电站锅炉中速磨煤机非稳态热平衡分析

陈 拓， 沈跃良， 李德波， 周杰联， 成明涛， 钟 俊， 冯永新， 廖宏楷

(南方电网电力科技股份有限公司， 广州 510080)

在电站燃煤锅炉的运行中，原煤斗堵煤时有发生，导致处于稳定运行的磨煤机给煤突然中断，造成磨煤机内部温度急剧上升引起爆燃，对电厂的安全经济运行造成重大影响[1-2]。断煤的发生打破了处于稳定运行状态的磨煤机的热平衡状态，由近似稳态过程变为非稳态过程[3]。给煤量减少、原煤吸热量减少，而由热一次风带入系统的热量来不及减少，导致磨煤机内煤粉温度快速上升。磨煤机出口温度测点由于装有防磨套管，对温度的变化响应一般会有延迟[4]，不能及时反映磨煤机内部温度的升高。因此，有必要对断煤发生后磨煤机内部温度的变化特性进行研究。

国内研究者开展了燃煤电厂锅炉数值模拟、现场优化等方面的研究。在数值模拟优化方面，李德波等[5]对300 MW循环流化床(CFB)气固流动及燃烧过程进行数值模拟及工程应用研究，基于计算颗粒流体动力学(CPFD)数值模拟方法，对CFB锅炉内的气固流动特性、温度场分布规律进行了分析。在现场优化方面，沈跃良等[6]进行了提高HP983型中速磨煤机出口温度对锅炉运行的影响的现场试验研究，在某电厂2号机组660 MW锅炉上进行了试验，分析了磨制烟煤及印尼煤时，煤粉气流中CO、CO2和O2的浓度，结果表明：磨煤机磨制烟煤时将磨煤机出口温度提高到82～100 ℃，磨煤机磨制印尼煤时将磨煤机出口温度提高到75 ℃，可以保证制粉系统及燃烧器喷口安全稳定运行；随着磨煤机出口温度的升高，煤粉会稍微变粗，CO排放浓度会升高，磨煤机功率会明显下降，机组运行的经济性得到提高。吕洪坤等[7]进行了提升1 000 MW机组磨煤机进出口温度措施的研究，研究典型混煤及印尼煤热重-红外特性、中速磨煤机内温度分布、可燃气体析出及爆燃问题。李文华等[8]进行了提高中速磨煤机出口温度对锅炉运行的影响研究，利用热重-红外联用技术对富动24煤进行分析；在试验室研究基础上开展了提高某300 MW机组磨煤机出口温度的试验，将磨煤机出口温度由75 ℃提高到95 ℃时，磨煤机进口热风温度升高到261.4 ℃；磨煤机出口煤粉气流中没有CO，通过采用提高磨煤机出口温度的技术措施，排烟温度下降7 K左右，锅炉效率提高0.37%，发电标准煤耗下降1.17 g/(kW·h)。

笔者针对磨煤机非稳态过程的热平衡计算进行研究，以某电厂一次由断煤导致的磨煤机爆燃事件为例，将理论计算结合现场试验分析，提出简洁有效的磨煤机非稳态过程的热平衡计算方法，通过计算得到断煤后磨煤机内部的温度变化特性曲线，提出了防止断煤爆燃的措施，为电厂磨煤机的安全稳定运行提供了参考。

1 事故概况

断煤事件发生时的相关参数见图1。给煤质量流量由52 t/h降到5 t/h继续，继续运行60 s后降到0 t/h，70 s后给煤恢复并发生爆燃。这一过程中，由于设备故障原因，给煤质量流量降为5 t/h时并没有触发断煤开关，并且由于磨煤机出口温度测点的响应严重延迟(经检查，磨煤机出口温度热电偶未与套管接触，留有较大间隙)，断煤后60 s内磨煤机出口温度仅从70.6 ℃上升至73.9 ℃。断煤发生后，虽然热风门反馈值迅速并持续减小，但是一次风量并没有减小的趋势，原因为热风门存在空行程，就地执行机构并没有动作；由于热风门爆燃冲击变形后已经检修恢复，因此未对此结论进行实证。由于磨煤机内部温度的上升没有及时得到反映，运行人员没有得到及时的危险警示，错过了主动干预的时机，这是这次爆燃事件发生的一个重要原因。

图1 磨煤机运行参数曲线

2 热平衡计算

为了分析磨煤机断煤造成温度上升从而引起煤粉爆燃，需要对磨煤机进行非稳态的热平衡计算[9-11]。

2.1 相关参数确定

磨煤机断煤后，系统处于非稳态传热过程时，由于过程变量很多，计算复杂，因此要对相关参数进行合理的假设，简化计算[12]。

磨煤机风量信号由压差信号转换而来，相对可靠，而且事故后的检查表明磨煤机风量可信。由于断煤发生后风量稳定，且冷风门开度在断煤后变化缓慢，因此可以认为磨煤机进口温度相对稳定，磨煤机进口风温运行历史数据可信。

