张建中，李 政，曹理平

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2.中国华电集团有限公司经济技术咨询分公司，北京 100031；3.电力规划设计总院，北京 100120)

0 引言

磨煤机及制粉系统的防爆是火电厂设计和安全生产管理的一项重要内容，其核心环节在于正确评估燃用煤种的爆炸特性。就防爆安全生产角度，需对燃煤的爆炸等级有足够的估计并且留有煤质变化的安全裕量。而就锅炉经济运行角度，又不宜因为过高估计燃煤爆炸等级而采取过于保守的运行方式。有电厂在提高直吹式制粉系统磨煤机出口温度的节能潜力方面进行了实践，并收到了良好成效(某电厂在600 MW 机组HP 型中速磨煤机上的试验表明，当磨煤机出口温度由80℃提高到100℃后，因冷风掺入量减少使排烟温度降低了6.1℃，锅炉效率可提高约0.31%，发电煤耗下降约1 g/kWh)。

为准确评估煤粉爆炸风险，目前对煤粉爆炸特性的评价标准主要有：挥发份Vdaf、前苏联工业性指标BC、爆炸指数Kd、热重着火温度t、煤粉气流着火温度IT等。根据王月明[1]等在试验台上以煤粉爆炸下限热量浓度，方法ELHC(explosion lower heat concentration) 为 参照，对23 例火电厂用煤(包括无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤等)试验煤样进行爆炸性试验验证。结果表明，这些方法中以爆炸指数Kd方法的预报成功率为最好。现行技术规范编制中，均以爆炸指数Kd作为煤粉爆炸特性的评判指标。

目前，国内在磨煤机选型、制粉系统设计、防爆设计等规范体系中，煤粉爆炸指数Kd的理念、计算和分级所依据的技术源头，均来自ВТИ 的E.N.Tolchinskii 等于1996 年所发表的“固体化石燃料粉末爆炸性准则”一文[2](以下简称“ВТИ 准则”)。二十多年来国内技术规范中关于爆炸指数Kd的规定历经多次升级，形成了一套规范体系[3-7]；但如文献[8]所指出，实际上均存在偏离ВТИ 试验研究成果现象，导致相关技术规范在选择和应用中的混乱，并由此造成燃煤管理中对煤种爆炸特性的误判，项目设计及审查中对防爆设施配置失当等实际问题。对此需要正确解读ВТИ 准则基础上研究煤粉爆炸指数计算方法的完善化和精准规范化问题。

1 现行规范中爆炸指数Kd计算值预报准确度验证

1.1 验证比较的方法

1)以煤粉爆炸下限热量浓度ELHC 试验台测试结果作为验证比较基准。

2)在23 例煤种的测试结果中选择“不爆煤”及“极易爆”两类代表性煤种作为验证案例。

3)选择目前国内实际使用的几种规范进行验证比选；其中的“ВТИ 准则”(校正版)所引用的规范已经进行了单位制正确换算；DL/T 5203—2005[4]、DL/T 5145—2012[6]及DL/T 466—2017[7]均为现行有效版本。

1.2 现行规范的验证比较

现行规范对代表性测试煤种的验证比选见表1 所列。

表1 以ELHC试验台方法为参照对现行技术规范的验证比选

1.3 验证比选结果

除ВТИ 准则(校正版)而外，国内几种有效版本的预报准确度均不理想；其中DL/T 5145—2012 规范已经基本无预报价值可言；较新的DL/T 466—2017 中对爆炸指数Kd的计算和分级作了更改但仍偏离ВТИ 准则，而且也未宣布废止DL/T5145—2012 中相关条款的规定。

2 现行规范存在问题

2.1 理论层面

1)国内升级版规范中对引用ВТИ 准则的单位制换算出现过量修正，导致计算公式甚至进一步扩大了与ВТИ 准则的偏离。

2)因引用ВТИ 准则的单位制换算失误，导致爆炸指数Kd的计算与分级之间不再构成合理匹配体系。

3)国内规范中自行定义对爆炸指数Kd分级的界定标准，既不符合所引用ВТИ 准则的定义又缺乏试验或实践依据。如DL/T 5145—2012 中的煤粉爆炸指数Kd数据，将易爆煤种的界定标准从ВТИ 准则中的Kd＞1.5 改为Kd＞12.0；DL/T 466—2017 将起爆标准从Kd=1.0 改到Kd=0.5，理论上已经不再符合ВТИ 准则对煤粉爆炸指数Kd的定义。

2.2 实践层面

1)爆炸特性的分级界定标准脱离实际，导致对煤种爆炸特性的误判。

①DL/T 466—2017 将Kd＞0.5 作为起爆标准，这相当于将挥发份Vadf≤20%的贫煤都划为可爆煤种，与实际不符。如潞安贫煤Vadf=18.76%，按ВТИ 准则Kd=0.87 判别为不爆煤与ELHC 试验台结果相符，而按DL/T 466—2017 被误判为可爆煤种。

