王士強， 田 航， 賀嵐清

(1. 國家能源費縣發(fā)電有限公司， 山東臨沂 276000；2. 上海意豐機電科技開發(fā)有限公司， 上海 200111)

ZGM113型中速磨煤機被廣泛應(yīng)用于600 MW燃煤機組，是發(fā)電機組正壓直吹式制粉系統(tǒng)的主要設(shè)備。近年來，燃煤質(zhì)量逐年下降，經(jīng)常嚴(yán)重偏離設(shè)計煤質(zhì)，導(dǎo)致磨煤機出力不足。磨煤機的性能直接影響到制粉系統(tǒng)的性能，進(jìn)而影響到發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。對磨煤機進(jìn)行全面升級改造，提高磨煤機對煤質(zhì)的適應(yīng)性十分必要。

以某燃煤電廠600 MW超臨界機組的ZGM113型中速磨煤機為研究對象，采用流場優(yōu)化手段，對磨煤機進(jìn)行全面優(yōu)化，研究優(yōu)化前后磨煤機性能的變化，以提升磨煤機制粉的能力。

1 磨煤機結(jié)構(gòu)及原理

圖1為ZGM113型中速磨煤機的結(jié)構(gòu)。

圖1 ZGM113型中速磨煤機的結(jié)構(gòu)

磨盤安裝在中速磨煤機減速機上；主電動機通過中速磨煤機減速機驅(qū)動磨盤水平旋轉(zhuǎn)；3個磨輥通過磨輥加載架均勻布置在磨盤上方，每個磨輥都可以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)；液壓加載裝置與磨輥加載架相連接，向磨輥施加向下的加載力；分離器位于磨煤機上部，分離器頂部有5個煤粉出口和1個原煤入口。

原煤通過落煤管進(jìn)入磨煤機內(nèi)落到磨盤上，磨盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力使煤均勻地進(jìn)入碾磨區(qū)域。在碾磨區(qū)域，3個均勻分布的磨輥與磨盤共同作用，對原煤進(jìn)行滾壓碾磨，逐漸將原煤碾磨成煤粉，被碾磨后的煤粉繼續(xù)向磨盤邊緣擴(kuò)散，最終溢出磨盤。

一次熱風(fēng)由一次風(fēng)入口進(jìn)入磨盤下部，經(jīng)過動、靜風(fēng)環(huán)從磨盤周邊吹入磨煤機內(nèi)部，與溢出的煤粉充分混合。一次熱風(fēng)在干燥煤粉的同時，對煤粉進(jìn)行一次分離，將大顆粒的原煤拋回磨盤重新碾磨，一次風(fēng)攜帶其余煤粉向上進(jìn)入分離器。動、靜風(fēng)環(huán)的作用是使一次熱風(fēng)盡量沿磨盤周邊均勻地進(jìn)入磨煤機，同時合理地組織一次熱風(fēng)，使一次熱風(fēng)具有更好的一次分離效果和煤粉輸送能力。

一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入分離器后，分離器對煤粉進(jìn)行二次分離，合格的煤粉從煤粉出口排出，輸送至鍋爐燃燒，不合格的煤粉經(jīng)分離器的內(nèi)錐返回到磨盤重新碾磨。煤中的石子煤﹑鐵塊等不能被碾磨的雜物通過動、靜風(fēng)環(huán)入排渣箱中，進(jìn)而被排出磨煤機。

2 磨煤機運行現(xiàn)狀

2.1 出力不足

由于煤質(zhì)偏差較大等問題，實際運行時，磨煤機平均給煤質(zhì)量流量不足45 t/h，遠(yuǎn)低于廠家設(shè)計值(58 t/h)。機組滿負(fù)荷運行時，6臺磨煤機必須全部開啟，沒有備用磨煤機。

2.2 風(fēng)煤比偏大

1號機組負(fù)荷為595 MW時，磨煤機運行參數(shù)見表1(風(fēng)煤比為一次風(fēng)質(zhì)量流量與給煤質(zhì)量流量的比)。由表1可得：平均風(fēng)煤比為2.34，與正常風(fēng)煤比(一般為2)相比，明顯偏大。風(fēng)煤比大意味著一次風(fēng)率高，會加劇磨煤機和煤粉管道的磨損，并且對鍋爐熱效率也有不利影響。

表1 ZGM113型中速磨煤機的運行參數(shù)

2.3 動、靜風(fēng)環(huán)及筒壁磨損嚴(yán)重

動、靜風(fēng)環(huán)及筒壁磨損嚴(yán)重在ZGM型中速磨煤機中是比較普遍的現(xiàn)象，磨損位置見圖2。

圖2 中速磨煤機的磨損位置

磨損位置包括靜風(fēng)環(huán)上斜面、靜風(fēng)環(huán)上方的筒壁和動、靜風(fēng)環(huán)的間隙[1]。動、靜風(fēng)環(huán)的間隙磨損后，間隙增大，漏風(fēng)率增加，導(dǎo)致磨煤機出力下降。

