HP1003 型磨煤機(jī)整體提效節(jié)能改造

倪仲俊，章榮頂，孔維杰，馮成凱

（浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江溫州 325609）

0 引言

燃煤機(jī)組鍋爐爐效是影響機(jī)組供電煤耗的主要因素，而制粉系統(tǒng)是燃煤機(jī)組鍋爐島重要的輔助系統(tǒng)，其運行狀況直接影響著鍋爐燃燒性能、鍋爐爐效和安全經(jīng)濟(jì)運行[1]。近幾年，燃煤電站安全經(jīng)濟(jì)運行受到燃用煤種與設(shè)計煤種特性吻合度降低、機(jī)組負(fù)荷率降低等不利因素疊加影響。同時，在有效控制溫室氣體排放的基礎(chǔ)上，確保實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，現(xiàn)有制粉系統(tǒng)的生產(chǎn)水平和標(biāo)準(zhǔn)已不能很好地滿足鍋爐的安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)運行。磨煤機(jī)內(nèi)部流場是影響制粉系統(tǒng)效率的關(guān)鍵性因素之一，主要包括磨煤機(jī)上、中、下流場：上部流場涉及分離器流場，分離器的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了分離出來的煤粉細(xì)度和均勻性，同時對整個系統(tǒng)的阻力有一定的影響；中部流場涉及磨煤機(jī)磨盤以上分離器以下的流場，其存在著風(fēng)粉惰性區(qū)，風(fēng)粉能不能及時被吹掃至分離器上部是制約磨煤機(jī)出力的影響因素之一；下部流場涉及磨煤機(jī)葉輪裝置部分，其結(jié)構(gòu)型式對下部流場的影響較為突出，影響著磨煤機(jī)的排渣量、壓差、殼體磨損和風(fēng)粉攜帶能力等。因此，對制粉系統(tǒng)整體提效優(yōu)化技術(shù)的研究和應(yīng)用是必要的[2]。

1 現(xiàn)有問題

某公司2#機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛，一次中間再熱，采用四角切圓燃燒方式，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼懸吊Π 形結(jié)構(gòu)，露天布置燃煤鍋爐。制粉系統(tǒng)為中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配6 臺HP1003 型中速磨煤機(jī)：最大出力66.5 t/h，計算出力（BMCR）46.8 t/h，保證出力59.85 t/h，轉(zhuǎn)速33.01 r/min，最大通風(fēng)量102.15 kg/s，本體最大阻力4 kPa，密封風(fēng)量110 Nm3/min，密封風(fēng)/一次風(fēng)差壓2 kPa。

磨煤機(jī)在長期運行過程中存在問題，例如，分離器分選效率低，煤粉細(xì)度和均勻性不能滿足生產(chǎn)需要，磨煤機(jī)內(nèi)部殼體磨損嚴(yán)重，噴嘴環(huán)上部風(fēng)粉混合物循環(huán)倍率高。后期磨煤機(jī)的安全可靠運行存在著不確定性，同時影響鍋爐運行的經(jīng)濟(jì)性[3]。為降低煤粉燃燒不充分產(chǎn)生的氮氧化物的排放量，響應(yīng)國家碳中和、碳達(dá)峰號召，在保證磨煤機(jī)穩(wěn)定運行的前提下，對HP1003 磨煤機(jī)的整體流場進(jìn)行了改造前充分論證，以對磨煤機(jī)內(nèi)部綜合流場進(jìn)行合理性優(yōu)化：上部流場優(yōu)化將原靜態(tài)分離器改造為新型動態(tài)分離器，取消單出口粉管及雙向可調(diào)分配器；下部流場將原葉輪裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，以降低排渣量[4]。通過對改造后的磨煤機(jī)性能試驗，得到了分離器轉(zhuǎn)速與煤粉細(xì)度的關(guān)系、磨煤機(jī)電流情況、煤粉管均勻性情況和磨煤機(jī)最大出力情況。

2 改造優(yōu)化情況

2.1 上部流場優(yōu)化

上部流場是將原靜態(tài)分離器整體更換為旋轉(zhuǎn)分離器，根據(jù)現(xiàn)有燃用煤質(zhì)對其進(jìn)行出力計算，確定優(yōu)化后的分離器通風(fēng)面積，進(jìn)而確保改造后的分離器的阻力不增加。分離器采用動靜組合式，由垂直動葉片組成的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子及與其同軸的帶回粉錐的靜葉片組成（圖1）。分離器通過變頻電機(jī)可以改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，不同的轉(zhuǎn)速對煤粉顆粒產(chǎn)生不同的離心力，可以對返回碾磨的煤粉顆粒的大小進(jìn)行選擇，從而通過改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來調(diào)整煤粉的細(xì)度[5-6]。

