火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)靈活性改造

北京電力設(shè)備總廠有限公司 孫 明 杜永旭 張治鋒 聶縣會(huì) 黃金龍 王 皓

火電靈活性是電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵指標(biāo)，也是電力系統(tǒng)靈活性的核心組成部分?；痣婌`活性通常指火電機(jī)組的運(yùn)行靈活性，即適應(yīng)出力大幅波動(dòng)、快速響應(yīng)各類變化的能力，主要指標(biāo)包括調(diào)峰幅度、爬坡速率及啟停時(shí)間等。目前國(guó)內(nèi)火電靈活性改造的核心目標(biāo)是充分響應(yīng)電力系統(tǒng)的波動(dòng)性變化，實(shí)現(xiàn)降低最小出力、快速啟停、快速升降負(fù)荷三大目標(biāo)，其中降低最小出力、即增加調(diào)峰能力是目前最為廣泛和主要的改造目標(biāo)。同時(shí)制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)部分也存在著不同的問(wèn)題，磨煤機(jī)單耗高、制粉出力不足、內(nèi)部流場(chǎng)動(dòng)力不足、煤粉細(xì)度以及均勻性差等問(wèn)題普遍存在。

我國(guó)電源結(jié)構(gòu)性矛盾較為突出，系統(tǒng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足是影響可再生能源消納的核心問(wèn)題。我國(guó)電源結(jié)構(gòu)以火電為主，2021年占全國(guó)發(fā)電量比重達(dá)到71.13%，但調(diào)峰能力普遍只有50%左右。其中“三北”地區(qū)供熱機(jī)組占有很大比重。截至2019年，我國(guó)已完成火電靈活性改造容量約5775萬(wàn)kW，火電靈活性改造的深度和廣度有待進(jìn)一步提高。我國(guó)以火電為主的電源結(jié)構(gòu)決定了未來(lái)電源靈活性的主體仍然需要從火電入手。與此同時(shí)，由于環(huán)保壓力的加大和原煤價(jià)格的上漲，部分地區(qū)已出現(xiàn)短時(shí)缺電的情況，“十四五”期間，電源充裕性與靈活性問(wèn)題將在局部地區(qū)同時(shí)存在。

1 概述

火力發(fā)電靈活性技術(shù)關(guān)鍵主要集中在鍋爐側(cè)，汽輪機(jī)側(cè)以及控制與監(jiān)測(cè)，鍋爐的燃燒水平和效率取決于制粉系統(tǒng)。制粉系統(tǒng)由于磨煤機(jī)型號(hào)和制粉能力的不同，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)均存在著制粉差異。煤炭在磨煤機(jī)中被磨制成煤粉，主要通過(guò)壓碎、擊碎和研碎三種方式，各類磨煤機(jī)的磨煤過(guò)程中兼有上面提到的兩種或三種方式。

根據(jù)磨煤機(jī)轉(zhuǎn)盤的工作轉(zhuǎn)速，電廠磨煤機(jī)可分為低速磨煤機(jī)、其轉(zhuǎn)速為15～25r/min，如筒式磨煤機(jī)；中速磨煤機(jī)、其轉(zhuǎn)速為50～300r/min，如中速平盤磨、中速環(huán)球磨、碗式（RP）型磨及ZGM型磨煤機(jī)；高速磨煤機(jī)，其轉(zhuǎn)速為750～1500r/min，如風(fēng)扇磨煤機(jī)、錘擊磨煤機(jī)。根據(jù)磨煤機(jī)加載型式，可分為彈簧定加載、鋼絲繩定加載以及液壓加載，其加載型式的不同決定了磨煤機(jī)調(diào)峰能力的不同。

目前我國(guó)燃煤電廠配備最多的磨煤機(jī)主要為E型、HP型和ZGM型，如圖1。本文主要圍繞ZGM型磨煤機(jī)在日常運(yùn)行中遇到的種種問(wèn)題進(jìn)行闡述，同時(shí)列舉針對(duì)問(wèn)題的靈活性改造情況，以更好的指導(dǎo)火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)效率的提升。

圖1 磨煤機(jī)主要型號(hào)

2 靈活性改造應(yīng)用

火力發(fā)電廠磨煤機(jī)作為鍋爐燃燒的制粉系統(tǒng)，其運(yùn)行的可靠穩(wěn)定性影響著整個(gè)系統(tǒng)的效益。同時(shí)，雙碳是中國(guó)提出的兩個(gè)階段碳減排奮斗目標(biāo)（簡(jiǎn)稱“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)）。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須以科技創(chuàng)新為先導(dǎo)[1]。燃煤電廠首當(dāng)其沖，這就為磨煤機(jī)創(chuàng)新提供了廣闊的空間。磨煤機(jī)靈活性改造主要集中在磨煤機(jī)加載方式的優(yōu)化，密封型式的優(yōu)化、內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化以及檢修便利性改造等。

