东北某300MW机组制粉系统灵活性改造方案探讨

魏东阳

(国家电投集团东北电力有限公司，辽宁沈阳 110181)

随着国家经济的快速发展及人民生活水平的日益提高，全国电网装机容量也随之增大，全国的用电结构也发生了变化，造成电网峰谷差日趋增大，尤其是耗电大的省市，用电峰谷差就更加突出，造成电网调峰幅度和难度越来越大。另一方面，伴随着低碳经济的实施，可再生资源发电的投入将加大。以东北电网为例，风力发电的装机容量已成为东北电网的第二大能源。随着风电的大规模开发，特别是千瓦级风电基地的投运，依照现有运行火电机组低谷调峰能力计算，系统调峰问题非常突出［1－2］。

2016年6月14日，国家能源局正式启动灵活性改造示范试点项目。能源局选取了可再生能源消纳问题较为突出地区的16个典型项目进行试点，2016年7月又增加了6个试点项目。根据发改委、能源局印发的《可再生能源调峰机组优先发电试行办法》的专项行动措施意见等相关文件要求，电厂需进行相应的灵活性改造，提高机组深度调峰能力［3－5］。

本文所分析机组是哈尔滨锅炉厂有限公司设计制造的配300MW汽轮发电机组的亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，采用平衡通风、四角切圆燃烧方式，设计燃料为褐煤。锅炉型号:HG－1035/17.5－HM35型。锅炉采用全钢架悬吊结构、紧身封闭布置。本文以30%、20%TRL两个目标进行制粉系统改造方案的分析和探讨。

1 30%TRL制粉系统改造方案

1.1 粉管可调缩孔更换

对5台磨对应的20只可调缩孔进行更换，以改善一次风速可调节特性，缓解炉内燃烧偏斜。同时对煤粉取样就地测孔位置进行优化，比如C磨，测孔正对管子，煤粉取样枪插入受到影响，在保证测孔位于直管段上前提下，应对BCD磨粉管上的测孔都进行位置优化。

1.2 磨煤机冷风管支管技改

在30%TRL工况下，总燃煤量在65t/h左右，三台磨煤机能够正常运行，出力正常。此时磨出口温度高达90℃(试验期间运行不到1h后停止试验)，冷风挡板开度已满，煤粉在管道中是流动状态，爆燃或着火的可能性不大，反而降低了煤粉气流着火热。但是磨煤机本体存在爆燃或者内部局部着火的可能性，可考虑对磨煤机冷风管支管进行管径扩大的技改。根据现场实际运行情况，旁路冷一次风风门已经100%全开，磨煤机出口送粉温度仍然在90℃以上，若降低一次风压，则会出现磨煤机堵磨的风险，可以采用系统改造以解决送粉超温问题，改造方案本着有效、简洁的原则确定。通过对锅炉烟风系统流程图、冷一次风道安装图、热一次风道安装图的分析计算，改造方案以降低旁路冷一次风阻力，增大冷一次风份额实施。

1.2.1 基本计算

风道改造方案的设计通过阻力计算分析完成，计算初始数据根据锅炉30%负荷现场运行数据选定。根据热一次风温、冷风温度、入磨一次风温推测出冷一次风旁路比例约为16%，那么冷一次风旁路占总风量比例约为6.4%。空气阻力计算范围为冷一次风道旁路，包括:一次风机出口母管引出三通、冷一次风母管含弯头(Φ720 mm)、冷一次风磨煤机前分配集箱(Φ820 mm)、冷一次风分配支管含弯头(Φ377 mm)、冷风支管与热风支管汇集三通、风门。

1.2.2 改造方案

根据对上述计算结果的分析，冷风道总阻力约为583Pa，阻力主要集中在分配支管和引入引出位置。可改造位置及分析如下:

一次风机出口，旁路冷一次风道引出位置增加导流弯头可显著降低引出阻力损失。

旁路冷一次风母管(Φ720mm及Φ820mm)扩径虽然可降低系统阻力，但改动量大，且对管道系统阻力改善有限，因此不做修改。

冷一次风支管(Φ377mm)流速明显高于母管，虽然长度短，但阻力损失占总损失一半以上，通过口径增大的方式可明显改善，可由Φ377mm改为Φ426mm。

调节风门和隔断门在全开状态对阻力改善有限，且投资费用大，建议不做更改，接口处以大小头过渡。

同样，风道引入位置需要增加导流弯头降低总阻力。

根据上述改造方案，系统阻力系数下降，冷风旁路与热风道阻力重新平衡，冷一次风旁路比例增加，系统总阻力下降。冷一次风旁路比例约为20%，冷一次风旁路占总风量比例约为8%。混合后入磨风温可下降12℃，降至262℃。

系统总阻力降低到523.3Pa，阻力降低主要体现在引入、引出、支管段，而母管阻力由于风量增加略有升高。

通过对冷风旁路的分析计算，提出降低阻力的改造方案。改造后系统降低到523.3Pa，冷风旁路比例提高至20%。混合后入磨风温下降至262℃。进而可降低磨煤机出口风温约10℃。

一次风率按50%，同理计算得出结果是:改造后冷风旁路阻力降低至778.6Pa，冷风旁路比例提高至22%。混合后入磨风温下降至260℃。进而可降低磨煤机出口风温约11℃。

1.3 MPS200HP－II中速磨煤机制粉系统优化方案

1.3.1 磨煤机动态分离器改造依据及改造关键

1.3.1.1 改造依据

1)现有分离器煤粉调节难度较大，不能根据煤质水分变化有效快速调节煤粉细度;

2)不利于煤粉的均匀分配;

3)MPS200HP－II磨煤机出力优化改造已经具有成熟技术，有成功改造案例。

1.3.1.2 改造关键

1)改造后煤粉细度和煤粉均匀性要得到保证，而且动态分离器对煤粉细度在一定细度范围内动态可调，煤粉均匀性要好;

2)动态分离器阻力不增加，不能降低现有制粉系统的出力，在同样煤质、同样煤粉细度的情况下，改造后磨煤机出力较改造前要有所提高;

3)在同样煤质、同样煤粉细度、同样磨煤机出力的情况下，改造后磨煤机分离器阻力较改造前不增加;

4)分离器动、静叶片、分离器顶盖、分离器出口煤粉管道需要防磨处理;

5)分离器出口煤粉管煤粉分配性良好，保证粉管粉量偏差小;

6)分离器的静态壳体与动态部分密封需要注意，防止漏粉;

7)需要注意减速箱壳体的密封，防止齿轮润滑油的泄露;8)设计时要根据实际燃烧的煤质情况，选择动态分离器合适的转速，同时根据转速选择好减速机的尺寸;

9)设计时要注意动态分离器轴承的密封，防止煤粉的进入导致轴的卡死情况的出现;

10)设计时要根据实际燃烧的煤质情况选择合适的动叶直径、静叶直径、分离器筒体尺寸，动叶片之间的间距设计要合适。

1.3.1.3 具体改造方案

把静态分离器改造为动态分离器并同时更换磨煤机动态旋转风环对机组低负荷稳燃有较大改善，针对C、D、E磨三台进行改造。根据现场的情况以及空间分布。

将原有的分离器拆除，主要拆卸部位为分离器与机壳的连接法兰，分离器与落煤管和出粉管的连接法兰，磨辊密封风管和惰化气体的接口法兰以及旧磨煤机风环。安装分离器之前，先把新风环安装完毕。更换的动态旋转分离器由转子、静子、驱动装置等组成，其与磨煤机的接口主要有四部分接口，分别是与机壳连接法兰接口，与落煤管和出粉管的连接法兰接口，与磨辊密封风管的接口，与防爆蒸汽的接口。

