MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机在高水分燃煤机组上应用的试验研究

孙 科， 靳士奇，2， 秦大川

（1.华电电力科学研究院，杭州310000；2.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉430000）

中速磨煤机是燃煤电厂重要的辅机，其运行状况直接关系到锅炉的带负荷能力和炉内燃烧稳定性［1］，优化制粉系统的可控变量对机组的热耗率有很大影响，这些可控变量主要包括煤粉细度、煤粉均匀性、各粉管的燃料分配均匀性及燃烧空气分配等［2］.MPS型中速磨煤机是原西德Babcock公司研制成功的一种辊盘式磨煤机，早期主要用在锅炉煤粉燃烧直吹系统中碾磨烟煤和高水分的次烟煤.近年来，由于其良好的碾磨性能和控制性能，MPS型中速磨煤机得到了广泛应用.Babcock公司对MPS型中速磨煤机进行了改进，形成MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机系列产品，可以应用于碾磨高水分的褐煤（w（Mar）＞30%），拓展了 MPS型中速磨煤机的应用范围［3］.与同型号的 MPS型中速磨煤机相比，MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机系列产品磨盘转速提高了30%～40%，出力提高了20%～50%［4］.

近年来，由于MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机的优越性能，国内许多电站开始使用该型号的磨煤机，但是国内对于该型号磨煤机使用性能的研究很少，特别是应用在高水分煤种的情况时很难找到相关的研究成果，且现有的文献只是针对单个电站磨煤机的使用情况进行的.刘刚等［4］对湖北青山2×300MW机组使用的MPS－170HP－Ⅱ型磨煤机进行了静态分离器挡板调整和加载力等试验研究.袁鸿飞［3］对通辽发电厂3期工程中使用的MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机进行了磨煤出力的试验与计算模型研究.华电电力科学研究院在针对中国华电集团公司下属电站的整体优化、降低电站发电能耗的工程实际工作中积累了大量关于MPS－HP－Ⅱ 型中速磨煤机的运行数据.笔者在这些数据的基础上，结合现场试验结果，对MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机的出力计算以及各个运行参数对磨煤机单耗和煤粉细度的影响进行分析，为该型磨煤机的使用及运行调整提供参考.

1 MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机工作原理与特点［5］

原煤从给煤机落到旋转的磨盘中间，并在离心力作用下甩到磨盘瓦表面并经过磨辊碾压.3个磨辊均匀布置在磨盘上，碾磨压力由液压缸提供，加载力通过加载架作用到3个磨辊上.磨辊和磨盘受到的加载力是由拉杆和液压缸实现的，最终作用到基础上.物料的干燥和碾磨是同时进行的.一次风从磨盘周围的喷嘴环喷出，起到干燥和把磨盘上碾碎的物料吹到中架体上部分离器中的作用，在分离器中完成粗细粉的分离.符合要求的煤粉被吹走，不符合要求的煤粉将落回到磨盘重新进行碾磨.外来杂质和大块物料因质量较大，不能被一次风吹走，将通过喷嘴环的喷嘴落入中架体底部一次风室中，然后由刮板机构将其刮到排渣箱中排出.MPS型中速磨煤机由鼠笼式电动机驱动.行星伞齿轮减速机不仅有传输力矩和减速的作用，还能承受来自磨煤机重量和加载力所产生的垂直和水平的作用力.主电机的后输出轴可以连接盘车装置，用于磨煤机维修.

MPS－HP－II型中速磨煤机与 HP型中速磨煤机相比，前者以液压油机构代替弹簧加载机构，以动态分离器代替静态分离器.与老式MPS型中速磨煤机相比，MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机具有更多的优势：（1）工作效率更高，与同型号的老式MPS型中速磨煤机相比，出力提高20%～50%，并可大大降低磨煤机的运行电耗；（2）减轻了基础块的设计质量，并且可以采用普通刚性基础取代以往的弹性基础，减少基建投资；（3）磨辊翻出装置使检修工作量大大降低，减轻了检修的劳动强度，缩短了磨煤机的检修时间；（4）磨煤机出力可在15%～100%负荷范围内任意调节；（5）优越的控制系统可快速响应锅炉负荷的变化，适应电网调峰能力强；（6）MPS－HPII型中速磨煤机高度降低，占地面积小，便于在锅炉厂房内布置，可以大幅减少业主的基建总投资；（7）可磨制收到基水分w（Mar）＜40%的褐煤.

