魏東陽

(國家電投集團(tuán)東北電力有限公司，遼寧沈陽 110181)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人民生活水平的日益提高，全國電網(wǎng)裝機(jī)容量也隨之增大，全國的用電結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，造成電網(wǎng)峰谷差日趨增大，尤其是耗電大的省市，用電峰谷差就更加突出，造成電網(wǎng)調(diào)峰幅度和難度越來越大。另一方面，伴隨著低碳經(jīng)濟(jì)的實(shí)施，可再生資源發(fā)電的投入將加大。以東北電網(wǎng)為例，風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量已成為東北電網(wǎng)的第二大能源。隨著風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)，特別是千瓦級(jí)風(fēng)電基地的投運(yùn)，依照現(xiàn)有運(yùn)行火電機(jī)組低谷調(diào)峰能力計(jì)算，系統(tǒng)調(diào)峰問題非常突出［1－2］。

2016年6月14日，國家能源局正式啟動(dòng)靈活性改造示范試點(diǎn)項(xiàng)目。能源局選取了可再生能源消納問題較為突出地區(qū)的16個(gè)典型項(xiàng)目進(jìn)行試點(diǎn)，2016年7月又增加了6個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。根據(jù)發(fā)改委、能源局印發(fā)的《可再生能源調(diào)峰機(jī)組優(yōu)先發(fā)電試行辦法》的專項(xiàng)行動(dòng)措施意見等相關(guān)文件要求，電廠需進(jìn)行相應(yīng)的靈活性改造，提高機(jī)組深度調(diào)峰能力［3－5］。

本文所分析機(jī)組是哈爾濱鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)制造的配300MW汽輪發(fā)電機(jī)組的亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為褐煤。鍋爐型號(hào):HG－1035/17.5－HM35型。鍋爐采用全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉布置。本文以30%、20%TRL兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行制粉系統(tǒng)改造方案的分析和探討。

1 30%TRL制粉系統(tǒng)改造方案

1.1 粉管可調(diào)縮孔更換

對(duì)5臺(tái)磨對(duì)應(yīng)的20只可調(diào)縮孔進(jìn)行更換，以改善一次風(fēng)速可調(diào)節(jié)特性，緩解爐內(nèi)燃燒偏斜。同時(shí)對(duì)煤粉取樣就地測(cè)孔位置進(jìn)行優(yōu)化，比如C磨，測(cè)孔正對(duì)管子，煤粉取樣槍插入受到影響，在保證測(cè)孔位于直管段上前提下，應(yīng)對(duì)BCD磨粉管上的測(cè)孔都進(jìn)行位置優(yōu)化。

1.2 磨煤機(jī)冷風(fēng)管支管技改

在30%TRL工況下，總?cè)济毫吭?5t/h左右，三臺(tái)磨煤機(jī)能夠正常運(yùn)行，出力正常。此時(shí)磨出口溫度高達(dá)90℃(試驗(yàn)期間運(yùn)行不到1h后停止試驗(yàn))，冷風(fēng)擋板開度已滿，煤粉在管道中是流動(dòng)狀態(tài)，爆燃或著火的可能性不大，反而降低了煤粉氣流著火熱。但是磨煤機(jī)本體存在爆燃或者內(nèi)部局部著火的可能性，可考慮對(duì)磨煤機(jī)冷風(fēng)管支管進(jìn)行管徑擴(kuò)大的技改。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，旁路冷一次風(fēng)風(fēng)門已經(jīng)100%全開，磨煤機(jī)出口送粉溫度仍然在90℃以上，若降低一次風(fēng)壓，則會(huì)出現(xiàn)磨煤機(jī)堵磨的風(fēng)險(xiǎn)，可以采用系統(tǒng)改造以解決送粉超溫問題，改造方案本著有效、簡潔的原則確定。通過對(duì)鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)流程圖、冷一次風(fēng)道安裝圖、熱一次風(fēng)道安裝圖的分析計(jì)算，改造方案以降低旁路冷一次風(fēng)阻力，增大冷一次風(fēng)份額實(shí)施。

