W火焰锅炉低负荷磨煤机运行技术研究

赵永国,陶 勇,马国智,石贤捷

(国家能源菏泽发电有限公司, 山东 菏泽 274032)

0 引 言

在发电厂锅炉工作流程中,由于对配套技术的不准确跟踪,导致不能及时对燃煤锅炉中的烟气含量、燃料消耗量、飞灰等有害物、锅炉内的所有装置热能损失和空气预热器通风率,以及受热表面污染程度等关键参数进行在线的监控。该问题导致电厂在燃用煤种多样的状况下,影响对燃煤锅炉的正常运转做出有效调度,及科学合理地组织炉内空气动力场工作;情况严重时,可造成在锅炉低负荷工作时出现事故停机,直接危及锅炉工作安全和经济效益[1]。由于电网负荷巨大需求,很多300 MW以上火力机组是重要的调峰型发电设备。由于每天的峰谷间机组负载变化很大,出于对锅炉稳燃安全性与经济性的考量,在燃煤锅炉满带基本负载(170～230 MW)时,要保证2台磨煤机运行,另一台磨煤机备用;在负荷峰值时,则启动第三台磨煤机运行,按照原规定的磨煤机启停要求,磨煤机在启停后就必须投油助燃。在2台磨煤机运行方式下,仅助燃用油每月费用约8.4万元,如果出现磨煤机跳闸锅炉灭火,在机组恢复过程一般需要燃油费用10多万元,更不具有经济性。所以,在确保锅炉燃烧平稳安全的前提下,研究减少磨煤机启停助燃油损耗的对策,以及低负荷2台磨煤机运行技术是非常有意义的[2]。

1 锅炉燃烧系统设计特点

菏泽发电厂二期工程为2台300 MW发电机组,配备型号为MBEL-1025/17.3-541/541的大型高压锅炉设备装置。该型高压锅炉装置为单炉膛尺寸出口、平衡通风、一次中间再加热、亚临界参数、自然循环、单汽包高压锅炉燃烧装置,设计蒸汽生产能力为1 025 t/h,正压直吹式制粉系统,W型火焰锅炉。锅炉系统设计煤种为85%无烟煤和15%半无烟煤,锅炉设备的燃煤系统由制粉系统、燃烧器和喷油嘴、均衡烟风控制系统和辅机、下炉膛出口和燃料室等构成。煤仓在23 m高炉拱处分为上下两部分,下煤仓断面为19.32 m×15.63 m,呈八角形;上煤仓为19.32 m×7.176 m,呈正方形;煤仓容量为6 557 m3。在煤仓四周铺设569 m2高卫燃带。该高压锅炉制粉系统中,安装3台双进双出钢球磨煤机,每台磨煤机又分为两端,每端均连接一粗粉分离器,从粗粉分离器出口的一次风管在距离锅炉本体28 m处又通过分配器再分成2根,3台磨煤机共有12条一次风管在燃烧器前端,再通过每个管路连接一次旋风分离机构。锅炉左右2个炉拱处,均布设3组直流垂直向下的狭缝型点燃器,每套点燃器共由4只主煤粉喷射器、4只乏气喷射器、8只二次风喷射器所构成。二次风喷气孔分别位于主煤粉锅炉喷射器和乏气喷射器送风口的两端,每组燃烧器包裹2支油枪。在锅炉后壁炉下方设有炉底管注入的热风,用以在负荷变动时调节再热汽温[3]。

2 磨煤机运行方式综合分析

2.1 磨煤机运行台数对经济性的影响

2.1.1 对制粉单耗的影响

1)根据数据统计分析:同样负荷下,运行2台磨煤机比运行3台磨煤机制粉单耗下降1/3左右。

2)同样负荷下,负荷越高,运行2台磨煤机单耗下降越少;负荷越低,运行2台磨煤机单耗下降越多。

3)无论3台磨煤机运行还是2台磨煤机运行,随着负荷的升高,单耗下降。

4)受煤质影响,250 MW负荷以下,运行2台磨煤机(目前最多带负荷230 MW),磨煤机单耗未达到设计值24.40 (kW·h)/t; 250 MW负荷以上,运行2台磨煤机能低于设计值。运行3台磨煤机在满负荷时磨煤机单耗尚未达到设计值[4]。

