雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)的性能優(yōu)化及改造

董 方， 馬治安， 彭 麗， 石戰(zhàn)勝， 柳冠青， 李宗慧

(華電電力科學研究院有限公司多相流分離技術研究及應用中心， 浙江杭州310030)

燃煤電廠制粉系統(tǒng)主要負責為鍋爐提供合格的煤粉， 是入爐煤摻配和鍋爐燃燒的中間環(huán)節(jié)， 因此， 保證制粉系統(tǒng)的優(yōu)良性能至關重要。 目前， 國內(nèi)燃煤電廠一直在發(fā)展摻煤燃燒， 造成實際煤質(zhì)與設計煤質(zhì)偏差大， 入爐煤質(zhì)越來越差[1]。 現(xiàn)有制粉系統(tǒng)在燃用劣質(zhì)煤種后， 運行中出現(xiàn)了制粉出力不足、 能耗偏高、 煤粉細度偏粗、 煤粉均勻性指數(shù)低等問題， 進而產(chǎn)生諸多鍋爐燃燒問題， 如灰渣可燃物超標、 煤粉著火推遲、 火焰中心升高、 排煙溫度升高和減溫水量增大等， 這些問題對制粉系統(tǒng)性能提出了更高的要求。

近年來， 國內(nèi)外學者對制粉系統(tǒng)開展了廣泛的研究，主要從磨煤機、分離器、煤粉管道及風粉調(diào)平等方面優(yōu)化制粉系統(tǒng)的性能[2-5]。如黃鋼英等[6]將某電廠雙軸向粗粉分離器改為動態(tài)粗粉分離器，改善了鍋爐燃燒狀況，但應對電廠煤質(zhì)變化，對雙進雙出磨煤機制粉系統(tǒng)有針對性的性能優(yōu)化研究相對較少[7]。雖有學者從分離器擋板開度、鋼球加裝量等方面對制粉系統(tǒng)性能進行整體優(yōu)化，給出了磨煤機分離器開度的最優(yōu)值，為電廠運行提供指導，但是未能從根本上解決問題[8]。

本文中針對某電廠制粉系統(tǒng)因煤質(zhì)變化引起的實際問題展開研究，提出一種新型粗粉分離技術并對其出口的煤粉管道系統(tǒng)進行優(yōu)化，從根本上提高制粉系統(tǒng)性能指標，為燃燒不同煤種提供技術保障。

某電廠機組鍋爐采用2臺600 MW超臨界參數(shù)變壓直流本生鍋爐，每臺爐配有24個旋流煤粉燃燒器和6臺雙進雙出磨煤機，設計燃用貧煤，采用雙調(diào)節(jié)軸向型分離器。近年來，該電廠燃用煤種偏離設計值程度較大，發(fā)熱量低，造成制粉系統(tǒng)出力低、廠用電率高，機組必須在6臺磨煤機全部運行的情況下才能達到滿負荷。因為沒有備用制粉系統(tǒng)，無論哪套制粉系統(tǒng)設備故障，都會影響機組帶負荷能力，因此，亟需對該電廠的制粉系統(tǒng)進行深入研究和分析，找出存在的問題并對制粉系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，提高制粉系統(tǒng)出力，降低制粉單耗，為鍋爐配送高品質(zhì)合格的煤粉，從而提升鍋爐燃燒效率，提高電廠經(jīng)濟效益[9]。

1 制粉系統(tǒng)存在問題及分析

針對該電廠制粉系統(tǒng)，分別選擇鍋爐上、中、下進入爐膛的A、B、E制粉系統(tǒng)進行性能測試[10]。測試分析發(fā)現(xiàn)，3套制粉系統(tǒng)改造前均存在以下問題。

1.1 粗粉分離器出口煤粉管道的問題

該電廠制粉系統(tǒng)的磨煤機的出力、 最佳風煤比均按無煙煤煤種設計， 且煤粉管直徑都已定型。 經(jīng)測試試驗發(fā)現(xiàn)， 改燒煙煤后， 煤粉管道流速達到33 m/s(遠大于設計值28 m/s)， 此時風壓已達到極限值9 500 Pa， 制粉系統(tǒng)出力仍然不足。 分析原因發(fā)現(xiàn)， 原煤粉管道的直徑小， 通風阻力大， 限制了制粉系統(tǒng)出力， 因此要提高出力， 必須降低整個管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力。

同時，經(jīng)過對現(xiàn)場煤粉管道實際考察發(fā)現(xiàn)，雙進雙出磨煤機兩端分離器出口管道偏差嚴重(如圖1所示)，驅(qū)動端分離器出口煤粉管道路徑長，且彎頭數(shù)目多，而非驅(qū)動端分離器出口煤粉管道路徑短，且彎頭數(shù)目少，使得同一臺磨兩端分離器出口煤粉管道阻力相差比較大?，F(xiàn)場通過調(diào)節(jié)縮孔這種常規(guī)的方法進行阻力調(diào)平，但這種對壓降較低的管道進行節(jié)流的調(diào)平方法，會造成煤粉管網(wǎng)系統(tǒng)壓降進一步升高，通風能力降低，磨煤機出力下降。

