燃用褐煤时输粉管路结露及应对措施

韩新海 程智海 邱盈忠 王嘉颢

1.上海电力大学

2.中国大唐集团有限公司福建规划发展中心

0 前言

随着煤炭价格的不断攀升，寻求低价煤炭资源已成为电厂降低成本的有效手段之一，尤其是国外价格较低的煤炭资源在降低电厂燃料成本方面非常明显，所占的比重也越来越大。进口煤种的来源国不同其煤质存在较大差异，其中印尼褐煤具有高挥发分、低硫分、低灰分、可磨性好等优点，但也具有高水分、低发热量和易结渣特点，给制粉系统运行带来不小的挑战。

目前大型燃煤发电机组普遍采用正压直吹式制粉系统，所采用的设计煤种大多为烟煤；燃用煤种已与机组原设计煤种有很大差异，针对燃用高水分褐煤刘春阳[1]等人从受热面结渣、低温腐蚀等方面进行研究；苏攀[2]等人从掺烧印尼褐煤投运方式、掺烧比例对燃烧的影响进行研究；焦伟航[3]等人从印尼煤掺烧对机组燃料校正、煤水比控制、协调控制等重要部分的影响角度进行研究。本文以某电厂实例，进行输粉管道露点热力计算，并对防治输粉管路结露情况的发生提出应对措施。

1 设备概况与燃煤参数

某电厂2×600 MW 超临界燃煤发电机组，配置哈尔滨锅炉厂有限责任公司与三井巴布科克公司合作设计、制造的HG-1900/25.4-YM4 型超临界变压运行直流锅炉，锅炉形式为一次再热、单炉膛、前后墙对冲燃烧方式、尾部双烟道结构、采用烟气挡板调节再热汽温、固态排渣、平衡通风、全钢构架、露天布置、全悬吊结构Π型炉。燃烧系统采用哈尔滨工业大学燃烧工程研究所的中心给粉旋流煤粉燃烧器，燃烧方式采用前后墙对冲燃烧。制粉系统采用中速磨煤机正压直吹冷一次风方式，每炉配6 台HP1003 型磨煤机，设计5 台运行可满足BMCR工况出力。每台磨煤机出口5根输粉管对应一层煤粉燃烧器，6台磨煤机对应前后墙各3层（前墙：上-D，中-C，下-E；后墙：上-A，中-F，下-B）燃烧器。磨煤机参数见表1。

表1 HP1003型磨煤机参数

针对褐煤具有高水份、高挥发性特点，在掺烧或者单独燃用时，制粉系统通常需要考虑磨煤机内部的自燃等引起的安全性问题，因此磨煤机入口管路常常掺入冷风以提高系统运行的安全性，但在降低磨煤机入口风温的同时还需顾及磨煤机出口输粉管路中风粉混合物的结露问题，尤其在南方，电厂普遍存在输粉管路不设保温材料的情况，在遇到冬季极端气候条件时，易出现输粉管路的结露，造成煤粉随煤粉中水蒸汽凝结而发生沉积粘附现象，在合适的温度和氧化性氛围条件下易发生煤粉的沉积爆燃事故。燃煤参数见表2。

表2 煤质对比汇总

2 计算原理及依据

2.1 计算原理及依据

依据电力DLT5145-2012《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》制粉系统输粉管路最低温度要求[4]。

tdp与d2关系式：

Tdp—露点温度

d—空气的含湿量，通常取10 g/kg；

g1—制粉系统始端干燥剂量，kg/kg；

电厂锅炉实际燃用的煤种已和设计煤种有较大差异。

针对不同工况负荷下磨煤机出力，采用在同一磨煤机不同出力下参数计算煤粉管出口d2值及tdp值，计算结果见表3。

表3 同一磨煤机不同出力下数值对比

tm2、Δt 及tdp关系如图1 所示，粉管温度与露点计算值已非常接近，此过程尚未考虑煤粉沿输粉管路的温降。

图1 磨煤机出力、粉管温度、露点温度关系

2.2 计算结果分析

对比表1 和图1，随着磨煤机出力的增加，风粉混合物中水蒸汽的露点tdp逐渐升高，而对应的磨煤机出口风粉混合物的温度却逐渐下降，导致风粉混合物的温度越来越接近混合物中水蒸汽的露点温度；从实际情况来看，输粉管路沿程温降依据不同温度环境有5～10℃的温降，此时输粉管路中的水蒸汽已达露点，势必造成结露和煤粉团聚现象。这也是造成风粉混合物沉降粘附的重要原因之一。

