中速磨煤机制粉系统运行优化研究

李其华, 冯伟忠

(1.上海电力学院, 上海 200090;2.上海外高桥第三发电有限责任公司, 上海 200137)

当前,节能减排和低碳经济已是国际社会关注的焦点。中国作为世界上最大的煤炭消费国,火电厂消费占其53%左右[1]。因此,充分挖掘火力发电厂节能降耗的潜力,对于促进社会的可持续发展、推动我国节能事业具有重要的意义。一般电站锅炉的设计热效率在92%～94%,且其热效率计算中最大的损失项是排烟热损失q1,因为空气预热器出口段烟气温度范围通常在120～140 ℃,相当于损失总热量的5%～6%[2]。如果采取合理措施降低排烟温度,那么其经济效益将十分显著。经估算,300 MW的锅炉排烟温度降低10 ℃,锅炉热效率可提高0.5%～0.6%[3],进而可实现节约煤资源、降低煤耗的目标。

众所周知,减少排烟热损失,行之有效的方法就是通过降低一次风冷风比率,提高磨煤机出口介质温度,即提高磨煤机入口风温。该措施不需要任何设备和运行成本的投入,经济效益非常好。但磨煤机进口风温的提高,可能会降低制粉系统运行的安全性[4]。虽然磨煤机出口介质温度较低能充分保证磨煤机的安全运行,但经济性会比较差。尤其某些燃煤电厂在实际运行中片面提高安全裕度,其冷风率甚至高达50%,使热风的利用率下降,即空气预热器热利用率会降低,进而导致锅炉排烟温度升高,影响电站锅炉运行的经济性。

本文建立了中速磨煤机的热平衡计算模型,并利用某燃煤电厂在某次性能试验中所得到的磨煤机和当时所用燃煤煤种的相关参数,验证了此模型的准确性。进而通过此热平衡理论模型对中速磨煤机进出口温度之间的关系、水分变化对磨煤机进出口温度的影响等进行了量化计算。这些计算结果不但可以指导锅炉运行人员对电厂制粉系统的运行进行优化调整,而且对于电厂在进行提高磨煤机出口介质温度的试验时,制定出合适的试验参数具有重要的参考和指导意义。

1 中速磨煤机直吹式制粉系统

中速磨煤机直吹式制粉系统在我国的应用非常广泛。它能磨制烟煤、次烟煤甚至部分品种的褐煤等,一般分为正压和负压系统两大类。正压系统又可分为正压热风机制粉系统、正压冷风机制粉系统。目前,我国多数电厂采用中速磨煤机正压冷风机直吹式制粉系统,工作原理如图1所示[5]。

经过磨煤机的热风是通过空气预热器内烟气加热的,因此若通过减少冷风量来减少排烟损失,磨煤机进口热风温度会升高,磨煤机出口的温度亦会随之上升。但依据DL /T 5145—2012《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》,磨煤机出口介质温度的选取要根据挥发分大小来确定,因为煤中可燃气体的析出与挥发分之间有密切的关系[6]。

注:1—锅炉;2—送风机;3—空气预热器;4—给煤机;5—粗粉分离器;6—磨煤机;7—二次风箱;8—一次风机;9—燃烧器;10—隔绝门;11—煤粉分配器;12—密封风机;13—风量测量装置。

图1中速磨煤机正压冷风机直吹式制粉系统

如在中速磨煤机制粉系统中,当所用燃烧挥发分Vdaf小于40%时,磨煤机出口最高允许温度tM2=[(82-Vdaf)5/3]±5;当所用燃煤挥发分大于等于40%时,tM2=60～70。

煤中所含水分不同,磨煤机干燥出力就会不同,所需要磨煤机入口热风温度亦会不同;这些水分在磨制及加热过程中会首先汽化并吸收大量热量,使得磨煤机出口风温迅速下降,煤粉颗粒所能达到的温度一般会远小于磨煤机入口风温[2]。

因此,从安全性角度出发,磨煤机的出口介质温度应根据实际煤种水分和挥发分来综合确定,只要磨煤机在磨制过程中的加热风温不高于所磨煤中可燃气体析出温度,则可认为磨煤机的运行是安全的,并且还会有一定的安全余量。