圖1 改造前磨煤機兩端分離器出口煤粉管道Fig.1 Pulverized coal pipe at outlet of separator at both ends of ball mill before reformation

1.2 粗粉分離器的問題

粗粉分離器是制粉系統(tǒng)中的關鍵設備，其運行狀況對制粉系統(tǒng)影響很大，在現(xiàn)場系統(tǒng)運行中發(fā)現(xiàn)回粉量大、煤粉粗，為此需要對粗粉分離器進行重點測試試驗。

1)通過試驗研究發(fā)現(xiàn)， 改造前， 制粉系統(tǒng)最大出力均值為44.3 t/h， 分離器效率均值為 47.28%， 制粉單耗均值為22.07 kW·h/t， 分離器及出口管道壓降分別為2 170、 3 140、 2 505 Pa(包含分離器出口彎頭和調(diào)節(jié)縮孔、 部分管道)。 試驗數(shù)據(jù)表明， 改造前， 粗粉分離器存在阻力大、 效率低、 性能差等問題。

2)分離器擋板特性試驗。 將上擋板調(diào)節(jié)至35 °， 下?lián)醢逭{(diào)節(jié)至65 °， A、B、E制粉系統(tǒng)在高出力狀態(tài)下運行， 煤粉均勻性差且煤粉偏粗： 煤粉均勻性指數(shù)均值為0.97； A制粉系統(tǒng)出力在51.3 t/h時， 煤粉細度R90為19.8%， B制粉系統(tǒng)出力在40.7 t/h時， 煤粉細度R90為18.38%， E制粉系統(tǒng)出力在40.8 t/h時， 煤粉細度R90為17.05%。此時上、 下?lián)醢逡呀?jīng)到達調(diào)節(jié)極限，如若繼續(xù)調(diào)節(jié)上、 下?lián)醢澹瑴p小開度，分離器阻力將增加，出力急劇下降，因此分離器存在上、下?lián)醢宓恼{(diào)節(jié)特性差的問題，難以滿足電廠摻配摻燒和變煤種對合格煤粉細度的需求[11]。

3)分離器磨損問題。 粗粉分離器現(xiàn)場使用情況表明， 雙擋板分離器下?lián)醢迥p嚴重， 尤其在靠近內(nèi)錐體下?lián)醢迳喜恐苓厖^(qū)域， 見圖2。 個別分離器的內(nèi)錐體磨穿造成煤粉直接進入內(nèi)錐中， 見圖3。 長期在內(nèi)錐內(nèi)部爆燃使內(nèi)錐體頂部鼓包， 見圖4。 在拆卸下來的分離器內(nèi)錐體內(nèi)也沉積大量可能自燃的煤粉， 見圖5。 由此可知， 上述問題使粗粉分離器在運行過程中存在重大安全隱患， 迫切需要進行優(yōu)化改造。

圖2 內(nèi)錐體下部磨損Fig.2 Wear of lower part of inner cone圖3 內(nèi)錐體局部磨穿Fig.3 Local wear through of inner cone

圖4 內(nèi)錐體頂部爆燃鼓包Fig.4 Deflagration drum at top of inner cone圖5 內(nèi)錐體內(nèi)積粉Fig.5 Powder accumulation in inner cone

由上述分析可知：改造前，制粉系統(tǒng)存在阻力大，出力不足，制粉單耗高，分離器性能較低且存在安全隱患，煤粉細度整體偏粗、均勻性差等問題。

2 系統(tǒng)優(yōu)化

通過現(xiàn)場測試試驗，結(jié)合鍋爐機組在運行中的數(shù)據(jù)分析，該電廠在燃用劣質(zhì)煤種后，粗粉分離器性能不高和出口煤粉管道阻力大是導致制粉系統(tǒng)性能不佳、出力不足的主要原因。針對該電廠制粉系統(tǒng)存在的上述問題，采用氣固分離技術，即基于先進的旋渦理論和計算流體動力學(CFD)相結(jié)合的方法，對影響分離器性能的關鍵技術進行了深入研究，研發(fā)新型高效旋慣耦合式粗粉分離器[12]，并將其應用于制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造中，從根本上解決粗粉分離器對劣質(zhì)煤粉的不適應性，同時對制粉系統(tǒng)中分離器出口煤粉管道進行降阻優(yōu)化設計，配合粗粉分離器減小系統(tǒng)阻力，提高制粉系統(tǒng)的出力。

