北京電力設備總廠有限公司 孫 明 杜永旭 張治鋒 聶縣會 黃金龍 王 皓

火電靈活性是電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵指標，也是電力系統(tǒng)靈活性的核心組成部分?；痣婌`活性通常指火電機組的運行靈活性，即適應出力大幅波動、快速響應各類變化的能力，主要指標包括調(diào)峰幅度、爬坡速率及啟停時間等。目前國內(nèi)火電靈活性改造的核心目標是充分響應電力系統(tǒng)的波動性變化，實現(xiàn)降低最小出力、快速啟停、快速升降負荷三大目標，其中降低最小出力、即增加調(diào)峰能力是目前最為廣泛和主要的改造目標。同時制粉系統(tǒng)磨煤機部分也存在著不同的問題，磨煤機單耗高、制粉出力不足、內(nèi)部流場動力不足、煤粉細度以及均勻性差等問題普遍存在。

我國電源結(jié)構(gòu)性矛盾較為突出，系統(tǒng)調(diào)峰能力嚴重不足是影響可再生能源消納的核心問題。我國電源結(jié)構(gòu)以火電為主，2021年占全國發(fā)電量比重達到71.13%，但調(diào)峰能力普遍只有50%左右。其中“三北”地區(qū)供熱機組占有很大比重。截至2019年，我國已完成火電靈活性改造容量約5775萬kW，火電靈活性改造的深度和廣度有待進一步提高。我國以火電為主的電源結(jié)構(gòu)決定了未來電源靈活性的主體仍然需要從火電入手。與此同時，由于環(huán)保壓力的加大和原煤價格的上漲，部分地區(qū)已出現(xiàn)短時缺電的情況，“十四五”期間，電源充裕性與靈活性問題將在局部地區(qū)同時存在。

1 概述

火力發(fā)電靈活性技術(shù)關(guān)鍵主要集中在鍋爐側(cè)，汽輪機側(cè)以及控制與監(jiān)測，鍋爐的燃燒水平和效率取決于制粉系統(tǒng)。制粉系統(tǒng)由于磨煤機型號和制粉能力的不同，每個現(xiàn)場均存在著制粉差異。煤炭在磨煤機中被磨制成煤粉，主要通過壓碎、擊碎和研碎三種方式，各類磨煤機的磨煤過程中兼有上面提到的兩種或三種方式。

根據(jù)磨煤機轉(zhuǎn)盤的工作轉(zhuǎn)速，電廠磨煤機可分為低速磨煤機、其轉(zhuǎn)速為15～25r/min，如筒式磨煤機；中速磨煤機、其轉(zhuǎn)速為50～300r/min，如中速平盤磨、中速環(huán)球磨、碗式（RP）型磨及ZGM型磨煤機；高速磨煤機，其轉(zhuǎn)速為750～1500r/min，如風扇磨煤機、錘擊磨煤機。根據(jù)磨煤機加載型式，可分為彈簧定加載、鋼絲繩定加載以及液壓加載，其加載型式的不同決定了磨煤機調(diào)峰能力的不同。

目前我國燃煤電廠配備最多的磨煤機主要為E型、HP型和ZGM型，如圖1。本文主要圍繞ZGM型磨煤機在日常運行中遇到的種種問題進行闡述，同時列舉針對問題的靈活性改造情況，以更好的指導火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)效率的提升。

圖1 磨煤機主要型號

2 靈活性改造應用

火力發(fā)電廠磨煤機作為鍋爐燃燒的制粉系統(tǒng)，其運行的可靠穩(wěn)定性影響著整個系統(tǒng)的效益。同時，雙碳是中國提出的兩個階段碳減排奮斗目標（簡稱“雙碳”戰(zhàn)略目標）。要實現(xiàn)這一目標，必須以科技創(chuàng)新為先導[1]。燃煤電廠首當其沖，這就為磨煤機創(chuàng)新提供了廣闊的空間。磨煤機靈活性改造主要集中在磨煤機加載方式的優(yōu)化，密封型式的優(yōu)化、內(nèi)部流場優(yōu)化以及檢修便利性改造等。