2 中速磨煤机制粉系统热平衡计算模型

根据上述分析可知,中速磨煤机出口温度这一参数关系着锅炉系统的安全性和经济性。实际运行中存在着过于考虑运行安全性牺牲了经济性的问题,造成了不必要的浪费,尤其对于冷风使用较多的燃煤电厂尚有很大的低成本高收益的节能空间。要充分挖掘这一节能潜力,磨煤机出口温度和入口风温之间的关系,以及煤种水分对磨煤机入口风温的影响的量化计算十分必要。因此,须针对中速磨煤机制粉系统建立热平衡计算模型。

制粉系统热平衡是指在磨煤机起始断面输入总热量qin与终断面消耗和输出的总热量qout相等,即

qin=qout

(1)

2.1 起始断面输入的总热量

(1) 起始断面输入总热量qin计算公式如下

qin=qag1+qs+qmac

(2)

式中:qag1——干燥剂的物理热,kJ/kg;

qs——密封风的物理热,kJ/kg;

qmac——磨煤机运行时所产生的机械热量,kJ/kg。

(2) 干燥剂的物理热qag1计算公式如下

qag1=cag1g1t1

(3)

式中:cag1——干燥剂定压比热容,按参考文献[6]中表F.2选取,kJ/(kg·℃)。

g1——进入磨煤机的干燥剂量,kg;

t1——干燥剂温度,℃。

(3) 为防止制粉系统内煤粉外泄,正压系统中有关部位采用空气密封,密封风物理热qs计算公式如下

(4)

Bm——磨煤机的出力,t/h;

cs——温度ts对应的湿空气比热容,按参考文献[6]中表F.2选取,kJ/(kg·℃);ts——密封风温度,℃。

(4) 磨煤机运行时产生的机械热qmac计算公式如下

qmac=3.6kjEm

(5)

式中:kj——机械热转化系数,中速磨煤机取0.6;

Em——磨煤单耗,kWh/t。

2.2 终断面输出和消耗的总热量

(1) 制粉系统磨制1 kg煤所消耗和输出的总热量qout计算公式如下

qout=qag2+qev+qf+q2

(6)

式中:qag2——乏气干燥剂所带出的热量,kJ/kg;

qev——蒸发燃煤中的水分所消耗的热量,kJ/kg;

qf——加热燃煤所消耗的热量,kJ/kg;

q2——磨煤机散热损失,kJ/kg。

(2) 乏气干燥剂所带出的热量qag2计算公式如下

(7)

式中:ca2——温度为t2时湿空气的比热容,按参考文献[6]中表F.2选取,kJ/(kg·℃);

t2——磨煤机出口介质温度,℃。

(3) 蒸发原煤中的水分所消耗的热量qev计算公式如下

式中:ΔM——干燥每千克原煤所蒸发的水量;

trc——原煤温度,℃;

Mar——原煤水分,%;

Mpc——煤粉水分,%。

煤粉水分Mpc与原煤水分Mar及磨煤机出口介质温度t2的关系如图2所示[6]。

图2 煤粉水分与原煤水分及磨煤机出口介质温度的关系

(4) 加热燃料所消耗的热量qf计算公式如下

(10)

式中:cdc——干燥煤比热容的平均值,kJ/(kg·℃)。

(5) 磨煤机散热损失q2计算公式如下

q2=0.02qin

(11)

3 某燃煤电厂中速磨煤机制粉系统热平衡实例计算及分析

3.1 某燃煤电厂制粉系统热平衡实例计算

为了验证热平衡计算模型的准确性,本文从某燃煤电厂的某次性能试验中选取磨煤机和当时所用燃煤煤种的相关参数进行计算,如表2所示。通过MATLAB软件编程计算,可以得出磨煤机起始断面输入的各项的热量及总热量、磨煤机终断面输出和消耗的各项的热量及总热量等数据,如表3所示。此制粉系统中中速磨煤机热平衡计算的相对误差δ为3%。

表2 热平衡计算所需相关参数

表3 热平衡计算结果 (kJ·kg-1)

此热平衡模型计算误差很小,在误差允许范围内可以用来作进一步分析。由表3可知,蒸发原煤中水分消耗的热量约占磨煤机终断面输出和消耗总热量的40%,可见煤中水分含量对磨煤机进出口温度影响很大。