圖1 動態(tài)分離器

2.2 下部流場優(yōu)化

下部流場優(yōu)化是將原葉輪裝置和分離擋板取消，更換為HP新型旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要取決于當(dāng)前燃用煤質(zhì)，并設(shè)計合理的噴嘴環(huán)通風(fēng)面積（圖2）。旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)主要包括動環(huán)、靜環(huán)和阻風(fēng)擋渣環(huán)，其特點是改變磨煤機(jī)的下部流場，改善下部流場的紊亂現(xiàn)象，同時降低磨煤機(jī)排渣量和分離擋板產(chǎn)生的阻力。

圖2 新型旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)

2020 年，針對以上結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行了施工改造，得到了相關(guān)的磨煤機(jī)性能參數(shù)，用以指導(dǎo)磨煤機(jī)日常的生產(chǎn)。

3 試驗煤

為了保證磨煤機(jī)綜合改造后的數(shù)據(jù)可靠性，試驗煤種選用混合煤質(zhì)，其工業(yè)分析結(jié)果見表1。

表1 試驗煤質(zhì)參數(shù)

4 改造前性能試驗

磨煤機(jī)改造前，以某磨煤機(jī)的工況作為參考，磨煤機(jī)出力分別設(shè)置為45 t/h、50 t/h，保證分離器擋板開度不變，同時風(fēng)量按照風(fēng)煤比調(diào)整，試驗結(jié)果見表2。由數(shù)據(jù)可以看出：磨煤機(jī)改造前在出力45 t/h、50 t/h 時的磨煤機(jī)煤粉細(xì)度R90分別為19.32%、23.12%，均勻性指數(shù)為1.25 和1.08。同時磨煤機(jī)4 個出口粉量偏差分別為33.04%、12.23%、8.01%、-46.35%，煤粉偏差相差較大。

表2 試驗結(jié)果主要數(shù)據(jù)

5 改造后試驗結(jié)果

5.1 分離器轉(zhuǎn)速對磨煤機(jī)性能的影響

通過改造后性能試驗，磨煤機(jī)出力控制在45 t/h，磨煤機(jī)入口風(fēng)量控制在 100 t/h 左右，分離器轉(zhuǎn)速在4 個時間點分別設(shè)置為15 Hz、25 Hz、30 Hz和32 Hz[7]。根據(jù)試驗結(jié)果得到關(guān)系曲線（圖3、圖4）。

圖3 動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速與煤粉細(xì)度、均勻性的關(guān)系

從圖3 可以看出，在磨煤機(jī)改造后，磨煤機(jī)出力45 t/h 的情況下，通過改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以實時調(diào)整煤粉的細(xì)度。隨著動態(tài)分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不斷增加，煤粉細(xì)度逐漸下降，轉(zhuǎn)速越高，煤粉細(xì)度下降幅度越大，煤粉細(xì)度R90由19.32%降低為11.96%，較靜態(tài)分離器煤粉細(xì)度大有改善[8]。同時煤粉的均勻性指數(shù)除特殊情況外均控制在1.2以上，出口煤粉均勻性指數(shù)隨分離器轉(zhuǎn)速的增加而增加。煤粉均勻性指數(shù)在轉(zhuǎn)速為30 Hz 時，甚至達(dá)到1.56，均勻效果良好。分離器轉(zhuǎn)速控制在25 Hz 以上時，可以滿足正常的生產(chǎn)需要。

改造前磨煤機(jī)出力45 t/h 時，主電機(jī)電流為53.2 A，煤粉細(xì)度R90為19.32%，在同等煤粉細(xì)度下，改造后磨煤機(jī)主電機(jī)電流48～50 A，磨煤機(jī)整體流場優(yōu)化后，主電機(jī)電流有明顯降低。

從圖4 可以看出，磨煤機(jī)的主電機(jī)電流隨著分離器轉(zhuǎn)速的提高而不斷增加，從40.07 A 增加到54.07 A，磨煤機(jī)的阻力控制在4.2 kPa 左右，變化不明顯，有增加的趨勢。主要原因是在分離器轉(zhuǎn)速提高后，分離器對煤粉的篩選能力提高，粗粉在篩選后重回磨盤進(jìn)行碾磨，煤層在一定程度下增加，導(dǎo)致磨煤機(jī)電流增加。同時磨煤機(jī)在其條件下，一次風(fēng)通過噴嘴環(huán)的流動能力下降，導(dǎo)致磨煤機(jī)阻力增加。

圖4 動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速與磨煤機(jī)電流、磨煤機(jī)壓差的關(guān)系

