中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究及應(yīng)用

陳剛，劉進(jìn)峰，李大正，程華

（1.上海意豐科技開發(fā)有限公司，上海市 閔行區(qū) 200111；2.大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇省 南通市 226200）

0 引言

制粉系統(tǒng)是燃煤火電機(jī)組必不可少的組成部分，根據(jù)磨煤機(jī)的形式不同，分為低速、中速和高速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)。中速磨煤機(jī)及相連的煤粉管道組成中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)。HP磨煤機(jī)和MPS(ZGM)磨煤機(jī)是目前應(yīng)用最廣的2種中速磨煤機(jī)，HP中速磨煤機(jī)是ABB-CE公司的產(chǎn)品，1989年上海重型機(jī)器廠引進(jìn)了全套HP系列碗式中速磨煤機(jī)設(shè)計和制造技術(shù)。MPS磨煤機(jī)是德國DBW公司的產(chǎn)品，從1985年開始，陸續(xù)被北京電力設(shè)備總廠、沈陽重型機(jī)器廠、長春發(fā)電設(shè)備總廠引進(jìn)，北京電力設(shè)備總廠將其定型為ZGM磨煤機(jī)。到目前為止，中磨煤機(jī)是正壓直吹燃煤機(jī)組應(yīng)用最多的磨煤機(jī)，其數(shù)量遠(yuǎn)大于低速磨煤機(jī)和高速磨煤機(jī)。

近20年來燃煤火電技術(shù)在中國蓬勃發(fā)展，尤其是三大主機(jī)(鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī))技術(shù)取得了革命性的進(jìn)步，現(xiàn)在的鍋爐對制粉系統(tǒng)的要求越來越高。另一方面，電煤的質(zhì)量逐年下降，經(jīng)常嚴(yán)重偏離設(shè)計煤質(zhì)。所以，對制粉系統(tǒng)進(jìn)行全面升級改造，提高制粉系統(tǒng)對煤質(zhì)的適應(yīng)性及風(fēng)粉均化水平十分必要。本文通過對中速磨煤機(jī)磨內(nèi)流場以及中速磨制粉系統(tǒng)風(fēng)粉不均衡原因的分析和研究，提出磨內(nèi)流場優(yōu)化和煤粉管道動態(tài)調(diào)平的優(yōu)化措施，以期達(dá)到提高中速磨煤機(jī)制粉性能及煤粉管道內(nèi)風(fēng)粉均勻性的目的。

1 中速磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

帶動態(tài)分離器的HP磨煤機(jī)是在原來靜態(tài)分離器的HP磨煤機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，性能有所提升，對煤粉細(xì)度的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，調(diào)節(jié)更方便。磨輥為錐形輪廓，采用彈簧加載方式[1-5]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HP磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 HP coal mill structure

原煤從落煤管進(jìn)入磨內(nèi)，落到磨碗上，隨磨碗轉(zhuǎn)動，逐漸擴(kuò)散到磨輥區(qū)域，被磨輥碾磨后，從磨碗邊緣溢出。同時，一次風(fēng)進(jìn)入側(cè)機(jī)體后，經(jīng)過葉輪裝置進(jìn)入到磨煤機(jī)內(nèi)部，與磨碗上溢出的原煤相遇。這個過程中，大顆粒原煤被拋回磨碗重新碾磨，小顆粒的煤粉被一次風(fēng)攜帶沿分離器內(nèi)壁向上運(yùn)動，穿過動態(tài)分離器，最終一次風(fēng)攜帶合格的煤粉從排出閥排出，被動態(tài)分離器分離出來的不合格煤粉返回到磨碗重新碾磨。比重大的石子煤穿過葉輪裝置從石子煤排出口排出。

圖2是帶動靜結(jié)合分離器的MPS(ZGM)磨煤機(jī)，該磨煤機(jī)與HP磨煤機(jī)的主要區(qū)別是：分離器為動靜結(jié)合分離器，保留了靜態(tài)葉片和內(nèi)錐體，磨輥為輪胎形式，磨輥加載采用液壓加載方式。原煤在磨內(nèi)被碾磨、烘干、輸送和分離的過程與HP磨煤機(jī)基本相同。

圖2 MPS(ZGM)磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 2 MPS(ZGM) coal mill structure

