1000MW超超臨界制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造試驗(yàn)研究

李心亮 李耀德

摘?要：本文針對(duì)某電廠1000MW超超臨界鍋爐制粉系統(tǒng)出力不足、效率較低的問題，以C磨煤機(jī)為基準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化改造。對(duì)原有一次風(fēng)噴口安裝新型旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)，并改變磨煤機(jī)加載力控制方式和制粉系統(tǒng)熱工控制方式。經(jīng)改造前后制粉系統(tǒng)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究表明：在出力相同的情況下，C磨電流為57.6A，相比其他磨煤機(jī)有了大幅降低，一次風(fēng)量也有明顯降低，煤粉細(xì)度提高且更趨均勻，石子煤提前排出。綜合評(píng)估：C磨煤機(jī)全年可以節(jié)約成本22.68萬元。若全廠其他磨煤機(jī)均做相同的改造，那么一次風(fēng)量、磨煤機(jī)單耗將會(huì)大幅降低，燃燒效率以及飛灰含碳量亦會(huì)有明顯的改善，將會(huì)取得顯著的節(jié)能降耗效果。本次新技術(shù)改造是完全成功，也可以為同類設(shè)備的節(jié)能增效工作提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：改造;制粉系統(tǒng);磨煤機(jī);一次風(fēng)量;煤粉細(xì)度

Experimental Study on Optimization

of 1000MW UltraSupercritical Pulverized Coal System

Li Xinliang?Li Yaode

NorthChina ElectricPower Test and Research Institute Co.，Ltd.of CEEC?Tianjin?300161

Abstract：In this paper，a power plant 1000MW ultra-supercritical coal pulverizing system，the output is low，the efficiency is low，with C mill as a benchmark for optimization and transformation.Install a new type of rotating nozzle ring on the original primary air nozzle and change the control method of the load force of the coal pulverizer and the thermal control method of the pulverizing system.The comparison of the performance of the pulverizing system before and after retrofitting shows that under the same output condition，the current of C mill is 57.6A，which is greatly reduced compared with other mills，the primary air volume also decreases obviously，the fineness of pulverized coal increases and more uniform，early discharge of stone coal.Comprehensive assessment：C Mill can save costs 226，800 yuan throughout the year.If all the other coal mills are doing the same transformation，then the air volume，coal mill unit consumption will be significantly reduced，the combustion efficiency and carbon content of fly ash will also be significantly improved，will achieve significant energy saving effect.The new technology is completely successful transformation，but also for the energy efficiency of similar equipment to provide useful lessons learned.

Key words：remolding coal powder system，coal mill，primary air volume，pulverized coal fineness

中國是能源消費(fèi)大國，燃煤發(fā)電機(jī)組是能源消耗中的重中之重。提高燃煤機(jī)組效率、降低污染排放是眾多電力科研人員不懈追求的目標(biāo)。[1]中速輥式磨煤機(jī)可以有效提高鍋爐效率，且負(fù)荷適應(yīng)性寬、啟動(dòng)迅速，因而在電力系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。[2]計(jì)算表明，對(duì)于制粉系統(tǒng)來說，僅考慮煤粉細(xì)度一項(xiàng)：當(dāng)煤粉均勻性指數(shù)增加0.1時(shí)，大型鍋爐效率可以提高0.15%～0.2%;當(dāng)煤粉細(xì)度由R90=21%下降到R90=14.4%時(shí)，鍋爐效率可以提高0.25%。[3]近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)開展了廣泛的研究。朱憲然[4]針對(duì)中速磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)建立了氣固兩相數(shù)值模型，計(jì)算獲得了石子煤排放率曲線;Angleys，Bhasker[5-9]等人對(duì)分離器進(jìn)行了改造，建立了Fluent數(shù)值模型，研究了出口氣流對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，取得了很好的效果。夏季[10]建立了摻燒模式下的磨煤機(jī)最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)配比模型，得出了多個(gè)Pareto解?？梢?，對(duì)制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造，對(duì)火電廠節(jié)能降耗意義非凡。本文采用新型旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)技術(shù)對(duì)某電廠的制粉系統(tǒng)進(jìn)行了改造，取得了良好的效果。

