张家口发电厂一期机组掺烧褐煤的运行分析

摘 要：在煤炭价格高位运行的环境下，进一步降低发电成本，大唐国际张家口发电厂积极调整煤种结构，在二期机组掺烧褐煤安全运行基础上，决定一期机组开始掺烧褐煤运行，这对锅炉运行产生一定的影响。褐煤为挥发分高、低位发热量低、水分大、易自燃，危险性很高的一种煤种。针对其特性，集控运行采取了一系列的措施，确保了机组的安全稳定运行。

关键词：褐煤；掺烧影响；运行分析；措施

一、电厂概述和掺烧背景

张家口发电厂1-8号锅炉由东方锅炉厂设计制造，配套300MW发电机组。锅炉为亚临界、中间再热、自然循环、全悬吊、平衡通风、燃煤汽包炉。制粉系统为正压直吹式制粉系统，一期锅炉选用上海重型机械厂设计制造的HP863和HP803型磨煤机,二期锅炉选用的磨煤机为北京电力设备总厂设计生产的ZGM95G型磨煤机。燃烧器陆续经大修改造为烟台龙源电力生产设计的四角切圆直流式低氮燃烧器。机组原设计满负荷燃煤量130～140t/h，现在正常运行满负荷燃煤量165～175t/h，煤粉管道一次风速近期检测30m/s左右，煤粉细度90=25～30%。1-4号锅炉原设计燃用大同烟煤，5-8号锅炉原设计燃用内蒙古准格尔煤矿的混煤和末煤，现燃用以大同烟煤为主的混煤。

燃料成本高位运行一直是制约电厂厂利润增长的主要原因。为适应煤炭供应市场变化，根据大唐国际发电股份有限责任公司经营的需要，2012年张家口发电厂计划在上一年二期机组掺配褐煤安全运行的基础上加大褐煤掺烧量。

二、褐煤特性分析

褐煤的特性主要是挥发分高、发热量低、水分高、灰熔点低、硫份高。

1、挥发分高：着火特性的重要指标，挥发分含量越高，着火越容易。但挥发分含量不易偏离设计值太大，否则会影响锅炉的安全运行。挥发分高，会因火焰中心逼近喷燃器出口而烧坏喷燃器；挥发分过低则会因着火过迟使燃烧不稳，甚至造成锅炉灭火事故。

2、发热量低：发热量低会涉及制粉系统出力、机组出力和高锅炉效率降低问题。这是起褐煤价格低的主要原因。

3、水分高：水分是燃烧过程中的有害物质，水分蒸发的过程中会带走大量热量，对锅炉的影响较大。

4、灰熔点低：煤粉炉炉膛中心温度多在1300℃以上，煤灰大多呈软化或流体状态。灰熔点偏低，易结焦，炉内金属管壁过热、超温、甚至爆管。

5、硫粉高：主要对机组脱硫效率有一定影响。

当燃煤偏离设计煤种，超出一定范围时，会锅炉带来一定的影响，尤其是锅炉安全性和经济性，锅炉出力与热效率降低、燃烧不稳定，甚至灭火；结焦、超温、磨损，费用和成本问题。对于锅炉运行来讲最主要的就是结焦、超温、爆管、灭火，所以我们采用一定比例配煤掺烧褐煤的燃烧方案，以调节燃煤特性，改善锅炉燃烧工况防止结焦和灭火的发生，在安全和经济之间找到合理的平衡。总之，劣质褐煤燃烧中首先应考虑稳燃，然后才是机组出力和效率的问题。

三、掺烧褐煤后锅炉运行参数分析

张家口发电厂掺烧的褐煤基本特性为：发热量在2800大卡左右，对燃烧稳定性有一定影响；挥发份较高在44%左右，易自燃；水分较高在35%左右，影响磨煤机干燥出力，导致磨煤机出口温度较低；硫份较高在2.4%左右，对脱硫系统排放指标有一定影响；灰熔点较低，在1287℃左右，结焦性为“中等偏强”，对锅炉结焦有一定影响。

1、对锅炉安全运行的影响

表一、3号机组褐煤掺烧前后磨煤机参数对比（240MW/5台制粉系统）

（1）降低制粉系统出力

运行当中的磨煤机在热风调整门开展，冷风调整门关严，磨煤机入口温度由以前的最低222.3℃提高到现在的最高283.1℃，提高了约60℃的情况下，出口温度只有50～63℃，为了保证磨煤机出口温度达到55℃，只有尽量提高一次风压和磨煤机的一次风量，同时限制磨煤机出力。没有掺烧胜利煤以前。一期磨煤机可带出力30吨，掺烧褐煤后磨煤机出力受限3～5t/h。

