大型磨煤機襯板磨損的原因及對策

王德元

(上海電氣電站工程公司,上海 201100)

1 概 述

由國內(nèi)公司總承包的某海外燃煤2×300MW電站工程,制粉系統(tǒng)采用中間倉儲式,2臺磨煤機的配置方式,單臺磨煤機設(shè)計容量為滿足70%BMCR工況下運行。該磨煤機由某國外公司進行設(shè)計并負責(zé)性能保障,制造供貨由國內(nèi)某企業(yè)完成。筒體有效直徑4650 mm,有效長度9740 mm,有效容積為165.3 m3,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。據(jù)現(xiàn)有資料分析,這是現(xiàn)有的大型電站磨煤機,但在投運后,連續(xù)出現(xiàn)了磨煤機襯板在較短運行時間的情況下?lián)p壞的現(xiàn)象。

圖1 磨煤機結(jié)構(gòu)圖

2 磨煤機及其制粉系統(tǒng)

該項目磨煤機及制粉系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)o煙煤及“W”火焰鍋爐燃燒特點設(shè)計的。每臺鍋爐配置兩套制粉系統(tǒng),每套制粉系統(tǒng)由刮板式給煤機、磨煤機、排粉風(fēng)機、粗細粉分離器、布袋除塵器、排氣風(fēng)機等設(shè)備組成。整個系統(tǒng)負壓運行,由排氣風(fēng)機向外排空和排粉風(fēng)機構(gòu)成負壓系統(tǒng),其干燥介質(zhì)由爐膛底部煙氣和熱二次風(fēng)混合形成,布袋除塵器中收集的煤粉進入單獨煤倉作為爐膛超細粉使用。其系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 制粉系統(tǒng)流程圖

與國內(nèi)類似電站珞璜[1]和鴨河口[2]系統(tǒng)設(shè)計相比,其設(shè)計理念基本相同,主要差異在于:珞璜電廠排氣風(fēng)機之前沒有設(shè)置布袋除塵器,而是將風(fēng)粉混合物作為三次風(fēng)送入爐膛;而鴨河口電廠同樣也有布袋除塵器,只是其并未有專門的超細粉倉,而是與細粉分離器收集的細粉混合在一起。

對于磨煤機參數(shù),與國內(nèi)兩電站相比則有較大差異。主要表現(xiàn)在:其實際煤粉哈式可磨系數(shù)與設(shè)計值偏離較大;該鋼球裝載量比其余兩電廠增加約100噸,其筒體直徑和長度亦最大,而筒體轉(zhuǎn)速與鴨河口電廠基本相同,具體數(shù)值如表1所示。

表1 各機組的磨煤機參數(shù)設(shè)計比較表

關(guān)于256噸鋼球的實際裝載量,實際上是磨煤機的設(shè)計最大裝載量,而非最佳裝載量(在磨煤機供貨技術(shù)協(xié)議書中,只注明了最大裝球量為256噸,而最佳裝球量一欄并未填寫具體數(shù)值)。實際運行指導(dǎo)中,外方在未提出分析具體原因的情況下,堅持要求按256噸裝載鋼球。根據(jù)合同約定,外方負責(zé)最后的性能保障,期間,中方人員曾多次提出異議,但外方始終未予理會。

3 襯板的損壞現(xiàn)象

對現(xiàn)場磨煤機襯板損壞情況的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),所有使用批次的襯板均出現(xiàn)短時間內(nèi)即發(fā)生損壞現(xiàn)象,且損壞部位集中于磨煤機出口側(cè),特別是出口內(nèi)圈襯板。損壞情況如表2所示。

表2 磨煤機襯板損壞情況統(tǒng)計表

從損壞現(xiàn)象分析,第一批材質(zhì)為ZGMn13Cr2的襯板主要為磨損穿透,如圖3所示,而第三批材質(zhì)為Cr18的襯板主要為脆性斷裂,如圖4所示。

4 襯板損壞的原因分析

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較及損壞現(xiàn)象描述,以及對設(shè)計、供貨雙方主要關(guān)注的襯板和鋼球質(zhì)量等問題,將從筒體設(shè)計、裝球量、鋼球級配、材質(zhì)、安裝及調(diào)試運行等方面進行分析。