图2、图3分别为在断煤发生(抽空时间τ=0 s)开始到爆燃发生前磨煤机进口风量和温度的运行历史数据。

图2 断煤后磨煤机进口风量

图3 断煤后磨煤机入口温度

磨煤机功率随磨煤机抽空时间的变化曲线见图4。

图4 磨煤机功率随抽空时间的变化曲线

由图4可得，磨煤机功率P(τ)与抽空时间存在二次多项式关系：

P(τ)=fτ2+gτ+h

(1)

式中：f、g、h均为常数。

假设磨煤机功率与磨煤机内存煤量Gcm(τ)存在一次函数关系，即

P(τ)=dGcm(τ)+e

(2)

式中：d、e均为常数。推导得到磨煤机内存煤量与抽空时间存在二次多项式关系：

Gcm(τ)=aτ2+bτ+c

(3)

式中：a、b、c均为常数。

存煤的减少速率qm,cm(τ)等于煤粉质量流量qm,mf(τ)，可以得出在磨煤机抽粉过程中，煤粉质量流量是线性递减的，即

qm,mf(τ)=qm,cm(τ)=2aτ+b

(4)

对断煤后的功率曲线和磨煤机停磨的历史数据进行分析，得到磨煤机断煤后存煤的抽空时间约为210 s。假设断煤时τ=0 s，此时qm,mf(0)=44.27 t/h(见式7)；τ=210 s时qm,mf(210)=0 t/h；解得2a=-0.210 8，b=44.27，可得煤粉质量流量曲线(见图5)。

图5 煤粉质量流量曲线

为了掌握事故发生时燃用煤种的水分析出特性，对该煤种取样进行热重分析，得到煤样在热重分析工艺燃烧条件下的失重(TG)曲线、失重变化率(DTG)曲线和差示扫描量热(DSC)曲线，结果见图6。根据TG曲线，煤粉在常温加热到100 ℃时失重较快，此阶段为水分析出阶段[13]，温差为100～300 ℃时煤与空气中的氧结合使煤的质量增加。由于磨煤机进口温度为300 ℃左右，随着断煤后磨煤机内部温度的升高，可以假设煤粉水分含量不变。

图6 燃用煤样热重分析曲线

2.2 断煤前磨煤机内稳态过程计算

为了计算磨煤机稳态被打破后的非稳态过程，首先要获得断煤前磨煤机所处的稳定状态参数，因此先对磨煤机断煤前的稳态过程进行计算。

根据磨煤机风粉的热平衡方程[14]，忽略制粉系统漏风、输入功率转化的热量、制粉系统的散热等次要因素的影响，可得热一次风放出的热量Q1[15-16]，即

Q1=qm,f(cin×Tin-cout×Tout)

(5)

式中：qm,f为一次风质量流量，t/h；cin、cout分别为磨煤机进口一次风温度Tin和磨煤机出口温度Tout下的热空气比热容，kJ/(kg·K)。由于cin和cout在30～300 ℃时相差不大，可用Tin和Tout平均温度的热空气比热容cf代替，可得：

Q1=qm,f×cf×(Tin-Tout)

(6)

原煤吸收的热量包括四个部分[15-16]：煤的干燥基吸收的热量、煤粉中水分吸收的热量、原煤水分蒸发吸收的热量、密封风吸收的热量，即

1.884Tout-4.19Tl)+qm,sf×csf(Tout-Tl)

(7)

式中：Q2为原煤吸收的热量，kJ；Mar、Mmf分别为原煤和煤粉水分质量分数，%；Tl为环境温度，℃；cc,d为煤的干燥基比热容，kJ/(kg·K)；qm,sf为密封风质量流量，t/h；csf为密封风的比热容，kJ/(kg·K)；qm为原煤质量流量，t/h。

由Q1=Q2，可求得煤粉水分质量分数。根据断煤前的运行数据和煤质数据(见表1)求得煤粉水分质量分数为5.45%，由此可得断煤时(τ=0 s)的qm,mf(0)=44.27 t/h。

表1 断煤前相关参数

2.3 断煤后磨煤机内非稳态过程计算

根据前述条件，断煤时磨煤机内存煤量Gcm(0)可由式(1)煤粉出力曲线积分求得，Gcm(0)=1.29 t。根据给煤量的历史数据，断煤后磨煤机内的非稳态过程分为三个阶段，分别为：第一阶段为0～60 s，给煤质量流量为5.3 t/h；第二阶段为60～70 s，给煤质量流量为 0 t/h；第三阶段为给煤恢复，发生爆燃。笔者研究的是前两个阶段的过程。