2.1.2 对厂用电率的影响

1)运行2台磨煤机,由于总负荷的减少,厂用电率也降低较多,在250 MW负荷下运转2台磨煤机时,厂用电率至少下降0.5%。

2)运行2台磨煤机,在负荷210 MW以上,厂用电率能低于设计值(4.98%),而运行3台磨煤机负荷应在230 MW以上能达到设计值。

2.1.3 磨煤机的运转台数及对飞灰、炉渣等可燃物的影响

2台磨煤机同时运转,飞灰有害物含量平均达到4.41%,焊渣有害物含量平均达到4.95%,分别比3台磨煤机同时运转时高1.5%、2.38%。

综上可知,在机组出力230 MW负荷以下时,2台磨煤机运行比较经济[5]。

2.2 磨煤机启停对经济性的影响

2.2.1 磨煤机启停对燃油和节电的影响

1)磨煤机启停燃油。根据磨煤机的设计逻辑和现场实际需要,磨煤机启停时需要投入最少2只油枪运行,油枪在工作压力1.2 MPa下,喷油1.7 t/h,按油压0.8 MPa计, 1只油枪燃油为1.13 t/h,启动磨煤机最少需要燃油30 min,停磨煤机最少需要燃油20 min,手动启停时磨煤机需要燃油约2 t/次,每月每炉需要的燃油约60 t,油价按5 000元/t测算,需燃油费约30万元[6]。

2) 2台磨煤机运行节电。230 MW负荷以下运转2台磨煤机,每台磨煤机能耗按最小计算, 每台磨煤机能耗消耗约1 200 (kW·h)/h,每日按12 h计算,日节电约14 400 kW·h, 月节电432 000 kW·h,电价按0.5元/(kW·h)计算,每月节省电费约21.6万元[7]。

从燃油与节电的比较可发现, 2台磨煤机运行仅助燃用油每月需投入8.4万元。当2台磨煤机同时运转,出现磨煤机跳闸锅炉灭火,在机组恢复过程通常需要燃油约20 t,费用约10万元,更不具有经济性。

通过以上分析,只有在低负荷工况(230 MW以下)研究2台磨煤机运行才有实际意义,要保证安全,在启停磨煤机时必须投助燃油。如何降低启停磨煤机时助燃油的投入与采取何种运行方式有利于燃烧是研究的重点。

2.2.2 磨煤机启停节油的可行性分析

2台磨煤机运行方式,在安全和经济方面存在不利因素,只有解决磨煤机启停不投油的问题,才使低负荷时采取2台磨煤机运行方式,成为有效的方法。

1)按菏泽电厂二期锅炉磨煤机启停逻辑,要求投油的主要目的是引燃煤粉燃烧器并给之助燃,以确保煤粉燃烧器点火良好。在锅炉最初启动时,炉膛温度较低,锅炉燃烧状态不佳,投油点燃煤粉燃烧器是必要的;但当锅炉稳定运行后,燃煤燃烧器的着火稳定性主要与燃料煤质、煤粉燃烧器的特性和炉膛出口温度有关,因此在燃用设计煤种(低挥发分、中高发热量贫煤)的情况下,选择较容易着火、稳燃的燃烧器型式和适当的炉膛出口温度,是确保备用磨煤机自动启停节油的关键[8]。

2)锅炉运行炉温分析。菏泽电厂二期设计布局时,在炉膛尺寸与出口长度的选取上,采用大炉膛断面,以降低燃煤锅炉内烟气流上升的速度,因此延长了烟气在燃煤锅炉中的停留时间,提高了煤粉燃烬时间;为了提高炉膛温度,以保证煤粉在锅炉内迅速着火、均匀燃烧,在水冷壁上布设具有相应面积的稳燃带。该设计使在锅炉正常工作时会产生适当的锅炉高温,以保持燃烧平衡。在锅炉运转过程中,从实际测量的锅炉高温数值可知,菏泽电厂二期锅炉正常运行炉温非常高,即使是位于锅炉高温燃烧区域的最底部,炉内温度最低处也接近1 100 ℃。研究证明,煤粉锅炉着火热量主要有两个来源: 一是被煤粉射流卷吸到射流根部的高温回流烟气,这部分高热烟气与刚喷入的新煤粉高压锅炉喷流剧烈搅拌,以对流方式传输热能; 二是高温火焰及炉壁对煤粉射流的辐射加热。如此高的炉温对燃烧器喷入煤粉的着火提供了有力的保障。根据华能德州电厂资料,该厂燃用煤种的着火温度为840～1 000 ℃ ,在不投油情况下,1 100 ℃的炉温完全能够满足燃用煤种着火温度的要求,即在锅炉正常稳定运行时,启停磨煤机时油枪点火助燃作用微弱。

