三种提高褐煤锅炉中速磨煤机干燥出力方法的对比分析

刘文建， 潘绍成， 李文吉， 易广宙， 莫春鸿

(1. 清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室， 成都 611731；2. 东方电气集团东方锅炉股份有限公司， 四川自贡 643001)

褐煤是煤化程度最低的煤，煤中的含水量较高，因此制粉系统设计时需要考虑较高的干燥出力。燃用褐煤的锅炉因运行条件变动或入炉煤种水分含量相对于设计煤种正向变化较大时，普遍存在干燥出力不足的问题。褐煤在动力煤储量中有较高的比例，电力行业内对如何高效稳定利用褐煤资源，尤其是针对褐煤制粉系统从褐煤的预处理、制粉系统的选择和制粉系统干燥出力的提升进行了大量研究[1-7]。

目前，根据褐煤的水分含量高低，国内投运的褐煤锅炉制粉系统分为风扇磨煤机制粉系统和中速磨煤机制粉系统两大类，中速磨煤机制粉系统常用于全水分质量分数低于35%的煤种，水分含量更高的褐煤则多选用风扇磨煤机制粉系统[8-11]。

风扇磨煤机制粉系统采用抽取炉内高温烟气并混合热空气或冷烟气作为制粉系统干燥剂，因此具有较高的干燥出力，可适应含有较高水分含量的褐煤，对褐煤中含水量变化的适应能力也较好。但是，由于风扇磨煤机打击轮寿命短、高温炉烟管易结渣和易泄漏等问题导致风扇磨煤机制粉系统可靠性不高且维护检修工作量大。

中速磨煤机制粉系统可靠性相对较高，但是其干燥出力受空气预热器出口一次风温的限制，在不增加热一次风辅助加热装置的情况下，干燥出力很难有较大幅度的提升。

鉴于风扇磨煤机制粉系统可靠性较低且维护工作量大，运行时经常面临“缺角”燃烧、炉内烟温偏差大等一系列问题[12]，其适应高参数机组的能力较差，国内超超临界褐煤锅炉选型时尽可能采用中速磨煤机制粉系统。

针对燃用褐煤采用中速磨煤机制粉系统干燥出力不足的问题，笔者介绍了三种提高干燥出力的方法，即提高空气预热器入口烟温增加空气预热器换热面积(方法一)、串联热一次风再热管式空气预热器(方法二)及热一次风蒸汽加热系统(方法三)，分析其系统特征、运行情况及存在的问题，并进行了优缺点比较。

1 方法一

提高制粉系统干燥出力最直接的方法是提高进入制粉系统做干燥介质用的热一次风温，即提高空气预热器出口一次风温。最常用的方法是尽量提高空气预热器入口烟温，增加空气预热器换热面积，且采用正转方式，目前已经投运的内蒙古上都电厂(简称上都)三期2台660 MW超临界发电机组、内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司2台660 MW超临界发电机组等机组均采用该方法。

空气预热器出口热一次风温的高低主要取决于其入口的烟温，一般空气预热器蓄热元件采用碳钢材料，考虑材料的使用温度和脱硝催化剂活性温度限制，空气预热器入口烟温一般设计在420 ℃以下。空气预热器入口烟温接近420 ℃且换热面积足够时，热一次风温可达到400 ℃。某660 MW超临界褐煤机组采用中速磨煤机直吹式制粉系统，磨煤机型号为MPS212HP-II，锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况设计参数见表1。

采用该方法可满足制粉系统干燥出力的要求，但是存在以下缺点：

(1) 空气预热器入口烟温设计值达到416 ℃，空气预热器需要承受如此高的烟温，设计难度和成本增加；且由于煤种变化和设计误差，易导致空气预热器入口烟温超过设计值，造成脱硝催化剂和空气预热器超温。