(8)

计算可得断煤后、爆燃发生前存煤量的变化曲线(见图7)。

图7 磨煤机存煤量变化曲线

由于煤粉质量流量分为两部分，吸热量也分为两部分。一部分为原煤吸收的热量，第τ秒原煤吸收的热量为：

(9)

式中：Mmf(τ)为第τ秒时煤粉水分质量分数，%；T(τ)为第τ秒的煤粉温度，℃。

另一部分为存煤吸收的热量，包括煤的干燥基吸热量、煤粉中水分吸热量、煤粉水分蒸发吸热量[17]，即

(10)

一次风每秒的放热量为：

q1(τ)=Q1/3 600=qm,f(τ)×cf×

[Tin(τ)-T(τ)]

(11)

将q1(τ)=q2(τ)+q3(τ)代入前述进口温度、进口风量、煤粉水分质量分数和煤粉质量流量的条件参数，可得到断煤后、爆燃发生前磨煤机出口温度曲线(见图8)。计算得到断煤后70 s时(爆燃发生前)磨煤机出口温度已达230.78 ℃。该温度远超磨煤机的安全运行温度[18]，极易发生爆燃。

图8 磨煤机出口温度变化曲线

2.4 热风门对进口温度的控制

断煤发生后，热风门反馈值迅速减至63%，随后在持续减小至40%的过程中，磨煤机进口的风量及温度均没有明显减小。热风门的工作异常也是爆燃发生的重要原因之一。假设热风门工作正常，计算磨煤机出口温度的变化。

断煤发生前，冷热风混合过程为等焓过程[19]，可得过程方程式为：

Tc×ccf×qm,cf×Th×chf×qm,hf=

Tmix×cmix×qm,mix

(12)

式中：qm,cf为冷一次风质量流量，t/h；qm,hf为热一次风质量流量，t/h；qm,mix为磨煤机出口风质量流量，t/h；ccf、chf、cmix分别为冷一次风温度Tc、热一次风温度Th和混合后一次风温度Tmix下的热空气比热容，kJ/(kg·K)。

TC×qm,cf+Th×qm,hf=Tmix×qm,mix

(13)

联立方程qm,mix=qm,cf+qm,hf，并代入运行数据Tmix=300 ℃、qm,mix=94 t/h、Tc=35 ℃、Th=320 ℃，可得qm,cf=6.6 t/h、qm,hf=87.4 t/h。

根据热风门特性曲线(见图9)，可计算40%和63%开度时的热风质量流量分别为32.2 t/h和65.4 t/h；由于冷风门开度基本维持不变，因此冷风量不变。根据式(13)可求得40%和63%开度时，混合后一次风温度分别为271.54 ℃、293.88 ℃，磨煤机出口风质量流量分别为38.79 t/h、72 t/h。

图9 风门特性曲线

根据热风门的历史运行数据，热风门开度在迅速减至63%(对应总风质量流量72 t/h)后持续下降至40%(对应总风质量流量38.79 t/h)。可得进口风量和风温的变化曲线(见图10、图11)。

图10 进口风量变化曲线

图11 进口温度变化曲线

将进口温度和风量曲线代入前述计算公式，可得70 s时磨煤机出口温度为166.53 ℃，并得到磨煤机出口温度变化曲线(见图12)。

图12 磨煤机出口温度变化曲线

由图12可见：热风门正常工作可有效控制磨煤机出口温度，降低爆燃的风险。但由于磨煤机出口温度响应严重滞后，导致抽粉过程中，冷风门开度基本不变，使得磨煤机出口温度仍偏高，爆燃风险依然存在。

3 预防爆燃措施

(1) 磨煤机进出口温度热电偶应与套管可靠

接触，以使热电偶能快速反映磨煤机内温度的变化。

(2) 热风门开度指令反馈值与就地热风门开度指示应校核一致，且保证正常调节的要求。

(3) 完善磨煤机跳闸条件，确保磨煤机跳闸逻辑运行正常。增加给煤量异常报警，并且尽快抢修恢复供煤，防止给煤机断煤。

4 结语

(1) 对磨煤机非稳态过程的热平衡计算得出在断煤发生后的70 s内磨煤机内部温度迅速上升，70 s时已接近230 ℃的高温，对于干燥的风煤混合物而言极易发生爆燃。验证了磨煤机出口温度测点缺陷，温度测点响应滞后严重，不能及时反映磨煤机内部温升情况，从而导致爆燃发生。

(2) 若热风调门正常工作，70 s内可将磨煤机出口温度控制在166.5 ℃，可以降低爆燃发生的风险。

(3) 保证断煤开关动作正常、磨煤机温度测点及时响应和冷热风门调节正常，是防止磨煤机断煤后发生爆燃的主要措施。