660 MW超超臨界機組鍋爐印尼煤摻燒運行特性與優(yōu)化

焦偉航

（浙江浙能樂清發(fā)電有限責任公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

隨著國內(nèi)火力發(fā)電產(chǎn)能的不斷提高，優(yōu)質(zhì)動力煤的需求量與日俱增，這使得國內(nèi)煤炭價格持續(xù)走高。與此同時，水電、風電、核電等清潔能源的快速發(fā)展對國內(nèi)電力市場影響重大，火力發(fā)電的市場份額受到了空前擠壓，加之國內(nèi)經(jīng)濟增速放緩，社會用電需求降低，火電上網(wǎng)電價下調(diào)等因素，眾多火力發(fā)電企業(yè)面臨低利潤甚至負利潤的窘境。為了突破煤價、電價“兩頭承壓”的不利現(xiàn)狀，火力發(fā)電企業(yè)必須深度挖潛、降本增效。燃料成本是火力發(fā)電廠運營成本的主要部分，因此降低燃料成本是火力發(fā)電企業(yè)突破當前困境的重要思路[1]。

印尼煤相較國內(nèi)煤炭具有較大的價格優(yōu)勢，同時運輸相對便利，特別適合沿?；鹆Πl(fā)電企業(yè)，具有良好的經(jīng)濟性[2]。但另一方面，印尼煤具有高揮發(fā)分、高水分、低熱值等特點，不利于火電機組鍋爐燃用，并存在較多安全隱患。近一年來，某發(fā)電廠二期2臺660 MW超超臨界機組進行了多次大規(guī)模印尼煤摻燒。本文針對該發(fā)電廠二期3號、4號鍋爐的印尼煤摻燒實際情況，分析總結(jié)經(jīng)驗，提出應對措施，為國內(nèi)同類型機組印尼煤摻燒提供參考。

1 設備概況

某發(fā)電廠二期超超臨界燃煤發(fā)電機組鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，型號為SG-2031/26.15-M623，單爐膛、一次中間再熱、采用四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼懸吊Π型結(jié)構、露天布置燃煤鍋爐。鍋爐設計煤種為神府東勝煤田活雞兔煤，校核煤種為晉北煙混煤。每臺鍋爐配備6臺上海重型機器廠生產(chǎn)的HP1003型中速磨煤機，燃用設計煤種時5用1備，磨煤機具體參數(shù)如表1所示。每臺鍋爐設24只直流式燃燒器，每臺磨煤機對應1層的4只燃燒器，分6層布置于爐膛下部四角，煤粉和空氣從四角送入，在爐膛中呈切圓方式燃燒。

表1 HP1003磨煤機主要參數(shù)

2 印尼煤工業(yè)分析

2017年5月至2018年5月，該發(fā)電廠多次開展印尼煤摻燒工作。各次印尼煤成分和該鍋爐的設計、校核、常用煤種成分對比如表2所示。相較于正常煤種，印尼煤普遍存在高揮發(fā)分、高水分、低熱值、低灰熔點等特點，這些特性都不利于燃用，以下將進行著重分析。

另外，印尼煤可磨性與正常煤種基本持平，易于磨制；硫分明顯低于正常煤種，屬于低硫煤，有利于環(huán)保排放。這兩點本文不做詳細討論。

3 印尼煤特性分析及摻燒應對措施

3.1 針對印尼煤高揮發(fā)分的應對措施

印尼煤含有明顯高于日常動力煤種的揮發(fā)分，一般在50%以上，這使得印尼煤呈現(xiàn)出易燃燒、易自燃、易爆炸的特性。以下分別就印尼煤各項特性所產(chǎn)生的摻燒不利因素進行分析，并給出相應的應對措施。

3.1.1 針對印尼煤易燃燒特性的應對措施

燃用正常煤種時，制粉系統(tǒng)出力一般根據(jù)機組負荷自動調(diào)節(jié)，并控制磨煤機風量在100 t/h左右，磨煤機出口溫度在75℃左右，磨煤機出口煤粉細度R90在20%以下。但由于印尼煤的揮發(fā)分過高，極易燃燒，在爐內(nèi)燃燒提前，易燒毀燃燒器[3]，可針對性地采取以下措施：