2 MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机出力计算

中国华电集团公司下属某电厂使用MPS－235HP－Ⅱ型中速磨煤机，由长春发电设备有限责任公司于2003年从Babcock公司引进，该型磨煤机在投入使用后一直存在出力不足的问题.针对这种情况对该型磨煤机进行了最大出力试验，提出了适合该型磨煤机的运行工况.但是由于该型磨煤机使用的是新技术，所以DL／T 5145—2002《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》中并没有此类型磨煤机的出力计算说明，因而笔者对该型磨煤机的出力计算方法进行了探索.

2.1 出力计算

为了计算该型磨煤机的研磨出力，对磨煤机8月份使用的煤质进行统计，并以统计的平均值作为计算依据.煤粉细度（R90）为试验数据平均值，哈氏可磨系数为该电厂多种用煤的平均值.计算的基础数据见表1.

表1 研磨出力计算数据Tab.1 Date input for grinding output calculation

通过对比几种常用的计算方法，采用Babcock公司的经验计算方法.研磨出力的计算公式为

式中：B0为磨煤机的基本出力，MPS－235HP－Ⅱ型中速磨煤机的基本出力为97.91t／h（哈氏可磨系数为80、R90＝16%、w（Mt）＝4%时的出力）；fH、fR、fM、fA和fg分别为可磨性、煤粉细度、原煤水分、原煤灰分和原煤粒度对磨煤机出力的修正系数，其中fg＝1.0，其余的修正系数均根据《实用锅炉手册》中关于相关参数计算选取的方法获得；fsi为分离器形式对磨煤机出力的修正系数，当采用静态分离器时，fsi＝1；fE为研磨件磨损至中后期时的出力降低系数，fE＝0.95.

表2给出了磨煤机的修正系数和研磨出力计算值.由表2可知，该机组磨煤机的设计研磨出力（即最大出力）为77.88t／h（设计煤种）和61.43t／h（校核煤种），实际煤种的最大出力为73.86t／h.

表2 修正系数和研磨出力计算值Tab.2 Correction factor and calculation result of grinding output

由于实际煤种的最大出力比设计煤种的保证出力还要小，所以磨煤机通风量满足通风出力要求.

磨煤机的干燥出力为

式中：V2为对于每千克原煤干燥剂的实际体积；Qv为磨煤机的通风量.

在上式中Qv已经确定，而

式中：Vθ2为每千克原煤干燥剂的标准体积；pa为当地大气压力；t2为磨煤机的出口温度.

式中：g1为磨煤机入口干燥剂的量；ΔM 为每千克原煤的水分蒸发量；Qs为密封风流量.

式中：w（Mar）为原煤的收到基水分质量分数；w（Mpc）为煤粉水分质量分数，根据文献［6］的描述，通常w（Mpc）＝（0.5～1.0）w（Mar），此处取w（Mpc）＝0.6 w（Mar）进行计算，在本试验机组的实际运行中，由于通常使用的煤种为高水分煤，因而会通过调节运行参数使煤粉中的水分质量分数为0.6w（Mar）左右，以保证燃烧的稳定.

最大出力试验工况下，磨煤机出口的风粉混合物温度为63℃，一次风量为144t／h，热风门全开，冷风门开度为0，入口风温度为334℃.在此工况下计算得到磨煤机的干燥出力为68.6t／h.

2.2 计算结果及分析讨论

最终可以认为磨煤机的出力为干燥出力，对于实际煤种，最大出力为65.85t／h.由磨煤机最大出力试验得到的磨煤机出力为68.6t／h，因而认为该计算方法基本可以反映MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机的出力.通过3种出力的对比可以看出，在研磨高水分煤种时，限制磨煤机出力的主要因素仍为煤粉的水分质量分数.

