劉建華， 李金晶

(華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司， 北京 100045)

磨煤機(jī)是煤粉鍋爐的核心輔機(jī)設(shè)備之一，燃煤發(fā)電機(jī)組大多缺少穩(wěn)定的煤源，導(dǎo)致入爐煤質(zhì)復(fù)雜多變[1]；入爐煤中往往夾雜了石塊、木塊、鐵塊及其他雜質(zhì)，進(jìn)一步增加了影響磨煤機(jī)運(yùn)行可靠性的不可控因素；另外，在磨煤機(jī)內(nèi)部，氣-固兩相流動的流場設(shè)計也很復(fù)雜，局部甚至可能出現(xiàn)爆炸、磨損、漏粉或漏油等故障，這導(dǎo)致了磨煤機(jī)處于十分惡劣的工作環(huán)境中，難以保持長周期的穩(wěn)定運(yùn)行性能。煤粉鍋爐的燃燒性能易受磨煤機(jī)性能影響[2]，因此磨煤機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)工作是燃煤發(fā)電廠鍋爐專業(yè)的重要課題。

磨煤機(jī)出現(xiàn)的問題，按照其對機(jī)組運(yùn)行的影響程度可大致分為可靠性問題、經(jīng)濟(jì)性問題和生產(chǎn)環(huán)境問題?？煽啃詥栴}直接關(guān)系到磨煤機(jī)甚至是發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，研究方向有制粉系統(tǒng)防爆[3]、提高磨煤機(jī)出力[4]、提高附屬設(shè)備可靠性[5]等。經(jīng)濟(jì)性問題只影響發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本，研究方向有延長設(shè)備壽命[6]、準(zhǔn)確控制一次風(fēng)量[7]、減少磨煤機(jī)運(yùn)行數(shù)量[8]、優(yōu)化進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)[9]、改善煤粉細(xì)度[10]等。生產(chǎn)環(huán)境問題主要考慮生產(chǎn)區(qū)域的安全、文明、衛(wèi)生等，研究方向有隔絕熱風(fēng)進(jìn)入停運(yùn)磨煤機(jī)[11]、防止粉塵污染[12]、及時清運(yùn)石子煤[13]等。

筆者針對某600 MW機(jī)組的中速磨煤機(jī)通風(fēng)量過大的問題，探索在保持合理風(fēng)速的前提下減小制粉系統(tǒng)一次風(fēng)量的改進(jìn)措施，綜合考慮了磨煤機(jī)的風(fēng)煤比(通風(fēng)質(zhì)量流量與給煤質(zhì)量流量的比)、石子煤量和煤粉細(xì)度等指標(biāo)，不僅涉及磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，還包括運(yùn)行方式和維護(hù)方式的同步優(yōu)化。

1 設(shè)備概況

某600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組的鍋爐型號為SG-2028/17.5-YM908，是亞臨界、控制循環(huán)、四角切向燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼構(gòu)架的Π形汽包爐。鍋爐實(shí)際燃用毗鄰煤礦的優(yōu)質(zhì)煙煤(煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1)，設(shè)計保證效率為93.58%。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，爐前配置6臺HP1003型中速磨煤機(jī)，其中5臺運(yùn)行，1臺備用，磨煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 典型入爐煤質(zhì)分析

表2 磨煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

鍋爐在600 MW、450 MW和350 MW 3個穩(wěn)定工況下的主要性能測試結(jié)果見表3(NOx初始排放質(zhì)量濃度為選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)入口煙氣中NOx質(zhì)量濃度)。實(shí)測鍋爐效率均優(yōu)于設(shè)計保證值(93.58%)，在電站鍋爐中處于較高水平；主要問題是NOx初始排放質(zhì)量濃度均高于設(shè)計保證值(150 mg/m3)，表明當(dāng)前的燃燒方式未能達(dá)到減少NOx生成量的預(yù)期目標(biāo)。

