□ 李志強(qiáng)

上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司 上海 200245

1 H電廠項目情況

H電廠2×600 MW火力發(fā)電機(jī)組分別于2005年8月和2005年11月投入運(yùn)行,每臺火力發(fā)電機(jī)組制粉系統(tǒng)均配置六臺IHI-VS24中速磨煤機(jī),鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時,五臺IHI-VS24磨煤機(jī)運(yùn)行,一臺備用[1]。IHI-VS24磨煤機(jī)配用靜態(tài)分離器,運(yùn)行至今,分離效果較差,分離器折向門開度小于40%時,IHI-VS24磨煤機(jī)的振動大,其煤粉細(xì)度R90最大達(dá)21.2%,與設(shè)計值14%±2%有明顯偏差,導(dǎo)致低負(fù)荷爐內(nèi)燃燒效果差,火力發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰燃燒效果則更差。鍋爐原設(shè)計煤種見表1,實(shí)際應(yīng)用煤種見表2,IHI-VS24磨煤機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場如圖1所示。

“十三五”期間我國大力發(fā)展了風(fēng)能、太陽能等可再生能源。風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性較強(qiáng),大規(guī)模并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了負(fù)面影響。為提高可再生能源的消納能力,承擔(dān)全國70%以上發(fā)電量的火力發(fā)電機(jī)組必須承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)[2]。因此,火力發(fā)電機(jī)組的靈活性改造和深度調(diào)峰工作越來越受到重視。2020年7月,作為火力發(fā)電機(jī)組靈活性改造的一部分,H電廠通過設(shè)計供貨施工總承包項目招標(biāo)對IHI-VS24磨煤機(jī)進(jìn)行動態(tài)分離器改造。投標(biāo)人需結(jié)合該電廠2017年至2019年煤質(zhì)情況,按照實(shí)際煤種進(jìn)行設(shè)計改造,通過改造實(shí)現(xiàn)三方面要求。

(1) 在不降低IHI-VS24磨煤機(jī)出力的條件下,進(jìn)行設(shè)計、供貨、施工改造,實(shí)現(xiàn)煤粉均勻性指標(biāo)不小于1.2,煤粉細(xì)度R90不大于14%,而且可以實(shí)時調(diào)整。

表1 鍋爐原設(shè)計煤種

表2 鍋爐實(shí)際應(yīng)用煤種

(2) 消除IHI-VS24磨煤機(jī)高負(fù)荷折向門關(guān)小時的振動現(xiàn)象。

(3) IHI-VS24磨煤機(jī)電耗不大于9 (kW·h)/t。

對H電廠煤質(zhì)2017年、2018年、2019年統(tǒng)計加權(quán),綜合分析電廠現(xiàn)有煤質(zhì)及后續(xù)煤質(zhì)變化情況,改造采用三年平均值作為設(shè)計煤質(zhì),煤質(zhì)可磨性因數(shù)為75,同時考慮電廠多種煤質(zhì)的適應(yīng)性。

圖1 IHI-VS24磨煤機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場

2 IHI-VS24磨煤機(jī)簡介

2.1 技術(shù)來源

火力發(fā)電廠中常用的磨煤機(jī)類型有三種:① 低速磨煤機(jī),轉(zhuǎn)速為17～24.5 r/min,一般為鋼球磨煤機(jī);② 中速磨煤機(jī),轉(zhuǎn)速為22～64 r/min,一般為碗式、輪式、平盤磨煤機(jī);③ 高速磨煤機(jī),轉(zhuǎn)速為425～1 000 r/min,一般為風(fēng)扇磨煤機(jī)等[3]。中速磨煤機(jī)中,應(yīng)用最廣的有碗式HP磨煤機(jī)、輪式MPS磨煤機(jī)、輪式MBF磨煤機(jī)三種。這三種磨煤機(jī)都屬于中速立式磨煤機(jī),研磨機(jī)理大致相同,對煤種的適應(yīng)性也基本相同。隨著中速磨煤機(jī)市場競爭的加劇,這三種磨煤機(jī)為了爭奪中速磨煤機(jī)市場,也在吸取優(yōu)點(diǎn),互相取長補(bǔ)短,不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和完善,結(jié)果是這三種磨煤機(jī)在結(jié)構(gòu)方面存在的不同點(diǎn)在減少,相同點(diǎn)在增多,差異越來越小[4]。對碗式HP、輪式MPS、輪式MBF這三種磨煤機(jī)的參數(shù)進(jìn)行比較,對于研究輪式MBF磨煤機(jī)的性能,提升改造有很大借鑒意義。IHI-VS24磨煤機(jī)是日本石川島播磨重工業(yè)株式會社在引進(jìn)美國福斯特惠勒公司輪式MBF磨煤機(jī)基礎(chǔ)上制造的,也屬于輪式MBF磨煤機(jī)。

