燃用褐煤锅炉热一次风加热系统优化设计

田梦洁，杨学权，刘宇钢

（1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 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）

0 引言

由于褐煤的含水量高，为提高制粉系统的干燥出力，褐煤锅炉一般会选取较高的一次风温及一次风率［1-2］。但是采用较高的一次风率会导致二次风量降低，进而影响二次风刚性及炉膛的空气动力场，导致燃烧效果变差，不完全燃烧热损失增加［3］。提高热一次风温，则需要相应提高空气预热器入口烟温，有时甚至达420 ℃以上才能满足制粉系统对热风温度的要求，很容易造成空气预热器受热元件超温，同时导致排烟温度升高，锅炉效率降低，机组经济性降低［4-6］。这都增加了褐煤锅炉的设计难度。

依托印尼某2×380 MW发电厂工程实例，介绍一种优化的褐煤锅炉热一次风加热系统，并对其技术经济性进行分析。该系统可提高褐煤锅炉的效率，通过对烟气侧的挡板调节，也具有一定的干燥出力的适应性。

1 工程概况和制粉系统选型分析

1.1 工程概况

2×380 MW 发电厂工程采用前后墙对冲燃烧超临界锅炉，每台锅炉配2 台三分仓回转式空气预热器、5 套中速磨煤机、冷一次风机正压直吹式制粉系统，燃用设计煤种时，4 台运行1 台备用；燃用校核煤种时，5台运行。

锅炉燃用水分高、挥发分高、灰熔点低、热值低的褐煤。煤种参数见表1。

表1 煤质参数

1.2 制粉系统选型分析

DL/T 466—2017《电站磨煤机及制粉系统选型导则》的9.2.4条，根据褐煤水分的高低推荐采用不同的制粉系统：“当磨制褐煤的磨损指数Ke＜3.5、且煤的收到基全水分w（Mar）≥35%时，宜选用风扇磨煤机炉烟干燥直吹式系统；当磨制褐煤的全水分30%≤w（Mar）≤35%时，可根据情况选用中速磨煤机直吹式系统或风扇磨直吹式制粉系统；当磨制褐煤的全水分w（Mar）＜30%时，宜选用中速磨煤机直吹式系统”［7］。

上述两种制粉系统各具特点：中速磨煤机制粉系统具有系统简单、操作方便、控制较灵活、检修工作量相对较少等优点［8］。但其干燥介质为热风，受到磨煤机通风能力、磨煤机允许温度（60～70 ℃）等条件的制约［9］，干燥能力不如风扇磨煤机制粉系统。风扇磨煤机制粉系统可以采用高温炉烟、热风和冷炉烟或冷风作为干燥介质，磨煤机入口混合温度可达550 ℃以上［10］。采用高温炉烟调节干燥出力时，一次风率保持在20%～25%即可满足锅炉燃烧的要求。但风扇磨煤机的研磨件寿命仅为800～3 000 h，远低于中速磨的4 000～15 000 h，打击轮寿命短导致其可靠性不高且维护检修工作量大［11］。经综合考虑，本锅炉采用中速磨煤机直吹式制粉系统。

2 热一次风加热系统优化方案

根据工程和磨煤机型号选取情况，制粉系统数据见表2。由表2 可以看出，设计煤的磨煤机入口热风温度需要达到389 ℃，校核煤需要达到400 ℃。如果采用常规一次风系统，为满足校核煤的制粉系统干燥出力，空预器设计难度及成本较高，且锅炉效率低。若是配置脱硝系统，还需采用宽温催化剂，增加投资。为解决上述难点，需对一次风系统进行优化，本工程采用增加一节管箱式预热器的方法，延展一次风加热面积，提高进磨煤机的一次风温。

表2 制粉系统数据（BMCR工况）

从锅炉尾部烟道引出部分烟气，在旁路烟道布置热一次风加热系统（即管式空预器），并用挡板调节，进一步加热回转式空预器出口一次风。预热器入口烟温按常规烟煤设计，可降低排烟温度，提高锅炉效率。本工程热一次风加热系统布置见图1。