2.1 加載方式的優(yōu)化

早期磨煤機(jī)加載方式主要依靠彈簧定加載和鋼絲繩定加載方式，目前集中在沈重和北京設(shè)備廠MPS磨、北京設(shè)備廠老ZGM95磨。其中彈簧鋼絲繩加載（加載力靠液壓缸產(chǎn)生，力傳遞靠鋼絲繩）方式安全可靠，當(dāng)時(shí)解決了鋼絲繩的強(qiáng)度和接頭的結(jié)構(gòu)——即鋼絲繩在錨固頭中不能產(chǎn)生滑動(dòng)問(wèn)題。此加載型式具有磨煤機(jī)不能空載啟動(dòng)、低給煤量時(shí)振動(dòng)大、對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)范圍較窄而不易滿足加載頻繁調(diào)峰的要求，在點(diǎn)火初期不能滿足微油點(diǎn)火的穩(wěn)燃需要等弱點(diǎn)[2]。以后加載裝置不斷改進(jìn)，直到現(xiàn)在的液壓變加載方式。

圖2 MPS磨煤機(jī)示意圖

為了改善原有定加載型式的缺陷，降低磨煤機(jī)低負(fù)荷下震動(dòng)和單耗，可將原有彈簧加載方式取消，改變加載方式為液壓變加載方式，制作全新的液壓站取代原高壓油站，配合DCS完成變加載邏輯控制，增加加載油缸對(duì)拉桿進(jìn)行加載，同時(shí)對(duì)原磨煤機(jī)機(jī)殼部分和內(nèi)部壓架進(jìn)行改造優(yōu)化，滿足液壓變加載的受力要求。液壓變加載改造優(yōu)點(diǎn)主要是降低了磨煤機(jī)低負(fù)荷震動(dòng)和電耗，同時(shí)將原出力范圍40～100%提高到25～100%，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制加載力的智能優(yōu)化。截至目前已有多個(gè)電廠實(shí)施了制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)液壓變加載的優(yōu)化改造。

2.2 磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化

磨煤機(jī)流場(chǎng)是基于風(fēng)粉混合物在其內(nèi)部充分不規(guī)則的多向的空間運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的粒子流。風(fēng)粉粒子與磨煤機(jī)本體相互作用，中間會(huì)產(chǎn)出磨煤機(jī)的易損件磨損，同時(shí)風(fēng)粉流場(chǎng)的不同會(huì)導(dǎo)致磨煤機(jī)制粉效果的不同（圖3）。

圖3 ZGM磨煤機(jī)風(fēng)粉流動(dòng)示意圖

首先，原煤通過(guò)磨煤機(jī)的落煤管落到磨盤上，磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力使煤均勻地進(jìn)入碾磨區(qū)域，通過(guò)磨輥和磨盤的相互作用對(duì)原煤進(jìn)行碾磨[3]。熱一次風(fēng)經(jīng)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)后攜帶著煤粉由下往上螺旋運(yùn)動(dòng)，在分離器部分進(jìn)行煤粉的分離，合格的煤粉吹入鍋爐燃燒、不合格的煤粉重新進(jìn)入磨盤進(jìn)行重新碾磨。以上過(guò)程會(huì)因磨煤機(jī)分離器和旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生不同的結(jié)果，如分離效率低，合格煤粉循環(huán)往復(fù)碾磨、制粉電耗增加。同時(shí)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)不一，造成一次風(fēng)流不能很好的攜帶煤粉進(jìn)行分離，磨煤機(jī)整體阻力變大、出力降低。

2.2.1 分離器流場(chǎng)優(yōu)化

分離器作為磨煤機(jī)重要的分離機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)部流場(chǎng)的分布決定著出粉水平和出粉效率[4]。經(jīng)過(guò)磨煤機(jī)流場(chǎng)的仿真分析，風(fēng)粉流場(chǎng)和不同粒度煤粉的運(yùn)行軌跡變化不一。其中為提高煤粉的提高煤粉均勻性系數(shù)、降低煤粉在磨煤機(jī)系統(tǒng)中的循環(huán)倍率，從而在一定程度上降低磨煤機(jī)的單位電耗，可將靜態(tài)分離器改變?yōu)閯?dòng)靜組合式旋轉(zhuǎn)分離器。根據(jù)磨煤機(jī)不同的出力和煤粉細(xì)度要求，對(duì)分離器殼體以及葉片數(shù)量進(jìn)行合理調(diào)整，以滿足不同現(xiàn)場(chǎng)對(duì)煤粉的需求，最終達(dá)到減少NOx的目標(biāo)。旋轉(zhuǎn)分離器示意圖如圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)分離器結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)部?jī)?yōu)化

旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的作用主要對(duì)一次風(fēng)進(jìn)行導(dǎo)流，從而實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)攜帶煤粉的上升，合理的旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)磨煤機(jī)的磨碗壓差影響較大，壓差越大所需一次風(fēng)機(jī)風(fēng)壓增加、電耗增加[5]。常規(guī)的動(dòng)靜環(huán)采用鑄造結(jié)構(gòu)，其間隙采用豎直間隙，動(dòng)葉片采取45°傾斜角設(shè)計(jì)，此種結(jié)構(gòu)形式在一定程度上保證了磨煤機(jī)攜帶煤粉的能力，但是旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的導(dǎo)流面積決定了上下的壓差。為了降低磨煤機(jī)磨碗進(jìn)出口壓差，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)形式可以進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化建立在有限元分析之上。

通過(guò)多年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)改造情況來(lái)看，降低磨煤機(jī)壓差可將旋轉(zhuǎn)噴嘴靜環(huán)和動(dòng)環(huán)間隙由豎直間隙調(diào)整為水平間隙，同時(shí)動(dòng)環(huán)采用文丘里效應(yīng)模型，通風(fēng)口采用漸縮式結(jié)構(gòu)形式，在一次風(fēng)流速通過(guò)時(shí)，在磨碗上部壓力高于動(dòng)環(huán)中間位置而產(chǎn)生吸附力，以降低磨碗壓差。在磨煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其中部流場(chǎng)屬于惰性區(qū)，動(dòng)環(huán)的流線設(shè)計(jì)將對(duì)一次風(fēng)更好的導(dǎo)流至磨煤機(jī)中部，達(dá)到流場(chǎng)合理性分布。此結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的優(yōu)化已運(yùn)用到各個(gè)火電廠制粉組，其效果明顯。

2.3 密封型式的優(yōu)化

磨煤機(jī)內(nèi)部與外界可以進(jìn)行空氣交換的部位主要是機(jī)座密封和拉桿密封。在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，因磨煤機(jī)密封導(dǎo)致的煤粉泄漏的情況比較常見(jiàn)，煤粉的頻繁跑冒影響著磨煤機(jī)周邊環(huán)境的清潔。較為常見(jiàn)的拉桿密封和機(jī)座密封如圖5、圖6。

圖5 拉桿密封

圖6 機(jī)座密封

拉桿密封主要是因上密封和下密封的失效造成，如圖4畫圈部分，為了更好保證拉桿密封的不漏粉，將上拉桿密封內(nèi)部增加橡膠密封體，下拉桿密封將原密封芯取消更換為耐磨橡膠背靠背結(jié)構(gòu)，以更好的達(dá)到密封效果。機(jī)座密封主要是因下密封芯進(jìn)粉磨損失效，下密封進(jìn)粉唯一途徑是通過(guò)上密封與傳動(dòng)盤的間隙進(jìn)入，為控制煤粉進(jìn)入將上密封與傳動(dòng)盤間隙部分增加密封裝置，如圖7。在拉桿密封和機(jī)座密封優(yōu)化后，多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)反饋其使用壽命增加，運(yùn)行周期較長(zhǎng)，滿足了文明生產(chǎn)的目的。

圖7 機(jī)座密封優(yōu)化

2.4 檢修便利性改造

常規(guī)的ZGM磨煤機(jī)在前期對(duì)檢修便利性的設(shè)計(jì)較少，檢修人員在檢修磨煤機(jī)磨輥裝置和襯板時(shí)，習(xí)慣性的將上部煤粉管切除、分離器吊開，上部部件均拆除后方可對(duì)磨輥裝置和襯板、動(dòng)靜環(huán)進(jìn)行更換。此檢修過(guò)程會(huì)造成人力物力和時(shí)間的浪費(fèi)。為了更好的利用原有機(jī)殼空間，對(duì)原機(jī)殼進(jìn)行改造，合理的位置進(jìn)行開孔安裝磨輥大門。日常檢修時(shí)，可利用檢修工具將磨輥從大門翻轉(zhuǎn)出來(lái)，同時(shí)磨煤機(jī)旋轉(zhuǎn)噴嘴動(dòng)靜環(huán)可設(shè)計(jì)為分段結(jié)構(gòu)形式，更換時(shí)可通過(guò)磨輥大門進(jìn)入，無(wú)需將分離器吊離更換。

綜上，火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)隨著科技的進(jìn)步也不斷進(jìn)行不同的靈活性改造，除了以上改造之外，還涉及煤粉在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)煤粉的細(xì)度、濃度和速度，并根據(jù)煤粉細(xì)度實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)功能。同時(shí)利用模糊算法模型進(jìn)行的磨煤機(jī)輸出與輸入關(guān)系的平衡調(diào)整，在磨煤機(jī)出力變化的情況下，自動(dòng)控制磨煤機(jī)一次風(fēng)量、一次風(fēng)溫及加載壓力等數(shù)據(jù)，以降低磨煤機(jī)運(yùn)行的無(wú)用功損失。