2.2 主要設(shè)計參數(shù)

H電廠的IHI-VS24磨煤機(jī)主要設(shè)計參數(shù)中,磨碗直徑為2 388 mm[5],磨碗轉(zhuǎn)速為22.7 r/min,磨輥直徑為1 880 mm,電機(jī)功率為690 kW,設(shè)計出力為66.5 t/h,煤粉細(xì)度R75不大于15%。

2.3 結(jié)構(gòu)

IHI-VS24磨煤機(jī)是立式中速磨煤機(jī)的一種,主要由落煤管、頂蓋、內(nèi)錐體、折向門、分離器體、磨輥裝置、彈簧加載裝置、磨碗裝置、側(cè)機(jī)體、石子煤出口和減速機(jī)等部件組成,如圖2所示。

圖2 IHI-VS24磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)

2.4 工作原理

以下介紹IHI-VS24磨煤機(jī)的工作原理[6]。

給煤機(jī)輸送來的原煤通過位于磨煤機(jī)中心的落煤管,落到磨碗上。

減速機(jī)由電動機(jī)驅(qū)動,磨碗與減速機(jī)連接,和減速機(jī)一起轉(zhuǎn)動。原煤落到磨碗上后,在離心力的作用下沿徑向朝外移動,在磨碗上形成一層煤床。煤床在可繞軸轉(zhuǎn)動的磨輥裝置下通過,此時,彈簧加載裝置產(chǎn)生的碾磨力通過轉(zhuǎn)動的磨輥施加在煤床上,原煤在磨碗和磨輥之間被碾磨成粉。

徑向和周向移動的原煤攜帶著被破碎的煤粉越過磨碗邊緣,進(jìn)入輸送介質(zhì)一次風(fēng)通道。輸送介質(zhì)通常是熱空氣,熱空氣有兩個作用,一是干燥煤粉,二是輸送煤粉。在輸送介質(zhì)的攜帶下,煤粉在磨煤機(jī)內(nèi)部進(jìn)行二級分離。合格的煤粉被送至鍋爐進(jìn)行燃燒,不合格的煤粉返回磨碗繼續(xù)進(jìn)行碾磨。穿過氣流掉入側(cè)機(jī)體區(qū)域內(nèi)的不易磨碎的外來雜物被裝在磨碗轂上的刮板裝置刮入側(cè)機(jī)體底板上的孔內(nèi),進(jìn)入石子煤出口,排出磨煤機(jī)。

帶靜態(tài)分離器的磨煤機(jī)通過折向門調(diào)節(jié)裝置來控制折向門的開度,最終控制進(jìn)入鍋爐的煤粉細(xì)度。

3 改造方案

通過對H電廠IHI-VS24磨煤機(jī)碾磨能力、攜帶能力、干燥能力、現(xiàn)場配套能力等方面進(jìn)行充分核算,最終提出三項主要改造內(nèi)容。考慮到H電廠的實(shí)際情況,最終僅實(shí)施前兩項改造內(nèi)容,后一項改造內(nèi)容可為其它有需要的電廠提供借鑒。

3.1 靜態(tài)分離器改造為動態(tài)分離器

20世紀(jì)80年代末期,為了應(yīng)對新環(huán)保法案的要求,降低鍋爐氮氧化物排放量和飛灰含碳量,美國阿爾斯通公司開始開發(fā)磨煤機(jī)動態(tài)分離器,并陸續(xù)應(yīng)用于世界各地的火電廠。

2004年以后,隨著國內(nèi)首套配套動態(tài)分離器磨煤機(jī)的1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組在華能玉環(huán)電廠投產(chǎn),動態(tài)分離器技術(shù)逐漸應(yīng)用于國內(nèi)大型火力發(fā)電機(jī)組,并取得了很好的效果。

磨煤機(jī)配套的動態(tài)分離器裝置主要包括以下幾個部分:變頻器、變頻電機(jī)、減速器、軸承座裝置、V形帶、轉(zhuǎn)子體裝置。

變頻電機(jī)和減速器連接在一起,變頻電機(jī)通過變頻器改變頻率而改變轉(zhuǎn)速。減速器輸出軸上安裝主動帶輪,通過V形帶帶動從動輪。從動輪通過軸承座裝置與轉(zhuǎn)子體裝置連接在一起,使轉(zhuǎn)子體裝置轉(zhuǎn)動。

軸承座裝置裝有一對脂潤滑角接觸球軸承,軸承安裝在由結(jié)構(gòu)件制成的軸承座中。上、下軸承各配有一個熱電阻,用于監(jiān)測軸承溫度。為了保護(hù)軸承,軸承座裝置兩端各有一個迷宮型密封結(jié)構(gòu)。

