某電廠1 000 MW機組雙進雙出鋼球磨煤機出力低原因分析及優(yōu)化改造

張開亮 ，李 偉 ，李志東 ，宋子陽 ，杜學(xué)森

（1.華潤電力湖北有限公司，湖北 赤壁 437300；2.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，鄭州 450000）

0 引言

鋼球磨煤機廣泛應(yīng)用于我國火力發(fā)電廠中，尤其是300 MW以上機組，較多采用了雙進雙出鋼球磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)，其具有煤種適應(yīng)性廣泛，易于操作控制等優(yōu)點，尤其適合可磨系數(shù)低、磨損性強和煤粉細度要求高的煤種，如劣質(zhì)煙煤、貧煤和無煙煤［1］。同時，雙進雙出鋼球磨煤機也存在著一些缺點，如鋼球消耗量大，制粉出力滯后，系統(tǒng)運行自動化程度低、運行經(jīng)濟性較差，增負(fù)荷時煤粉過粗影響燃燒效率等問題［2］。雙進雙出鋼球磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)是廠用電耗電大戶之一，其耗電量占到廠用電量的15%～25%。制粉系統(tǒng)磨煤機出力低不僅會進一步增加廠用電，還提高了人力資源成本和生產(chǎn)成本，更對鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性造成影響［3］。

某電廠1 000 MW機組雙進雙出鋼球磨煤機自投產(chǎn)以來一直出力不足，距離設(shè)計出力有較大差距，衍生出一系列影響鍋爐安全、經(jīng)濟運行方面的問題［4-5］。磨煤機和一次風(fēng)機廠電耗高，且用電高峰時段機組經(jīng)常因磨煤機出力低而帶不滿負(fù)荷，僅2019年，調(diào)度考核電量就達到了989萬kW·h。此外，一次風(fēng)機超負(fù)荷運行也對鍋爐安全運行產(chǎn)生了影響。

本文針對電廠雙進雙出鋼球磨煤機出力低的問題進行了原因分析，并提出了整改方案，利用數(shù)值模擬仿真的手段對整改方案進行了優(yōu)選，提出了整改意見。

1 設(shè)備概況

1.1 鍋爐與制粉系統(tǒng)概況

某電廠鍋爐為上海鍋爐廠引進ALSTOM技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界變壓直流煤粉爐，型號為SG-3103/27.46-M536，型式為單爐膛、雙切圓、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π式煤粉直流鍋爐。機組采用雙進雙出鋼球磨煤機正壓直吹式冷一次風(fēng)機制粉系統(tǒng)，每臺爐配6臺磨煤機，不設(shè)備用磨煤機，磨煤機型號為MGS-4366，該磨煤機設(shè)備規(guī)范見表1。磨煤機自投產(chǎn)以來出力一直不足，銘牌最大出力為78 t/h（煤質(zhì)哈氏可磨系數(shù)55），排查性試驗前磨煤機最大出力約65 t/h（煤質(zhì)哈氏可磨系數(shù)60）。在煤質(zhì)變差或六臺磨煤機同時運行時，機組存在帶不滿負(fù)荷的問題。

表1 MGS-4366磨煤機設(shè)備規(guī)范Tab.1 MGS-4366 specification for coal mill equipment

1.2 鍋爐煤質(zhì)特性

電廠煤源主要由陜西煤和山西煤組成，陜西煤和山西煤均屬于煙煤，地方礦煤多屬于是貧瘦煤和無煙煤。煤質(zhì)特性見表2。

表2 電廠煤質(zhì)特性Tab.2 Coal quality characteristics of power plant

2 磨煤機出力低的原因分析

制粉系統(tǒng)出力包含三方面：研磨出力、通風(fēng)出力、分離出力［6］。關(guān)于前兩方面在廠家和電科院指導(dǎo)下進行了多次運行調(diào)整和試驗，還進行了單臺磨煤機的高鉻襯板及鋼球級配改造，此問題未能得到改善和解決。再次將該廠制粉全系統(tǒng)各相關(guān)設(shè)備與其他電廠進行比對時（比對情況見表3），判斷出該廠平錐式軸向分離器設(shè)計不合理，分析出分離出力低是問題關(guān)鍵所在，具體包括三點：分離器喉部直徑偏大、撞擊錐直徑偏大和分離器整體尺寸設(shè)計偏大。