(2) 按400 ℃以上烟温设计时，脱硝装置须采用高温催化剂，增加了电厂的投资和运行费用。

(3) 提高空气预热器入口烟温将导致排烟温度升高，锅炉效率降低，机组经济性降低。为保证机组的综合经济性，空气预热器入口烟温按420 ℃左右设计后不宜进一步提高，限制了一次风温的调节范围，对运行条件波动的适应性不高。机组投运后空气预热器性能逐年降低，或由于沾污和堵塞等原因，传热效率下降，空气预热器出口一次风温随运行时间增加而下降，难以长期稳定在400 ℃以上，导致制粉系统干燥出力达不到设计值。

2 方法二

方法二是在常规单级回转式空气预热器热一次风出口再布置一级管式空气预热器。从锅炉后竖井旁路抽取一部分烟气加热热一次风，使热一次风温满足制粉系统干燥出力的要求，其布置示意图见图1。国内上都二期660 MW亚临界褐煤锅炉采用该方法。

图1 串联二级管式空气预热器示意

从运行情况来看，方法二可提高进入制粉系统的热一次风温，提高制粉系统干燥出力，同时回转式空气预热器入口烟温和锅炉排烟温度降低，机组效率提高。

方法二存在以下缺点：

(1) 空气的流程较长，风侧的阻力增加。热一次风再热管式空气预热器布置在脱硝装置之前，标高位置与省煤器相当，回转式空气预热器出口热一次风需要向上引到管式空气预热器，加热后再向下引到热一次风母管，因此风侧阻力除增加管式空气预热器本体的阻力外，热一次风道的阻力也将大幅增加。

(2) 热一次风再热管式空气预热器设计温度较高，设备投资成本高。为了获得足够的传热温压，管式空气预热器入口烟气引自省煤器入口(烟温约为500 ℃)，因此管式空气预热器将采用合金钢材料，相对于常规采用碳钢材料的管式空气预热器，其成本大幅提高。同时，由于热一次风再热管式空气预热器冷热工质之间温压低、传热效率低，其换热面积大，金属耗量高，成本较高。

(3) 热一次风再热管式空气预热器体积较大，布置困难。管式空气预热器属于气气换热器，传热系数不高，如果需要获得足够的热一次风温，则须要布置较多的受热面积；加上褐煤锅炉一次风率(质量分数)一般在35%以上，一次风量较大，远高于烟煤锅炉的一次风率。经初步计算，对于600 MW等级的褐煤锅炉，采用卧式布置的管式空气预热器，如果要达到40 K的空气温升，管箱截面尺寸应大于5 m×26 m，同时管子长度需要6 m，即管式空气预热器管箱占5 m×26 m×6 m空间。这是大型褐煤锅炉基本不采用方法二的重要原因。

基于以上原因，上都二期600 MW亚临界褐煤锅炉采用了方法二后，上都三期超临界褐煤锅炉并未采用该方法。

3 方法三

方法三是在热一次风道上布置蒸汽加热器，利用蒸汽进一步加热空气预热器出口的热一次风，使热一次风温进一步升高并满足制粉系统干燥出力的要求，系统流程见图2。

图2 热一次风蒸汽加热系统流程

为了使热一次风加热到足够的温度，需要提供与之对应温度和流量的蒸汽作为热端介质，虽然锅炉内部可提供高温的过热蒸汽或再热蒸汽，但锅炉设计难度较大，系统变负荷工况难以协调。

通过对汽轮机热平衡图进行分析，发现汽轮机3号抽汽温度较高，且抽汽量较大，能够满足热一次风蒸汽加热器对蒸汽参数的要求。

某660 MW空冷超超临界机组汽轮机高压加热器(简称高加)系统抽汽参数见表2。从表2可以看出：3号抽汽温度较高(在BMCR工况达到519.2 ℃)，同时抽汽量较大，完全具备将热一次风加热至410 ℃以上的能力；且在中低负荷工况时蒸汽仍然维持较高温度，具备将热一次风加热到足够温度的能力。