2.1 煤粉管網(wǎng)設計優(yōu)化

針對該電廠制粉系統(tǒng)管網(wǎng)，降低阻力有2種方法：一種是將整個煤粉管道更換為大直徑管道；另一種是對磨煤機兩端分離器出口煤粉管網(wǎng)進行調(diào)平，降低通風阻力大的一端煤粉管道阻力，從而使整個管網(wǎng)系統(tǒng)阻力降低，提高通風出力。如采用第1種方式，將整個煤粉管道更換為大直徑管道，工作量大，投資費用高，因此，本次改造采用對雙進雙出磨煤機驅(qū)動端和非驅(qū)動端分離器出口管道進行調(diào)平優(yōu)化的方案，對磨煤機阻力大的一端分離器出口管道及關鍵部位進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化降阻：增大分離器出口關鍵部位的煤粉管道直徑；對扭曲管路進行重新設計，改變管道路線，減少彎頭數(shù)量；把現(xiàn)有彎頭更換為大曲率半徑彎頭。

2.2 粗粉分離器優(yōu)化設計

考慮到原雙擋板軸向粗粉分離器存在撞擊分離效果差、 阻力大、 內(nèi)錐磨損嚴重、 分離器頂蓋處煤粉顆粒聚集以及2層擋板調(diào)節(jié)受限等缺點， 采用新型旋慣耦合式粗粉分離器設計， 合理利用分離器進口空間， 設計先進的旋慣耦合分離裝置， 優(yōu)化改進分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 均流內(nèi)部流場， 減小流體阻力， 結(jié)構(gòu)設計上消除內(nèi)錐磨損和積粉問題， 并增設除軟性物質(zhì)裝置等新技術。 新型粗粉分離器設計原理和技術如下。

1)在分離器進口設計一套可調(diào)節(jié)的一級高效分離葉片裝置[12]，采用百葉窗調(diào)節(jié)裝置，配合旋流葉片實現(xiàn)一級粗顆粒分離，較粗顆粒直接從百葉窗旋出，旋流葉片可調(diào)節(jié)角度形成一級分離。此處設計有效地利用入口管內(nèi)的空間，且離心分離葉片可調(diào)節(jié)；形成的離心作用使流場偏離內(nèi)錐且不再撞擊內(nèi)錐，減小了阻力，消除了內(nèi)錐下部的磨損；入口管下部增加均流葉片消除煤粉濃度偏差，同時也起到防止軟性物質(zhì)堵塞問題[13]。

2)取消下?lián)醢?，在分離器外錐體內(nèi)壁處設計一層小擋板，徹底消除了下?lián)醢迥p問題，也減小了原粗粉分離器在下?lián)醢逄幍淖枇14]。增加的小擋板能夠有效地阻擋因離心作用在外錐體內(nèi)壁處運動的不合格的煤粉顆粒，阻擋下來的粗顆粒直接進入回粉管內(nèi)，小擋板與入口管離心旋流葉片巧妙配合，有效地保證分離器底部形成一級分離效率。

3)原粗粉分離器中氣流因撞擊作用分離，能耗大，粗顆粒中夾帶的細顆粒也被撞擊分離至回粉管，分離效率低，回粉量大。改進后的一級分離入口形成的離心分離使流場偏離內(nèi)錐體且不再直接撞擊內(nèi)錐，撞擊部分產(chǎn)生的增壓消失，將內(nèi)錐體下部由倒階梯型撞擊帽改為錐形導流帽，起到較好的導流作用，在保證旋渦穩(wěn)定性同時，進一步增大分離器上部分離流場的均勻性[15]。

4)改變外錐體上部結(jié)構(gòu)，形成一定傾斜角，一方面起到導流作用，使流體更好地過渡到出口管，配合分離器出口管設計為下粗上細的圓臺狀，大幅度地減小了出口處的壓降，同時消除了內(nèi)錐體頂端易出現(xiàn)煤粉顆粒聚集的安全隱患。

5)粗粉分離器底部入口管處加格柵，一方面阻擋雜物進入分離系統(tǒng)，另一方面可以有效地均分氣流，使進入分離器的氣流更加均勻，有利于提升分離效果，同時在一定程度上緩解了出口濃度偏差問題。

6)在上擋板增加調(diào)節(jié)連桿， 該連桿可通過電機和減速機統(tǒng)一調(diào)節(jié)上擋板角度， 并可接入DCS系統(tǒng)， 根據(jù)機組的負荷和煤質(zhì)實現(xiàn)煤粉細度的遠程調(diào)節(jié)。

3 優(yōu)化改造效果及分析

該電廠雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)，經(jīng)過改前、改后大量試驗工況的研究，獲得了準確可靠的試驗數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)改造效果見表1。