2.4 煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)不方便

為了保證煤粉充分燃燒，不同的煤種對應(yīng)不同的煤粉細(xì)度，所以當(dāng)更換煤種時，需要調(diào)節(jié)磨煤機分離器的徑向葉片的角度，以達(dá)到需要的煤粉細(xì)度。但是，由于靜態(tài)分離器葉片的調(diào)節(jié)非常繁瑣，并且煤種更換過于頻繁，不可能實時對徑向葉片進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以經(jīng)常出現(xiàn)煤粉細(xì)度和煤種不匹配的情況。

3 問題分析

3.1 磨煤機內(nèi)流場

外部因素通常難以控制，因此只對磨煤機自身的原因進(jìn)行分析。一次風(fēng)進(jìn)入磨煤機內(nèi)部，攜帶煤粉在磨煤機內(nèi)運動，即形成磨煤機內(nèi)流場。采用流場優(yōu)化的設(shè)計理念，運用流體仿真技術(shù)，將磨煤機內(nèi)流場分為上、中、下3個局部流場，對ZGM113型中速磨煤機進(jìn)行全面流場分析，仿真結(jié)果見圖3，發(fā)現(xiàn)上、中、下流場都存在較大問題。

圖3 ZGM113型中速磨煤機的流場

3.2 流場分析

3.2.1 上部流場

上部流場為分離器區(qū)域，ZGM113型中速磨煤機的分離器為靜態(tài)分離器。一方面，靜態(tài)分離器分離效率低、容積強度低、返粉率高，限制了分離器的出力；另一方面，采用靜態(tài)分離器時調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度不方便，磨煤機無法適應(yīng)當(dāng)前煤種頻繁變換的情況。

3.2.2 中部流場

中部流場為分離器與磨盤之間的區(qū)域，該區(qū)域為惰性區(qū)域。惰性區(qū)域內(nèi)一次風(fēng)速度和一次風(fēng)量都很低，該區(qū)域內(nèi)懸浮了數(shù)量可觀的優(yōu)質(zhì)煤粉，而這些優(yōu)質(zhì)煤粉不能被及時帶走，會重新落到磨盤被再次碾磨(過碾磨)，造成輸送出力的降低和碾磨能力的浪費。

3.2.3 下部流場

下部流場為磨煤機內(nèi)動、靜風(fēng)環(huán)區(qū)域。ZGM113型中速磨煤機的動、靜風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)不合理，會造成風(fēng)粉混合物一次分離的效果差，不能將大顆粒煤粉及時拋回磨盤。這些大顆粒煤粉堆積在動風(fēng)環(huán)上方形成沸騰區(qū)，造成風(fēng)環(huán)及殼體磨損嚴(yán)重，同時增加了磨煤機阻力，在高負(fù)荷時沸騰區(qū)的磨損尤其劇烈。

4 優(yōu)化措施

4.1 磨煤機優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

根據(jù)ZGM113型中速磨煤機的流場分析結(jié)果，采用YF-W型高效動態(tài)分離器，改進(jìn)磨煤機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過流場仿真和多次迭代優(yōu)化后，獲得最佳的磨煤機內(nèi)流場。ZGM113型中速磨煤機優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 ZGM113型中速磨煤機優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

4.2 優(yōu)化具體措施

4.2.1 上部流場優(yōu)化

對比分別采用傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器和YF-W型高效動態(tài)分離器后流場的優(yōu)化效果，兩種分離器的主要區(qū)別是：傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器采用阻力型轉(zhuǎn)子，YF-W型高效動態(tài)分離器采用高效吸風(fēng)轉(zhuǎn)子。

(1) 采用傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器的效果。

傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器結(jié)構(gòu)見圖5，其工作原理是通過調(diào)節(jié)分離器轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)對煤粉細(xì)度的調(diào)節(jié)[2]。但是在實際應(yīng)用中，這種分離器沒有提高磨煤機出力的效果。

圖5 傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器的結(jié)構(gòu)

采用傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器的流場模擬見圖6。為了便于分析和比較高效吸風(fēng)轉(zhuǎn)子與阻力型轉(zhuǎn)子的效果，仿真時簡化了靜葉片[3]。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子葉片之間的空氣隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，這部分空氣有從轉(zhuǎn)子葉片間向外擴(kuò)散的趨勢，這種趨勢對從外部穿過轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部的氣流有阻力效果。

圖6 采用傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器后的流場

一次風(fēng)穿過轉(zhuǎn)子的葉片進(jìn)入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部，然后從煤粉出口排出，所以傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器的阻力明顯大于靜態(tài)分離器的阻力。在轉(zhuǎn)子和分離器殼體的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，氣流的速度很低，說明并沒有因為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在該區(qū)域形成旋轉(zhuǎn)流場，所以煤粉在該區(qū)域內(nèi)沒有達(dá)到離心分離的效果，這正是傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器分離效率低的原因。