2.1 分離器喉部直徑偏大

如表3所示，該廠（電廠1）磨煤機分離器喉部的內(nèi)徑為2 560 mm，明顯大于其他項目。與該分離器型式相同的電廠2、電廠3項目進行比較，電廠1喉部內(nèi)徑偏大570 mm，喉部的過流斷面是電廠2、電廠3分離器的1.65倍，在相同風(fēng)量的情況下，風(fēng)粉流速僅為電廠2、電廠3分離器的60%；與電廠4進行比較，分離器喉部內(nèi)徑偏大360 mm，喉部的過流斷面是電廠4分離器的1.35倍，在相同風(fēng)量的情況下，風(fēng)粉流速僅為電廠4分離器的74%，電廠4設(shè)計的煤粉細度為R90=8%，但其分離器喉部內(nèi)徑仍然小于電廠1分離器。對于電廠1制粉系統(tǒng)而言，風(fēng)粉氣流從分離器中部豎井出來后，因擴容較大導(dǎo)致速度降低過多，氣流帶粉能力差，增強了其重力分離的效果，加大了重力分離的比例，部分合格煤粉可能被撞擊落入回粉管。

2.2 撞擊錐直徑偏大

如表3所示，該廠（電廠1）的撞擊錐的第一階梯直徑為900 mm，分離器中部豎井出口直徑1 420 mm，兩者的比值為0.63。與其他項目型式相同的撞擊錐對比得知，該廠撞擊錐的直徑（即撞擊面積）偏大，即撞擊錐在中部豎井出口上方阻擋的面積占比偏大，導(dǎo)致撞擊分離的程度過大、風(fēng)粉流場紊亂，使大量煤粉被撞擊分離。加之撞擊錐下方偏低的風(fēng)粉流速，部分合格煤粉在此處由于重力沉降及大顆粒的撞擊作用也被分離至回粉管。

表3 該廠制粉系統(tǒng)與其他項目對比表Tab.3 Comparison table of the mill's milling system and other projects

2.3 分離器整體尺寸設(shè)計偏大

根據(jù)《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計計算設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5145—2012）［7］中關(guān)于粗粉分離器直徑的確定方法：先根據(jù)煤種所要求的煤粉細度和選定的分離器型式，選取相應(yīng)的容積強度；再根據(jù)實際通過分離器的體積流量和選定的分離器容積強度進行計算確定，計算公式如下：

式中：D為粗粉分離器的直徑，m；Q為通風(fēng)量，m3/h；K為粗粉分離器結(jié)構(gòu)特性系數(shù)，串聯(lián)雙軸向型取K=0.35；E為容積強度，m3/（m3·h－1）。

串聯(lián)雙軸向型粗粉分離器容積強度為：

E=1 500+(R90/0.006).

根據(jù)各項目的磨煤機設(shè)備的技術(shù)協(xié)議，摘取煤粉細度及分離器通風(fēng)量數(shù)據(jù)，計算分離器直徑見表4。

表4 該電廠制粉系統(tǒng)技術(shù)協(xié)議與其他項目對比表Tab.4 Comparison table of the technical agreement of the power plant's pulverizing system and other projects

經(jīng)過計算，該廠磨煤機分離器的直徑應(yīng)該在3 400 mm～3 600 mm之間，實際直徑為3 876 mm，實際直徑偏大較多。

軸向分離器的直徑?jīng)Q定了其容積強度，進而決定了出粉的細度。分離器直徑偏大會加強其重力分離及離心分離的效果，導(dǎo)致煤粉更細，即R90更小，在磨煤機研磨出力固定的情況下，體現(xiàn)為制粉系統(tǒng)出力偏??；增加制粉系統(tǒng)的通風(fēng)量可以在一定程度上增加分離器的出粉量，但同時會導(dǎo)致分離器內(nèi)流場紊亂，部分不合格的煤粉可能被帶出分離器，合格的煤粉可能被大顆粒撞擊落入回粉管。分離器直徑偏小會增加制粉系統(tǒng)的阻力，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)出力偏低，通過增加通風(fēng)量可以在一定程度上增加出粉量。

分離器大小、煤種可磨性系數(shù)、煤粉細度、制粉系統(tǒng)出力，這四者應(yīng)該在一定范圍內(nèi)相匹配的。以電廠4最為明顯，燃煤為無煙煤，其MGS-4360磨煤機設(shè)計煤粉細度R90=8%，分離器直徑3 850 mm，設(shè)計BMCR工況出力只有50 t/h左右，實際運行時的最大出力約為54 t/h。對于該廠制粉系統(tǒng)，從實際運行情況來看，每套制粉系統(tǒng)出力在60 t/h以下的工況運行時，風(fēng)煤比在1.5～1.7之間，屬于正常范圍；在60 t/h以上運行時，屬于需要依靠通風(fēng)量增加出力的情況。所以提高該廠制粉系統(tǒng)的出力，應(yīng)縮小分離器的直徑，提高匹配效果。

3 磨煤機分離器優(yōu)化方案

基于以上對比分析，得出該廠的軸向分離器原設(shè)計不合理，與銘牌最大出力78 t/h不匹配。重新設(shè)計選型后整體更換分離器最為直接有效，但此舉費用過高、且施工難度大。因此嘗試采用小范圍改動分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化流場來解決此問題。