表3 鍋爐運(yùn)行實(shí)際性能

在機(jī)組為600 MW時，比較同時運(yùn)行5臺磨煤機(jī)(制粉系統(tǒng)一次風(fēng)質(zhì)量流量為426 t/h)和同時運(yùn)行6臺磨煤機(jī)(制粉系統(tǒng)一次風(fēng)質(zhì)量流量為489 t/h)兩種工況下的NOx初始排放質(zhì)量濃度，得到的結(jié)果見圖1。由圖1可得：兩種工況下的NOx初始排放質(zhì)量濃度相差達(dá)30.7 mg/m3，可見一次風(fēng)量對NOx初始排放質(zhì)量濃度有重要影響。

在保持磨煤機(jī)出口溫度正常(68～75 ℃)的前提下，減小單臺磨煤機(jī)的入口一次風(fēng)量，探索A、B、C、D磨煤機(jī)的入口一次風(fēng)量優(yōu)化值，具體見表4。

表4 磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量試驗(yàn)結(jié)果

在機(jī)組分布式控制系統(tǒng)(DCS)邏輯中，各磨煤機(jī)入口一次風(fēng)質(zhì)量流量的設(shè)置值比優(yōu)化值大10.1%～18.5%，可見磨煤機(jī)均存在不同程度的入口一次風(fēng)質(zhì)量流量設(shè)置值偏大的問題。由于實(shí)際運(yùn)行中操作人員習(xí)慣增設(shè)正偏置來減少石子煤量，因此磨煤機(jī)入口一次風(fēng)質(zhì)量流量的實(shí)際值比優(yōu)化值偏大更多。一次風(fēng)量偏大是導(dǎo)致NOx初始排放質(zhì)量濃度偏高的重要原因，應(yīng)對磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行和維護(hù)方式進(jìn)行綜合改進(jìn)。

2 綜合改進(jìn)方案

2.1 石子煤排放控制

2.1.1 石子煤排放特性摸底試驗(yàn)

在D、E磨煤機(jī)上，測試并得到了磨煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行約1 h的數(shù)據(jù)，并化驗(yàn)了石子煤發(fā)熱量，結(jié)果見表5。DL/T 467—2004 《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)》規(guī)定正常運(yùn)行時磨煤機(jī)石子煤質(zhì)量流量應(yīng)不大于磨煤機(jī)額定給煤質(zhì)量流量的0.05%(即29.1 kg/h)，并且石子煤發(fā)熱量應(yīng)不大于6.27 MJ/kg。

表5 磨煤機(jī)石子煤排放試驗(yàn)結(jié)果

由表5可得：D磨煤機(jī)的石子煤質(zhì)量流量受入口一次風(fēng)質(zhì)量流量的影響很大，入口一次風(fēng)質(zhì)量流量從102 t/h減至80 t/h時，石子煤質(zhì)量流量增大近6倍，石子煤發(fā)熱量增大近4倍，這表明D磨煤機(jī)在入口一次風(fēng)量減小時石子煤排放情況已明顯偏離正常工況；即使是石子煤排放情況較好的E磨煤機(jī)，其石子煤質(zhì)量流量也是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值(29.1 kg/h)的2.46倍，石子煤發(fā)熱量也超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值(6.27 MJ/kg)，這表明E磨煤機(jī)石子煤排放情況也已明顯偏離正常工況。

2.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢查

圖2為磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意。對磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐一進(jìn)行檢查，通過測量和計算發(fā)現(xiàn)，磨煤機(jī)轉(zhuǎn)動葉輪與外殼間隙為15～30 mm，較制造廠推薦值(8～10 mm)偏大，使得間隙漏風(fēng)過多，從轉(zhuǎn)動葉輪進(jìn)入的一次風(fēng)的速度較設(shè)計值偏低。另外，磨輥與磨盤間隙普遍大于10 mm，也較制造廠推薦值(6～8 mm)偏大，使得磨輥對煤顆粒的碾磨能力較設(shè)計值偏小。當(dāng)磨煤機(jī)入口風(fēng)質(zhì)量流量低于90 t/h時，速度較低的一次風(fēng)不足以托起較大的煤粒，導(dǎo)致大量煤粒從石子煤排放口涌出，不但加重了石子煤清理的工作量，同時也使機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性降低。按照磨煤機(jī)石子煤排放特性摸底試驗(yàn)結(jié)果粗略估算，不考慮制粉系統(tǒng)電耗增量，石子煤量和發(fā)熱量過大導(dǎo)致鍋爐效率降低約0.1百分點(diǎn)，折合增加機(jī)組煤耗約0.3 g/(kW·h)。