1.2.1 基本計(jì)算

風(fēng)道改造方案的設(shè)計(jì)通過阻力計(jì)算分析完成，計(jì)算初始數(shù)據(jù)根據(jù)鍋爐30%負(fù)荷現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)選定。根據(jù)熱一次風(fēng)溫、冷風(fēng)溫度、入磨一次風(fēng)溫推測(cè)出冷一次風(fēng)旁路比例約為16%，那么冷一次風(fēng)旁路占總風(fēng)量比例約為6.4%?？諝庾枇τ?jì)算范圍為冷一次風(fēng)道旁路，包括:一次風(fēng)機(jī)出口母管引出三通、冷一次風(fēng)母管含彎頭(Φ720 mm)、冷一次風(fēng)磨煤機(jī)前分配集箱(Φ820 mm)、冷一次風(fēng)分配支管含彎頭(Φ377 mm)、冷風(fēng)支管與熱風(fēng)支管匯集三通、風(fēng)門。

1.2.2 改造方案

根據(jù)對(duì)上述計(jì)算結(jié)果的分析，冷風(fēng)道總阻力約為583Pa，阻力主要集中在分配支管和引入引出位置?？筛脑煳恢眉胺治鋈缦?

一次風(fēng)機(jī)出口，旁路冷一次風(fēng)道引出位置增加導(dǎo)流彎頭可顯著降低引出阻力損失。

旁路冷一次風(fēng)母管(Φ720mm及Φ820mm)擴(kuò)徑雖然可降低系統(tǒng)阻力，但改動(dòng)量大，且對(duì)管道系統(tǒng)阻力改善有限，因此不做修改。

冷一次風(fēng)支管(Φ377mm)流速明顯高于母管，雖然長度短，但阻力損失占總損失一半以上，通過口徑增大的方式可明顯改善，可由Φ377mm改為Φ426mm。

調(diào)節(jié)風(fēng)門和隔斷門在全開狀態(tài)對(duì)阻力改善有限，且投資費(fèi)用大，建議不做更改，接口處以大小頭過渡。

同樣，風(fēng)道引入位置需要增加導(dǎo)流彎頭降低總阻力。

根據(jù)上述改造方案，系統(tǒng)阻力系數(shù)下降，冷風(fēng)旁路與熱風(fēng)道阻力重新平衡，冷一次風(fēng)旁路比例增加，系統(tǒng)總阻力下降。冷一次風(fēng)旁路比例約為20%，冷一次風(fēng)旁路占總風(fēng)量比例約為8%?；旌虾笕肽ワL(fēng)溫可下降12℃，降至262℃。

系統(tǒng)總阻力降低到523.3Pa，阻力降低主要體現(xiàn)在引入、引出、支管段，而母管阻力由于風(fēng)量增加略有升高。

通過對(duì)冷風(fēng)旁路的分析計(jì)算，提出降低阻力的改造方案。改造后系統(tǒng)降低到523.3Pa，冷風(fēng)旁路比例提高至20%?；旌虾笕肽ワL(fēng)溫下降至262℃。進(jìn)而可降低磨煤機(jī)出口風(fēng)溫約10℃。

一次風(fēng)率按50%，同理計(jì)算得出結(jié)果是:改造后冷風(fēng)旁路阻力降低至778.6Pa，冷風(fēng)旁路比例提高至22%?；旌虾笕肽ワL(fēng)溫下降至260℃。進(jìn)而可降低磨煤機(jī)出口風(fēng)溫約11℃。

1.3 MPS200HP－II中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)優(yōu)化方案

1.3.1 磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器改造依據(jù)及改造關(guān)鍵

1.3.1.1 改造依據(jù)

1)現(xiàn)有分離器煤粉調(diào)節(jié)難度較大，不能根據(jù)煤質(zhì)水分變化有效快速調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度;

2)不利于煤粉的均勻分配;

3)MPS200HP－II磨煤機(jī)出力優(yōu)化改造已經(jīng)具有成熟技術(shù)，有成功改造案例。

1.3.1.2 改造關(guān)鍵

1)改造后煤粉細(xì)度和煤粉均勻性要得到保證，而且動(dòng)態(tài)分離器對(duì)煤粉細(xì)度在一定細(xì)度范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)可調(diào)，煤粉均勻性要好;

2)動(dòng)態(tài)分離器阻力不增加，不能降低現(xiàn)有制粉系統(tǒng)的出力，在同樣煤質(zhì)、同樣煤粉細(xì)度的情況下，改造后磨煤機(jī)出力較改造前要有所提高;

3)在同樣煤質(zhì)、同樣煤粉細(xì)度、同樣磨煤機(jī)出力的情況下，改造后磨煤機(jī)分離器阻力較改造前不增加;