（1）通過調(diào)節(jié)磨煤機出口折向擋板至全開位置，降低磨煤機出口煤粉細度，R90控制在25%～40%，使煤粉氣流燃燒滯后[4]。

（2）增大一次風機風壓，并提高磨煤機進口一次風量[5]。這一方面可以提高氣流對燃燒器的冷卻效果，另一方面可以降低煤粉氣流的濃度，抑制燃燒。

（3）降低磨煤機進口一次風溫度，控制磨煤機出口風粉混合物溫度不高于65℃，即降低了煤粉氣流的溫度，從而使燃燒滯后[6]。

（4）將燃用印尼煤的磨煤機由自動控制改為手動控制，避免因負荷波動而引起燃用印尼煤的磨煤機工況頻繁波動。

表2 設計、校核、常用煤種與印尼煤的工業(yè)分析比較

3.1.2 針對印尼煤易自燃特性的應對措施

印尼煤較高的揮發(fā)分使得該煤種在堆積處易發(fā)生緩慢氧化并放熱，還會進一步引起自燃。因此，燃用印尼煤就必須時刻監(jiān)視原煤倉以及其他易堆積煤粉位置（如煤粉分配器、粉管彎頭等[7]）的溫度變化，若有自燃跡象必須立即采取相應的措施。

（1）若2 h內(nèi)，各粉管相同位置溫度偏差±5℃以上，則必須停運該制粉系統(tǒng)。

（2）若原煤倉溫度超過65℃，應立即用常用煤種替換當前煤種，并持續(xù)關注溫度變化。

3.1.3 針對印尼煤易爆炸特性的應對措施

印尼煤較高的揮發(fā)分使得制粉系統(tǒng)易發(fā)生爆炸，特別是制粉系統(tǒng)啟動和停運過程中，風量較低時，風粉比例易達到爆炸臨界值[8]。建議采取以下應對措施：

（1）原則上不直接啟停燃用印尼煤的制粉系統(tǒng)，計劃性的啟停前應事先將煤種切換成常用煤種。

（2）若燃用印尼煤的制粉系統(tǒng)因故必須立即停運，則必須嚴格控制出口溫度，并進行充分吹掃[9]。停運后仍須持續(xù)監(jiān)視煤倉溫度。

（3）制粉系統(tǒng)啟停前，操作人員開啟相應制粉系統(tǒng)的聲光報警，通知附近工作人員、石子煤排放人員、保潔人員等及時回避，禁止在制粉系統(tǒng)啟停過程中逗留在附近。

（4）制粉系統(tǒng)滅火惰化蒸汽應保持熱備用狀態(tài)，發(fā)生磨煤機著火時必須及時投入滅火惰化蒸汽[10]。

（5）制粉系統(tǒng)發(fā)生跳閘后，立即關閉該制粉系統(tǒng)所有風門，若磨煤機出口風粉混合物溫度有升高趨勢，立即投入滅火蒸汽。

3.2 針對印尼煤熱值偏低的應對措施

印尼煤發(fā)熱量一般在3 500～3 800 kcal/kg，遠低于正常動力煤5 200～5 500 kcal/kg的發(fā)熱量。因此，燃用印尼煤會造成機組帶負荷能力不足。該發(fā)電廠作為所在電網(wǎng)的重要負荷支撐點，AGC（自動發(fā)電控制）調(diào)峰任務至關重要，一般在每日上午、下午、晚間為高峰負荷，在午間和凌晨為低谷負荷。單機單日負荷峰谷差值最高至50%機組技術出力。

為保障機組帶負荷能力，對應采取如下措施：

（1）在5臺運行磨煤機中最多選取2臺燃用印尼煤，其他磨煤機燃用熱值較高的正常煤種?；谝淮物L機系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的考慮，不采用啟動6套制粉系統(tǒng)以提高機組出力的運行方式。

（2）根據(jù)當前社會用電趨勢和全省外購電的形勢，提前預估機組的發(fā)電量，并適當安排燃用印尼煤制粉系統(tǒng)的臺數(shù)。如在白天可安排4套正常煤種制粉系統(tǒng)加1套印尼煤制粉系統(tǒng)，在夜間可安排3套正常煤種制粉系統(tǒng)加2套印尼煤制粉系統(tǒng)。

（3）燃用印尼煤制粉系統(tǒng)的原煤倉應保持較低煤位運行，如此可以根據(jù)負荷需要快速切換至其他煤種。同時低煤位運行也有利于印尼煤制粉系統(tǒng)的安全運行和事故處理。

3.3 針對印尼煤高水分的應對措施

印尼煤的全水分達到了正常煤種的2~3倍，這使得印尼煤在制粉系統(tǒng)中易粘結(jié)、易堵塞，特別是在原煤倉、給煤機、落煤管等部位。同時，印尼煤對磨煤機干燥出力的要求也更加嚴苛，其煤粉干燥效果明顯低于正常煤種，必須嚴格控制磨煤機出口風粉混合物溫度高于露點溫度，否則煤粉極易粘結(jié)成團，造成堆積和堵管，甚至自燃[11]。印尼煤和正常煤種對應的制粉系統(tǒng)運行參數(shù)如表3所示。對應措施如下：