在实际运行过程中，设计煤种的低位发热量为14 863kJ／kg，额定负荷下设计燃料质量流量为351 t／h.实际煤种的低位发热量为12 516.6kJ／kg，折算后额定负荷下实际燃料质量流量为417t／h.当5台磨煤机运行、1台备用时，磨煤机最大出力为329.3t／h；当6台磨煤机一起运行时，磨煤机最大出力为395.2t／h.所以，要实现锅炉满负荷运行，只能6台磨煤机同时运行，这与实际的运行情况是相符的.虽然满负荷只能通过磨煤机全开的方式满足负荷要求，不能保证在某台磨煤机工作失灵时机组的安全稳定，但是由于实际情况下该机组很少满负荷运行，因而并未进行进一步处理.同时，相关文献中的试验表明，当全水分质量分数大于或等于30%时，褐煤的可磨度在高温时（即在一次风加热的情况下）呈N形上升趋势，当全水分质量分数小于30%时，褐煤的可磨度在高温时呈抛物线上升趋势.该电厂煤种复杂，褐煤的全水分质量分数达20%～35%，从运行数据看，该机组磨煤机最大出力有时可接近68t／h，但有时又远小于这个值，这说明研磨的褐煤可磨度随着全水分质量分数的变化而变化，导致磨煤机研磨出力波动较大.

同时，袁鸿飞［3］对通辽发电厂3期工程中使用的MPS－HP－Ⅱ 型中速磨煤机进行的磨煤出力试验与计算模型研究中，没有直接利用该型磨煤机进行最大出力试验，但是通过使用相似磨煤机的试验加以理论分析，也得到了相似的结论.

3 MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机的运行特性

为了进一步探讨MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机的运行特性，对中国华电集团公司下属的另一电厂2号机组使用的MPS－225HP－Ⅱ型中速磨煤机进行全面的性能摸底.

3.1 设备与使用煤种

该600MW燃煤发电机组2号锅炉是由北京巴布科克·威尔科克斯有限公司生产制造的亚临界参数、一次中间再热、平衡通风、前后墙对冲燃烧、固态排渣和π型布置的煤粉锅炉.配备7台 MPS－225HP－Ⅱ型中速磨煤机，其筒体有效直径为3 950 mm，有效长度为6 140mm，转速为30.95r／min，设计压力为0.35MPa，当研磨设计煤种时，R90为35%.设计煤种与实际煤种各煤质参数的对比见表3.

表3 设计煤种与实际煤种煤质参数的对比Tab.3 Comparison of quality parameters between design coal and actual coal

该磨煤机主要为高水分煤种而设计，发挥新型磨煤机研磨高水分煤种的优势.对比实际煤种和设计煤种发现，两者的性质基本一致，因此能够很好地满足磨煤机出口煤粉细度和单耗的要求，但在实际运行过程中，由于运行人员没有很好地掌握该型磨煤机的运行特性，导致运行时煤粉细度和单耗没有达到要求，对此笔者进行了多组针对性试验，基本掌握了该型磨煤机的运行特性.

3.2 一次风量的影响

在磨煤机出力为60.51t／h、分离器角度为65°、加载压力为9.0MPa的条件下，测试了不同一次风量下磨煤机出口煤粉细度、通风单耗、磨煤单耗和制粉单耗等的变化情况，测试结果见图1.

由图1可知，磨煤机一次风量由105t／h增大到125t／h时，R90由20.02%升高到35.93%，通风单耗由7.69kW·h／t增大到10.31kW·h／t，而磨煤单耗由9.08kW·h／t减小至8.27kW·h／t，总的制粉单耗由16.77kW·h／t增大至18.59 kW·h／t.因此，一次风量的增大提高了一次风携带煤粉的能力，使得被携带煤粉粒径变大，在磨煤机出力、分离器角度和加载压力不变的情况下，磨煤机研磨电耗必然减少，而一次风量增大引起通风单耗变大，总体制粉单耗取决于磨煤单耗和通风单耗两者变化量的大小.