4)分離器動(dòng)、靜葉片、分離器頂蓋、分離器出口煤粉管道需要防磨處理;

5)分離器出口煤粉管煤粉分配性良好，保證粉管粉量偏差小;

6)分離器的靜態(tài)殼體與動(dòng)態(tài)部分密封需要注意，防止漏粉;

7)需要注意減速箱殼體的密封，防止齒輪潤滑油的泄露;8)設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際燃燒的煤質(zhì)情況，選擇動(dòng)態(tài)分離器合適的轉(zhuǎn)速，同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)速選擇好減速機(jī)的尺寸;

9)設(shè)計(jì)時(shí)要注意動(dòng)態(tài)分離器軸承的密封，防止煤粉的進(jìn)入導(dǎo)致軸的卡死情況的出現(xiàn);

10)設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)實(shí)際燃燒的煤質(zhì)情況選擇合適的動(dòng)葉直徑、靜葉直徑、分離器筒體尺寸，動(dòng)葉片之間的間距設(shè)計(jì)要合適。

1.3.1.3 具體改造方案

把靜態(tài)分離器改造為動(dòng)態(tài)分離器并同時(shí)更換磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)對(duì)機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃有較大改善，針對(duì)C、D、E磨三臺(tái)進(jìn)行改造。根據(jù)現(xiàn)場的情況以及空間分布。

將原有的分離器拆除，主要拆卸部位為分離器與機(jī)殼的連接法蘭，分離器與落煤管和出粉管的連接法蘭，磨輥密封風(fēng)管和惰化氣體的接口法蘭以及舊磨煤機(jī)風(fēng)環(huán)。安裝分離器之前，先把新風(fēng)環(huán)安裝完畢。更換的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)分離器由轉(zhuǎn)子、靜子、驅(qū)動(dòng)裝置等組成，其與磨煤機(jī)的接口主要有四部分接口，分別是與機(jī)殼連接法蘭接口，與落煤管和出粉管的連接法蘭接口，與磨輥密封風(fēng)管的接口，與防爆蒸汽的接口。

另外，新的分離器增加了變頻電氣裝置，由于該裝置為整體設(shè)計(jì)、組裝，現(xiàn)場安裝比較方便，整個(gè)安裝和調(diào)試工期不超過20天。

1.3.1.4 動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)分離器改造后預(yù)期效果

1)每臺(tái)磨煤機(jī)各個(gè)出粉口的風(fēng)量偏差不大于±5%，粉量偏差不大于±8%;

2)磨煤機(jī)出力增加3% ～5%;

3)要實(shí)現(xiàn)超細(xì)粉燃燒，煤粉粒徑R90由35%調(diào)整到10%～40%動(dòng)態(tài)可調(diào);

4)煤粉均勻性指數(shù)應(yīng)≥1.1;

5)動(dòng)態(tài)分離器葉片使用壽命不低于40000h;

6)動(dòng)態(tài)分離器運(yùn)行平穩(wěn)，頂蓋底面振動(dòng)(雙振幅)小于0.025mm;

7)距動(dòng)態(tài)分離器外殼一米處噪音值不大于85dB(A)。

1.3.2 MPS200HP－II磨煤機(jī)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)優(yōu)化改造方案

1.3.2.1 旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)改造的基本要求

1)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)采用耐磨材質(zhì)，壽命在20000 h以上;

2)一次風(fēng)通過旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)能掃過更大的區(qū)域帶走煤粉，提高輸送出力;

3)一次風(fēng)通過旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)后將大顆粒煤重新拋落回磨碗研磨，降低石子煤量;

4)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)改進(jìn)后風(fēng)環(huán)處風(fēng)速下降，減少磨損;

5)將將旋轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)風(fēng)環(huán)分割為6～12塊，便于拆除及更換。

1.3.2.2 磨煤機(jī)噴嘴環(huán)面積的優(yōu)化

1)原有噴嘴環(huán)面積計(jì)算:中速磨煤機(jī)的葉輪可以被完全拆除，經(jīng)過對(duì)噴口的現(xiàn)場測(cè)量和對(duì)設(shè)備原有圖紙的校核，測(cè)算出每個(gè)噴口的面積。通過計(jì)算反推，再根據(jù)具體的空間尺寸確定R和R，設(shè)計(jì)新的通流結(jié)構(gòu)。