1 機(jī)組概況

1.1 鍋爐系統(tǒng)簡介

某電廠采用東方鍋爐股份有限公司超超臨界變壓直流燃煤鍋爐，型號(hào)DG-3100/ 26.15-Ⅱ2，一次再熱，單爐膛π型，旋流燃燒器前后墻對(duì)沖燃燒方式，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架，全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)，露天布置。采用低NOx旋流煤粉燃燒器48只，分三層布置。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見詳表1。

1.2 磨煤機(jī)及煤質(zhì)參數(shù)

制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，由兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)提供介質(zhì)流動(dòng)動(dòng)力，磨煤機(jī)采用MPS290型中速輥式磨煤機(jī)，另配有兩臺(tái)密封風(fēng)機(jī)提供密封風(fēng)。磨煤機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表2，煤質(zhì)資料見表3。

2 制粉系統(tǒng)存在的問題

在機(jī)組運(yùn)行過程中，制粉系統(tǒng)逐漸暴露出如下問題：一次風(fēng)量較大，運(yùn)行統(tǒng)計(jì)風(fēng)煤比在2.2左右，居高不下;制粉單耗達(dá)到12kWh/t以上，造成較大的電能損耗;磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)分布不合理;石子煤排放不暢，石子煤倉板結(jié)嚴(yán)重。隨著石子煤倉內(nèi)部溫度升高，摻雜在石子煤中的碳粒自燃，燒毀密封圈，帶來設(shè)備的損壞;煤粉細(xì)度偏大，均勻性指數(shù)僅為1.0左右，造成鍋爐不完全燃燒損失增大，鍋爐燃燒效率降低?；谝陨嫌^測(cè)分析可知：該制粉系統(tǒng)技術(shù)較為落后，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，性能指標(biāo)下降，難以滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，對(duì)其進(jìn)行新技術(shù)改造甚為必要。圖1&2是運(yùn)行期間標(biāo)定后的磨煤機(jī)（C磨煤機(jī)）一次風(fēng)量圖與分離器特性圖。

3 制粉系統(tǒng)改造與試驗(yàn)

3.1 改造方案

針對(duì)制粉系統(tǒng)存在的問題，本組人員通過對(duì)國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的分析研究認(rèn)為：制粉系統(tǒng)可以進(jìn)行以下改造，方案如下：①對(duì)原有一次風(fēng)噴嘴環(huán)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，安裝新型旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)（見圖3、4），并調(diào)整折向擋板開度，使其與改造后的系統(tǒng)相適應(yīng);②新型旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的動(dòng)、靜環(huán)均采用分段、分層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)最新技術(shù)的應(yīng)用;③將加載力控制方式改為在線控制的變加載方式。如此磨煤機(jī)可實(shí)現(xiàn)空負(fù)荷啟動(dòng)，提高低負(fù)荷適應(yīng)性，減小變負(fù)荷時(shí)磨煤機(jī)出力變化太大對(duì)機(jī)組造成的沖擊，增強(qiáng)機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;④對(duì)制粉系統(tǒng)熱工控制做出相應(yīng)改造，用在線智能控制代替程序控制。力爭實(shí)現(xiàn)如下改造目標(biāo)：石子煤排放量降低1.5%以上，易磨損件壽命達(dá)到20000h，與磨煤機(jī)檢修周期匹配，易損件更換時(shí)間縮短至8h。

3.2 改造后試驗(yàn)

制粉系統(tǒng)改造完成后，電廠對(duì)磨煤機(jī)出力、一次風(fēng)量、分離器轉(zhuǎn)速等進(jìn)行了調(diào)整。為了獲取該制粉系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)改造后的設(shè)備（以C磨為特征磨煤機(jī)）進(jìn)行了試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 制粉系統(tǒng)一次風(fēng)量調(diào)整試驗(yàn)

