HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

□ 黃 濤

德國(guó)洪堡公司南京代表處 南京 210019

1 項(xiàng)目情況

華能長(zhǎng)春熱電廠的新建工程2×350 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組使用高水分褐煤作為燃料,并選用上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HP863碗式中速磨煤機(jī)作為制粉設(shè)備。這一項(xiàng)目主要有四方面特點(diǎn)。

(1) 褐煤的全水分較高,可能會(huì)出現(xiàn)原煤導(dǎo)致磨煤機(jī)中心落煤管堵塞的現(xiàn)象。

(2) 褐煤的密度相比煙煤低,因此風(fēng)粉混合流態(tài)的抗擾動(dòng)能力較低。

(3) 褐煤的揮發(fā)分很高,煤粉細(xì)度要求較低,煤粉細(xì)度R90不大于35%即可滿足鍋爐燃燒要求。

(4) 褐煤的磨損沖刷指數(shù)較低,煤粉流對(duì)沿途管壁的耐磨性要求不高。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

基于以上特點(diǎn),對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)的HP863碗式中速磨煤機(jī)進(jìn)行五方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1) 將常規(guī)結(jié)構(gòu)HP863碗式中速磨煤機(jī)的中心落煤管直徑放大100 mm,防止運(yùn)行時(shí)發(fā)生原煤堵塞現(xiàn)象。

(2) 限定HP863碗式中速磨煤機(jī)出口風(fēng)粉流速,按最大通風(fēng)工況時(shí)的流速不高于27 m/s確定HP863碗式中速磨煤機(jī)的出口內(nèi)徑,相比常規(guī)結(jié)構(gòu)HP863碗式中速磨煤機(jī)的出口內(nèi)徑增大20 mm。

(3) 將HP863碗式中速磨煤機(jī)的最大通風(fēng)量提高5%,從而加強(qiáng)HP863碗式中速磨煤機(jī)的通風(fēng)干燥能力,在保證煤粉細(xì)度的前提下,提高HP863碗式中速磨煤機(jī)的碾磨循環(huán)效率和煤粉分離效率。

(4) HP863碗式中速磨煤機(jī)內(nèi)錐體和倒錐體的中心管徑也隨中心落煤管一起放大。根據(jù)阿爾斯通公司的最新技術(shù),采用進(jìn)口Hardox450耐磨鋼板制作磨煤機(jī)內(nèi)錐體,取代常規(guī)結(jié)構(gòu)HP863碗式中速磨煤機(jī)的Q235A鋼板基體+陶瓷襯板形式,既保證內(nèi)錐體的使用壽命,又消除內(nèi)錐體基體容易磨損穿透及襯板容易脫落的缺點(diǎn)。

(5) 取消常規(guī)結(jié)構(gòu)HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器的文丘里裝置,改用阿爾斯通公司最新技術(shù)的擴(kuò)散式煤粉分配器結(jié)構(gòu),并將其集成在分離器頂部。同時(shí)將常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器頂蓋的沖壓小半徑過(guò)渡形式改為平滑過(guò)渡結(jié)構(gòu),降低制造工藝難度,避免風(fēng)粉流動(dòng)死角。

常規(guī)結(jié)構(gòu)HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示,優(yōu)化設(shè)計(jì)后HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 常規(guī)結(jié)構(gòu)HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器結(jié)構(gòu)

在HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了匹配常規(guī)HP863碗式中速磨煤機(jī)的主殼體等部件,將分離器下法蘭尺寸保持與常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器相同,即直徑A、B、C。同時(shí),優(yōu)化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)仍采用折向門調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度,保持與常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器基本相同,即折向門連桿分度圓直徑K保持不變。為了使折向門的調(diào)節(jié)更加靈活方便,優(yōu)化設(shè)計(jì)后在折向門的軸承座裝置中增加油杯,這樣就可以注入潤(rùn)滑脂,使折向門連桿在軸承座軸套中靈活轉(zhuǎn)動(dòng),避免出現(xiàn)銹蝕而無(wú)法調(diào)節(jié)。折向門結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器結(jié)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后分離器折向門調(diào)節(jié)裝置的外形尺寸與常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器一致,為了保證等量的通風(fēng)容量,優(yōu)化設(shè)計(jì)后分離器的高度D和頂蓋直筒體外徑M仍按常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器的相應(yīng)尺寸設(shè)計(jì)。考慮到分離器處風(fēng)粉的流速不能發(fā)生較大變化,擴(kuò)散式煤粉分配器的下口直徑G仍按常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器的相應(yīng)尺寸內(nèi)錐體內(nèi)徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器采用沖壓成型法,受限于材料的變形率,無(wú)法達(dá)到較大的沖壓半徑,同時(shí)變形區(qū)域存在較大的內(nèi)應(yīng)力,主要表現(xiàn)為頂蓋內(nèi)部的收縮應(yīng)力和外部的拉伸應(yīng)力。由于HP863碗式中速磨煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部溫度較高,加之這一項(xiàng)目使用高水分褐煤,一次風(fēng)的溫度高達(dá)380 ℃,較燃用煙煤的系統(tǒng)高了100 K左右,分離器在較高溫度的作用下,變形區(qū)域還會(huì)附加熱膨脹應(yīng)力。若分離器長(zhǎng)期處于內(nèi)應(yīng)力附加熱膨脹應(yīng)力的作用,會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕,造成沖刷剝落,甚至磨穿漏粉,使HP863碗式中速磨煤機(jī)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。同時(shí),由于沖壓半徑較小,無(wú)法完全避免結(jié)構(gòu)死角,因此會(huì)對(duì)煤粉的分離產(chǎn)生不利影響。對(duì)此,在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,根據(jù)阿爾斯通公司最新HP磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將分離器沖壓過(guò)渡部分改為錐形結(jié)構(gòu),將90°直角過(guò)渡轉(zhuǎn)換為兩個(gè)135°鈍角過(guò)渡。從理論模擬和實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看,優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)相比常規(guī)結(jié)構(gòu)有較大改善,結(jié)構(gòu)死角基本消除。更重要的是省略了沖壓成型工藝,改為焊接成型,大大縮短了制造周期,提高了生產(chǎn)效率。結(jié)合常規(guī)結(jié)構(gòu)分離器尺寸比例,通過(guò)多組尺寸關(guān)系整定,最終確定了合適的過(guò)渡錐體小徑L。

圖3 折向門結(jié)構(gòu)

對(duì)于擴(kuò)散式煤粉分配器,參考阿爾斯通公司最新HP磨煤機(jī)的煤粉分配器結(jié)構(gòu),保證中心落煤管和煤粉出口能夠合理地布置在多出口板上,初步確定多出口板的最小直徑H和煤粉排出口分度圓直徑F,然后進(jìn)行多組尺寸關(guān)系的分析和修正,最終確定最佳的擴(kuò)散式煤粉分配器高度、多出口板直徑、煤粉排出口分度圓直徑,進(jìn)而得到擴(kuò)散式煤粉分配器的結(jié)構(gòu)。結(jié)合磨煤機(jī)檢修上平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求標(biāo)高,根據(jù)人體工程學(xué)原理,確定煤粉排出口法蘭的標(biāo)高,以方便檢修氣動(dòng)閘板閥,由此確定得到分離器的整體高度E。

3 實(shí)際運(yùn)行情況

這一項(xiàng)目的1號(hào)機(jī)組于2009年12月順利通過(guò)168 h試運(yùn)行,正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),并于2010年7月進(jìn)行性能考核試驗(yàn)。2號(hào)機(jī)組于2010年4月通過(guò)168 h試運(yùn)行,投入商業(yè)運(yùn)營(yíng),之后又順利通過(guò)性能考核試驗(yàn)。兩套機(jī)組配套優(yōu)化設(shè)計(jì)后的HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器,各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(1) HP863碗式中速磨煤機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),正常運(yùn)行中無(wú)振動(dòng)等異常情況發(fā)生。