2)通流面積進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵性數(shù)據(jù)和報(bào)告如下:

(a)數(shù)學(xué)模型、邊界條件及收斂標(biāo)準(zhǔn):根據(jù)中速磨煤機(jī)內(nèi)部流場的流動(dòng)特性，本文采用Realize k－e雙方程模型，Simple算法，速度入口、壓力出口，標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，無滑移邊界條件。收斂的判據(jù)為流場迭代殘差＜10e－3，進(jìn)出口流量誤差＜3%。

(b)邊界條件的設(shè)定:鍋爐滿負(fù)荷磨煤機(jī)運(yùn)行工況。

(c)構(gòu)體及網(wǎng)格劃分:采用Fluent前處理器Gambit進(jìn)行構(gòu)體和網(wǎng)格劃分。由于磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了盡可能減少甚至避免磨煤機(jī)模擬過程中經(jīng)常會(huì)遇到的偽擴(kuò)散問題，同時(shí)又使問題盡可能的簡單(考慮到計(jì)算機(jī)硬件條件的限制)，采用把磨煤機(jī)分成兩部分模擬的分區(qū)域模擬方法進(jìn)行模擬，分成噴環(huán)以下部分和噴環(huán)以上兩部分進(jìn)行模擬。首先進(jìn)行噴環(huán)部分的數(shù)值模擬研究，然后取噴環(huán)出口的速度場和溫度場作為上部的進(jìn)口邊界條件。由于磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，局部加密的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格數(shù)目噴環(huán)部分為77萬，噴環(huán)上部位110萬。

1.3.3 MPS200HP－II磨煤機(jī)加載系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整

1.3.3.1 磨煤機(jī)加載系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整改造的基本要求

1)磨煤機(jī)加載系統(tǒng)滿足磨煤機(jī)低負(fù)荷出力時(shí)加載穩(wěn)定的要求;

2)磨煤機(jī)加載系統(tǒng)運(yùn)行靈活、穩(wěn)定，對(duì)煤質(zhì)適應(yīng)性范圍加大，提高磨煤機(jī)碾磨出力。

1.3.3.2 磨煤機(jī)加載系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整改造的具體方法

1)對(duì)目前使用的磨煤機(jī)加載系統(tǒng)進(jìn)行校核、計(jì)算，確定目前磨煤機(jī)最低出力范圍;

2)對(duì)目前磨煤機(jī)加載系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，部分更換磨煤機(jī)加載系統(tǒng)部件;

3)對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化改造后的磨煤機(jī)加載系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，滿足改造要求。

2 20%TRL制粉系統(tǒng)改造方案

在20%TRL負(fù)荷下，燃煤量只有52t/h左右，若采用三臺(tái)磨煤機(jī)則磨煤機(jī)出口風(fēng)溫達(dá)到101℃，遠(yuǎn)高于允許溫度，煤粉質(zhì)量濃度只有0.21，不利于穩(wěn)燃，磨煤機(jī)在該工況下運(yùn)行，煤粉均勻性極差，風(fēng)粉分配均勻性存在很大問題，煤粉細(xì)度較粗。若采用2臺(tái)磨煤機(jī)則相對(duì)來說優(yōu)于三臺(tái)磨煤機(jī)，此時(shí)風(fēng)煤比有所下降，磨煤機(jī)出口溫度降為90℃。因此推薦采用兩臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。

涉及的磨煤機(jī)技改參考章節(jié)1中30%TRL的技改即可。

3 結(jié)論及探討

改造后機(jī)組運(yùn)行中存在的問題主要是:(1)磨煤機(jī)存在部分粉管中一次風(fēng)粉速度偏差大，爐膛存在燃燒偏斜現(xiàn)象，主再汽溫左、右側(cè)偏差大，煙氣流場分布均勻性較差。(2)三臺(tái)磨運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)荷低至30%TRL以下，磨入口冷風(fēng)擋板開至100%，但磨分離器出口溫度高達(dá)90℃以上，磨煤機(jī)本體存在煤粉爆燃或著火的安全隱患。解決措施為:對(duì)磨煤機(jī)冷風(fēng)管道支管進(jìn)行增粗的技改，以減小冷風(fēng)阻力，提高冷風(fēng)量的比例，來降低30%TRL或20%TRL工況下三臺(tái)磨運(yùn)行時(shí)磨分離器出口的溫度。