1)制粉系統(tǒng)改造前，A、 B、 E制粉系統(tǒng)最大出力均值為44.3 t/h，制粉單耗均值為22.07 kW·h/t。改造后平均最大出力為53.34 t/h，提高了20%，改造后制粉單耗分別為16.81 、18.67、16.54 kW·h/t，平均制粉單耗為17.34 kW·h/t， 制粉單耗平均減小了4.73 kW·h/t， 節(jié)能效果明顯， 有效降低了廠用電率。

2)制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造后最大出力時分離器效率為53.56%， 與改造前制粉系統(tǒng)對比， 分離器相對平均效率提高約13.3%(改造前， 分離器效率為47.28%)。 由同工況對比可知，改造后分離器效率提升顯著。

3)改造后煤粉均勻性指數(shù)提高了0.07，煤粉品質(zhì)更優(yōu)。

4)制粉系統(tǒng)改造前， A、 B、 E制粉系統(tǒng)出力在51.3、 40.7、 40.8 t/h時，分離器上、 下?lián)醢彘_度在35 °、65 °時，煤粉細度R90分別為19.8%、 18.38%、 17.05%。 制粉系統(tǒng)改造后， A制粉系統(tǒng)出力在53.12 t/h時， 分離器擋板開度在50 °、 40 °時，煤粉細度R90分別為16.70%、 11.46%； B制粉系統(tǒng)出力在50.74、 39.22、 30.58 t/h時，分離器擋板開度在50 °時，煤粉細度R90分別為17.24%、 16.13%、 11.97%； E制粉系統(tǒng)出力在55.87、 41.81、 30.22 t/h時，分離器擋板開度在50 °時，煤粉細度R90分別為14.50%、 10.03%、 9.47%。上述試驗數(shù)據(jù)表明，改造后，分離器擋板調(diào)節(jié)特性較好，分離器上擋板為50 °時，尚能提供合格的煤粉，關小開度，得到的煤粉細度更優(yōu)(相比改造前，分離器擋板為35 °時得到的煤粉細度較差，且擋板已無調(diào)節(jié)空間)。優(yōu)化改造后的制粉系統(tǒng)可為燃燒不同煤種提供合格的煤粉細度，且煤粉細度可以靈活調(diào)整，為提高劣質(zhì)煤的燃盡度和鍋爐燃燒效率均提供了有效技術支持。

表1 改造前后試驗結(jié)果對比

5)A、B、E制粉系統(tǒng)改造后，最大出力下分離器系統(tǒng)(包含縮孔和部分彎頭、管道)壓降分別減小300、 1 455、 1 335 Pa，與改造前相比，制粉系統(tǒng)壓降顯著減小。

由以上分析可知，制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造后，粗粉分離器效率明顯提升，制粉系統(tǒng)出力大幅度提高，制粉單耗降低，節(jié)能效果顯著；分離器擋板調(diào)節(jié)性能好，使得制粉系統(tǒng)燃用多煤種時能夠得到細度理想的煤粉；優(yōu)化后的煤粉管網(wǎng)，配合高效的粗粉分離器，使得制粉系統(tǒng)阻力進一步減小，出力進一步提高。同時，改造后現(xiàn)場運行2年，經(jīng)多次檢查分離器內(nèi)部未出現(xiàn)磨損和積粉，安全隱患徹底消除，因此該直吹式制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造，從根本上解決了制粉系統(tǒng)因煤質(zhì)變化出現(xiàn)的各種問題，為鍋爐安全高效燃燒提供了有效保障，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

通過對該電廠制粉系統(tǒng)深入分析和研究，找出了制粉系統(tǒng)存在的技術瓶頸問題，基于先進的旋渦理論，采用氣固分離技術研發(fā)出高效旋慣耦合粗粉分離器和煤粉管道的優(yōu)化技術并在該電廠示范應用，結(jié)論如下。

1)煤粉管網(wǎng)優(yōu)化，針對雙進雙出磨煤機兩端分離器出口煤粉管阻力偏差大的問題，通過對磨煤機阻力較大一端分離器出口管道進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效減小系統(tǒng)阻力，增加了通風能力，提升了制粉出力。

2)新型旋慣耦合粗粉分離器的設計，合理引入了旋慣耦合分離裝置，優(yōu)化了分離器內(nèi)部流場，改進了內(nèi)錐結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了分離器出口等。改造后，系統(tǒng)阻力明顯減小，磨煤機最大出力、分離器效率、煤粉均勻性指數(shù)顯著提高，且分離器擋板調(diào)節(jié)特性較好，可為燃燒不同煤種提供合格的煤粉細度。

3)后續(xù)將對制粉系統(tǒng)整體進行優(yōu)化創(chuàng)新，解決當前燃煤電廠煤質(zhì)多變以及煤粉嚴重偏離設計值造成的制粉系統(tǒng)出力不足、 能耗高、 煤粉品質(zhì)差等問題。同時，對中速磨直吹式制粉系統(tǒng)開展相關研究。