分別在C磨煤機(jī)常用出力55t/h、65t/h、75t/h工況下，保持磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速500r/min，變化磨煤機(jī)一次風(fēng)量。測(cè)試確定了磨煤機(jī)在三種出力下對(duì)應(yīng)的最佳一次風(fēng)量為110t/h，120t/h，130t/h。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

根據(jù)圖5所示試驗(yàn)結(jié)果：擬合得出C磨煤機(jī)最佳一次風(fēng)量相對(duì)于磨煤機(jī)出力的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式為：

F=D+55（1）

其中：F—磨煤機(jī)最佳一次風(fēng)量，單位為t/h

D—磨煤機(jī)出力，單位為t/h

根據(jù)公式（1）分析可得：C磨煤機(jī)噴嘴環(huán)改造后，磨煤機(jī)出力與制粉系統(tǒng)最佳一次風(fēng)量呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，對(duì)比機(jī)組其他磨煤機(jī)特性曲線可知，采用新型噴嘴技術(shù)對(duì)制粉系統(tǒng)特性未帶來任何不利影響，證明新型旋轉(zhuǎn)噴嘴技術(shù)是可行的。對(duì)比圖1可以看出：進(jìn)行新型噴嘴環(huán)改后，一次風(fēng)量有了明顯的減少，風(fēng)量配比也更趨合理，節(jié)能效果明顯。

4.2 分離器轉(zhuǎn)速調(diào)整試驗(yàn)

在磨煤機(jī)最佳一次風(fēng)量工況下，分別在其常用出力區(qū)間55t/h、65t/h、75t/h工況下，變化磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速，待磨煤機(jī)參數(shù)穩(wěn)定后，全面測(cè)試了磨煤機(jī)參數(shù)，獲得磨煤機(jī)性能隨分離器轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律數(shù)據(jù)，分別確定了磨煤機(jī)不同出力下滿足煤粉細(xì)度條件下的最佳分離器轉(zhuǎn)速，獲得磨煤機(jī)出力對(duì)應(yīng)的分離器轉(zhuǎn)速調(diào)整曲線。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

根據(jù)圖6分析可得：不同磨煤機(jī)出力工況下，煤粉細(xì)度隨分離器轉(zhuǎn)速增高而下降，但并非呈嚴(yán)格線性關(guān)系。究其原因在于：試驗(yàn)和運(yùn)行中制粉系統(tǒng)設(shè)備不能夠完全按照設(shè)計(jì)條件運(yùn)行，并且與試驗(yàn)誤差共同作用導(dǎo)致的結(jié)果。但此種擬線性規(guī)律依然可以對(duì)新型噴嘴技術(shù)制粉系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。同時(shí)對(duì)比圖2可以看出，改造后煤粉細(xì)度有了較大提高，并且更加均勻。

4.3 橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)

選擇A、F磨煤機(jī)作為對(duì)比試驗(yàn)對(duì)象，分別在磨煤機(jī)出力65t/h、75t/h工況下完成試驗(yàn)（試驗(yàn)過程中各臺(tái)磨使用相同煤種），保持磨煤機(jī)習(xí)慣運(yùn)行方式，磨煤機(jī)參數(shù)穩(wěn)定，全面測(cè)試制粉系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，獲得未改造磨煤機(jī)性能數(shù)據(jù)與C磨煤機(jī)最佳工況數(shù)據(jù)對(duì)比表，確定了制粉系統(tǒng)改造效果。試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。在磨煤機(jī)出力65t/h、75t/h工況下C磨30分鐘耗電量比A、F磨節(jié)省電能50kWh以上，改造效果非常明顯。

4.4 石子煤橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)

選擇A、C、F磨煤機(jī)作為對(duì)比試驗(yàn)對(duì)象，分別在磨煤機(jī)出力55t/h、65t/h和75t/h工況下，對(duì)比石子煤排量及石子煤粒徑。在負(fù)荷55t/h下，C磨石子煤排放量每小時(shí)約為100kg，A磨與F磨石子煤排放量每小時(shí)約為20～30kg。試驗(yàn)結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，C磨石子煤的粒徑較A磨和F磨而言，很大部分顆粒在25mm以上。在負(fù)荷65t/h和75t/h下，石子煤排量與形態(tài)相差不大。