中速磨煤機(jī)出力可以細(xì)分為碾磨出力、分離出力和輸送出力，磨煤機(jī)最終出力取決于三者中的最小值。碾磨出力主要由磨輥和磨碗(磨盤)結(jié)構(gòu)決定，分離出力主要由分離器決定，輸送出力則由包含動、靜風(fēng)環(huán)到分離器之間的磨內(nèi)結(jié)構(gòu)決定。碾磨出力、分離出力和輸送出力3個出力之間相互促進(jìn)[6-9]。

2 中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)存在的問題

2.1 出力不足

由于煤質(zhì)變差等原因，磨煤機(jī)出力相比設(shè)計出力低10%以上是普遍現(xiàn)象，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時，所有磨煤機(jī)必須全部運(yùn)行，沒有備用磨，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。

當(dāng)磨煤機(jī)在接近極限出力狀態(tài)下運(yùn)行時，煤粉質(zhì)量得不到保證，即犧牲了煤粉的細(xì)度和均勻性，影響鍋爐燃燒效率。

2.2 石子煤量大

石子煤量大是磨煤機(jī)的通病，由于煤質(zhì)原因，石子煤量很大，而且排出的石子煤中含煤量也大。

2.3 磨輥磨損不均勻

無論是HP磨煤機(jī)還是MPS(ZGM)磨煤機(jī)都存在磨輥磨損不均勻現(xiàn)象[10]，如圖3所示，這意味著只有磨損的部位參與碾磨，而沒有磨損的部位則沒有參與碾磨，磨輥的碾磨能力沒有完全發(fā)揮出來，直接降低了磨煤機(jī)的碾磨出力。

圖3 磨輥磨損對比Fig. 3 Contrast of grinding roll abrasion

2.4 風(fēng)粉嚴(yán)重不均衡

檢測數(shù)據(jù)表明，即使是同一臺磨煤機(jī)的不同煤粉管道內(nèi)，煤粉也處于一種極不均勻狀態(tài)，煤粉濃度的偏差最大能達(dá)到±40%以上[11]，如此大的偏差，嚴(yán)重影響鍋爐的各項(xiàng)燃燒指標(biāo)。某電廠HP1003磨煤機(jī)煤粉管道內(nèi)取樣結(jié)果如表1所示。

表1 煤粉偏差統(tǒng)計表Tab. 1 Statistical table of Pulverized coal

3 中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)問題分析

3.1 2種磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)比較

對于以上這些問題，有煤質(zhì)差的原因，也有制粉系統(tǒng)自身的原因，本文只分析制粉系統(tǒng)自身的原因。出力不足、石子煤量大以及磨輥磨損與磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，風(fēng)粉不均衡則與磨煤機(jī)和煤粉管道都相關(guān)。2種中速磨煤機(jī)組成的制粉系統(tǒng)，煤粉管部分結(jié)構(gòu)是相同的，主要區(qū)別在磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)上，如表2所示。

表2 HP磨煤機(jī)與MPS(ZGM)磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)比較Tab. 2 Structural contrast between HP and MPS(ZGM) coal mills

一次風(fēng)進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)部，攜帶煤粉在磨內(nèi)運(yùn)動，即形成磨內(nèi)流場。采用流場優(yōu)化的設(shè)計理念，運(yùn)用流體仿真技術(shù)，將磨內(nèi)分為上、中、下3個局部流場，分別對HP磨煤機(jī)和MPS(ZGM)磨煤機(jī)進(jìn)行全面流場分析，發(fā)現(xiàn)上、中、下流場都存在較大問題。

3.2 HP磨煤機(jī)流場分析

3.2.1 上部流場分析

上部流場是指分離器區(qū)域，HP磨煤機(jī)動態(tài)分離器[1,5]的旋轉(zhuǎn)葉籠如圖4所示，上面是敞開的，底面封閉，葉片沿圓周均勻布置，呈上大下小的錐形筒狀。在順時針旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的流場趨勢是從上面吸風(fēng)，從葉片之間向外排風(fēng)。該處的實(shí)際情況是一次風(fēng)攜帶煤粉從外側(cè)穿過葉片進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉籠內(nèi)部(見圖5)，即旋轉(zhuǎn)葉籠產(chǎn)生了與磨內(nèi)流場相反的阻力。實(shí)際應(yīng)用中，動態(tài)分離器的HP磨煤機(jī)阻力比靜態(tài)分離器的高出300～500 Pa。