(2) HP863碗式中速磨煤機(jī)能很好地配合鍋爐進(jìn)行調(diào)峰,出力調(diào)整范圍為25%～100%。

(3) 煤粉細(xì)度R90可調(diào)范圍為15%～40%,折向門調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)靈活方便,開(kāi)度與煤粉細(xì)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

(4) HP863碗式中速磨煤機(jī)電耗低,保證出力工況下平均電耗僅為7.8 (kW·h)/t,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性非常出色。

(5) HP863碗式中速磨煤機(jī)整體阻力小,最大出力工況時(shí)僅為4.3 kPa,磨碗上下壓差為3.2 kPa,均小于設(shè)計(jì)保證值。

(6) 煤粉均勻性良好,HP863碗式中速磨煤機(jī)各出粉口的風(fēng)量偏差和粉量偏差都在±5%范圍內(nèi)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后HP863碗式中速磨煤機(jī)剖視圖如圖4所示。總體來(lái)看,這一項(xiàng)目?jī)商讬C(jī)組配套的共12臺(tái)HP863碗式中速磨煤機(jī)運(yùn)行良好,完全能夠滿足發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,充分驗(yàn)證了HP碗式中速磨煤機(jī)能夠磨制高水分褐煤的能力。

4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外數(shù)千臺(tái)HP碗式中速磨煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況,阿爾斯通公司對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)HP碗式中速磨煤機(jī)進(jìn)行了一系列優(yōu)化調(diào)整,其中包括對(duì)煤粉分配器的改進(jìn)。筆者以阿爾斯通公司的成果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為依據(jù),取消文丘里裝置,增加擴(kuò)散式煤粉分配器,將其集成到分離器頂部,從而大大簡(jiǎn)化了HP863碗式中速磨煤機(jī)的安裝步驟,同時(shí)也改善了HP863碗式中速磨煤機(jī)的煤粉分配均勻性。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后HP863碗式中速磨煤機(jī)剖視圖

從國(guó)內(nèi)大量電廠的運(yùn)行效果來(lái)看,由于單臺(tái)磨煤機(jī)的各個(gè)煤粉出口至鍋爐爐膛的管道長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)不可能完全相同,因此磨煤機(jī)各出口的阻力因數(shù)也不一致,從而造成了理論上性能良好的含文丘里裝置的煤粉分配器的實(shí)際使用效果與設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn),現(xiàn)在已很少使用。

采用擴(kuò)散式煤粉分配器,直接設(shè)置在HP863碗式中速磨煤機(jī)出口,與分離器連成一體,利用含粉氣流在收縮與擴(kuò)張過(guò)程中的加速、減速及殘余旋轉(zhuǎn),加強(qiáng)風(fēng)粉兩相流的擾動(dòng)與混合,使煤粉向四周均勻化分布,然后從各出口管分出。從這一項(xiàng)目及其它已投運(yùn)電廠的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看,優(yōu)化設(shè)計(jì)后的分離器可以達(dá)到較為理想的煤粉分配效果,具有良好的工藝特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)華能長(zhǎng)春熱電廠新建工程HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行,從理論和實(shí)踐兩方面驗(yàn)證了HP863碗式中速磨煤機(jī)分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性,為后續(xù)HP碗式中速磨煤機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)然,在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,絕不能盲目改變?cè)械募夹g(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式,一定要根據(jù)不同項(xiàng)目的特點(diǎn)和技術(shù)要求,從理論和實(shí)踐兩方面入手,同時(shí)也可以借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)成果,綜合分析,進(jìn)而提出可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,再經(jīng)過(guò)計(jì)算和論證,方可付諸實(shí)踐。