4.5 均勻性指數(shù)橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)

采用等速取樣裝置對(duì)A、B、C、D煤粉進(jìn)行取樣，以便于對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果見表5：

4.6 單耗橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)

在磨煤機(jī)試驗(yàn)中，采用給煤量積算值確定試驗(yàn)期間小時(shí)給煤量，最終計(jì)算各臺(tái)磨煤機(jī)耗電量，測(cè)試結(jié)果見表6：

從橫向?qū)Ρ仍囼?yàn)可以看出：在磨煤機(jī)出力和煤粉細(xì)度相當(dāng)?shù)那闆r下，C磨煤機(jī)的出力最大，但單耗最小，降到了826kWh/t。僅此一項(xiàng)，足以證明采用改造后的制粉系統(tǒng)可以獲得優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)效果。

5 能效分析

5.1 制粉系統(tǒng)節(jié)約電量分析

通過功率表監(jiān)測(cè)計(jì)算：C磨煤機(jī)改造前后對(duì)比電耗降低10%左右，每小時(shí)節(jié)電量約為108 kWh，按電價(jià)0.3元/kWh，一年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，每年可節(jié)約22.68萬元，節(jié)能效果顯著。僅此一項(xiàng)可以推算投資回報(bào)年限為2年。

5.2 延長制粉系統(tǒng)壽命

大粒徑石子煤的提前排除會(huì)使磨輥、磨瓦等易磨損配件壽命延長，減小檢修周期，節(jié)省配件更換投資。同時(shí)石子煤的提前排除可降低汞、砷等有害元素對(duì)催化劑的影響，延長催化劑壽命，節(jié)省催化劑更換費(fèi)用。

5.3 一次風(fēng)機(jī)節(jié)能

一次風(fēng)機(jī)在整個(gè)廠用電系統(tǒng)中占有較高的比重，其電機(jī)功率為2500kW（磨煤機(jī)電機(jī)功率1120kW）。單臺(tái)機(jī)組制粉系統(tǒng)改造后，一次風(fēng)量下降14%左右。若整臺(tái)機(jī)組磨煤機(jī)全部更換改造，忽略空預(yù)器漏風(fēng)因素影響，則一次風(fēng)機(jī)總風(fēng)量大約可下降14%，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)良好的節(jié)能效果。但是分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：改造后制粉系統(tǒng)石子煤量稍大，未能完全達(dá)到改造目標(biāo)，應(yīng)在后續(xù)運(yùn)行中持續(xù)監(jiān)測(cè)、調(diào)整。

6 結(jié)論

（1）通過制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)擬合出最佳一次風(fēng)量數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式，為同類型機(jī)組制粉系統(tǒng)改造以及優(yōu)化運(yùn)行提供了理論指導(dǎo)。

（2）通過試驗(yàn)得到了磨煤機(jī)風(fēng)煤比曲線、分離器轉(zhuǎn)速特性曲線等主要運(yùn)行特性曲線。在較高負(fù)荷下，C磨風(fēng)粉比維持在1.6～1.8左右，而其他磨煤機(jī)風(fēng)粉比維持在2.0以上。按照該風(fēng)煤比曲線控制磨煤機(jī)入口風(fēng)量，可保證煤粉細(xì)度R90在8%～9%，可以大幅度提高鍋爐效率，節(jié)能效果顯著。

（3）與同煤種同型號(hào)磨煤機(jī)相比，C磨煤機(jī)石子煤顆粒較大，且大部分為石子。石子的排出能有效減少磨煤機(jī)部件（磨瓦、磨輥等）以及后續(xù)煤粉管道的磨損。石子煤顆粒較大說明改造后磨煤機(jī)能在研磨過程的較早階段篩選石子，降低磨煤機(jī)耗電量。通過A、C、F磨煤機(jī)相同出力對(duì)比試驗(yàn)，C磨煤機(jī)節(jié)電約20%～25%。

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