圖4 HP旋轉(zhuǎn)葉籠Fig. 4 HP rotating cage

從圖5可以看出，以旋轉(zhuǎn)葉籠為界，其外側(cè)為上游，其內(nèi)部為下游，葉籠旋轉(zhuǎn)只能對下游產(chǎn)生影響，而不會對葉籠外側(cè)的區(qū)域產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)效果。流體仿真也證實(shí)旋轉(zhuǎn)葉籠外部區(qū)域幾乎不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場[12]，見圖6、7。

圖5 HP磨煤機(jī)流場示意圖Fig. 5 Flow field diagram of HP coal mill

圖6 HP 磨煤機(jī)流體仿真圖Fig. 6 HP coal mill fluid simulation

煤粉粗細(xì)分離有4種方式，分別是重力分離、碰撞分離、阻力分離和離心分離，其中離心分離是最佳的方式。當(dāng)風(fēng)粉混合物到達(dá)上部流場時，由于旋轉(zhuǎn)葉籠外側(cè)不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場，所以沒有離心分離作用。風(fēng)粉混合物穿過旋轉(zhuǎn)葉籠時，需要克服旋轉(zhuǎn)葉籠產(chǎn)生的阻力，大顆粒煤粉被阻擋產(chǎn)生阻力分離，同時，旋轉(zhuǎn)的葉片與煤粉顆粒碰撞時也產(chǎn)生碰撞分離，也就是說，HP磨煤機(jī)的動態(tài)分離器是以碰撞分離和阻力分離為主，幾乎沒有離心分離效果。顯而易見，HP磨煤機(jī)的上部流場有很大的優(yōu)化空間，以提高分離效果。

圖7 HP磨煤機(jī)上部流場俯視圖Fig. 7 Top view of HP coal mill upper flow field

3.2.2 中部流場分析

旋轉(zhuǎn)葉籠與磨碗之間的區(qū)域?yàn)橹胁苛鲌觯谀ネ氲恼戏酱嬖诙栊詤^(qū)域，見圖6中三角形所示區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)氣流很弱[13-14]。由于磨碗和磨輥的轉(zhuǎn)動，使得該區(qū)域內(nèi)懸浮著數(shù)量可觀的合格煤粉，這部分煤粉不能被及時帶走，回落到磨碗里被重復(fù)研磨，造成磨煤機(jī)出力下降、電耗升高、鋼耗升高。

3.2.3 下部流場分析

下部流場是指動風(fēng)環(huán)、靜風(fēng)環(huán)和磨輥頭襯板區(qū)域，見圖8、9。在磨輥處，一次風(fēng)經(jīng)過動風(fēng)環(huán)進(jìn)入磨內(nèi)時，受到磨輥頭襯板的阻擋后，產(chǎn)生向下彎折，將磨輥大端處的原煤吹散，導(dǎo)致磨輥大端無煤可磨，所以磨輥大端磨損很少[15]。這意味著磨輥的研磨面積減少20%左右，使磨煤機(jī)的研磨效率大為下降。當(dāng)這種不均勻磨損過大時，還會影響磨輥與磨碗之間的正常間隙，致使磨煤機(jī)無法在最佳的煤層厚度下進(jìn)行研磨，磨煤機(jī)的研磨效率進(jìn)一步下降。

圖8 磨輥處下部流場Fig. 8 Lower flow field of grinding roller

HP型磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)見圖9，一次風(fēng)從動風(fēng)環(huán)的節(jié)流口進(jìn)入磨內(nèi)時，熱風(fēng)的流向是豎直向上的，此時從磨碗周邊溢出的煤粉也被豎直向上吹起，遇到導(dǎo)向襯板后，一部分煤粉被熱風(fēng)帶走，一部分煤粉被導(dǎo)向后吹回到磨碗里。這種結(jié)構(gòu)容易使大顆粒的原煤被襯板反彈后穿過節(jié)流口，而大顆粒原煤一旦穿過節(jié)流口，就無法再返回到磨內(nèi)，這是HP型磨煤機(jī)石子煤量大的原因。