5.2 最大出力試驗結(jié)果

根據(jù)磨煤機(jī)分離器轉(zhuǎn)速曲線，選取煤粉細(xì)度R90＝22%時的轉(zhuǎn)速，對改造前后進(jìn)行最大出力試驗（如一次風(fēng)機(jī)仍有裕度適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)出口壓力得到更大的磨煤機(jī)出力），磨煤機(jī)最大出力穩(wěn)定運行后，測試煤粉細(xì)度，同時采集入爐煤樣進(jìn)行檢驗。改造前磨煤機(jī)在目前煤質(zhì)條件下最大出力為平均為56 t/h，煤粉細(xì)度R90＝24.8%，折算至設(shè)計煤質(zhì)的出力為56.8 t/h（煤粉細(xì)度為R90＝22%，均勻性指數(shù)為1.0）。改造后磨煤機(jī)最大出力分別為57.7 t/h、58.1 t/h、60.5 t/h、59.2 t/h 和69.6 t/h（煤粉細(xì)度為R90＝22%，均勻性指數(shù)為1.0）。

6 改造效果

6.1 煤粉細(xì)度可調(diào)節(jié)范圍增加

原靜態(tài)分離器煤粉細(xì)度依靠折向門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，煤粉細(xì)度R90可控制在20%左右，動態(tài)分離器煤粉細(xì)度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加：轉(zhuǎn)速在32 Hz 以上時，煤粉細(xì)度可降低至R90≤10%，煤粉細(xì)度變化幅度增加；在煤粉細(xì)度R90不變的情況下，煤粉細(xì)度R200下降，可以降低飛灰含碳量，進(jìn)而降低煤耗，從而提高鍋爐的效率。它還可以減少＜75 μm 的過碾磨顆粒。

6.2 煤粉分配均勻性增加

煤粉燃燒過程中，如果每一個風(fēng)管內(nèi)的煤粉分配不均，會造成燃燒器缺風(fēng)或燃燒器缺煤現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒器偏離最佳工況[9]。當(dāng)煤粉分配不均時，會產(chǎn)生爐膛火焰偏斜，局部熱負(fù)荷過高，爐內(nèi)某些區(qū)域由于煤粉濃度過高造成還原性氣氛，因而加劇結(jié)渣和高溫腐蝕過程；一次風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)粉流動也因煤粉分配不均，造成某些管道內(nèi)煤粉濃度過高或風(fēng)速過低，導(dǎo)致煤粉在管內(nèi)沉積甚至堵管；同一根管內(nèi)粗細(xì)顆粒的不均還會造成機(jī)械不完全燃燒損失增大等問題[10]。根據(jù)改造需求，對改造后某臺磨煤機(jī)進(jìn)行風(fēng)粉偏差試驗，得到改造前后風(fēng)粉偏差情況（圖5）。

圖5 改造前后風(fēng)粉偏差

6.3 磨煤機(jī)出力提高

磨煤機(jī)進(jìn)行流場優(yōu)化后，總體出力較改造之前提高，一次風(fēng)通過葉輪裝置后期流場發(fā)生變化，一次風(fēng)攜帶煤風(fēng)能力增強(qiáng)，同時磨煤機(jī)磨碗壓差較以前有所增加；動環(huán)傾斜角度的設(shè)計，考慮磨煤機(jī)“沸騰區(qū)”的碾磨特性，加大風(fēng)量攜帶和干燥更多的煤粉，使煤粉在懸浮中可以更好地利用垂直分速度，保證磨煤機(jī)即可滿足煤粉干燥和輸送，同時也盡可能地降低噴口流速，減少沖刷磨損[11]。同時動態(tài)分離器的選粉效率較靜態(tài)分離器高。在同樣設(shè)計煤質(zhì)情況下，保證磨煤機(jī)的出力在一定程度上提高。

7 結(jié)論

通過對制粉系統(tǒng)HP1003 磨煤機(jī)的整體提效改造前后進(jìn)行對比試驗研究[9]，得到以下結(jié)論：①改造后煤粉細(xì)度隨分離器轉(zhuǎn)速的增加而減小，轉(zhuǎn)速越高，煤粉細(xì)度減小的趨勢越明顯，煤粉均勻性指數(shù)隨著分離器轉(zhuǎn)速的升高而增大，磨煤機(jī)電流和差壓隨分離器轉(zhuǎn)速的升高而增大，同時對于煤粉細(xì)度的調(diào)節(jié)范圍較寬；②改造后磨煤機(jī)出口粉管風(fēng)量偏差較以前降低，基本能夠控制在±5%，粉量偏差基本上在±10%，調(diào)節(jié)靈活方便；③改造后磨煤機(jī)整體出力提高，磨煤機(jī)電耗降低，排渣量降低，磨煤機(jī)改造的成功實施對未來同種類型磨煤機(jī)的改造具有很好的指導(dǎo)意義。