（1）燃用印尼煤制粉系統(tǒng)的原煤倉空氣炮、給煤機進口振打裝置、落煤管振打裝置必須保持熱備用狀態(tài)，一旦對應位置出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象，立即投入空氣炮和振打裝置。

（2）控制制粉系統(tǒng)煤量在 35～45 t/h，保持手動控制方式，并根據(jù)磨煤機的干燥出力情況調(diào)整制粉系統(tǒng)總出力[12]。

（3）控制磨煤機出口風粉混合溫度在58℃以上，不得低于55℃且必須高于對應露點溫度[13]。

表3 燃用印尼煤和正常煤種制粉系統(tǒng)參數(shù)對比

3.4 針對印尼煤低灰熔點的應對措施

印尼煤的灰分較正常煤種偏低，但灰熔點也較低，屬于易結(jié)焦煤種，所以在燃用印尼煤時仍需注意爐膛結(jié)焦情況，并加強吹灰[14]。

4 印尼煤對機組系統(tǒng)的影響及對策

針對印尼煤的主要特性，建議采取上述一系列措施來保障其安全燃用。但上述調(diào)整措施也會對其他主設備甚至整個系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，具體分析和處理對策如下。

4.1 快速加減負荷時對其他磨煤機和爐內(nèi)熱負荷的影響分析及對策

在機組加負荷過程中，為提高負荷響應速度，協(xié)調(diào)系統(tǒng)會先根據(jù)負荷設定和負荷指令的差值輸出一個前饋指令，作用于鍋爐的風、水、煤的調(diào)節(jié)模塊，隨后通過PID（比例-積分-微分）控制器逐漸調(diào)節(jié)機組負荷至實際負荷。其間，煤的前饋指令將平均分配至每臺投入煤量自動的制粉系統(tǒng)上。

以5套制粉系統(tǒng)運行為例，全爐燃燒正常煤種時，所有制粉系統(tǒng)均投入煤量自動，煤前饋指令均勻分配至5套制粉系統(tǒng)，各制粉系統(tǒng)出力變化幅度較小，進而爐膛整體熱負荷變化均勻。但如上文所述，為保證制粉系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定、干燥出力穩(wěn)定，燃用印尼煤的制粉系統(tǒng)煤量控制采用手動方式，即2套制粉系統(tǒng)燃用印尼煤時，僅3套制粉系統(tǒng)投入煤量自動，煤前饋僅分配給這3套制粉系統(tǒng)，從而使這3套制粉系統(tǒng)出力變化劇烈、參數(shù)擾動幅度大，甚至造成參數(shù)超限；爐內(nèi)熱負荷變化也不均勻，局部熱負荷變化幅度大。

4套制粉系統(tǒng)運行時，變化對比更加明顯。減負荷過程同理。

通過上述分析可知，燃用印尼煤的機組在快速加減負荷時將產(chǎn)生更大的擾動，主要表現(xiàn)為各磨煤機出口溫度波動、爐內(nèi)受熱面壁溫波動等。因此在機組快速加減負荷時，應及時手動調(diào)整燃用印尼煤制粉系統(tǒng)的出力，減少其他制粉系統(tǒng)的調(diào)節(jié)壓力，降低爐內(nèi)熱負荷變化的不均勻程度。

4.2 對煤水比控制的影響分析及對策

燃用不同的煤種時，機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的BTU（燃料校正）控制模塊會根據(jù)煤種發(fā)熱量自動進行修正，從而匹配對應的給水量。當燃用設計煤種時，BTU校正系數(shù)為1；當燃用發(fā)熱量高于設計煤種的煤時，BTU校正系數(shù)大于1，此時將適當增大水煤比，增加給水量；當燃用發(fā)熱量低于設計煤種的煤時，BTU校正系數(shù)小于1，此時將適當降低水煤比，減少給水量。

不同印尼煤配煤方式下，BTU和水煤比、給水量、最高負荷等參數(shù)對比如表4所示。

表4 不同印尼煤制粉系統(tǒng)臺數(shù)的參數(shù)對比

印尼煤的發(fā)熱量和設計煤種的發(fā)熱量存在較大偏差，在僅投運2套印尼煤制粉系統(tǒng)時，機組BTU仍然遠低于燃用正常煤種時的機組BTU，同時水煤比也相應降低。但協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中水煤比自動調(diào)節(jié)有下限值，當目標水煤比低于下限時，水煤比無法進一步下降，造成實際給水量高于機組需求給水量，進一步造成中間點過熱度下降。若出現(xiàn)此種情況，必須撤出水煤比自動調(diào)節(jié)，手動降低給水量。