2.3 实例验证

针对输粉管路的温降对南方某电厂冬季制粉系统输粉管路的温降进行实际测量，冬季480 MW 负荷下磨出口温度燃烧器前粉管温度实测值见表4。

表4 480 MW负荷下磨煤机出口温度/燃烧器前粉管温度

由于燃烧器布置原因，B、F 磨对应燃烧器处于迎风面，从图2中明显看出，B、F磨煤机的粉管温度下降值高于对应层的C、F磨煤机出口粉管温度。

图2 磨煤机出口温降

参考相关文献[5,6]，在制粉系统的选型设计时，对于直吹式制粉系统，推荐的露点与磨煤机出口温度的关系为tdp≤（t2-2）℃。

从表3 参数实测值可见，当磨煤机出力在80%以上的情况下，输粉管路的温降普遍在7 ℃以上，此时输粉管路中对应的风粉混合物的温度已降至水蒸汽露点温度以下，即：煤粉管路中已存在水蒸汽结露的状况。

3 煤粉管中水蒸汽凝结的影响因素

3.1 从水分的来源角度分析

一部分为干燥剂中含有的水分，若采用热空气作为干燥剂，其含有的水分大致为对应气压下的含湿量，我国主要南方城市的大气压力和含湿量分布见表5。

表5 选取代表性城市的大气压力和含湿量

另一部分为燃料中所携带的水分，分为外在水分和内在水分，且全水分受原煤产地、煤质、贮存条件等影响变化非常大[7]。不同煤种的水分范围见表6。

表6 不同煤种的水分范围

制粉系统中一般要求的风粉比在1.8～2.2，因此煤粉中水分主要为燃煤中的全水分，且煤粉中水分受磨煤机内干燥剂的温度影响[8]。对应同一磨煤机出力工况，随着燃煤水分的升高，煤粉中水蒸汽的露点逐渐升高，见图3。

图3

3.2 从煤粉管的传热角度分析

由于大部分东南沿海地区电厂制粉系统输粉管路未敷设保温层，锅炉布置方式为露天布置，冬季受季风影响较明显，输粉管路传热受天气影响很大。

同一磨煤机在不同工况下的参数对磨煤机出口温度及输粉管路的温度、温降产生直接影响，以下从煤量和入口风量角度分析磨煤机出口输粉管路中混合物水蒸汽露点影响。磨煤机入口风量和水蒸汽露点关系见图4。

图4 磨煤机入口风量和水蒸汽露点关系

从图4可见，同一磨煤机出力工况下，随着风量的增大，风粉混合物中的水蒸汽露点逐渐降低，即：在加大风量的情况下，可以减小水蒸汽凝结情况的发生。

磨煤机给煤量和水蒸汽露点关系见图5。由图5可见，同一磨煤机同一风量下，随着磨煤机出力的增加，风粉混合物中水蒸汽的露点逐渐升高，在运行中需注意控制适宜的煤风比。

图5 磨煤机给煤量和水蒸汽露点关系

4 应对措施

1）从运行角度考虑，在参数控制中，应及时关注制粉系统的运行情况，做出合理的运行调整，或者启动备用制粉系统，保持磨煤机出口粉管有合适的温度；适当增加磨煤机入口风量，同时提高运行风速，对抑制输粉管路结露也会产生一定影响。

2）对制粉系统进行改造，例如利用炉烟作为干燥煤粉的介质，降低干燥剂的含氧量，可大幅减少磨煤机内部的燃爆事故发生，提高磨煤机入口温度，保持粉管温度有足够的裕量。

3）进行混煤掺烧，将不同特性煤质进行混合，提高燃料平均热值，减少磨煤机内煤粉着火的情况。

4）建造干煤棚，降低燃用褐煤的外在水分含量，可以降低输粉管路中水蒸汽的凝结，避免输粉管路结露情况的发生。

5）输粉管路敷设保温，降低输粉管路的温降，使输粉管路中风粉混合物的温度高于水蒸汽凝结温度。

5 总结

结合某600 MW 燃煤电厂实例，针对燃烧高水分印尼褐煤出现的输粉管路中水蒸汽凝结导致煤粉沉积造成煤粉自燃爆炸案例，从热力计算所得水蒸汽凝结露点温度，以及现场实测磨煤机出口各输粉管路的粉管温度的温降，得出造成水蒸汽凝结的原因。同时针对水蒸汽凝结的影响因素，从不同方面提出具体应对措施，以防止发生水蒸汽结露引起的煤粉自燃现象的发生。