图1 串联管式空预器布置

热一次风加热系统（即管式空预器）布置在尾部竖井后或是左右两侧，烟气从后烟道上级省煤器出口引出，烟气通过管式空预器后进入回转式空预器进口烟道与主烟气汇合后进回转式空预器；经回转式空预器加热的一次风进入管式空预器进一步加热提高一次热风温度。在空预器进口另设置一路冷风，作为调节进磨煤机的一次风，同时也可以通过调节进管式空预器的烟气量调节控制进磨煤机的风温，达制粉系统所需的干燥出力。锅炉最大连续蒸发量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）工况、锅炉额定出力（Boiler Rated Load，BRL）工况、各热耗保证（Turbine Heat Acceptance，THA）工况下的抽烟点烟气参数见表3。

表3 抽烟点烟气参数

从表3 可以看出，目前选取的抽烟点烟气温度BMCR 工况下有500 ℃以上，最低负荷也有接近400 ℃，经计算满足将热一次风加热到制粉系统入磨风温的要求。烟气旁路加热热一次风系统计算数据如表4所示。

表4 烟气旁路加热一次热风系统计算数据

从表4 可以看出，采用旁路烟道加热一次热风，能将一次风温进一步加热至393 ℃（设计煤种，BMCR 工况），在负荷不同、煤质不同时，可以通过调节旁路烟气份额来满足入磨风温的要求。

管式空预器设计为独立管箱，为增强换热，采用螺旋槽管，立式错列2 级布置，烟气走管内，空气走管外，如图2 所示。在管式空预器进口烟道设置调节关断挡板，在不同负荷或是煤质变化下可调节旁路烟气量，控制一次风的换热。在热一次风管路串联管式预热器后，热一次风阻力将增加约600 Pa 的空气阻力（BMCR工况）。

图2 换热器结构

3 技术经济性综合分析

3.1 对机组和整体系统的影响

3.1.1 对锅炉效率及机组煤耗的影响

采用热一次风烟气加热系统，抽取后烟道部分烟气量后，会减少通过下组省煤器的烟气量，下组省煤器出口烟温降低，主烟道烟气与旁路烟道烟气混合后进入回转式预热器。BRL 工况下的技术经济性分析如表5 所示。由表5 可以看出，若要满足制粉系统的要求，达到同样的入磨风温，采用常规的回转式预热器入口烟温需要提升至410 ℃，排烟温度增加11 ℃，机组煤耗会增加2.07 g/kWh，采用热一次风烟气加热系统收益非常明显。

表5 BRL工况下锅炉性能参数对比

3.1.2 对烟风阻力的影响

由表4 的计算结果可以看出，增加热一次风烟气加热系统，烟气侧阻力很小，基本可以忽略不计，但由于增加了管式预热器，会增加一次风管道的阻力，BMCR 工况下管组的换热器阻力约600 Pa，风道阻力约200 Pa，一次风机选型时，需要考虑增加800 Pa压头。

3.1.3 烟气侧的可调性

热一次风烟气加热系统是在锅炉后竖井烟道设置一路烟气旁路，通过调节进管式空预器的烟气量调节控制进磨煤机的风温，达到制粉系统所需的干燥出力。

本项目为尾部双烟道设计，再热汽温主要通过挡板进行调节，但增加热一次风烟气加热系统以后，尾部不仅只是再热汽温的调节，还需考虑管式空预器的烟量调节。

对于挡板调节的关键在于挡板流量特性以及热力特性的优劣。在挡板结构一定的情况下（挡板特性曲线固定），挡板的开度与挡板缩口尺寸（缩口面积）相关，挡板缩口面积越小，开度越大。考虑到旁路烟道的影响，将再热器侧与过热器侧挡板尺寸适当缩小，缩小后设计煤与校核煤的挡板开度情况如图3、图4所示。