正常的磨煤機(jī)通風(fēng)量(一次風(fēng)量)應(yīng)滿足三方面的運(yùn)行需求：(1)將磨制的煤粉經(jīng)由磨煤機(jī)本體和煤粉管道輸送至爐膛，即不堵磨煤機(jī)、不堵粉管；(2)干燥入爐原煤，即確保合適的磨煤機(jī)出口溫度；(3)在保證石子煤正常排出的同時托住較大的煤顆粒，即維持合適的石子煤量。從實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，該機(jī)組磨煤機(jī)通風(fēng)量的調(diào)節(jié)主要受到第三個因素的制約。因此，開展制粉系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的前提是解決磨煤機(jī)低風(fēng)量運(yùn)行時石子煤量過大的問題。

2.1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為解決低風(fēng)量運(yùn)行時石子煤量過大的問題，磨煤機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要包括兩方面的工作：(1)調(diào)整磨煤機(jī)入口一次風(fēng)通流面積，使低風(fēng)量下的一次風(fēng)速度達(dá)到設(shè)計值；(2)調(diào)整磨輥與磨盤間隙至6～8 mm，增強(qiáng)磨輥對煤顆粒的碾磨能力?？紤]到封堵磨煤機(jī)轉(zhuǎn)子與外殼間隙的操作難度較大，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡澀，降低磨煤機(jī)運(yùn)行可靠性，故調(diào)整磨煤機(jī)入口一次風(fēng)通流面積主要采用封堵轉(zhuǎn)動葉輪的方式。

磨輥與磨盤間隙調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果見表6。通過調(diào)小磨輥與磨盤間隙至廠家推薦值，石子煤質(zhì)量流量減小了177 kg/h，石子煤發(fā)熱量減小了3.12 MJ/kg，磨煤機(jī)出口煤粉粒度還略有變細(xì)。調(diào)小磨輥和磨盤間隙對磨煤機(jī)的這幾項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)都有不同程度的改善作用，但相比正常石子煤質(zhì)量流量(29.1 kg/h)和石子煤發(fā)熱量(6.27 MJ/kg)的規(guī)定，只依靠調(diào)整磨輥與磨盤間隙還不能完全達(dá)到以上要求。

表6 磨輥與磨盤間隙調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過測量和計算，對A～F磨煤機(jī)葉輪進(jìn)行了不同程度的封堵，以期在較低的磨煤機(jī)通風(fēng)量下有效提高入口一次風(fēng)速度，并將石子煤量控制在正常范圍內(nèi)，結(jié)果見表7。葉輪封堵材料采用圓弧形扁鋼(見圖3)。葉輪封堵后，在相同的入口一次風(fēng)質(zhì)量流量下，磨煤機(jī)石子煤量減小了一個數(shù)量級，石子煤發(fā)熱量也降至6.27 MJ/kg以下。磨煤機(jī)石子煤量過大的問題基本解決，為后續(xù)開展運(yùn)行優(yōu)化工作創(chuàng)造了良好條件。