4.3 降低機組的帶負荷能力并間接導致機組RB的分析及對策

機組RB（輔機故障減負荷）是機組在突然失去重要輔機（制粉系統(tǒng)、給水泵等）后快速降低負荷的保護措施，其觸發(fā)條件為“當前負荷指令-剩余輔機帶負荷能力＞20 MW且對應輔機停運或跳閘”。

燃用印尼煤時，機組BTU校正系數(shù)降低，進一步導致機組帶負荷能力降低，并有可能達到觸發(fā)RB的限值。該廠每臺鍋爐的制粉系統(tǒng)配置為5用1備，即至少1套制粉系統(tǒng)是停運狀態(tài)，此情況極易觸發(fā)機組RB保護。

此種情況觸發(fā)的RB保護，雖然對主設備沒有太大影響，但會導致負荷波動、協(xié)調(diào)系統(tǒng)退出、一次調(diào)頻和AGC負荷遠控退出等情況，對機組的正常運行造成干擾。對此，應該根據(jù)實際情況修改帶負荷能力的計算值以避免觸發(fā)此類RB，但同時必須保證機組真正發(fā)生重要輔機跳閘時，RB保護能夠可靠動作。

4.4 對鍋爐二次風調(diào)節(jié)的影響分析及對策

鍋爐總風量為一次風量和二次風量的總和。如上文所述，為保障燃用印尼煤制粉系統(tǒng)的安全運行，必須增大磨煤機的通風量，即增加了一次風總量。在負荷一定時，鍋爐總風量維持一定，增大了一次風量就必然會降低二次風總量，從而進一步降低送風機的出力。這將導致爐膛和二次風大風箱的差壓降低，二次風的剛性降低。這一方面會導致燃燒器噴口周界風冷卻效果不足，另一方面也會對爐內(nèi)燃燒情況造成較大影響。

對此，必須合理適當?shù)卦龃笕加糜∧崦褐品巯到y(tǒng)的通風量，并適當降低其他磨煤機的通風量以控制一次風總量，保證二次風量和送風機出力不受影響。

4.5 對飛灰含碳量的影響分析及對策

如上文所述，燃用印尼煤的制粉系統(tǒng)控制煤粉細度R90在25%～40%，燃用正常煤種控制煤粉細度R90在20%以下，而細度調(diào)節(jié)是通過在煤種切換時人為就地操作實現(xiàn)。另外，為滿足機組調(diào)峰要求，對應制粉系統(tǒng)在早晨和夜間需要頻繁切換煤種。其次，從煤倉更換煤種到磨煤機內(nèi)切換煤種至少要3～4 h，只能通過預估和參數(shù)變化判斷磨煤機內(nèi)煤種切換的時間。

由此，人為調(diào)節(jié)煤粉細度的時間和磨煤機內(nèi)煤種切換的時間難以完全匹配，從而出現(xiàn)正常煤種的煤粉細度R90在25%～40%的情況，煤粉較粗。進而導致此類煤粉在爐膛內(nèi)難以燃盡，增大了飛灰的含碳量。加之為滿足機組調(diào)峰的需要，磨煤機需頻繁切換煤種，更進一步加重了飛灰含碳量偏高的情況。

飛灰含碳量偏高一方面增加了鍋爐的機械不完全燃燒熱損失，降低了鍋爐效率，另一方面此類飛灰易引發(fā)鍋爐尾部煙道的二次燃燒。對此，應盡量協(xié)調(diào)好人為調(diào)節(jié)煤粉細度的時間，將印尼煤布置在爐膛下層[15]，并加強尾部煙道的吹灰，防止未燃盡的飛灰堆積。

5 結(jié)語

印尼煤存在高揮發(fā)分、高水分、低熱值、低灰熔點等不利特性，燃用存在較大安全風險和隱患，但采取對應措施后，在超超臨界機組鍋爐內(nèi)燃用是可行的。結(jié)合某發(fā)電廠多次燃用印尼煤的實際情況，總結(jié)出相應的摻燒經(jīng)驗并提出一系列應對措施，既可保證摻燒過程中機組的安全和穩(wěn)定，同時也增強了鍋爐的煤種適應能力，提高了劣質(zhì)煤的使用率，降低了燃料成本，擴大了煤種供應范圍，兼具安全性和經(jīng)濟性。