600MW机组锅炉变煤种运行特性及改造研究

600MW机组锅炉变煤种运行特性及改造研究

赵艳斌 程世军

华能沁北发电有限责任公司 459012

摘 要：近年来，国家经济形势发生重大变革，在此背景下，工业化进程不断加快，国民对电能的需求也日益扩大，大大推动了电力行业的发展。许多600MW火电机组采取多煤种掺烧的方式以达到提高经济效益的目的，但同时也造成了锅炉结焦、氮氧化物排放量过高等问题。

关键词：机组锅炉；变煤种；运行特性；

引言：

电力行业的迅猛发展大大推动了电厂的用煤需求，用煤过程中所存在的煤种杂，煤质差等问题造成许多机组存在燃煤偏离设计煤种的问题，在此背景下，煤耗增加、出力下降等问题频频发生，为了解决此类问题，许多电厂引入了过程数值模拟技术，该技术能够为锅炉改造方案的实现提供有力保障，有利于企业风险和成本的降低。

一、研究概述

为了机组锅炉变煤种运行特性及改造进行研究，本文选择了某电厂600 MW的机组锅炉来进行研究和分析。在投产第一年，该机组属于高效率、高质量且高产出的机组，然而，由于煤炭出现供不应求的问题，在此背景下，该机组不得不使用印尼无烟煤，这一问题导致该机组出现了实际燃煤严重偏离设计煤种的问题，在此背景下，锅炉的着火稳定性以及燃烧效率均大大低于前期水平，除此之外，机组还存在着锅炉出力不足、燃烧性能低等多种问题，对机组作用的发挥带来了极大地负面影响。

二、设备及其存在的问题

（一）煤种变化导致的运行问题

在研究中发现，就挥发分、低位发热量等参数而言，实际燃煤与设计煤种之间差距不大，但由于混煤中有大量无烟煤，且该机组制粉系统配备的是MPS中速磨，最终导致干燥出力、制粉出力等均无法满足设计规定的要求，这一问题对燃烧环节带来了极大的不利影响，具体表现在以下两大方面：首先，着火缺乏必要的稳定性，经常需通过投油来助燃，导致助燃用油耗损过大；其次则是燃尽程度低，从具体数据来看，飞灰可燃物达约18%，灰渣可燃物约27%。

（二） 研究方案

从上述研究来看，如果仅仅是单纯地使用工业分析法，无法客观且清晰地来展示燃煤的着火性能和燃尽性能，因此，为了更有效地解决这一问题，本研究首先对燃用煤种采取了热重分析方法。除此之外，本研究还引入了数值模拟研究，以最大程度地确保系统调整的合理性和科学性。由于燃烧煤种发生变化，因此，为了确保研究结果具有客观性和科学性，需进行重新计算来对制粉系统的可行性和适用性进行验证。

三、 实际燃煤热重分析

（一） 实验原理及仪器

煤粉的着火性能和燃尽性能受到诸多因素的影响，其中，反应活性发挥着最为关键的作用。可采用多种不同的方法来对煤粉燃烧特性加以验证，热重分析法是当前应用最为广泛的一大技术，通过程序来对温度加以控制，并对质量与温度之间的关系进行测量，且升温速度、试验量等因素能够对测量结果带来直接影响。

（二） 实验方法

在实际操作过程中，首先在不同的时间段取出五个煤种，以保证实验结果的科学性和正确性，就温度范围而言，通常为室温—900 ℃，将升温速率设置为50℃/min。 通过分析热重获得的TG曲线和DTG曲线，并以此为基础来计算相应的燃烧参数，如着火温度、最大燃烧温度等参数。

（三）热重结果分析

从具体的实验数据来看，如果加热速率保持在50℃/min，则煤样的平均着火温度约为512 ℃，煤样的燃烧温度偏高，从这一数据来看，煤种的着火性能处于较为低下的水平。煤样的平均可燃性指数C为8.37×10-5，平均燃烧特性指数为33.69×10-8，实验结果清晰地表明，在反应初期，煤种的着火燃烧、稳定燃烧以及充分燃烧的性能均不容乐观。