動態(tài)分離器可以有效避免粒度小于75 μm的細(xì)小顆粒不必要的重新碾磨,使合格的煤粉較快排出磨煤機(jī),進(jìn)而提高磨煤機(jī)的分離效率。因此,帶動態(tài)分離器的磨煤機(jī)內(nèi)循環(huán)負(fù)荷比帶靜態(tài)分離器的磨煤機(jī)小,能夠提高磨煤機(jī)的性能。換言之,在相同的煤質(zhì)和細(xì)度要求下,采用動態(tài)分離器可以提高磨煤機(jī)的出力;在相同的煤質(zhì)和出力要求下,采用動態(tài)分離器可以提高煤粉的細(xì)度。

近年來,筆者公司在磨煤機(jī)內(nèi)部流場優(yōu)化方面與上海電氣中央研究院和國內(nèi)知名高校展開密切合作,不斷提升研發(fā)水平,為用戶提供更優(yōu)解決方案。對動態(tài)分離器的深入研究結(jié)果表明,動態(tài)分離器的分離效率與轉(zhuǎn)子體裝置葉片數(shù)量、角度、寬度,以及磨煤機(jī)內(nèi)部間隙都有密切關(guān)系,只有確定了合適的參數(shù),才能最大限度發(fā)揮動態(tài)分離器的作用。

國內(nèi)某發(fā)電廠MBF-23磨煤機(jī)動態(tài)分離器改造實(shí)踐表明,將靜態(tài)分離器改造為動態(tài)分離器后,煤粉細(xì)度R75隨著動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速的提高而線性減小。動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速達(dá)到72.8 r/min時,煤粉細(xì)度R75可達(dá)到17.76%,動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速仍可以繼續(xù)提高,來獲得更小的煤粉細(xì)度。試驗多個工況,煤粉均勻性指標(biāo)均大于1.2[7]。筆者公司配套動態(tài)分離器磨煤機(jī)已超過1 000臺,靜態(tài)分離器改造為動態(tài)分離器的項目已有幾十臺,以往項目中,石嘴山電廠磨煤機(jī)煤粉細(xì)度R90達(dá)到9.95%～16.3%,沙角C電廠磨煤機(jī)煤粉細(xì)度R90達(dá)到15%～19%,煤粉均勻性指標(biāo)達(dá)到1.2以上,虎山電廠磨煤機(jī)煤粉細(xì)度R90達(dá)到11%～16%,煤粉均勻性指標(biāo)達(dá)到1.48～1.57。由此可見,動態(tài)分離器相比于靜態(tài)分離器,確實(shí)能明顯提高磨煤機(jī)的性能。與動態(tài)分離器有關(guān)的兩個核心指標(biāo),煤粉均勻性指標(biāo)達(dá)到1.2以上,煤粉細(xì)度不大于14%±2%,是完全可以控制的。帶動態(tài)分離器的磨煤機(jī)通過變頻電機(jī)、減速器來控制轉(zhuǎn)子體裝置的轉(zhuǎn)速,最終控制進(jìn)入鍋爐的煤粉細(xì)度。改造后IHI-VS24磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后IHI-VS24磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)

影響磨煤機(jī)振動的原因較多,涉及設(shè)計、安裝、運(yùn)行等方面,運(yùn)行層面的原因較為常見[8]。改造項目中,磨煤機(jī)振動主要發(fā)生在分離器折向門開度小于40%時。經(jīng)過分析,主要原因是磨煤機(jī)靜態(tài)分離器分離效率低,為了達(dá)到較小的煤粉細(xì)度,需要關(guān)小折向門。折向門關(guān)太小后,導(dǎo)致煤粉無法及時排出磨煤機(jī),進(jìn)入鍋爐燃燒,煤粉在磨煤機(jī)內(nèi)都造成風(fēng)粉混合物氣流紊亂,并在磨碗上堆積,從而導(dǎo)致磨煤機(jī)產(chǎn)生振動。將靜態(tài)分離器改造為動態(tài)分離器,分離效率明顯提高,煤粉細(xì)度可以輕松達(dá)到設(shè)計要求,上述原因帶來的振動問題也將迎刃而解。因此,將靜態(tài)分離器改造為動態(tài)分離器是本項目必不可少的一項改造內(nèi)容。

問題的關(guān)鍵是改造為動態(tài)分離器后要確保動態(tài)分離器自身運(yùn)行穩(wěn)定,不成為新的振動源。重點(diǎn)采取四項措施來確保動態(tài)分離器運(yùn)行穩(wěn)定:

(1) 重新優(yōu)化轉(zhuǎn)子體裝置葉片數(shù)量、厚度、寬度等參數(shù),使轉(zhuǎn)子體裝置在較低的轉(zhuǎn)速時煤粉細(xì)度R90能夠達(dá)到14%左右;