圖9 非磨輥處下部流場Fig. 9 Lower flow field of non grinding roller

3.3 MPS(ZGM)磨煤機(jī)流場分析

3.3.1 MPS(ZGM)磨煤機(jī)磨內(nèi)流場

MPS(ZGM)磨煤機(jī)與HP磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)區(qū)別參見表2，加載方式和磨輥形式對磨內(nèi)流場造成的區(qū)別不大，分離器形式影響上部流場，動、靜風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)影響下部流場，MPS(ZGM)磨煤機(jī)磨內(nèi)流場見圖10。

圖10 MPS(ZGM)磨內(nèi)流場示意圖Fig. 10 Flow field diagram of MPS(ZGM) mill

3.3.2 上部流場分析

MPS(ZGM)動、靜結(jié)合分離器與HP動態(tài)分離器相比，多了靜葉片和內(nèi)錐體，旋轉(zhuǎn)葉籠安裝在靜葉片內(nèi)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉籠因故障停轉(zhuǎn)時，MPS(ZGM)動、靜結(jié)合分離器仍具有原來靜態(tài)分離器的功能。旋轉(zhuǎn)葉籠的結(jié)構(gòu)與HP旋轉(zhuǎn)葉籠類似，呈圓柱形筒狀，見圖11。MPS(ZGM)旋轉(zhuǎn)葉籠在順時針旋轉(zhuǎn)時，同HP旋轉(zhuǎn)葉籠一樣產(chǎn)生從上面吸風(fēng)、從葉片之間向外排風(fēng)的流場趨勢。

圖11 MPS(ZGM)旋轉(zhuǎn)葉籠Fig. 11 MPS(ZGM) rotating cage

根據(jù)對HP旋轉(zhuǎn)葉籠功能的分析可知，MPS(ZGM)旋轉(zhuǎn)葉籠也只能起到方便煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)的功能，不能提高分離出力。

由于MPS(ZGM)動、靜結(jié)合分離器同時包含靜葉片、內(nèi)錐體和旋轉(zhuǎn)葉籠，所以造成的分離器阻力更大，阻力增加普遍超過500 Pa。

3.3.3 中部流場分析

與HP磨煤機(jī)一樣，在磨盤上方存在惰性區(qū)域，見圖10。

3.3.4 下部流場分析

MPS(ZGM)磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖12所示，一次風(fēng)從動風(fēng)環(huán)進(jìn)入磨內(nèi)時，由于動風(fēng)環(huán)上的進(jìn)風(fēng)通道沒有向磨盤中心傾斜的趨勢，靜風(fēng)環(huán)也不具備HP靜風(fēng)環(huán)的導(dǎo)向功能，所以，當(dāng)煤粉從磨盤周邊溢出時，煤粉被向上吹起，在動風(fēng)環(huán)上方形成沸騰區(qū)。進(jìn)入沸騰區(qū)煤粉中的一部分細(xì)煤粉被一次風(fēng)帶走，一部分粗煤粉隨著沸騰區(qū)的運(yùn)動被吹回到磨盤，還有一部分顆粒較大的煤粉由于重力作用而滯留在沸騰區(qū)。

圖12 MPS(ZGM)下部流場Fig. 12 Lower flow field of MPS(ZGM)

MPS(ZGM)下部流場的缺點(diǎn)是一次分離效果不好，大顆粒原煤沒有被及時有效地拋回磨盤，造成原煤在磨盤上分布不均，在外緣處堆積過多，降低了磨煤機(jī)的碾磨效率。MPS(ZGM)磨輥外側(cè)磨損嚴(yán)重，也證明了原煤在磨盤上分布不均，導(dǎo)致磨輥碾磨面積大幅減小。

另外，沸騰區(qū)還造成下部流場阻力增加，以及靜風(fēng)環(huán)周邊的磨煤機(jī)殼體磨損加劇。

3.4 風(fēng)粉不均衡的原因

中速磨制粉系統(tǒng)風(fēng)粉不均衡，體現(xiàn)在煤粉管道內(nèi)煤粉細(xì)度、煤粉濃度和一次風(fēng)流量方面[8,14]，是由磨煤機(jī)內(nèi)風(fēng)粉沒有充分均化和煤粉管道內(nèi)阻力不平衡共同造成的。

3.4.1 一次風(fēng)入磨不均勻

中速磨煤機(jī)只有一個一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)口，動風(fēng)環(huán)對一次風(fēng)有一定的均化作用，但是大量的磨煤機(jī)內(nèi)部不均勻磨損現(xiàn)象，說明一次風(fēng)通過動風(fēng)環(huán)進(jìn)入磨內(nèi)時依舊是不均勻的。一次風(fēng)入磨不均勻?qū)е略谀ッ簷C(jī)煤粉出口處的煤粉細(xì)度和濃度不均勻。