4.1 磨煤機筒體直徑的設(shè)計

制粉系統(tǒng)出力與諸多因素有關(guān),其計算公式[3]可用公式(1)表示:

式中 D ——磨煤機的筒體直徑,m;

L ——磨煤機的筒體長度,m;

n ——磨煤機的工作轉(zhuǎn)速,r/min;

Khj——護甲形狀修正系數(shù);

Kms——護甲和鋼球磨損對出力的影響系數(shù);

ψ——鋼球的充滿系數(shù);

Kh——燃煤的可磨性系數(shù);

Ktf——筒體通風(fēng)量對磨煤機出力影響的修正系數(shù)。由式(1)可知,磨機出力與煤粉可磨系數(shù)成正比,當(dāng)出力要求一定的情況下,可磨系數(shù)越小,磨機筒徑則越大。根據(jù)該項目合同要求,煤粉可磨系數(shù)設(shè)計范圍45～70,設(shè)計值為47,而實際測量值為67。因此,在其他條件不變情況下,該磨機筒徑及長度均比珞璜電廠的大。實際上這種偏離實際情況的設(shè)計值選取,不僅造成了機組“大馬拉小車”的不經(jīng)濟運行,同時也會帶來新的問題。

4.2 磨煤機的裝球量

由經(jīng)驗公式[4]得到磨煤電耗最佳鋼球裝載系ψzj和最佳鋼球裝載量為Gzj:

式中:nc——為磨煤機筒體臨界轉(zhuǎn)速;

ρgq——鋼球的堆積密度,取值為4.9 t/m3;

V ——磨煤機的有效容積,取值為165.3m3。

當(dāng)磨煤機工作轉(zhuǎn)速n=13.1r/min,磨煤機臨界轉(zhuǎn)速nc=42.3/=19.6r/min,這時的最佳裝載系數(shù)ψz j=0.243,計算得出的最佳鋼球裝載量為196.82t。顯然,實際裝載的256t已遠超過最佳裝載量。

4.3 磨煤機內(nèi)鋼球的級配

根據(jù)外方設(shè)計,該磨煤機采用直徑分別為50mm 、40mm、30mm 的 3種鋼球,比例為 1∶1∶1。為了滿足不同粒徑原料的研磨要求,需要配置不同直徑的鋼球。而鋼球的直徑及不同球徑的搭配比例,對磨煤機出力、電耗和鋼球磨損都有一定的影響,對于同1臺磨煤機來說,當(dāng)球徑變化時,磨煤機的出力Bm與球徑d有以下關(guān)系[5]:

式中:Bm1——球徑為d1時的磨煤出力,t/h;

Bm2——球徑為d2時的磨煤出力,t/h。

表3 原煤粒徑設(shè)計條件與實測值比較

式(4)表明,在煤質(zhì)粒度許可的情況下,采用較小直徑的鋼球,可以增加球磨機在磨制過程中對煤的沖擊點數(shù)和碾磨表面,能夠較大幅度地增加出力,但鋼球損耗與球徑成反比。據(jù)現(xiàn)場實測原煤細度與設(shè)計原煤條件比較(如表3所示),可發(fā)現(xiàn)實際煤粉細度較小,且細粉比例較設(shè)計值大。因此實際運行中可由更多的小球代替大球運行。

此外,根據(jù)我國《DL/T 466-2004電站磨煤機及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》規(guī)定,對于無煙煤,筒徑大于3m的磨煤機,鋼球直徑應(yīng)為(25、30)mm,比例為(50、50)%。

綜上分析,直徑為50mm的鋼球用于研磨大粒徑煤粉的作用發(fā)揮不明顯,反而其巨大的動能對襯板造成了強烈的沖擊。之所以損壞的襯板集中于出口端,特別是端部內(nèi)圈襯板處,生產(chǎn)廠家認(rèn)為主要是由于出口端煤粉較少,鋼球出現(xiàn)了自然分級現(xiàn)象,即大鋼球做拋物運動,受阻小而運動堆積至出口端,而小鋼球做滑坡運動,受煤粉包裹阻力大而集中于入口端,客觀上近10 m長的筒長加劇了這一趨勢。這樣集中在出口端的大鋼球直接沖擊在煤量較少的端部襯板,進而造成襯板在短時間內(nèi)被損壞的情況。

