煤机集干燥、破碎、输送三种功能于一身，可少用一台风机。风扇磨煤机中的煤粒大多处于悬浮状态，通风和干燥十分强烈，所采用的干燥剂可由热炉烟、冷炉烟和热空气混合组成。运行中可根据燃煤水分，调节这三种介质的比例，控制方便灵活，并使得干燥剂具有良好的防爆作用。

风扇磨煤机的构造类同风机，结构如图1所示,带有8～10个叶片的叶轮以750～1500 r/min高速旋转。所不同的是这些叶片是采用锰钢制成，它又称冲击板。机壳上装有可拆换的耐磨护板，又称护甲，它是用Mn13制成。风扇磨运行时，原煤随干燥剂进入磨煤机后，被冲击板和叶轮框架击碎，煤粒又被溅到机壳的护甲上进一步击碎，煤粉经分离器被干燥剂带出，过粗的煤粉又落回风扇磨中重新磨碎。整个煤的破碎方式以撞击为主。风扇磨煤机主要由引入管、密封隔断挡板、大门、打击轮、机壳、轴承箱底座、轴承箱、联轴器、主电机、分离器、润滑油站(包括润滑管路)等组成，此外还有一些辅助工具。

国内生产风扇磨煤机厂家主要有北方重工集团有限公司、长春发电设备总厂两家。这两家企业在国内扇磨煤设计、研发、制造处于领先地位，同时引进了国外如德国、俄罗斯等先进的风扇磨技术。

东北电力设计院是设计风扇磨锅炉最多的设计院，主要有富拉尔基发电厂200 MW超高压机组、国电双辽发电有限公司300 MW亚临界机组、大庆油田自备电厂200 MW机组、伊敏二期、伊敏三期600 MW、九台600 MW（塔式炉）、宝清600 MW、老挝hongsa600 MW、上都四期600 MW（塔式炉）等。本项目选择了风扇磨设计有相当技术实力的东北电力设计院，对于350 MW超临界机组风扇磨煤机技术研究与应用意义重大。

哈锅是国内最早开发350 MW超临界锅炉的厂家，目前，哈锅的350 MW超临界锅炉燃用煤种从烟煤、贫煤、褐煤、无烟煤均有业绩，布置方式有π型、塔式、W火焰锅炉，制粉系统有中速磨煤机、钢球磨煤机和风扇磨煤机。随着近年600 MW超临界、超超临界及1000 MW超超临界锅炉相继成功投运，哈锅不断总结经验并优化设计，超临界锅炉的技术水平有了持续长足的进步。在此基础上，为满足国内电力市场，特别是城市供热机组的需求，并结合锅炉领域几十年设计制造大型锅炉的经验，开发出拥有完全独立自主知识产权的350 MW超临界锅炉，以满足300 MW等级火力发电机组提高运行效率、降低能耗和污染物排放的要求。锅炉采用成熟的结构布置方式和燃烧器型式，通过对炉膛、燃烧器及各受热面的优化设计，以确保锅炉高效、经济、稳定运行。同时，哈锅的褐煤锅炉技术在国内处于绝对领先地位，对于配风扇磨煤机的锅炉有着丰富的设计经验。

燃用煤质为高水分低热值的褐煤，特别是设计煤种水分达到40%以上时，制粉系统的选型对于高水分褐煤锅炉的设计至关重要，如果采用中速磨煤机存在干燥出力不足，排烟温度高等问题，采用中速磨煤机需要很高的一次风率，使得二次风量减少，不能实现低温燃烧，对于降低NOX的排放不利。采用高温炉烟、热风、冷烟的三介质风扇磨制粉系统很容易达到干燥出力。

哈尔滨锅炉厂有限责任公司已经设计制造了几十台300 MW～600 MW等级风扇磨煤机褐煤锅炉，其中双辽电厂300 MW亚临界锅炉、伊敏二期600MW、伊敏三期600MW、九台600MW（塔式炉）已运行，宝清、老挝hongsa、上都四期（塔式炉）正在建设中，特别对于燃烧有强结焦倾向褐煤方面积累了丰富的经验。哈锅在国内外科研单位对350 MW超临界机组相类似燃料所做的研究工作的基础上，对设计煤种和校核煤种进行了全面的分析和评价，同时，哈锅在其它参比锅炉，特别是伊敏三期、九台电厂等燃煤锅炉上得到的成熟经验，并充分考虑350 MW超临界机组技术要求，对本项目方案进行综合分析和论证。这将对本项目的研究、落实起到至关重要的作用。

3 选用风扇磨煤的投资经济分析

褐煤主要分布在我国的内蒙古东部和云南，预测总资源量为3194亿吨，其中内蒙古东部地区的褐煤占全国的77.55%，云南的褐煤占全国的11.88%。在黑龙江、吉林、辽宁、广西、河北、山东、广东、海南和四川等省区的局部地区也有少量分布。我国90%以上的褐煤用于电站锅炉和各种工业锅炉的燃烧。在电厂中的燃料成本约占电厂经营成本的70%，如采用价格低的褐煤，以富拉尔基热电厂“上大压小”扩建工程为例：燃用伊敏、扎泥河、天顺煤矿这几种煤的混煤，发热量在12950 kJ/kg左右，用煤量在146.7万t/年左右，每吨煤降低拾元，每年就将得到1467万元的经济效益。选用高水分的褐煤，入厂煤的标煤单价会更低，可见350 MW超临界机组配置风扇磨煤机磨制褐煤的电厂效益会更加可观。

东北电力设计院在《乌拉盖电厂2×600 MW褐煤燃烧制粉系统比选专题报告》中，对风扇磨煤机制粉系统和中速磨煤机制粉系统方案经济性比较得出如下结论：

（1）两台风扇磨煤机制粉系统比中速磨煤机制粉系统方案增加投资24.62万元，二者投资相差不大。

（2）两台风扇磨煤机制粉系统比中速磨煤机制粉系统方案年运行维护降低147.914万元。

（3）从总体上看风扇磨煤机制粉系统好些。

4 风扇磨煤机经济性调研情况分析

表1 磨煤机电耗对比（调研结果）

表2 考察电厂运行维护费用对比（调研结果）

通过以上比较可以看出，风扇磨电耗、检修维护费用低。风扇磨煤机的磨煤机电耗比中速磨煤机的磨煤机电耗低4 kWh/t左右，以富拉尔基热电厂“上大压小”扩建工程为例：燃用伊敏、扎泥河、天顺煤矿这几种煤的混煤，用煤量146.7万吨/年左右，每年将节约用电586.8万kWh，按0.33元/kWh计算，年节约 193.644万元。

风扇磨煤机的检修维护费用比中速磨煤机低6万元/台磨，按350 MW超临界机组风扇磨煤机常规配置为6台，则每年又将节约36万元。