300 MW 機組鍋爐制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造與效果分析

劉 袖，石戰(zhàn)勝，馬治安，李宗慧，劉兵兵，趙 冰

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江杭州 310030；2.四川廣安發(fā)電有限責任公司，四川廣安 638017；3.華電國際電力股份有限公司天津開發(fā)區(qū)分公司，天津 300270）

“雙碳”背景下高排放的燃煤電站如何實現(xiàn)節(jié)能降碳、實現(xiàn)碳中和目標引起了社會科技界和企業(yè)界的廣泛探討，要實現(xiàn)燃煤電站的節(jié)能降碳，當務之急是要充分挖掘各設備的性能潛力。制粉作為重要輔機系統(tǒng)，其耗電率約占廠用電率的20%，優(yōu)化其運行參數(shù)、降低系統(tǒng)能耗對提升鍋爐效率和節(jié)能降碳具有重要意義。

制粉系統(tǒng)種類多樣、設備復雜，節(jié)能降碳的關鍵部位也有所不同，中儲式制粉系統(tǒng)可以通過鋼球磨煤機、粗粉分離器、細粉分離器、系統(tǒng)漏風等方面進行優(yōu)化改造[1]，粗粉分離器性能影響鍋爐的燃燒效率和污染物排放，提升粗粉分離器性能可以提高制粉系統(tǒng)出力、煤粉均勻性指數(shù)、降低制粉單耗、降低一次風機電耗[2-4]，細粉分離器通過結構優(yōu)化可以進一步提升分離效率，從而提高機組運行穩(wěn)定性、運行參數(shù)更加平穩(wěn)、減溫水也能有所下降[5-6]，制粉系統(tǒng)的運行參數(shù)和分離器出口過熱度對機組的節(jié)能運行同樣重要[7]。

本文通過研究某電廠機組中儲式制粉系統(tǒng)粗細粉分離器的設備特性，并進行了優(yōu)化設計，分析透視其對制粉系統(tǒng)運行、機組整體效率所起到的重要作用。

1 設備概況

某電廠一期工程2×300 MW 供熱機組為中間儲倉式制粉系統(tǒng)，每臺爐配4 臺鋼球磨煤機。磨煤機設計煤種下最大出力41.487 t/h，最大體積流量113 960 m3/h，校核煤種下最大出力40.987 t/h，最大體積流量112 064 m3/h。每臺磨煤機配一臺串聯(lián)雙軸向粗粉分離器和一臺高效節(jié)能防爆型細粉分離器。

實際運行發(fā)現(xiàn)，鍋爐制粉系統(tǒng)一定程度上存在磨煤機出力偏低、磨煤機出口磨損較重、粗粉分離器循環(huán)倍率偏高等問題。粗細粉分離器試驗前、試驗調整后以及技術規(guī)范書中的性能參數(shù)對比如表1 所示。性能試驗表明，即使對制粉系統(tǒng)進行優(yōu)化調整后，仍存在以下問題：

表1 粗細粉分離器運行參數(shù)

（1） 粗粉分離器循環(huán)倍率明顯偏高，增加制粉單耗，增大磨煤機運行壓差，限制制粉系統(tǒng)出力。

（2） 優(yōu)化調整后粗粉分離器效率顯著低于設計值。

（3） 粗、細粉分離器壓降過大，增大排風機電耗和制粉單耗。

（4） 制粉系統(tǒng)管路及排粉機葉輪磨損嚴重，系統(tǒng)漏風率較高。

鑒于制粉系統(tǒng)存在的上述問題，為促進節(jié)能降耗，提高電廠運行水平，響應京津冀大氣污染治理行動計劃，對制粉系統(tǒng)粗、細粉分離器進行技術改造，消除系統(tǒng)漏風、提高粗細粉分離器效率，降低制粉單耗，是十分必要的。改造后將對降低廠用電率、減少污染物排放、提高運行可靠性和安全性產(chǎn)生顯著的積極效果。

2 研究分析

通過對該電廠制粉系統(tǒng)進行診斷分析，發(fā)現(xiàn)粗粉分離器和細粉分離器性能偏低，制約制粉系統(tǒng)整體性能。原粗粉分離器采用雙軸向粗粉分離器形式，如圖1所示，這種分離器性能雖有提升，但仍有：體積偏大、有效容積強度小，撞擊錐處增壓較大、造成湍流強度增大和顆粒聚集，出口顆粒堆積、揮發(fā)份大的煤粉易自燃而造成安全隱患，分離器壓降偏大造成出力不足、且壓降集中在出口處，切線速度小造成較粗的顆粒分離效率低、引起煤粉細度大。

圖1 改造前粗粉分離器結構示意圖

原有細粉分離器如圖2 所示，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)較大渦量主要分布在集粉斗接口處、排氣管入口處以及出口附近，分離器內漩渦形成較多，主要形成分離器底部和邊壁處，造成煤粉的二次卷吸從而使分離效率下降，主要問題表現(xiàn)在：在圓錐段接近集粉斗處，存在兩個回流區(qū)，且其錐體底部徑向速度較大，一方面影響粉塵落入集粉斗，另一方面容易導致集粉斗內顆粒跟隨氣流上行，不利于分離；在內旋區(qū)域中存在一個貫穿的回流區(qū)，使分離空間變??；切向入口處存在較大的切向速度脈動，造成壓損較大；在排氣管入口處存在二次渦流，影響分離效率。