4.4 磨煤機襯板與鋼球材質(zhì)

外方認(rèn)為,造成磨煤機襯板損壞的主要原因是沒有按照其設(shè)計要求進行襯板和鋼球的加工制造,主要表現(xiàn)為材質(zhì)元素配比差異。根據(jù)第一、二批襯板材質(zhì)說明文件和第三批取樣為脆性斷裂的Cr18端部襯板實測數(shù)據(jù),與外方設(shè)計材質(zhì)ASTM A 532 class II A(12%Cr)進行了比較,如表 4所示。

表4 磨煤機襯板元素組成比較

通過材質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),第一批襯板與設(shè)計值存在很大差異,而第二、三批則與之相近,但外方依然認(rèn)為不符合要求,原因為Cr含量較其設(shè)計值偏高,C含量較其設(shè)計值偏低。而制造廠家認(rèn)為,Cr含量偏差是特意對材料進行的優(yōu)化調(diào)整,旨在提高襯板的抗沖擊性。

根據(jù)相關(guān)文獻數(shù)據(jù)[6,7],可將上述表格中的材料劃分為兩大類,一種是高錳鋼,另一種是高鉻鑄鐵。高錳鋼主要特點是在較大的沖擊或接觸應(yīng)力的作用下,其表面層將迅速硬化,并有馬氏體及相沿滑移面形成,從而產(chǎn)生高耐磨的表面層,而內(nèi)層仍為奧氏體組織保持優(yōu)良的沖擊韌性,但高錳鋼不是在任何條件下都是耐磨的,只有當(dāng)外力沖擊或壓力作用下,表層迅速硬化,形成硬的耐磨表面層,才能顯示出優(yōu)良的耐磨性,沖擊越是嚴(yán)重,耐磨性就越好。但在磨煤機襯板實際工況條件下,其所受到的沖擊力不足以使高錳鋼充分產(chǎn)生加工硬化,加之其屈服強度過低(約350 MPa),導(dǎo)致使用過程中襯板變形嚴(yán)重,耐磨性極差,甚至造成部分襯板脫落等嚴(yán)重后果。分析現(xiàn)場所使用的第一批和第三批高錳鋼襯板情況,第一批襯板的脫落穿孔現(xiàn)象嚴(yán)重,而第三批襯板則表現(xiàn)出較好性能,可在一定程度上驗證上述分析結(jié)論。高鉻鑄鐵是在鎳硬鑄鐵的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第三代耐磨材料,由于其組織中含有(Fe·Cr)7C3共晶碳化物,此種碳化物的顯微硬度極高,且呈斷續(xù)分布,與馬氏體+二次碳化物的基體配合,具有高的耐磨性,所以使用壽命高,但高鉻鑄鐵的韌性仍然較差,整個生產(chǎn)工藝和安裝工藝均需嚴(yán)格控制。而從現(xiàn)場運行結(jié)果看,高鉻鑄鐵也均表現(xiàn)為脆性斷裂損壞。另據(jù)分析[8],并非含鉻量越高的材料就越好,如18鉻系鑄鋼常用于鋼球,關(guān)鍵是鋼球與襯板要相互配合,形成最佳磨合副。

關(guān)于鋼球的材質(zhì)設(shè)計元素與實際配比對照情況,如表5所示。分析表明,實際含碳量略高于設(shè)計值。此外,關(guān)于襯板和鋼球硬度問題,根據(jù)外方設(shè)計鋼球硬度為 HRC(洛氏):58～62.5,襯板硬度為HV(維氏):min=600,即 HRC(洛氏):≥55。據(jù)文獻說明,大部分認(rèn)為襯板應(yīng)比鋼球略硬,比例為1∶0.85～0.9,也有文獻指出,相同磨球材質(zhì)條件下,并非襯板越硬越耐磨,高硬度襯板和高硬度磨球匹配時,系統(tǒng)耐磨性最好,為保證襯板安全使用,襯板H RC值比磨球低3左右較合適。