图1 磨煤机一次风量特性Fig.1 Characteristics of primary air volume

由图1还可以看出，随着一次风量的增大，制粉单耗呈增大的趋势，R90呈升高趋势，因R90是衡量煤粉细度的重要指标，煤粉粒径越大，越不利于煤粉的燃尽，从节约厂用电和提高煤粉颗粒燃尽率两方面综合考量，实际运行时应选择偏小的一次风量，以满足煤粉干燥出力即可.

3.3 分离器挡板角度的影响

在磨煤机出力为 60.56t／h、一次 风 量 为119.373t／h、加载压力为9.1MPa的条件下，测试了分离器挡板角度为55°、65°和75°时R90、通风单耗、磨煤单耗和制粉单耗等的变化情况，测试结果见图2.

图2 磨煤机分离器挡板角度特性Fig.2 Characteristics of separator baffle angle

由图2可知，随着磨煤机分离器挡板角度的增大，R90呈升高趋势，且变化速度越来越快，由33.42%变为34.61%，而后升高到38.54%，这是由于挡板式分离器依靠不同粒径煤粉的惯性差异达到筛选煤粉的目的，分离器挡板角度越大，一次风粉混合物碰到挡板发生折向的角度越小，使得原来由于惯性较大、转角偏小的部分颗粒转角满足折向的需求，这部分粒径较大的颗粒通过分离器，引起煤粉细度的增大.随着磨煤机分离器挡板角度的增大，其通风单耗同样呈减小趋势，由10.19kW·h／t减小到9.13kW·h／t；磨煤单耗呈先增大后减小的趋势，由8.39kW·h／t变为8.53kW·h／t，又减小到7.89kW·h／t.分离器挡板角度增大使得相邻挡板之间形成的通道截面变大，通风量随之增大，在磨煤机出力不变的情况下通风单耗增大；分离器挡板角度的增大使得通过分离器的煤粉变多，回粉量相应变少，磨煤单耗减小.总体制粉单耗呈减小趋势，减小速度越来越快.当分离器挡板角度由55°增大到65°时，制粉单耗由18.58kW·h／t减小到18.03 kW·h／t；当分离器挡板角度由65°增大到75°时，制粉单耗由18.03kW·h／t减小到17.02kW·h／t.

因此，磨煤机分离器挡板角度应选择偏小值，但当分离器挡板角度过小时，相邻挡板组成的通道截面较小，增加了制粉系统的通风阻力，引起磨煤机出力降低，制粉单耗反而会增大，但是由分离器挡板角度引起的煤粉细度变化较大，而制粉单耗的变化较小，对机组的经济性影响较小.磨煤机出口分离器挡板最优角度为55°.

3.4 磨煤机出力的影响

试验期间，磨煤机一次风量为110.412t／h、分离器挡板角度为65°、加载力为8.26MPa，选取磨煤机出力为50t／h、60t／h和70t／h 3种工况进行试验，结果见图3.

由图3可知，随着磨煤机出力的递增，R90呈单调升高趋势，由35.31%升高到35.69%，再到37.95%，但是R90的变化范围较小，可见磨煤机出力对煤粉细度的影响较小.保持一次风量、分离器挡板角度和加载力不变，随着磨煤机出力的增加，磨煤机研磨出力降低，单位质量原煤获得的研磨相对减少，煤粉颗粒粒径整体变大，造成磨煤机出口煤粉细度升高.磨煤机通风单耗与磨煤单耗变化趋势相同，随着磨煤机出力的增加，都呈单调减小趋势，通风单耗由8.80kW·h／t变为8.15kW·h／t后又减小至7.49kW·h／t；磨煤单耗由9.11kW·h／t变为8.22kW·h／t后又减小至7.33kW·h／t.保持一次风量、分离器挡板角度和加载力不变，随着磨煤机出力的增加，单位质量原煤分得的风量和研磨功耗减小，同时磨煤机通风阻力也有所增大，造成通风单耗和磨煤单耗均减小，整体制粉单耗必然减小.由图3可知，磨煤机制粉单耗由17.92kW·h／t减小至16.39kW·h／t后又减小至15.22kW·h／t，降幅明显，且随着磨煤机出力的增加，制粉单耗有进一步减小的趋势，可见磨煤机出力对制粉单耗的影响大于分离器挡板角度的影响.磨煤机出力为70t／h时，磨煤机制粉单耗达到最小值15.22kW·h／t.目前2号锅炉煤粉燃尽率较高，节约厂用电对锅炉经济运行来说是需要考虑的重点.运行人员可以根据不同的负荷来调整各磨煤机在高出力状态下投运，以最大限度地减小制粉单耗.