表2 某项目汽轮机高加系统抽汽参数

注：1)TMCR为汽轮机最大连续功率；2)THA为汽轮机热耗率验收。

利用汽轮机3号抽汽，加热回转式空气预热器出口的热一次风，使空气预热器出口热一次风温(约350 ℃)提升至400 ℃以上，满足制粉系统干燥出力的要求，放热后的3号抽汽再次回到汽轮机回热系统，进入蒸汽冷却器(或者直接进入3号高加)[13-14]。在BMCR工况下，方法一和方法三的相关参数对比见表3。

表3 方法一和方法三的温度参数对比

采用方法三时空气预热器和脱硝反应器入口设计温度可以按常规煤种(380 ℃)设计，与方法一(420 ℃)相比，脱硝装置不需要采用高温催化剂，脱硝系统投资及运行成本降低；同时空气预热器入口烟温降低，排烟温度可降低11 K，锅炉效率可相应提升0.55百分点左右。

汽轮机3号抽汽温度在低负荷时仍处在较高的水平，因此在低负荷时也能使热一次风加热到足够温度。各工况下风温及调温风(冷风)质量分数见图3(TRL为汽轮机额定功率)。由图3可以看出：在40%THA工况下，冷风质量分数仍达到8%以上，说明热一次风蒸汽加热器出口风温在各负荷下均满足制粉系统干燥出力要求。

图3 各工况风温及冷风质量分数

热一次风蒸汽加热器汽源采用了汽轮机3号抽汽，且加热器仅利用了3号抽汽的部分高温热量，与原汽轮机系统布置的蒸汽冷却器作用一致，因此采用热一次风蒸汽加热器相当于代替了蒸汽冷却器的作用。同时利用原系统中3号蒸汽管路，汽轮机也不需要单独设计开孔。因此，采用方法三对整个机组热力系统设计影响较小。

方法二和方法三均是对热一次风进行了再次加热，不同之处在于方法三采用蒸汽加热，而方法二采用烟气加热。蒸汽加热空气相比烟气加热空气，具有相当的优势，其传热系数高、换热器体积小、布置方便，还可以采用扩展受热面换热管进一步缩小换热器体积，成功解决了串联管式空气预热器体积较大、布置困难的问题。热一次风蒸汽加热器布置示意图见图4，换热器可直接布置在热一次风道上，还具有风道布置简单、一次风阻力增加小等优点。

图4 蒸汽加热器布置

热一次风蒸汽加热器本身与常规暖风器一样是一种应用成熟的换热器，且与空气进行热交换，换热器基本无磨损和堵灰的问题；同时，温度也达到350 ℃以上，不会产生低温腐蚀。因此，该方法的蒸汽加热器本身是一种成熟的方法，具有较高的可靠性和安全性。

由于该方法在热一次风管路上布置了热一次风蒸汽换热器，热一次风阻力将增加0.5～1.0 kPa，热一次风机压力增加，而相同条件下方法二的系统阻力增加约1.5 kPa，方法三具有明显优势。

4 三种方法优缺点对比

三种方法优缺点对比见表4。三种提高褐煤锅炉制粉系统干燥出力的方法均可满足制粉系统出力的要求，但方法三更具有工程实施性，优势更大。

表4 三种方法优缺点对比

表5为基于该660 MW超超临界锅炉测算的三种方法的对比数据，锅炉效率为BRL工况时的计算效率，空气阻力为回转式空气预热器一次风阻力和热一次风加热器及增加风道的阻力之和，锅炉投资不含脱硝系统投资。由表5可以看出：方法三仅需要增加机组少量的投资，即可达到更高的锅炉效率，在三种方法中属于最佳的方法。

表5 三种方法对比

5 结语

对比三种提高褐煤锅炉制粉系统干燥出力的方法，方法三具有系统简单、增加成本低、效果明显、工程实施难度小、对机组系统影响小、提升锅炉效率明显等特点。该方法已经在华润五间房电厂和内蒙古大唐锡林浩特电厂的660 MW超超临界褐煤机组中采用。除在新建工程中使用外，方法三还可以应用到改造项目中，更适合应用于需要提升中速磨煤机制粉系统干燥出力的高参数褐煤锅炉机组。