表5 磨煤機鋼球元素組成比較

4.5 襯板的安裝及調(diào)試運行

過程當(dāng)中,外方提出了襯板底部3 mm彈性支撐就位、力矩扳手緊固螺栓以及電耳安裝位置及調(diào)試方法不當(dāng)?shù)忍嵝?制造方提出了調(diào)試運行過程中應(yīng)加強磨煤機煤位控制的要求。為此項目部采取了針對性的糾正措施,以盡可能排除造成磨煤機襯板損壞的人為因素。目前現(xiàn)場已通過優(yōu)化風(fēng)粉配比、每臺磨配置兩套電耳裝置等手段,加強對磨煤機煤位的控制。經(jīng)過現(xiàn)場實驗,在2號爐B磨發(fā)生故障狀態(tài)下,A磨連續(xù)運行24小時,其制粉量能夠滿足機組70%負荷連續(xù)運行的設(shè)計要求。

5 應(yīng)對措施探討

5.1 確定原煤可磨系數(shù)

該項目實測可磨系數(shù)與設(shè)計值存在較大差異,過低可磨系數(shù)選取造成磨機實際設(shè)計余量過大?，F(xiàn)場要做好對來煤的連續(xù)監(jiān)測和記錄,以確定長期運行條件下的原煤可磨系數(shù)。如來煤可磨系數(shù)長時間穩(wěn)定在較大值,則說明合同設(shè)計值的確定不合理,應(yīng)及時向業(yè)主說明有關(guān)情況。

5.2 剔除大直徑鋼球

據(jù)核算,現(xiàn)磨機實際裝載量256噸遠超過最佳裝載量196.82噸,且50mm鋼球?qū)τ?650mm直徑的磨機沖擊作用過大,因此在有條件的情況下應(yīng)盡可能地將磨中50mm鋼球取出,而后進一步觀察磨機出力及煤粉細度。如出力及細度不夠,則添加30mm直徑鋼球。經(jīng)實際運行檢驗,1#機組A、B兩磨均取出直徑50mm鋼球60噸之后,依然滿足磨煤機出力及煤粉細度要求。

5.3 提供完全符合設(shè)計要求的襯板和鋼球

制造廠應(yīng)即刻準(zhǔn)備提供完全符合設(shè)計要求的產(chǎn)品,這既是制造廠應(yīng)履行的職責(zé),同時也是進一步檢驗外方在設(shè)計上可能存在問題的最好手段。尤其要抓住50mm鋼球還未取出的間隙,進行襯板試驗。其中特別要注重產(chǎn)品制造過程監(jiān)控和見證驗收工作,嚴(yán)把工藝和質(zhì)量關(guān),以確保試驗結(jié)果可信。

5.4 強化安裝調(diào)試運行管理

現(xiàn)場應(yīng)進一步加強安裝及調(diào)試運行管理,強化磨煤機更換襯板過程中的質(zhì)量控制,明確責(zé)任,做好記錄;同時加強運行管理,優(yōu)化調(diào)控方案,總結(jié)運行經(jīng)驗,特別注重風(fēng)粉最佳配比的規(guī)律探索,通過兩套電耳裝置實時監(jiān)測,實現(xiàn)對磨機煤位的優(yōu)化控制。

6 結(jié)束語

1、煤粉可磨系數(shù)對于磨煤機結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有決定性作用。該項目可磨系數(shù)設(shè)計值47與實際值67存在重大偏離,導(dǎo)致磨煤機長期在惡劣或不經(jīng)濟工況下運行。

2、該項目選用鋼球裝載量為256噸,明顯偏大。據(jù)測算,實際最佳鋼球裝載量應(yīng)為196.82噸。

3、50mm直徑鋼球用于筒體直徑大于3 m的磨機不符合規(guī)范要求,加之實際原煤細度小于設(shè)計值,小鋼球可滿足出力要求,因此應(yīng)將50mm鋼球剔除。

4、對于此類大型磨煤機,怎樣合理選用襯板和鋼球材料,如何進行元素配比、工藝控制及硬度配合以滿足磨機長期可靠運行的要求,還需進一步探討和實踐檢驗。

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