②DL/T 466—2017 将Kd≥3.5 作为极易爆标准，这相当于将绝大部分高挥发份烟煤甚至褐煤都划为极易爆煤种之外，与实际不符。DL/T 466—2017 的附录D.1“我国一些电厂燃煤煤粉的爆炸性指数Kd”中，序号15-60 的46 种高挥发份烟煤、褐煤(Vdaf=30%～50%)中，只有一例特殊煤种(Monto 煤)Kd≥3.5，这显然也不符合基本实际情况。

2)极易爆煤种与难爆/不爆煤种界限混淆，导致制粉系统设防标准配置不当

①按防爆规程DL/T 5203—2005[4]，对于爆炸感应指数Kd高的煤种制粉系统宜设置的“CO检测装置+磨煤机后温度变化梯度测量装置”。

②而按DL/T 5145—2012，对易爆煤种的界定标准定为Kd>12.0，相当于将一大批挥发份Vdaf≤25%的烟煤甚至贫煤都划为易爆煤种。

对于潞安贫煤、贵州烟煤等低挥发份煤种，按ВТИ 准则判别为不爆煤种与ELHC 试验台结果相符，无需设防；而按DL/T 5145—2012 计算的爆炸指数Kd分别为17.84 及20.1，属极易爆炸煤种，必须设置“CO 检测装置+磨煤机后温度变化梯度测量装置”，这将导致不必要的投资增加。

3)因界定防爆对策时混用Vdaf及Kd这两个指标，使得有些项目制粉系统过度设防导致闲置投资。

内蒙京能盛乐2×350 MW 机组因燃用Vdaf≥35%的高挥发份煤，按防爆规程选用了CO 检测装置；但按煤质条件核算的爆炸指数Kd判断为“中等”甚至“不爆”煤种，可以确认其无需配置CO 检测装置，见表2 所列。

表2 内蒙京能盛乐热电煤种爆炸性核算数据

以上表明，国内规范不符合国内ELHC 试验的验证情况。

2.3 实际操作层面

现行技术规范中，对爆炸指数Kd的确定均沿用DL/T 466[3]所推荐的方程组逐级计算方法，需要6 个歩骤。文献[9]就运行管理角度指出，易爆煤种的煤粉爆炸指数Kd对于燃煤电厂煤质管理和入炉煤掺配控制十分重要，而现有计算方法涉及参数较多，需要对煤样进行多重分析后才能算出，增加了电厂检测人员工作量，因此有必要寻求更加简便的方法，探索煤粉爆炸指数预测模型的优化。

分级标准与计算方法之间的匹配失衡也是需要同步解决的问题。重点在于实施煤粉爆炸指数Kd分级标准的精准规范化。

上述理论层面的规范编制升版问题已有专门文献[8]进行论述；本文着重研究讨论实践中提出的实用化完善化途径。

3 爆炸指数Kd的计算方法

3.1 精准实用化计算方法的选用

基于对ВТИ 准则中计算方程组的推导变换，文献[8]对爆炸指数Kd提出了如下精准实用化计算式：

式中：Qnet,daf为煤的干燥无灰基低位发热量，kJ/kg；Vd为煤的干燥基挥发份，%；Vdaf为煤的干燥无灰基挥发份，%。

3.2 计算方法的应用

应用式(1)除了实现对爆炸指数Kd计算过程一步到位的简化而外，还可用来判别煤粉爆炸性的计算条件是否成立。

1) DL/T 466—2004 示例中的燃煤条件 为Vdaf=16%，Ad=32.26%，Vd=10.84%，Qnet,daf=22 580 kJ/kg。计算的煤粉爆炸性Kd=1.028，爆炸性中等，但这与贫煤煤种并不相符。

2)按式(1)计算如下：

因计算值为负值，表明所赋予的燃煤条件不成立，应该重新设置。后在DL/T 5145—2012《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》[6]中发现，将燃煤发热量改为Qnet,daf=33 000 kJ/kg，但如文献[8]所述该规定的计算方法有误不能使用，应该按式(1)来计算，确切的煤粉爆炸性Kd=0.41，为不爆煤，与煤种条件相般配。