3.4.2 原煤從磨碗(磨盤)上溢出不均勻

原煤被磨輥碾壓后，從磨碗(磨盤)邊緣溢出到風(fēng)環(huán)區(qū)，其中的細(xì)煤粉被一次風(fēng)攜帶進(jìn)入分離器，粗細(xì)粉分離后，一次風(fēng)繼續(xù)攜帶合格的細(xì)煤粉到達(dá)磨煤機(jī)煤粉出口處。如果原煤從磨碗邊緣均勻溢出，再假設(shè)風(fēng)環(huán)區(qū)的一次風(fēng)是均勻的，那么可以推斷到達(dá)磨煤機(jī)煤粉出口處的煤粉濃度、煤粉細(xì)度及煤粉均勻性的偏差很小。

如圖13所示，磨碗上有3個均勻分布的磨輥，當(dāng)原煤隨磨碗(磨盤)旋轉(zhuǎn)到達(dá)輥前區(qū)時，由于磨輥的阻擋，輥前區(qū)的煤粉厚度增加，同時由于磨輥的碾壓作用，輥后區(qū)的煤粉厚度降低，所以原煤是集中在3個輥前區(qū)溢出的，不是沿磨碗邊緣均勻溢出的。

圖13 原煤從磨盤溢出示意圖Fig. 13 Diagram of coal spilling from grinding plate

通過分析可以確定，在風(fēng)環(huán)區(qū)有3個區(qū)域煤粉濃度大，有3個區(qū)域煤粉濃度小，相互間隔分布。即使在煤粉被輸送到磨煤機(jī)煤粉出口的過程中，由于擴(kuò)散作用，煤粉濃度大的區(qū)域與濃度小的區(qū)域會相互融合，但是在磨煤機(jī)煤粉出口處依然會存在與下部情況對應(yīng)的煤粉濃度不均現(xiàn)象。

3.4.3 上部流場對煤粉的均化效果不好

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)葉籠在分離器區(qū)域不能產(chǎn)生較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流場，所以對煤粉的均化效果很差。此外，中速磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)區(qū)到煤粉出口的距離都很短，以HP1003磨煤機(jī)為例，風(fēng)環(huán)區(qū)到煤粉出口的距離不到4.3 m，一次風(fēng)在磨內(nèi)豎直方向的速度約為10 m/s，不到0.5 s的時間，煤粉就從風(fēng)環(huán)處被輸送到煤粉出口。如此短的時間內(nèi)，風(fēng)粉得不到充分混合。

3.4.4 煤粉管道內(nèi)阻力調(diào)節(jié)手段存在不足

由于每條煤粉管道的長度、走向以及彎頭數(shù)量的差別，導(dǎo)致風(fēng)粉混合物在煤粉管道流動時受到的阻力不一致，阻力大的管道內(nèi)一次風(fēng)流速低、流量小，阻力小的管道內(nèi)一次風(fēng)流速高、流量大。對管道內(nèi)阻力進(jìn)行調(diào)平是保障一次風(fēng)流量均衡的基本措施。

目前普遍的調(diào)平方法是冷態(tài)調(diào)平，即在磨煤機(jī)和鍋爐都未運(yùn)行狀態(tài)下，煤粉管道內(nèi)通入冷一次風(fēng)，通過煤粉管道上的縮孔調(diào)節(jié)閥對管道內(nèi)阻力進(jìn)行調(diào)平，保證一次風(fēng)的流量偏差在允許范圍內(nèi)。

冷態(tài)調(diào)平是一種“靜態(tài)”調(diào)平，彌補(bǔ)的是管道結(jié)構(gòu)造成的阻力不平衡，對減小一次風(fēng)流量偏差有明顯作用。但是熱態(tài)時，管道內(nèi)煤粉的狀態(tài)對阻力產(chǎn)生很大影響，造成新的管道阻力不平衡，這種不平衡隨磨煤機(jī)負(fù)荷、煤粉細(xì)度等參數(shù)的變化而變化，所以需要增加“動態(tài)”調(diào)平手段解決。