（2）降低了制粉系统的可靠性

由于褐煤的挥发份高、水分高、易自燃的特性，磨煤机的入口温度又大幅提高60℃，在一次风压不足情况下，可能导致磨煤机的本体、输粉管、出口分离器，排渣门等都有积粉自燃的可能性。在磨煤机事故停用时，磨煤机内部、煤仓和给煤机皮带上的存煤易自燃，同时锅炉石子煤斗内聚集的石子煤易自燃、结渣，对制粉系统的安全性构成威胁，所以必须制定相应措施以保证安全运行。

（3）对锅炉结焦性的影响

虽然褐煤的灰熔点较低只有1287℃，但是由于其的水分较大、发热量低导致炉膛的温度在掺烧后明显下降，达不到褐煤的灰熔点，所以早期掺烧褐煤后没有发现锅炉大面积结焦的现象。但近期锅炉检查发现，锅炉低氮燃烧器改装后，由于火焰中心下移、喷燃器间距减小，火焰过度集中，造成了锅炉喷燃器和水冷壁附近出现结焦现象，所以必须严格执行定期检查和吹灰等相应措施。

2、对锅炉燃烧调整的影响

为了更直观一些，参考5天煤量和汽包压力变化曲线图，对比一下掺烧褐煤前后对运行调整上的影响。

（1）总煤量与汽包压力

图一、掺烧前总煤量变化

图二、掺烧后总煤量变化

从图一、图二中对比发现：掺烧褐煤后，负荷变动对应总煤量的变化容易出现变化幅度大、不稳定时间长，煤量增加过量或减少过量的超调现象。

图三、掺烧前汽包压力变化

图四、掺烧后汽包压力变化

图三、图四对比：汽包压力变化频繁，变化趋于稳定所需时间较长，且在稳定前总有一个较大差值。但在长时间负荷稳定期间，汽包压力比较稳定。

锅炉燃烧运行本身就存在滞后的现象。加之褐煤本身的特性，在相同负荷工况下，机组燃煤量较大，造成锅炉煤量惰性增大；汽包压力在煤量超调的工况下趋于对应负荷下的稳定压力值时，时间更长、变化更频繁，需要运行人员更多的手动参与调节，机组的升降负荷速率受到一定影响。

在现阶段锅炉跟随控制方式模式下，对协调控制系统要求更高，需要多方协调进一步优化协调控制系统。锅炉跟随控制方式的特点是机组能比较快的适应电网负荷的要求。但汽压波动大，为了限制汽压波动变化，增加了非线性元件。如果负荷要求增长的速率和幅度较大，可能引起汽压的变化幅度值增大。当汽压偏差值≥死区组件的时，死区组件将发出限制汽轮机调门继续开大或关小的信号，以保证汽压压力在允许的范围内变化。当汽压变化不太大时，不去限制调门开度变化，以使机组负荷尽快响应负荷指令。

从汽压偏差对汽轮机调门开度变化的限制可以看出，尽管可以减少汽压的较大波动，但同时也减慢了输出功率响应负荷指令的速度，实质上是以降低功率响应性能为代价提高汽压控制的品质。

为此，在汽压偏差≥死去组件的时，限制调门开度的同时汽压偏差信号同时送入锅炉控制器，加强对锅炉的调节作用，以补充由于汽压变化引起锅炉蓄热热量变化所需附加的燃料量。没有掺烧褐煤以前燃料量平均150吨可以带300MW运行，掺烧胜利煤后需要平均180吨燃料带300MW，增加20%燃料量，导致机组的调节速率比以前减缓了20%。

（2）锅炉氧量和飞灰

图五：掺烧前后90天左右飞灰在线监测数据曲线

图五显示：掺烧褐煤前后，飞灰变化峰值与谷值有明显变化。随着一天的负荷变化，飞灰值都会有很大的峰值，但掺烧后飞灰值始终在2.0左右变化。

通常，锅炉燃烧调整有一个最佳的运行氧量。排烟损失和气体、固体未燃尽损失之和最低，锅炉效率最高。从褐煤的低发热量、高挥发分上我们可以分析出，褐煤本身碳含量就低，导致锅炉在线飞灰监测值始终变化不大，这就误导了我们为了降低厂用电而一味的降低送风量。但经过低氮燃烧改造后燃烧调整上来看，炉膛内本身就处于一个缺氧燃烧的工况，在降低送风量的同时更加剧了炉膛内的缺氧环境，使得燃烧不稳定、工况恶化。

原则上在调整送风量的时候，飞灰作为一个重要的参考值其具有重要性不言而喻。飞灰值过高，说明炉内燃烧不充分，燃料浪费，锅炉效率低；飞灰值过低，说明炉内燃烧工况完全，但厂用电不一定是最低的，这是一个需要平衡的调整过程。