4 煤种爆炸特性预测模型拟合方法

4.1 煤种爆炸特性预测模型拟合公式方法

2019 年，王永佳[9]等以DL/T 466-2017 规范方程组为基准，用最小二乘法拟合了一组线型方程式来进行估算：

式中：Mad、Aad、Vad为空气干燥基的水分、灰分和挥发份，%；Qnet,ar为收到基低位发热量，kJ/kg。

拟合式(2)建立了爆炸指数与煤质特性之间的线性关系，煤的发热量直接采用收到基计算，使用方便；但就核算数据来看该拟合公式与 DL/T 466—2017 的计算结果相去甚远，以山东邹县电厂兖州/济北混煤为例，按拟合式(2)计算的Kd=4.795 较按DL/T 466—2017 的精准计算值Kd=2.298 大了一倍；此外，就爆炸等级来看与DL/T 466—2017 也不相匹配。文献[9]所引用实践依据是山东某电厂“2016 年入厂煤样共计1 179 个，爆炸指数在1.7 ～8.1 之间”；以及将易爆煤种的爆炸指数定为Kd≥3.0，将极易爆煤种的爆炸指数定为Kd＞7 的这些界定标准，与DL/T 466—2017 均无法对接—按该规范中所列国内60 个煤种的计算数据，对于Vdaf=35%～40%的煤种爆炸指数上限值Kd不超过4.0；对极易爆煤种的爆炸指数定Kd≥3.5而不是Kd＞7。因此拟合式(2)实际上是误以DL/T 466—2004 作为拟合目标，并不具备直接使用价值。

4.2 对煤种爆炸特性预测模型拟合公式的修正方法

就公式结构，理论上可以通过重新调整各项系数建立起与DL/T 466—2017 相匹配的拟合方程。而利用文献[8]对各种版本爆炸指数所建立的精准简化式，可将以DL/T 466—2004 为目标的拟合式(2)换算成与其他版本对接的拟合方程修正式。

换算通式

式中：Δ 为换算参量；[Kd]为拟合式(2)的计算值；Kd为换算后的数值。

由文献[8]得知，与DL/T 466—2004 中爆炸指数对接的精准实用计算式如下：

由此得到与精准实用式(1)对接的线型拟合方程式为式(7)：

4.3 对换算修正后煤种爆炸特性预测模型拟合方程式的验证

以精准实用式(1)为基准，对换算修正后的拟合方程(7)验证如下：

1)验证案例：以山东邹县电厂兖州/济北混煤为例，已知Vdaf=39%，Vd=27.95%，按式(6)算得换算参量Δ=2.51，这与4.1(2)一节中按文献[9]拟合式(2)的计算偏差(4.795-2.298)=2.497极为接近。

2)选择5 种不同挥发份的代表性煤种，对两种计算方法的验算数据比较如图1 所示。

图1 拟合方程修正式与精准简化式的比较

由图1 可知，对于可爆、易爆煤种(Kd≥1.0，或Vdaf≥25%)，按拟合方程修正式(6)、式(7)计算的爆炸指数精准度高达99.05%以上；表明其具有较高实用价值。