4 優(yōu)化措施

優(yōu)化措施包括磨煤機(jī)優(yōu)化和煤粉管道優(yōu)化2部分。磨煤機(jī)優(yōu)化主要解決出力不足、煤種適應(yīng)性差、石子煤量大以及磨內(nèi)磨損嚴(yán)重等問題，同時提高磨內(nèi)風(fēng)粉均化程度。煤粉管道優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對管道動態(tài)調(diào)平。

4.1 HP磨煤機(jī)優(yōu)化

根據(jù)對HP型磨煤機(jī)分析的結(jié)果，修改磨煤機(jī)的磨內(nèi)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行流場仿真，多次迭代優(yōu)化后，獲得最佳的磨內(nèi)流場。

4.1.1 上部流場優(yōu)化

采用新型旋轉(zhuǎn)葉籠，使風(fēng)粉從旋轉(zhuǎn)葉籠下部進(jìn)入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)加速后從圓周上的葉片縫隙排出，旋轉(zhuǎn)葉籠與中速磨殼體之間的區(qū)域處于很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，充分發(fā)揮離心分離的優(yōu)勢，提高分離效率，參見圖14、15[16-17]。

圖14 優(yōu)化后HP磨內(nèi)流場Fig. 14 Flow field after optimization of HP mill

圖15 優(yōu)化后HP磨煤機(jī)上部流場俯視圖Fig. 15 Top view of optimizated HP coal mill upper flow field

4.1.2 中部流場優(yōu)化

利用中央進(jìn)風(fēng)裝置將一部分一次風(fēng)引入落煤管內(nèi)，這部分一次風(fēng)隨同原煤吹向磨碗，將磨碗上方的惰性區(qū)域激活。

4.1.3 下部流場優(yōu)化

首先優(yōu)化磨輥頭襯板結(jié)構(gòu)，減少向下彎折的一次風(fēng)。同時增加擋風(fēng)環(huán)，進(jìn)一步阻擋一次風(fēng)吹向磨碗。2項(xiàng)措施盡量避免磨輥大端處原煤被吹散，使整個磨輥的輥面都參與碾磨，提高磨輥使用壽命的同時還提高了磨煤機(jī)的碾磨能力，參見圖16。

圖16 磨輥處下部流場優(yōu)化Fig. 16 Optimization of grinding roller lower flow field

動風(fēng)環(huán)采用四周閉合的等截面進(jìn)風(fēng)通道結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對一次風(fēng)的組織能力，風(fēng)道向磨碗中心傾斜一定角度，有利于將粗顆粒原煤拋回磨盤。改進(jìn)后的動風(fēng)環(huán)既提高了一次風(fēng)的輸送能力，又提高了向磨碗中心返粉的能力，有利于降低石子煤量。

4.1.4 對磨內(nèi)風(fēng)粉均化的作用

以上優(yōu)化措施有以下3方面的作用：

1）有利于一次風(fēng)均勻入磨。動風(fēng)環(huán)對一次風(fēng)均勻入磨有均化作用，所以希望減小動、靜風(fēng)環(huán)之間的間隙，使一次風(fēng)盡量多地經(jīng)過動風(fēng)環(huán)入磨，優(yōu)化前動、靜風(fēng)環(huán)之間的間隙是通過安裝在動風(fēng)環(huán)上的可調(diào)罩進(jìn)行調(diào)節(jié)的，參見圖9。動風(fēng)環(huán)上的節(jié)流口寬度通常在50 mm左右，現(xiàn)在原煤中經(jīng)常含有尺寸超過50 mm的異物，例如石子和鐵塊等，這些異物不能順利通過節(jié)流口排出，從而造成可調(diào)罩被打爛，降低了動風(fēng)環(huán)的均化作用。優(yōu)化后見圖17，優(yōu)化前動、靜風(fēng)環(huán)之間的間隙改為水平環(huán)形間隙，增強(qiáng)了抗異物破壞能力，同時，動風(fēng)環(huán)上每個進(jìn)風(fēng)通道的尺寸更為合理，使大塊異物能夠及時排出，保護(hù)風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)不被破壞。中央進(jìn)風(fēng)裝置的進(jìn)風(fēng)量占總風(fēng)量的10%～20%，這部分一次風(fēng)被直接引入到磨煤機(jī)中心，再均勻向周邊擴(kuò)散，所以對一次風(fēng)均勻入磨很有利。