圖2 改造前細粉分離器結構示意圖

3 改造方案

3.1 粗粉分離器改造

本次改造對粗粉分離器的進行整體更換，對粗粉分離器尺寸進行了重新設計，優(yōu)化了分離器各尺寸的比例，重新設計內錐形狀與尺寸，優(yōu)化了出口外殼形狀，分離器上擋板整體調節(jié)，下?lián)醢甯鶕?jù)計算選擇最優(yōu)角度并固定，如圖3 所示。改造后的方案消除了分離器底部的撞擊分離，從而減小設備壓降，通過優(yōu)化流場，提升了設備性能，達到的有效技術效果概括如下：撞擊部分產(chǎn)生的增壓消失、出口頂蓋部分顆粒聚集基本消失、較大的顆?；緩姆得汗苤信懦龆鳵90以下細顆?；緩某隹谂懦?，進而形成出口顆粒細度降低和分離效率增加優(yōu)點等；由于通流截面的迅速增大，氣流速度迅速變小，然后氣流在撞擊到倒置的撞擊錐后氣流分流向撞擊錐四周環(huán)隙流動；環(huán)隙氣流在遇到分離器下層擋板后速度發(fā)生明顯變化，下檔板破壞了經(jīng)撞擊錐分流后環(huán)隙氣流的運動形態(tài)，氣流速度變小更有利于顆粒相的重力分離。氣流經(jīng)過上層擋板后，由于擋板具有較大的傾斜角，經(jīng)過擋板后的氣流產(chǎn)生了較大的切向速度，這對顆粒的，特別是大顆粒的分離具有明顯的作用。

圖3 粗粉分離器整體更換改造

3.2 細粉分離器改造

對現(xiàn)有細粉分離器尺寸重新設計，內部構件重新設計、優(yōu)化和布置，內部結構增加了穩(wěn)渦和防混裝置，取消原有百葉窗裝置，改進了中心筒，并且優(yōu)化反射屏和集粉斗位置，改造后的方案消除了分離器底部和邊壁處的旋渦，從而消除了煤粉的卷吸，如圖4所示，達到的有效技術效果概括如下：有效消除了圓錐底端的回流區(qū)，在集粉斗接口處直至排氣管入口圓錐段均存在較大的切向速度，且峰值速度更接近中心，徑向分布變化更為劇烈。內旋區(qū)域的切向速度大幅增加，使其中心區(qū)域漩渦運動具有更大的離心力，這種結構設計更有利于分離；消除了內旋區(qū)域中的貫穿回流區(qū)，增加了分離空間；在排氣管入口處形成兩個較大的回流區(qū)，且切向速度較大，有助于顆粒的二次分離；消除了出口處較大的切向速度脈動。

圖4 改造后細粉分離器結構示意圖

4 改造效果

改造前后對2A、2D 制粉系統(tǒng)進行了性能試驗，具體數(shù)據(jù)如表2 所示，投運以來，該制粉系統(tǒng)運行穩(wěn)定、擋板整體調節(jié)靈活，現(xiàn)場操作方便。通過對粗細粉分離器優(yōu)化改造，細粉分離器效率由87.96%提高至97.29%，壓降由3 720 Pa 降低至1 766 Pa，乏氣粉濃度由41.97 g/m3降至9.83 g/m3，粗粉分離器效率有所提升，循環(huán)倍率有所升高，均勻性指數(shù)由1.05 提高至1.26，制粉系統(tǒng)出力平均提升16%，制粉單耗平均降低3.68 kWh/t，節(jié)能減排效果顯著，經(jīng)濟效益可觀，煤粉均勻性指數(shù)提高20%，有助于鍋爐燃燒，在鍋爐入爐煤相近、鍋爐主汽流量相近的情況下，爐渣、飛灰含碳量均有所降低，鍋爐效率提高約0.6%，年節(jié)省燃煤3 000 余噸，減少了污染物排放，制粉系統(tǒng)壓降降低，一次風機電流也有所降低。內錐磨損顯著降低，分離器內部沒有發(fā)生積粉和雜物堵塞；乏氣粉濃度不到原來一半，排粉機葉輪磨損大幅減輕，制粉系統(tǒng)和鍋爐的安全可靠性全面提高。

表2 改造前后數(shù)據(jù)對比

5 結論

由于我國能源緊缺、節(jié)能減排、環(huán)境保護和身體健康等問題的日益突出，尤其是我國日益嚴重的空氣霧霾污染問題，國家對污染排放控制提出了更為嚴格的要求和排放標準。采用先進制粉系統(tǒng)優(yōu)化技術，大幅提高了煤粉分離器效率，穩(wěn)定了鍋爐的燃燒，減少了燃燒損失，降低了發(fā)電煤耗，提高鍋爐效率，節(jié)能減排效果顯著。投運以來制粉系統(tǒng)的總體性能指標顯著提升，分離器沒有發(fā)生積粉和雜物堵塞，從根本上消除分離器內部積粉隱患，全面提高了制粉系統(tǒng)和鍋爐的安全可靠性。