表7 磨煤機(jī)葉輪封堵試驗(yàn)結(jié)果

2.2 磨煤機(jī)通風(fēng)量優(yōu)化

解決了石子煤量過大的問題后，制約磨煤機(jī)通風(fēng)量調(diào)節(jié)的主要因素是磨煤機(jī)的干燥出力。為滿足磨煤機(jī)干燥出力，且降低一次風(fēng)機(jī)電耗，應(yīng)對磨煤機(jī)風(fēng)煤比曲線進(jìn)行優(yōu)化。在滿足磨煤機(jī)出口溫度大于70 ℃的前提下，通過降低一次風(fēng)量來盡量減小冷一次風(fēng)門的開度。由于各臺磨煤機(jī)實(shí)際狀態(tài)存在明顯差異，優(yōu)化后風(fēng)煤比曲線不會完全相同。優(yōu)化前、后的磨煤機(jī)風(fēng)煤比自動控制曲線見圖4，由于優(yōu)化前磨煤機(jī)運(yùn)行中入口一次風(fēng)質(zhì)量流量通常設(shè)置了一定的正偏置，因此在磨煤機(jī)正常運(yùn)行的給煤質(zhì)量流量范圍(30～60 t/h)，優(yōu)化后每臺磨煤機(jī)的入口一次風(fēng)質(zhì)量流量實(shí)際下降幅度均在10%以上。

2.3 磨煤機(jī)狀態(tài)檢修措施

隨著磨煤機(jī)部件的磨損和運(yùn)行狀態(tài)的劣化，需要適時采取相應(yīng)的狀態(tài)檢修措施，磨煤機(jī)的狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)見圖5。

具體措施為：

(1) 按照邏輯中設(shè)置的風(fēng)煤比，在磨煤機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況下試驗(yàn)測量石子煤質(zhì)量流量，取樣化驗(yàn)石子煤的發(fā)熱量。

(2) 如果同時滿足石子煤質(zhì)量流量大于29.1 kg/h和石子煤發(fā)熱量大于6.27 MJ/kg，則需要停運(yùn)磨煤機(jī)并檢修磨煤機(jī)下部的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子外緣與筒體間的間隙。

(3) 如果以上2個條件(石子煤質(zhì)量流量大于29.1 kg/h、石子煤發(fā)熱量大于6.27 MJ/kg)僅滿足其中之一，則需要加強(qiáng)監(jiān)視，按照第1步進(jìn)行試驗(yàn)復(fù)測，并匯同專業(yè)機(jī)構(gòu)開展診斷分析，不應(yīng)隨意為磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量設(shè)置正偏置。

3 改進(jìn)結(jié)果及分析

測試機(jī)組在3個負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行時，鍋爐的NOx初始排放質(zhì)量濃度和鍋爐效率見表8。

表8 改進(jìn)后鍋爐性能復(fù)測結(jié)果

由表8可得：在鍋爐效率不下降的前提下，NOx初始排放質(zhì)量濃度分別下降了24 mg/m3、42 mg/m3、59 mg/m3。NOx初始排放質(zhì)量濃度下降后，按上一年發(fā)電量和脫硝還原劑(尿素)單價測算，該600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組可節(jié)約脫硝還原劑購置成本41.2萬元/a。中速磨煤機(jī)綜合改進(jìn)的成功經(jīng)驗(yàn)已在同類型的另一臺機(jī)組上完成推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

(1) 制粉系統(tǒng)一次風(fēng)量偏大是導(dǎo)致鍋爐NOx初始排放質(zhì)量濃度偏高的重要原因。為減小制粉系統(tǒng)一次風(fēng)量，要求對磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行和維護(hù)方式進(jìn)行綜合改進(jìn)。

(2) 制粉系統(tǒng)一次風(fēng)量的關(guān)鍵制約因素是石煤子排放情況，包括石子煤質(zhì)量流量和石子煤發(fā)熱量。在通風(fēng)量減小時，磨煤機(jī)的石子煤排放明顯偏離正常工況。

(3) 磨煤機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要包括：調(diào)整磨煤機(jī)入口一次風(fēng)通流面積，使低風(fēng)量下的入口一次風(fēng)速度達(dá)到設(shè)計值；調(diào)整磨輥與磨盤間隙至6～8 mm，增強(qiáng)磨輥對煤顆粒的碾磨能力。

(4) 作為磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的配套工作，通風(fēng)量優(yōu)化使每臺磨煤機(jī)的入口風(fēng)質(zhì)量流量實(shí)際下降幅度均在10%以上。隨著磨煤機(jī)部件的磨損和運(yùn)行狀態(tài)的劣化，應(yīng)適時采取相應(yīng)的狀態(tài)檢修措施。