(2) 采用YF-W型高效動態(tài)分離器的效果。

采用YF-W型高效動態(tài)分離器的流場模擬結(jié)果見圖7。

圖7 采用YF-W型高效動態(tài)分離器后的流場

一次風(fēng)被吸入轉(zhuǎn)子底部旋轉(zhuǎn)加速后，從轉(zhuǎn)子葉片的間隙排到轉(zhuǎn)子與分離器殼體之間的環(huán)形間隙。在該環(huán)形間隙內(nèi)形成很強的旋轉(zhuǎn)流場，對煤粉有很好的離心分離效果。傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器的轉(zhuǎn)子是阻力型轉(zhuǎn)子，會造成分離器阻力明顯增加，高效吸風(fēng)轉(zhuǎn)子則不會造成阻力增加。因此，采用YF-W型高效動態(tài)分離器時，磨煤機的整體阻力會下降1～2 kPa。此外，YF-W型高效動態(tài)分離器充分利用了分離效率更高的離心分離方式。與傳統(tǒng)動靜結(jié)合式分離器相比，YF-W型高效動態(tài)分離器具有更高的分離效率和更高的容積強度，在保證煤粉細(xì)度的前提下，分離出力大幅提高[4]。

4.2.2 中部流場優(yōu)化

針對中部流場中的惰性區(qū)域，采用中央進(jìn)風(fēng)裝置將一部分一次熱風(fēng)引入磨煤機內(nèi)，這部分一次風(fēng)向下吹，將原來的惰性區(qū)域激活，及時帶走惰性區(qū)域內(nèi)的優(yōu)質(zhì)煤粉，直接提高了磨煤機的輸送出力，同時減少了過碾磨現(xiàn)象，間接提高了磨煤機的碾磨出力。中央進(jìn)風(fēng)裝置的另一優(yōu)點是對原煤有預(yù)烘干作用，有利于提高磨煤機的碾磨能力。

4.2.3 下部流場優(yōu)化

為了提高風(fēng)環(huán)的一次分離效果，動風(fēng)環(huán)的風(fēng)道采用封閉式等截面風(fēng)道結(jié)構(gòu)，可增強一次風(fēng)進(jìn)入磨煤機時的剛性；同時，風(fēng)道上端向磨盤中心傾斜一定角度，有利于將粗煤粉顆粒拋回磨盤。

圖8為優(yōu)化后的動、靜風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖8 優(yōu)化后的動、靜風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)

動風(fēng)環(huán)與靜風(fēng)環(huán)之間的間隙，由原來的豎直圓柱面間隙改為水平端面間隙，可以有效減少間隙變大造成的一次風(fēng)泄漏。靜風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)也更有利于減小沸騰區(qū)，提高一次分離能力[5]。

5 優(yōu)化改造效果

針對該電廠ZGM113型中速磨煤機進(jìn)行優(yōu)化改造，改造對象是2號機組的F磨煤機，同時對上、中、下流場進(jìn)行優(yōu)化改造。改造后，在相同工況條件下(磨輥、磨盤襯板的磨損程度一致，相同煤質(zhì)，同一時間段)，對改造前后磨煤機進(jìn)行性能對比試驗[6]，結(jié)果見表2。由于改造前后磨煤機的煤粉細(xì)度不一致，依據(jù)DL/T 5145—2012 《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)定》，將改造前的給煤質(zhì)量流量(48.57 t/h)換算到煤粉細(xì)度R90為18.0%時的給煤質(zhì)量流量(50.26 t/h)，改造后的給煤質(zhì)量流量為58.65 t/h，比改造前提高16.7%。改造后的磨煤機阻力為4.67 kPa，明顯低于改造前的磨煤機阻力(6.50 kPa)，而改造前的一次風(fēng)平均質(zhì)量流量已經(jīng)降到不足97 t/h，說明改造前的磨煤機已經(jīng)達(dá)到了出力極限，而改造后的磨煤機阻力尚有裕度。改造后的總制粉電耗下降9%。由于采用了YF-W型高效動態(tài)分離器，通過調(diào)節(jié)高效吸風(fēng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速即可十分方便地實現(xiàn)對煤粉細(xì)度的控制。

表2 磨煤機改造前后對比

6 結(jié)語

磨煤機流場優(yōu)化技術(shù)通過分析磨煤機內(nèi)流場，使磨煤機的性能得到全面提升。通過流場優(yōu)化改造對比，ZGM113磨煤機的制粉能力得到了明顯的改善，煤粉細(xì)度在5%～30%內(nèi)動態(tài)可調(diào)，煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)靈活，提高了磨煤機對煤種的適應(yīng)性，為鍋爐的安全穩(wěn)定運行提供了保障。由于ZGM型磨煤機的結(jié)構(gòu)都是類似的，所以磨煤機流場優(yōu)化技術(shù)也適用于其他型號ZGM磨煤機的改造。