图3 磨煤机出力特性Fig.3 Characteristics of mill output

3.5 加载力的影响

试验期间，磨煤机出力为60.204t／h、一次风量为114.519t／h、分离器挡板角度为65°，选取加载力为8.5MPa、9.0MPa和9.5MPa 3种工况进行试验，结果见图4.

图4 磨煤机加载力特性Fig.4 Characteristics of loading force of the coal mill

由图4可知，随着磨煤机加载力的递增，R90呈单调降低趋势，且R90的变化量较磨煤机出力特性试验中R90的变化更小，说明加载力对煤粉细度的影响最弱.磨煤机加载力增加，使得磨辊与磨盘之间的压力变大、缝隙变小，进入磨煤机的原煤获得的研磨力度变强，造成磨煤机出口煤粉细度降低.随着磨煤机加载力的增加，磨煤机通风单耗单调增大，由8.35kW·h／t变为8.46kW·h／t，后又增大至8.65kW·h／t，变化幅度较小.这是因为磨煤机加载力的增加使得磨煤机出口煤粉细度降低，一次风携带的煤粉量增加，使得通风阻力变大，造成通风单耗增大.随着磨煤机加载力的增加，磨煤单耗先增大后减小，由8.29kW·h／t变为8.31kW·h／t，后减小至8.19kW·h／t，变化幅度较小.这是因为磨煤机加载力的增加，一方面进入磨煤机的单位质量原煤分得的研磨功耗增大，使磨煤单耗增大；另一方面由于煤粉细度减小，磨煤机出口合格煤粉量增加，相应回粉量就会减少，即重复研磨的煤粉量减少，使磨煤单耗减小.由加载力增加带来的两方面因素变化共同作用于磨煤单耗，磨煤单耗的变化取决于两者影响力中占主导的一方，由图4还可知，加载力从8.5MPa变化到9.0MPa时，磨煤单耗呈增大趋势，说明研磨强度因素占主导；加载力从9.0MPa变化到9.5MPa时，磨煤单耗呈减小趋势，说明此时回粉量减少因素占主导.随着磨煤机加载力的增加，磨煤机制粉单耗总体呈先减小后增大趋势，在加载力为9.0MPa时，制粉单耗达到最小值16.64 kW·h／t，该磨煤机运行最优加载力为9.0MPa.

4 结 论

（1）通过对 MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机的最大出力试验和相关经验公式的计算，证明所提出的计算方法可以较准确地计算出新型磨煤机的出力.但是在研磨高水分煤种时，限制出力的因素仍为干燥出力.

（2）通过对 MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机的运行特性进行研究，得到了一次风量、分离器挡板角度、磨煤机出力以及加载力对煤粉细度以及单耗的影响，并结合锅炉的运行特性加以分析，得到了合适的运行工况.在该优化运行工况下，出力不足的问题得到有效解决.

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［3］袁鸿飞.MPS－HP－Ⅱ型中速磨煤机在高水分褐煤机组上的应用［C］／／吉林省电机工程学会2008年学术年会.长春：吉林省电机工程学会，2007：29－33.

［4］刘刚，杨杰，黄辉.MPS－170HP－Ⅱ型磨煤机工作特性试验研究［J］.湖北电力，2012，36（5）：46－48.LIU Gang，YANG Jie，HUANG Hui.Experimental study on the operating characteristic of MPS－170HP－Ⅱcoal mill［J］.Hubei Electric Power，2012，36（5）：46－48.

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