图3 设计煤前后烟道挡板开度

图4 校核煤前后烟道挡板开度

从上述计算情况看，设计煤和校核煤挡板开度在20%～65%，从高负荷到低负荷的范围内，通过挡板调节，可以达到阻力平衡。

对于过热器侧来说，考虑旁路之后挡板开度情况如图5—图8所示。

图5 设计煤-设计工况旁路挡板开度

从图5、图6 可以看出，在设计工况时，旁路烟道及过热器侧挡板开度均在10%～60%之间，挡板调节特性仍处于最佳范围。同时考虑到其他因素影响，计算BMCR 工况下入磨风温为420 ℃时的挡板调节能力，低负荷亦考虑同比提高。图7、图8 为旁路烟道能力工况，此时旁路烟道及过热器侧挡板开度亦在10%～60%之间。因此，本工程挡板从高负荷到低负荷的范围内，通过挡板调节，都可以达到阻力平衡，系统具有较好的可调性。

图6 校核煤-设计工况旁路挡板开度

图7 设计煤-能力工况旁路挡板开度

图8 校核煤-能力工况旁路挡板开度

3.1.4 对干燥出力的适应能力

实际运行中可能出现煤种及环境条件的变化，制粉系统对干燥出力的要求也有所不同。制粉系统干燥出力主要看入磨风温是否足够，入磨风温即管式预热器出口风温，主要影响包括：

1）管式预热器入口风温；

2）抽烟点烟温的变化。

通过计算，管式预热器入口风温（即回转式预热器出口热风温度）变化时，抽烟点烟温不变和降低20 ℃的情况下，不同比例的烟气旁路下的入磨风温情况如图9、图10所示。

图9 抽烟点烟温不变，不同旁路份额下入磨风温情况

图10 抽烟点烟温降低20 ℃，不同旁路份额下入磨风温情况

从图9、图10 可以看出，当回转式预热器出口热风温度偏离设计值10 ℃，抽烟点烟温降低20 ℃时，旁路份额从8%提高至12%即可达到原入磨风温；当回转式预热器出口热风温度偏离设计值20 ℃，抽烟点烟温降低20 ℃时，旁路份额从8%提高至14%即可达到原入磨风温。

因此采用合理的管式预热器设计方案，即使在烟气入口温度与入口热风温度均降低的情况下，仍然可以通过调节烟气旁路份额，或者是冷风旁路份额来确保进入磨煤机风温，适应较大的变化范围。

3.1.5 系统可靠性、安全性

烟气加热热一次风系统主要是通过旁路烟道烟气热量加热回转式预热器出口的热一次风，换热器采用技术成熟的管式空气预热器，无转动部分，结构简单，严密性好，具有较高的可靠性和安全性。

3.2 烟气旁路加热热一次风系统的优势

1）对于采用中速磨煤机的褐煤锅炉，利用后竖井旁路烟道的管式预热器将一次热风温度再次加热，获得足够的制粉系统干燥出力，可有效提高中速磨对褐煤锅炉的适应性。

2）采用旁路烟道加热一次热风方案，回转式空预器入口可设计较低的烟气温度，排烟温度较低，可有效提高机组效益。

3）对于带脱硝系统的项目，脱硝入口烟温亦可采用常规设计，无须使用高温催化剂，可减少投资及运行费用。

4）无须采用风扇磨制粉系统，减少了锅炉和制粉系统的维护工作量，提高了设备可靠性。

5）在煤质、负荷、环境条件变化时，热一次风加热系统可满足不同运行工况下入磨风温的要求，可调节性强，使用范围广。

4 结语

针对燃用褐煤锅炉制粉系统干燥出力不足的问题，提出在回转式预热器出口串联一组管式预热器，作为加热热一次风的补充，提高了褐煤锅炉与中速磨系统的适配性。该系统在预热器入口烟温、抽烟点烟温发生变化时，可通过调节旁路烟道的挡板开度来保证制粉系统所需的入磨风温，当煤质变化、负荷变化时均有一定的适应性。采用该系统时，预热器入口烟温可按燃用烟煤的锅炉进行设计，降低了褐煤锅炉的排烟温度，提高了锅炉效率。