对于不爆、难爆煤种(Kd≤1.0)，按煤种爆炸特性预测模型的拟合方程修正式(6)、式(7)所计算的爆炸指数存在一定偏差，但对实际应用的影响不大。

5 引入ELHC准则元素优化煤粉爆炸特性指数方法

5.1 引入ELHC准则元素的爆炸指数Kd方法

在现行规范或文献中，对煤粉爆炸指数形成了几种不同的分级界定标准而且反差巨大，见表3 所列。

表3 不同规范及文献中的煤粉爆炸指数Kd分级界定标准对照

在表3 中，文献[8]所引入以煤粉爆炸下限热量浓度ELHC 准则为参照的爆炸特性分级，可作为对ВТИ 准则的一种优化。

5.2 引入ELHC准则元素爆炸指数Kd方法的应用

典型案例：安徽平山二期1×1 350 MW 机组因燃用Vdaf≥32%的高挥发份煤，按防爆规程配置了CO 检测装置。对其设防标准检查如下：

1)按ВТИ 准则计算结果见表4 所列，因Kd＞1.5 属易爆煤，配置CO 检测装置。

表4 安徽平山二期煤种爆炸性核算数据表

2) 而按表3 推荐引入ELHC 准则元素的爆炸指数Kd评估方法，因其①Kd≤2.5，②Ad≥20%，③Vdaf≤42%等煤质条件综合判断为“中等爆炸”煤种。

3)为稳妥起见，建议对煤质取样进行ELHC 试验，以测试结果及对磨煤机出口温度优化期望值作为评估防爆对策选择的依据。

5.3 对煤粉爆炸指数Kd分级标准的讨论

1)分级界定标准的依据

ВТИ 准则是煤粉爆炸指数Kd的技术源头，分级界定标准与其计算方法在原理上是相匹配的，应以其作为编制技术规范的基本依据，有必要对分级标准进行细化。

2)分级界定标准偏离所引用依据

①DL/T 5145—2012 中的计算方法存在失误，计算的煤粉爆炸指数Kd数据偏离ВТИ 准则，所提出的分级界定标准不再具有实用价值。

②DL/T 466—2017 中的计算方法基本回归到ВТИ 准则，但仍存在一定偏离；而其分级标准则明显失当：

将起爆标准从Kd=1.0 改到Kd=0.5，这不符合ВТИ 准则对爆炸指数Kd的定义。

从规范附录D.1 煤质资料来看，所列编号1、6、9、11、14 几个Kd≈0.5 的煤种，按精准简化式复算的爆炸指数Kd分别为0.57、0.397、0.384、0.497 及0.422，而且均为挥发份Vdaf低于20%的贫煤，属难爆煤种，看不到与起爆界限的联系；对照文献[1]中关于Kd≤1.5 时基本无爆炸倾向试验结果的论述，将Kd≥0.5 作为判断是否可能起爆界限的规定更缺乏实际试验台数据的支持。

将Kd≥3.5 作为判别易爆煤种的上限也不够合理：文献[1]中将Kd≥3.0 作为判别易爆煤种的上限才是更加合理的选择。从规范附录D.1 中60 个煤种的计算数据来看，除特殊煤种Monto 煤外，其余煤种没有1 例是Kd≥3.5 的(并且可以指出，其中序号52“平凉2 期煤种”的Kd= 3.85 乃是误算数据，查该例煤种的元素成分中Nar、Oar数据二者明显错位，校正后的计算数据应为Kd=2.7)。基于上述，该规范中的分级标准也缺乏实用价值。

3)宜引入ELHC 准则元素对爆炸指数Kd方法进行优化

对于按ВТИ 准则Kd＞1.5 的煤种，宜按引入ELHC 准则元素的爆炸指数Kd方法进一步核算其爆炸特性。

4)分级标准的细化宜有对应的防爆对策

国内规范中的煤粉爆炸指数Kd分级从ВТИ 准则的3 级细化为5-6 级，虽有其必要，但在对应的防爆对策上有所漏缺。就宏观层面对此建议如下：①对于不爆煤种——无需采取防爆设施。②对于极易爆煤种——要求采取防爆措施并配置“CO 检测装置+磨煤机后温度变化梯度测量装置”等防爆设施。③对于“可爆(难爆)”“较难爆”“中等爆炸”“较易爆”等煤种，分别采取不同等级的防爆对策，例如按不同爆炸指数Kd分级规定磨煤机允许出口温度的上限；在电厂燃煤管理上按不同爆炸指数Kd对入炉煤进行分级存放、掺配控制等。

6 引入煤粉爆炸特性指数来完善磨煤机允许出口温度的规定

如上所述，除了“不爆”和“极易爆”这两级煤种划分直接影响到燃煤管理和项目设计/审查而外，还有必要引入煤粉爆炸特性指数来进一步完善现有防爆规范，尤其是其中仅根据煤种挥发份来确定磨煤机允许出口温度的规定——例如对直吹式制粉系统的中速磨煤机允许出口温度tM2(℃)系按下式来确定(Vdaf≤40%时)：

而由ВТИ 准则及ELHC 准则均已表明，以爆炸指数Kd来替代Vdaf将是更加合理的选择。若按有的文献所推荐，对确定磨煤机允许出口温度tM2存在更加密切关系的参量是“堆积煤粉起燃温度”Tz，其与煤样成分的试验及回归关系式如下(式中Mpc为煤粉水分%)：

对照式(9)、式(7)可知Tz与Kd之间存在一定相关性。但由于Kd与Vdaf之间不是简单线性函数关系，而且该项完善化涉及对于防爆规程的修订问题，故对此有必要另行讨论。

7 结论及建议

爆炸指数Kd这一指标的计算和分级在国内煤粉制备规范规程中的引用已经出现过多种不同版本；但由于热量单位制换算失误，计算和分级标准匹配失衡等原因，导致在理论上和实践中都存在问题。国内现行规范中对爆炸指数Kd确定方法存在失误，导致对煤种爆炸特性的误判，及工程项目设计/审查中的被动局面。对此需要予以核查澄清。

在ВТИ 准则及充分吸取煤粉爆炸下限热量浓度ELHC 为参照的试验研究成果基础上，可以对爆炸指数Kd这一指标的计算和分级进行澄清和完善化。完善化的途径主要有：①爆炸指数Kd计算方法的简化优化；以一步到位的精准实用计算式来替代逐步求解方法。②煤种爆炸特性预测模型拟合方法的校正和精准化。③引入ELHC 准则元素来优化煤粉爆炸特性指数计算与分级标准匹配。④引入煤粉爆炸特性指数来完善防爆规程中对磨煤机允许出口温度的规定等。

现有文献中的线性拟合公式其拟合目标存在失误，缺乏直接实用价值。本文对此提出了精准的换算修正方法。