2.3 2台磨煤机运行方式分析

A、B、C磨煤机中的2台磨煤机同时运转,有三种运行组合,即A与B、A与C、B与C,组合选择原则是有利于燃烧稳定,有利于调整,有利于降低飞灰、炉渣可燃物[9-10]。

1) A与B运行方式。此种方式下后墙A磨煤机所带的两组燃烧器与前墙B磨煤机所带的两组燃烧器下射后对冲,形成较好的两组W火焰,对两侧墙及前后墙两端水冷壁辐射换热强,火焰能均匀的充满炉膛四周,燃烧稳定性较好。但由于炉膛较宽,前墙或后墙同一磨煤机两组火嘴之间跨度大,炉膛中间部分火焰较弱,使前后墙水冷壁中间部分吸热量减少,并且两组W火焰各在炉膛两侧,使两侧炉膛温度升高,容易在前后墙与两侧墙夹角处结焦,流下的积焦易挂在前后墙水冷壁斜坡与侧墙夹角处造成堆积。此种方式下,由于形成了较好的W火焰,煤粉燃烧好,离析少,飞灰、炉渣可燃物含量较低。

2) A与C运行方式。C磨煤机所带的前后墙两组火嘴形成下射后形成一组W火焰,后墙A磨煤机所带的两组燃烧器各自形成一组V型火焰。两组V型火焰与C磨煤机形成的一组W火焰相距较近,对燃烧的稳定性有很大帮助。但V型火焰对相对侧水冷壁冲刷较强,使前墙1、4号角温度过高,容易结焦。此种方式下,V型火焰向炉前墙喷射,煤粉燃烧时间长,飞灰、炉渣可燃物含量最低。不足之处是后墙三次风门是手动门,不便调节三次风量。

3) B与C方式。与A与C方式基本相同,只是前墙B磨煤机所带的两组燃烧器各自形成的一组V型火焰是向炉后墙冲刷,使前墙2、3号角温度过高,容易结焦;由于V型火焰向炉后墙喷射,煤粉燃烧时间短,飞灰、炉渣可燃物含量最高。前墙三次风门是电动门,方便调节三次风量。

4) 在高负荷下,2台磨煤机运行,一次风流量增加,煤粉下冲严重,严重时可以观察到冷灰斗护板被烧红,造成炉渣中煤粉含量增加;一次风量增加,煤粉细度变大,飞灰可燃物升高,负荷较高时,煤粉离析较多。同时,高负荷时2台磨煤机运行,运行燃烧器出口煤粉增多,造成局部缺氧燃烧,形成还原性气氛,而灰渣在还原性气氛中灰熔点下降,容易结焦。因此,2台磨煤机运行时,机组负荷不能太高,不超过230 MW为宜。

3 改进建议

1)提高保护可靠性。为防止跳磨造成锅炉灭火,对磨煤机保护进行整理完善[11]。出现下列任一情况,运行磨煤机跳闸、报警,如表1所示。

表1 磨煤机联锁保护条件Table 1 Interlock protection condition of coal mill

2)提高自动调节性能:送风自动、一/二次风自动及磨煤机有关自动调节灵敏;

3)对非运行人员操作原因引起磨煤机跳闸或引起锅炉灭火的事件,对操作人员应免于考核;

4)恢复调整后炉膛卫燃带面积,以提高炉膛温度,保证锅炉燃烧稳定;

5)2台磨煤机燃烧器之间增加联络。当停1台磨煤机时,其燃烧器利用相邻磨煤机联络同样能出粉燃烧。即停磨不停燃烧器,确保燃烧稳定[12];

6)对油枪进行改进。将12只大油枪改为6只小油枪,在磨煤机启停过程降低磨煤机燃油,保留6只大油枪,启动点火用。

4 结 语

当前,面对中国能源体制改革的深入实施,节能工作更加重要。对现有设备分析调研,挖掘既有设备节能潜力,是增强发电厂实力的有效手段。对配备了直吹式制粉系统的大型发电机组来说,可以采用切实可行的办法,在低负荷阶段维持磨煤机最少运行方式,节电效益突出。