圖17 非磨輥處下部流場優(yōu)化Fig. 17 Optimization of non grinding roller lower flow field

2）有利于均勻輸送煤粉。優(yōu)化前，所有被輸送到分離器的煤粉都是一次風(fēng)從磨碗邊緣攜帶而來的，煤粉濃度偏差較大，見圖13。優(yōu)化后，中央進(jìn)風(fēng)在激活惰性區(qū)域的同時，也將磨碗上方的優(yōu)質(zhì)煤粉向周邊均勻擴(kuò)散，有利于輸送過程中的煤粉均化。

3）對風(fēng)粉進(jìn)行強(qiáng)制混合均化。采用新型旋轉(zhuǎn)葉籠后，徹底改變了上部流場的狀態(tài)，在旋轉(zhuǎn)葉籠與中速磨殼體之間形成很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，風(fēng)粉混合物經(jīng)過該區(qū)域時，得到充分的混合均化。

4.2 MPS(ZGM)磨煤機(jī)優(yōu)化

上部流場與HP磨煤機(jī)優(yōu)化方式相同，將原來的旋轉(zhuǎn)葉籠替換為新型旋轉(zhuǎn)葉籠，在保留原來靜態(tài)分離器功能的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮離心分離的優(yōu)勢，提高分離效率。中部流場也與HP磨煤機(jī)優(yōu)化方式相同[18-19]。

下部流場優(yōu)化見圖18，動風(fēng)環(huán)采用四周閉合的等截面進(jìn)風(fēng)通道，進(jìn)風(fēng)通道向磨盤中心傾斜一定角度，有利于將粗顆粒原煤拋回磨盤，提高一次分離能力。動風(fēng)環(huán)與靜風(fēng)環(huán)之間的動靜結(jié)合間隙，由原來的豎直圓柱面間隙改為水平端面間隙，可以有效減少由于間隙被磨損而變大造成的一次風(fēng)泄漏。靜風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)也更有利于減小沸騰區(qū)，提高一次分離能力。

圖18 MPS(ZGM)磨煤機(jī)下部流場優(yōu)化Fig. 18 Optimization of MPS(ZGM) coal mill lower flow field

4.3 煤粉管道動態(tài)調(diào)平

熱態(tài)時，煤粉管道內(nèi)的介質(zhì)為風(fēng)粉混合物(一種氣、固二相流)，煤粉顆粒在彎頭、縮孔調(diào)節(jié)閥等部位都會形成局部的阻滯區(qū)。風(fēng)粉混合物的流速、煤粉濃度、煤粉細(xì)度、煤粉的均勻性都對阻滯區(qū)的大小和阻力產(chǎn)生影響，所以即使冷態(tài)時進(jìn)行了調(diào)平，熱態(tài)時煤粉管道內(nèi)的阻力又不平了，即使在熱態(tài)時的某一狀態(tài)下調(diào)平了，當(dāng)風(fēng)粉混合物的流速、煤粉濃度、煤粉細(xì)度、煤粉的均勻性變化了，管道內(nèi)的阻力又不平了。動態(tài)調(diào)平方法實(shí)時測量煤道內(nèi)的風(fēng)粉混合物狀態(tài)，管道上的阻力調(diào)節(jié)元件根據(jù)測量的結(jié)果，對管道進(jìn)行阻力調(diào)節(jié)，使管道內(nèi)的阻力保持平衡。

由于風(fēng)粉混合物一旦進(jìn)入管道后，風(fēng)粉的濃度和煤粉細(xì)度就無法改變了，所以管道動態(tài)調(diào)平是在充分實(shí)現(xiàn)磨內(nèi)風(fēng)粉均化的前提下進(jìn)行的，即在進(jìn)入管道時，風(fēng)粉混合物的濃度和煤粉細(xì)度已經(jīng)均衡了，此時管道內(nèi)只需要對風(fēng)粉混合物的流量進(jìn)行調(diào)平即可[20]。

煤粉管道調(diào)平系統(tǒng)由壓力檢測模塊、阻力調(diào)節(jié)元件和控制模塊組成，三者組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖19[21]所示。壓力檢測模塊安裝在煤粉管道豎直段的相同位置，測量每2根管道內(nèi)一次風(fēng)的靜壓差，依據(jù)伯努利原理，靜壓差與管道內(nèi)一次風(fēng)流速差嚴(yán)格對應(yīng)，所以，壓差測量法能更為精準(zhǔn)可靠地測量煤粉管道內(nèi)一次風(fēng)流速差?？刂颇K對測量的數(shù)值進(jìn)行分析比對后，通過阻力調(diào)節(jié)元件進(jìn)行管道內(nèi)阻力調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)一次風(fēng)速，即一次風(fēng)流量均衡控制。