四、燃烧调整方案的数值模拟

（一）燃烧调整方案

在锅炉的运行过程中，为了确保再热气温能够达到要求，引入了燃烧器向上摆动的方案。从另一层面来看，该方案虽然能够达到提升再热气温的目的，但也会带来明显的副作用。

（二）计算工况说明

在对工况进行模拟时，将煤种变化、周界风以及燃烧器角度等多个因素纳入考虑范围之内，以确保研究结果的科学性和合理性。

（三）计算区域及网格

所模拟的区域共包含45万个网格，区域范围从炉膛底部冷灰斗以上到炉膛出口，为了降低伪扩散对研究结果带来的不利影响，本研究还在燃烧器的入口区域速度梯度最大处 , 采用了与射流入射夹角较小的网格生成技术。

（四）数学模型

本研究在对炉内燃烧过程进行模拟时，采用了概率密度函数法湍流燃烧模型、P-1辐射模型等多个适用性较高的模型。除此之外，在对煤的热解以及燃烧活动进行模拟时，还采用了双匹配竞争反应模型和动力扩散模型。

（五） 模型结果分析

从模拟结果来看，就横截面温度而言，实际煤种低于设计煤种，从这一结果不难看出，煤种的着火性能处于较为低下的水平。就炉高横截面平均温度来看，五层燃烧器能够对炉膛温度水平的提升带来积极作用。同时，在研究中还发现，当燃烧器上摆20°时，多个特征截面的温度都比实际煤种工况高。

五、中速磨煤机出力计算

本文以电厂所使用的ZGM113N型磨煤机为研究对象，对其磨煤出力、通风量等进行了计算，并计算了HGI，Mar，Aar，Vdaf等参数对出力和最大一次风率所带来的作用和影响。

（一） 磨煤出力、最大一次风率与HGI的关系

动力煤的硬度能够对HGI值的大小带来直接影响，通常情况下，二者呈现出明显的负相关关系，即动力煤的硬度越高，HGI值则会越小。就当前的具体情况来看，由于该厂燃烧的混煤中有一部分为无烟煤，此类煤的HGI相对较小，如果将该烟煤与无烟煤的混合，则HGI值会出现明显的下降。与此同时，在研究中还发现，对于磨煤机而言，其磨煤出力与HGI值呈现出明显的正相关关系，即HGI值越高，磨煤出力越高，基于此，当将烟煤与无烟煤进行混合时，磨煤机的磨煤出力会大大下降。

（二） 磨煤出力与收到基水分的关系

从研究结果来看，混煤基水分的提高将会造成磨煤机出力降低的问题。研究中发现，该电厂所在地区年平均降水量为1650 mm，因此煤炭在进行运输以及储存活动时有可能因雨水而出现湿度提高的问题，从这一层面来看，该气候特点将会对磨煤机出力带来不利影响。从上述研究结果能够确认，煤种参数的变化会造成磨煤机出力下降的问题，基于此，应采取有效措施来对磨煤机加以调整和改造，以确保燃用混煤出力的要求能够得到最大程度的满足。

结论：

综上所述，本研究详细阐述了600 MW锅炉因改烧煤种而出现的各类问题，并引入了热重分析、模拟过程数值等措施，最终得出了如下结论：在反应初期，煤种的着火燃烧、稳定燃烧以及充分燃烧的性能均不容乐观；煤种参数的变化会造成磨煤机出力下降的问题，基于此，应采取有效措施来对磨煤机加以调整和改造，以确保燃用混煤出力的要求能够得到最大程度的满足。

参考文献：

[1]李皓宇,朱宪然,刘彦鹏,焦开明.600MW机组锅炉深度掺烧劣质煤技术[J].热力发电,2018,4707:99-104.

[2]初泰青,王钰森,蒲建业,王东旭,冯兆兴.600MW机组锅炉燃烧调整试验研究[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2019,1501:48-53.