2.1 加載方式的優(yōu)化

早期磨煤機加載方式主要依靠彈簧定加載和鋼絲繩定加載方式，目前集中在沈重和北京設備廠MPS磨、北京設備廠老ZGM95磨。其中彈簧鋼絲繩加載（加載力靠液壓缸產(chǎn)生，力傳遞靠鋼絲繩）方式安全可靠，當時解決了鋼絲繩的強度和接頭的結(jié)構(gòu)——即鋼絲繩在錨固頭中不能產(chǎn)生滑動問題。此加載型式具有磨煤機不能空載啟動、低給煤量時振動大、對負荷變化適應范圍較窄而不易滿足加載頻繁調(diào)峰的要求，在點火初期不能滿足微油點火的穩(wěn)燃需要等弱點[2]。以后加載裝置不斷改進，直到現(xiàn)在的液壓變加載方式。

圖2 MPS磨煤機示意圖

為了改善原有定加載型式的缺陷，降低磨煤機低負荷下震動和單耗，可將原有彈簧加載方式取消，改變加載方式為液壓變加載方式，制作全新的液壓站取代原高壓油站，配合DCS完成變加載邏輯控制，增加加載油缸對拉桿進行加載，同時對原磨煤機機殼部分和內(nèi)部壓架進行改造優(yōu)化，滿足液壓變加載的受力要求。液壓變加載改造優(yōu)點主要是降低了磨煤機低負荷震動和電耗，同時將原出力范圍40～100%提高到25～100%，實現(xiàn)了遠程控制加載力的智能優(yōu)化。截至目前已有多個電廠實施了制粉系統(tǒng)磨煤機液壓變加載的優(yōu)化改造。

2.2 磨煤機內(nèi)部流場優(yōu)化

磨煤機流場是基于風粉混合物在其內(nèi)部充分不規(guī)則的多向的空間運動所產(chǎn)生的粒子流。風粉粒子與磨煤機本體相互作用，中間會產(chǎn)出磨煤機的易損件磨損，同時風粉流場的不同會導致磨煤機制粉效果的不同（圖3）。

圖3 ZGM磨煤機風粉流動示意圖

首先，原煤通過磨煤機的落煤管落到磨盤上，磨盤轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力使煤均勻地進入碾磨區(qū)域，通過磨輥和磨盤的相互作用對原煤進行碾磨[3]。熱一次風經(jīng)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)后攜帶著煤粉由下往上螺旋運動，在分離器部分進行煤粉的分離，合格的煤粉吹入鍋爐燃燒、不合格的煤粉重新進入磨盤進行重新碾磨。以上過程會因磨煤機分離器和旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生不同的結(jié)果，如分離效率低，合格煤粉循環(huán)往復碾磨、制粉電耗增加。同時旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的結(jié)構(gòu)不一，造成一次風流不能很好的攜帶煤粉進行分離，磨煤機整體阻力變大、出力降低。

2.2.1 分離器流場優(yōu)化

分離器作為磨煤機重要的分離機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)部流場的分布決定著出粉水平和出粉效率[4]。經(jīng)過磨煤機流場的仿真分析，風粉流場和不同粒度煤粉的運行軌跡變化不一。其中為提高煤粉的提高煤粉均勻性系數(shù)、降低煤粉在磨煤機系統(tǒng)中的循環(huán)倍率，從而在一定程度上降低磨煤機的單位電耗，可將靜態(tài)分離器改變?yōu)閯屿o組合式旋轉(zhuǎn)分離器。根據(jù)磨煤機不同的出力和煤粉細度要求，對分離器殼體以及葉片數(shù)量進行合理調(diào)整，以滿足不同現(xiàn)場對煤粉的需求，最終達到減少NOx的目標。旋轉(zhuǎn)分離器示意圖如圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)分離器結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)部優(yōu)化

旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的作用主要對一次風進行導流，從而實現(xiàn)一次風攜帶煤粉的上升，合理的旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)對磨煤機的磨碗壓差影響較大，壓差越大所需一次風機風壓增加、電耗增加[5]。常規(guī)的動靜環(huán)采用鑄造結(jié)構(gòu)，其間隙采用豎直間隙，動葉片采取45°傾斜角設計，此種結(jié)構(gòu)形式在一定程度上保證了磨煤機攜帶煤粉的能力，但是旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的導流面積決定了上下的壓差。為了降低磨煤機磨碗進出口壓差，旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)形式可以進行優(yōu)化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化建立在有限元分析之上。

通過多年來的現(xiàn)場改造情況來看，降低磨煤機壓差可將旋轉(zhuǎn)噴嘴靜環(huán)和動環(huán)間隙由豎直間隙調(diào)整為水平間隙，同時動環(huán)采用文丘里效應模型，通風口采用漸縮式結(jié)構(gòu)形式，在一次風流速通過時，在磨碗上部壓力高于動環(huán)中間位置而產(chǎn)生吸附力，以降低磨碗壓差。在磨煤機運行過程中，其中部流場屬于惰性區(qū)，動環(huán)的流線設計將對一次風更好的導流至磨煤機中部，達到流場合理性分布。此結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)噴嘴環(huán)的優(yōu)化已運用到各個火電廠制粉組，其效果明顯。

2.3 密封型式的優(yōu)化

磨煤機內(nèi)部與外界可以進行空氣交換的部位主要是機座密封和拉桿密封。在多個現(xiàn)場來看，因磨煤機密封導致的煤粉泄漏的情況比較常見，煤粉的頻繁跑冒影響著磨煤機周邊環(huán)境的清潔。較為常見的拉桿密封和機座密封如圖5、圖6。

圖5 拉桿密封

圖6 機座密封

拉桿密封主要是因上密封和下密封的失效造成，如圖4畫圈部分，為了更好保證拉桿密封的不漏粉，將上拉桿密封內(nèi)部增加橡膠密封體，下拉桿密封將原密封芯取消更換為耐磨橡膠背靠背結(jié)構(gòu)，以更好的達到密封效果。機座密封主要是因下密封芯進粉磨損失效，下密封進粉唯一途徑是通過上密封與傳動盤的間隙進入，為控制煤粉進入將上密封與傳動盤間隙部分增加密封裝置，如圖7。在拉桿密封和機座密封優(yōu)化后，多個現(xiàn)場反饋其使用壽命增加，運行周期較長，滿足了文明生產(chǎn)的目的。

圖7 機座密封優(yōu)化

2.4 檢修便利性改造

常規(guī)的ZGM磨煤機在前期對檢修便利性的設計較少，檢修人員在檢修磨煤機磨輥裝置和襯板時，習慣性的將上部煤粉管切除、分離器吊開，上部部件均拆除后方可對磨輥裝置和襯板、動靜環(huán)進行更換。此檢修過程會造成人力物力和時間的浪費。為了更好的利用原有機殼空間，對原機殼進行改造，合理的位置進行開孔安裝磨輥大門。日常檢修時，可利用檢修工具將磨輥從大門翻轉(zhuǎn)出來，同時磨煤機旋轉(zhuǎn)噴嘴動靜環(huán)可設計為分段結(jié)構(gòu)形式，更換時可通過磨輥大門進入，無需將分離器吊離更換。

綜上，火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)磨煤機隨著科技的進步也不斷進行不同的靈活性改造，除了以上改造之外，還涉及煤粉在線監(jiān)測系統(tǒng)，隨時監(jiān)測煤粉的細度、濃度和速度，并根據(jù)煤粉細度實現(xiàn)在線調(diào)節(jié)功能。同時利用模糊算法模型進行的磨煤機輸出與輸入關(guān)系的平衡調(diào)整，在磨煤機出力變化的情況下，自動控制磨煤機一次風量、一次風溫及加載壓力等數(shù)據(jù)，以降低磨煤機運行的無用功損失。