圖19 風(fēng)粉調(diào)平示意圖Fig. 19 Diagram of air-powder equalizing control

5 優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用及效果

以上優(yōu)化技術(shù)中，關(guān)于磨煤機(jī)的優(yōu)化技術(shù)在2種形式的中速磨煤機(jī)的多個型號上都得到了應(yīng)用，并取得理想效果。煤粉管道動態(tài)調(diào)平技術(shù)還沒有應(yīng)用案例，效果尚需實(shí)踐驗(yàn)證。

2015、2016年先后對華能某電廠1 000 MW機(jī)組的2臺HP1163/DYN磨煤機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，改造范圍是上部流場和中部流場，主要解決磨煤機(jī)出力不足問題，改造前磨煤機(jī)磨制印尼褐煤時最大出力為71 t/h，改造后同等工況達(dá)到86 t/h，出力提高幅度20%。

2017年對華電某電廠600 MW機(jī)組2臺HP1003磨煤機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，改造范圍是上部流場和中部流場，主要解決磨煤機(jī)出力不足問題，改造前磨煤機(jī)最大出力為52 t/h，改造后同等工況達(dá)到60 t/h，出力提高幅度超過15%。

2018、2019年對大唐某電廠600 MW機(jī)組2臺HP1003/DYN磨煤機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，改造范圍是上部流場、中部流場和下部流場，主要解決磨煤機(jī)出力不足問題和石子煤量大的問題。改造取得了很好的效果，經(jīng)過權(quán)威第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造前后性能對比，磨煤機(jī)出力提升15%以上，石子煤量減少超過50%。改造前的石子煤顆粒度很大，普遍達(dá)到25～35 mm，通過外觀判斷可知，石子煤基本沒有被碾磨就排出來了，含煤量較多。改造后，粒度普遍小于10 mm，含煤量極少，如圖20所示。

圖20 石子煤對比Fig. 20 Comparison of stone coal

2019年對國電某電廠600 MW機(jī)組的ZGM113N磨煤機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，在同等工況下，2F磨(進(jìn)行過優(yōu)化改造)與2D磨(未進(jìn)行過優(yōu)化改造)對比見表3。

表3 ZGM113N磨煤機(jī)優(yōu)化比較Tab. 3 Optimization effect comparison of ZGM113N coal mill

由表3可知，同等煤質(zhì)情況下，2F磨比2D磨出力提高17.1%；2F磨煤機(jī)阻力比2D磨降低2 kPa；磨煤機(jī)單位制粉電耗降低0.9 kW·h/t。

6 結(jié)論

1）制粉系統(tǒng)包含磨煤機(jī)和煤粉管道，在制粉系統(tǒng)風(fēng)粉均衡控制層面，磨煤機(jī)和煤粉管道是密切相關(guān)、相互配合的，二者缺一不可。

2）磨煤機(jī)決定了制粉系統(tǒng)出力、煤粉細(xì)度和磨內(nèi)風(fēng)粉均化等性能指標(biāo)，煤粉管道決定了風(fēng)粉流量的均衡性指標(biāo)。流場優(yōu)化技術(shù)在不改變原有磨煤機(jī)基礎(chǔ)及外部結(jié)構(gòu)的前提下，通過對磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使磨內(nèi)流場更為合理，從而實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)碾磨出力、輸送出力和分離出力的全面提升。

3）煤粉管道動態(tài)調(diào)平必須在磨煤機(jī)流場優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行，動態(tài)調(diào)平重點(diǎn)是對管道之間風(fēng)粉流量偏差的測量和管道阻力調(diào)節(jié)，所以測量過程規(guī)避了對管道內(nèi)風(fēng)粉流量絕對值的測量，采用壓差法測量管道之間風(fēng)粉流量的相對值，理論上減少了測量環(huán)節(jié)，避免了測量誤差的積累，測量結(jié)果更靈敏、準(zhǔn)確，動態(tài)調(diào)平技術(shù)還需要下一步的實(shí)踐檢驗(yàn)。