平錐式軸向分離器其功能由三部分組成：撞擊分離、重力分離、擋板旋轉(zhuǎn)分離。本次研究重點從弱化撞擊分離和弱化重力分離兩個方向著手，對應(yīng)的手段為：（1）減小撞擊面積或者改變撞擊方向；（2）減小風(fēng)粉氣流擴容，增加流速。在此基礎(chǔ)上初步設(shè)計了改動方案，對結(jié)構(gòu)模型進行比較。

3.1 結(jié)構(gòu)模型

模擬改造的分離器結(jié)構(gòu)模型共5個模型，其中“原始”為分離器原始結(jié)構(gòu)，其余均為優(yōu)化改造方案，圓圈處為各優(yōu)化改造模型與“原始”結(jié)構(gòu)有差別的位置。改造方案一延長了風(fēng)管的出口導(dǎo)流板，并在磨盤底部正對風(fēng)管處添加圓錐導(dǎo)流；改造方案二通過添加導(dǎo)流板縮小了一次風(fēng)進入磨煤機的通流面積；改造方案三在一次風(fēng)管進磨煤機出口處增加了環(huán)形導(dǎo)流板；改造方案四取消了磨煤機上方出口處的直角。具體改造示意圖見圖1。

圖1 五種分離器的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural models of five types of separators

3.2 計算結(jié)果和方案優(yōu)選

為驗證改造效果，利用計算流體力學(xué)軟件Fluent對現(xiàn)有分離器和各改造方案進行了數(shù)值模擬，得出不同方案的循環(huán)倍率。Fluent軟件是一個功能全面、適用性廣的CFD軟件，對傳熱、流動和化學(xué)反應(yīng)等方面的問題有較好的模擬效果［8］。

模擬采用變單一結(jié)構(gòu)的方法，即原始模型、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)調(diào)試確定好后，進行單一變量（變結(jié)構(gòu)）計算。圖2為五種分離器內(nèi)部流速數(shù)值模擬的速度分布圖，根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計了分離器出口各模擬結(jié)果的煤粉顆粒粒子數(shù)，并計算出相應(yīng)的循環(huán)倍率，結(jié)果見表5。

表5 雙R粒徑分布各模型循環(huán)倍率計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of cycle magnification of each model of double R particle size distribution

圖2 五種分離器內(nèi)部流速數(shù)值模擬的速度分布圖Fig.2 Velocity distribution diagram of the numerical simulation of the internal flow velocity of five kinds of separators

由煤粉顆粒進行雙R粒徑分布的循環(huán)倍率計算結(jié)果可知，循環(huán)倍率從高到低依次為：原始＞改造方案四＞改造方案二＞改造方案三＞改造方案一。循環(huán)倍率越高，分離器的分離效果越強，磨煤機出力越小。模擬四種改造后的磨煤機出力與原始情況相比，均有不同程度的增大，從模擬效果來看，“改造方案一”模型的磨煤機出力最大。

3.3 改造效果驗證

選擇改造方案三模型與改造方案一模型對兩臺磨煤機分別進行實施現(xiàn)場實驗，在機組滿負(fù)荷狀態(tài)下進行出力對比，結(jié)果見表6。

表6 實際改造后磨煤機出力對比結(jié)果（實驗煤質(zhì)哈氏可磨系數(shù)60）Tab.6 Comparison result of coal mill output after actual transformation（Experimental coal quality Hastelloy grindability coefficient 60）

4 結(jié)論

本文針對某電廠1 000 MW機組雙進雙出鋼球磨煤機出力低的問題，與相同或相近型號磨煤機的制粉系統(tǒng)進行比對及分析，判斷磨煤機出力低的原因是平錐式軸向分離器設(shè)計不合理，分離出力低。在無經(jīng)驗可借鑒的情況下，創(chuàng)新性地提出了用分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)改動來解決出力不足問題，并且自主設(shè)計改動方案，利用CFD軟件通過模擬計算對比，發(fā)現(xiàn)循環(huán)倍率越低，分離器分離效果越差，磨煤機出力越大。通過數(shù)值模擬優(yōu)選出的最佳改造方案為：延長風(fēng)管的出口導(dǎo)流板，并在磨盤底部正對風(fēng)管處添加圓錐導(dǎo)流。經(jīng)過實踐驗證，所提方案大幅提高了磨煤機出力。

此次創(chuàng)新改造利用數(shù)值模擬方法對雙進雙出鋼球磨煤機進行了改造仿真計算，并通過實際改造試驗驗證了模擬的效果，避免了大量磨煤機分離器需要更換的經(jīng)濟成本。本文所提改造方案，用較低的經(jīng)濟成本解決了磨煤機出力不足帶來的調(diào)度考核、廠用電耗高、一次風(fēng)機易失速等一系列問題，具有較高的安全性與經(jīng)濟效益，此舉對其他電廠同類問題的解決也具有一定的指導(dǎo)意義。