所以掺烧褐煤后，锅炉低氮燃烧调整风量，飞灰就不能最为重要参考量了，要通过总煤量、汽包压力变化、负荷变化、送风机电流等参数综合考虑。

（3）机组排放指标

根据3号机组掺烧褐煤数据分析得出，在月平均掺烧量22%时，各磨煤机的出口温度已经在55～65℃范围内运行，已经接近磨煤机干燥出力的下限，同时入炉煤的硫含量增大，对脱硫指标的影响较大，严重影响脱硫设备的安全运行。结合二期机组掺烧数据分析得出，一期机组的磨煤机实际出力平均30吨，对比二期机组磨煤机的40吨，一期机组的掺烧量理论值应该不大于22.5%，与实际测量数据接近。

四、安全运行控制重点与措施

1、参数调整

掺烧褐煤的机组，应维持磨煤机出口温度大于55℃,小于75℃。启动制粉系统时，磨煤机出口温度不得大于75℃。在原煤仓蓬煤、给煤机断煤等故障情况下，要加大磨煤机冷风量，减少热风量，保证磨出口温度不大于75℃。磨煤机增加负荷时，先加风后加煤，反之先减煤，后减风，保证磨煤机不堵煤。停磨后要用冷风将磨煤机出口温度降至小于55℃后将磨煤机入口冷热风门、出口门关闭严密，隔绝磨煤机。制粉系统掉闸要立即关闭磨煤机各出入口门，再关闭给煤机上、下插板，隔绝磨煤机。

2、备用制粉系统倒换

在褐煤掺烧期间，需控制本单元机组的备用制粉系统连续停运时间，当制粉系统连续停用达到5天时，必须安排启动该备用制粉系统运行6小时以上。

3、加强就地设备检查

集控人员要重点检查磨煤机输粉管、石子煤排渣门、给煤机皮带、原煤仓等部位有无自燃现象。加强磨出口粉管温度的检查，发现异常时要及时停磨处理。磨煤机顶部容易大量积粉，要定期进行清扫。排渣要及时，避免石子煤渣箱堵塞、着火，定期重点检查石子煤系统。一旦发现磨煤机着火，应采用隔离密封、外部喷水降温、通入消防蒸汽或惰性气体的方法进行灭火，严禁采用直接通水灭火方式。

4、如何防止结焦结渣

褐煤结焦性为“中等偏强”，其燃烧速度快，火焰相对集中，特别是一次风量大，产生的烟气量也大，一次风速过高，容易发生局部结渣，使燃烧器附近水冷壁结焦严重。一、二次风调整配比不当、风煤配比不当时，都会引起切圆偏斜，造成燃烧器区域严重结焦。所以需要合理配煤，通过调节风烟系统等手段，防止严重结焦问题的出现。

通过燃烧调整试验及运行积累经验，进行规范操作和精确控制。重点是控制一次风、一二次风配比、氧量，在保证炉内合理的空气动力场以及合理气氛的基础上，保证锅炉炉内不发生严重结渣。如果燃烧器喷口结焦，要适当提高二次风压，保证锅炉周界风的比例。

运行人员在严格执行吹灰制度的同时，要加强检查和运行分析，根据锅炉状况决定是否应该立即进行吹灰，以减少炉膛掉大焦的几率，防止影响锅炉底部除渣系统运行。

通过合理的配煤掺烧、深入的燃烧调整、合理的定期轮换制度和优化吹灰等工作，尽可能避免锅炉严重结渣和掉大焦，为除渣系统创造良好的运行条件。捞渣机设备发生故障必须立即修复，锅炉运行中不得长时间停运除渣设备，防止水冷壁冷灰斗中产生堆渣现象。若设备异常必须必须立即采取措施，否则停炉处理。

五、结束语

通过上述的分析，张家口发电厂已掌握了褐煤的基本特性。目前一期机组掺烧褐煤运行3个月与二期机组长期大量掺烧以来，未发现制粉系统、煤场、给煤机皮带自燃和机组严重出力受阻的现象。通过合理的配煤掺烧手段，制定并认真执行完善的安全运行措施，在降低发电成本的同时确保了机组的长期安全稳定运行。

参考文献

[1]大唐国家张家口发电厂. 集控运行规程[S].

[2]边立秀 周俊霞 赵劲松 杨建蒙. 热工控制系统[Z].

[3]大唐国际发电股份有限公司. 全能值班员技能提升指导丛书锅炉分册[Z].

[4]大唐国家张家口发电厂. 张家口发电厂大比例掺烧褐煤措施[Z].

作者简介：谢航（1982~ ），男，本科，助理工程师，张家口发电厂发电部主值。河北张家口宣化沙岭子，075133。

方云静（1982~ ），女，本科，助理工程师，张家口发电厂热控车间专业组长。河北张家口宣化沙岭子，075133。