(2) 動態(tài)分離器采用雙軸承支撐,以提高動態(tài)分離器的穩(wěn)定性;

(3) 動態(tài)分離器采用皮帶傳動,以提高動態(tài)分離器自身的抗振能力;

(4) 對磨煤機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行調(diào)整,提高磨煤機(jī)的分離效率。

3.2 密封風(fēng)系統(tǒng)改造

改造后,每臺磨煤機(jī)動態(tài)分離器需要額外密封風(fēng)約20 m3/min。經(jīng)核實(shí),現(xiàn)場密封風(fēng)機(jī)余量不足。為了盡量減少改造費(fèi)用,不重新購置更大規(guī)格的密封風(fēng)機(jī)。動態(tài)分離器的密封風(fēng)由鍋爐冷一次風(fēng)管引入。

動態(tài)分離器對密封風(fēng)的要求有兩方面:一是密封風(fēng)的壓力大于磨煤機(jī)內(nèi)部壓力(2 000 Pa),二是密封風(fēng)的風(fēng)量大于20 m3/min。動態(tài)分離器位于磨煤機(jī)頂部,內(nèi)部壓力與磨煤機(jī)入口一次風(fēng)壓力相比,至少低3 000 Pa,也就是說,引入的鍋爐冷一次風(fēng)壓力比動態(tài)分離器內(nèi)部壓力至少高3 000 Pa,遠(yuǎn)大于需要的2 000 Pa,壓力方面完全滿足要求。另外,經(jīng)核實(shí),冷一次風(fēng)的風(fēng)量很充足,因此,密封風(fēng)的風(fēng)量也沒有問題。由此可見,從鍋爐冷一次風(fēng)管引一路風(fēng)給動態(tài)分離器是可行的。

3.3 適當(dāng)提高磨碗轉(zhuǎn)速

磨煤機(jī)的出力與磨碗轉(zhuǎn)速有一定關(guān)系,在一定范圍內(nèi)提高磨碗轉(zhuǎn)速,可以提高磨煤機(jī)的出力。為了延長磨輥套的使用壽命,提高磨煤機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性,MBF磨煤機(jī)采用了低轉(zhuǎn)速設(shè)計[9-10]。相比較同類型立式中速磨煤機(jī),IHI-VS24磨煤機(jī)磨碗轉(zhuǎn)速最低,見表3。如果項目實(shí)際需要,可以考慮通過適當(dāng)提高磨碗轉(zhuǎn)速來提高磨煤機(jī)的出力。

表3 MBF磨煤機(jī)磨碗轉(zhuǎn)速

4 改造效果

2021年3月,H電廠完成了兩臺IHI-VS24磨煤機(jī)性能提升改造。同年4月,中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗研究院對其中一臺IHI-VS24磨煤機(jī)進(jìn)行了性能試驗,試驗報告顯示,改造達(dá)到預(yù)期效果。

IHI-VS24磨煤機(jī)在20 t/h、66.5 t/h出力下均可以穩(wěn)定運(yùn)行,并且在上述出力下,磨煤機(jī)電流、磨煤機(jī)差壓未超過設(shè)計最大值,煤粉細(xì)度R90測試結(jié)果分別為7.35%、11.16%,符合煤粉細(xì)度R90不大于14%的設(shè)計要求。IHI-VS24磨煤機(jī)66.5 t/h出力特性試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 IHI-VS24磨煤機(jī)66.5 t/h出力特性試驗數(shù)據(jù)

IHI-VS24磨煤機(jī)在30 t/h、45 t/h、55 t/h出力下,隨分離器頻率的逐漸提高,煤粉細(xì)度R90逐漸減小,煤粉逐漸變細(xì)。在各出力下,動態(tài)分離器頻率調(diào)整至26 Hz后,煤粉細(xì)度R90即可滿足不大于14%的設(shè)計要求。煤粉細(xì)度與分離器頻率關(guān)系如圖4所示。

圖4 煤粉細(xì)度與分離器頻率關(guān)系

煤粉均勻性指標(biāo)達(dá)到1.21～1.35,大于1.2。

各工況下磨煤機(jī)最大電耗為6.75 (kW·h)/t,符合不大于9 (kW·h)/t的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

筆者公司對H電廠IHI-VS24磨煤機(jī)性能提升實(shí)踐表明,可以通過將靜態(tài)分離器改造為動態(tài)分離器有效提升IHI-VS24磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度控制能力,消除IHI-VS24磨煤機(jī)高負(fù)荷折向門開度小于40%時的振動問題,提高了IHI-VS24磨煤機(jī)對鍋爐燃燒和機(jī)組靈活性的服務(wù)能力。國內(nèi)外有類似問題的同類型磨煤機(jī)可以參照本項目的思路進(jìn)行改造。