3.2 中速磨煤机进出口温度关系分析

根据上述热平衡计算模型,分别调整磨煤机出口风温为80 ℃,90 ℃,100 ℃,110 ℃,并计算出其相应的磨煤机入口风温,结果如图3所示。

图3 中速磨煤机进出口温度关系

从图3可明显看出,磨煤机进出口温度成线性正比关系,且其之间关系可近似模拟为

t1=2.003 4t2+ 31.167

(12)

即磨煤机出口温度每升高10 K,磨煤机入口风温相应增加约20 K。

3.3 煤中水分变化对磨煤机进出口温度的影响

假设磨煤机出口温度一定,利用此磨煤机热平衡计算模型,可以计算出磨煤机进口风温t进随原煤水分Mar变化的关系,具体如图4所示。两者之间关系可近似模拟为

t进=11.938Mar+101.99

(13)

图4 中速磨煤机进口风温随煤中水分含量变化关系

相应假设磨煤机进口风温一定,亦可得到磨煤机出口温度t出随煤中水分含量变化的关系,具体如图5所示。

两者之间关系可近似模拟为

t出=-5.958Mar+154.54

(14)

从图4可以看出,当磨煤机出口温度一定时,原煤水分Mar每增加1%,磨煤机入口热风温度相应增加约12 ℃。从图5可以看出,当磨煤机入口热风温度一定时,煤中水分Mar每增加1%,磨煤机出口温度相应降低约6 ℃。

图5 中速磨煤机出口温度随煤中水分含量变化关系

4 制粉系统运行优化建议

在实际运行中,燃用低水分煤种的电厂一般都存在冷风率偏高的现象,有的电厂冷风率甚至高达50%,使得空气预热器热利用率降低,导致锅炉排烟温度上升,影响锅炉运行的经济性。针对此问题,建议电厂首先要对所燃煤种进行具体分析,以确定最佳的磨煤机出口介质温度,再运用本文中建立的磨煤机热平衡模型,算出磨煤机进口热风温度,进而推算出可以降低的冷风量,以指导锅炉运行人员对制粉系统的运行进行优化调整。

当然,在实际运行中,燃用高水分煤种的电厂也可能存在冷风率调整为零时热一次风温依然不够的情况。针对此状况,可采用外高桥第三发电厂(简称“外三”)已经实施多年的广义回热系列技术中的送风回热技术。其原理如图6所示[7]。

该技术不仅可以解决热风温度不够问题,提高锅炉燃烧效率,还可以降低机组的排汽损失。除此之外,也可以考察空气预热器的转向,若空气预热器中经烟气加热后的转子先后分别经过二次风道、一次风道,可以考虑实施空气预热器反转的改造方案,亦可增加热一次风温,但此方案会相应使得热二次风温有所降低。

图6 送风回热技术示意

5 结 语

本文建立的热平衡理论可针对不同的运行工况,计算出中速磨煤机进出口温度之间的关系、水分变化对磨煤机进出口温度的影响。对电厂实际试验时制定出合适的试验参数具有重要的参考和指导意义。

针对燃用高水分煤种的电厂,若存在热风温度不够的问题,采用外三已实施多年的广义回热系列技术中的送风回热技术,不仅可以解决热风温度不够问题,提高锅炉燃烧效率,还可以降低机组的排汽损失。

参考文献：

[1] 冯伟忠.未来低碳煤电技术的发展之思考[J].上海节能,2011(8):1-10.

[2] 王学根,叶琳,刘川槐,等.600 MW超临界机组提高中速辊式磨煤机出口温度的研究[J].能源工程,2012(5):60-64.

[3] 崔福兴.提高中速磨煤机出口温度的可行性研究[D].杭州:浙江大学,2010.

[4] 李文华,杨建国,崔福兴,等.提高中速磨煤机出口温度对锅炉运行的影响[J].中国电力,2010,43(10):27-30.

[5] 樊泉桂.锅炉原理[M].北京:中国电力出版社,2008:60-62.

[6] 国家能源局.火力发电厂制粉系统设计计算技术规定:DL/T 5145—2012[S].北京:中国电力出版社,2012.

[7] FENG W Z.Generalized regeneration theory and its energy saving and emission reduction effects on coal-fired power generation[C]//Proceedings of the ASME 2016 Power and Energy Conference.North Carolina,2016:V001T05A005.