另外，新的分离器增加了变频电气装置，由于该装置为整体设计、组装，现场安装比较方便，整个安装和调试工期不超过20天。

1.3.1.4 动态旋转分离器改造后预期效果

1)每台磨煤机各个出粉口的风量偏差不大于±5%，粉量偏差不大于±8%;

2)磨煤机出力增加3% ～5%;

3)要实现超细粉燃烧，煤粉粒径R90由35%调整到10%～40%动态可调;

4)煤粉均匀性指数应≥1.1;

5)动态分离器叶片使用寿命不低于40000h;

6)动态分离器运行平稳，顶盖底面振动(双振幅)小于0.025mm;

7)距动态分离器外壳一米处噪音值不大于85dB(A)。

1.3.2 MPS200HP－II磨煤机旋转喷嘴环优化改造方案

1.3.2.1 旋转喷嘴环改造的基本要求

1)旋转喷嘴环采用耐磨材质，寿命在20000 h以上;

2)一次风通过旋转喷嘴环能扫过更大的区域带走煤粉，提高输送出力;

3)一次风通过旋转喷嘴环后将大颗粒煤重新抛落回磨碗研磨，降低石子煤量;

4)旋转喷嘴环改进后风环处风速下降，减少磨损;

5)将将旋转风环设计为分体结构，旋转风环分割为6～12块，便于拆除及更换。

1.3.2.2 磨煤机喷嘴环面积的优化

1)原有喷嘴环面积计算:中速磨煤机的叶轮可以被完全拆除，经过对喷口的现场测量和对设备原有图纸的校核，测算出每个喷口的面积。通过计算反推，再根据具体的空间尺寸确定R和R，设计新的通流结构。

2)通流面积进行优化。

关键性数据和报告如下:

(a)数学模型、边界条件及收敛标准:根据中速磨煤机内部流场的流动特性，本文采用Realize k－e双方程模型，Simple算法，速度入口、压力出口，标准壁面方程，无滑移边界条件。收敛的判据为流场迭代残差＜10e－3，进出口流量误差＜3%。

(b)边界条件的设定:锅炉满负荷磨煤机运行工况。

(c)构体及网格划分:采用Fluent前处理器Gambit进行构体和网格划分。由于磨煤机结构复杂，为了尽可能减少甚至避免磨煤机模拟过程中经常会遇到的伪扩散问题，同时又使问题尽可能的简单(考虑到计算机硬件条件的限制)，采用把磨煤机分成两部分模拟的分区域模拟方法进行模拟，分成喷环以下部分和喷环以上两部分进行模拟。首先进行喷环部分的数值模拟研究，然后取喷环出口的速度场和温度场作为上部的进口边界条件。由于磨煤机内部结构复杂，采用非结构化网格，局部加密的方式进行网格划分。网格数目喷环部分为77万，喷环上部位110万。

1.3.3 MPS200HP－II磨煤机加载系统的优化调整

1.3.3.1 磨煤机加载系统优化调整改造的基本要求

1)磨煤机加载系统满足磨煤机低负荷出力时加载稳定的要求;

2)磨煤机加载系统运行灵活、稳定，对煤质适应性范围加大，提高磨煤机碾磨出力。

1.3.3.2 磨煤机加载系统优化调整改造的具体方法

1)对目前使用的磨煤机加载系统进行校核、计算，确定目前磨煤机最低出力范围;

2)对目前磨煤机加载系统进行调整，部分更换磨煤机加载系统部件;

3)对设计优化改造后的磨煤机加载系统进行调整，满足改造要求。

2 20%TRL制粉系统改造方案

在20%TRL负荷下，燃煤量只有52t/h左右，若采用三台磨煤机则磨煤机出口风温达到101℃，远高于允许温度，煤粉质量浓度只有0.21，不利于稳燃，磨煤机在该工况下运行，煤粉均匀性极差，风粉分配均匀性存在很大问题，煤粉细度较粗。若采用2台磨煤机则相对来说优于三台磨煤机，此时风煤比有所下降，磨煤机出口温度降为90℃。因此推荐采用两台磨煤机运行。

涉及的磨煤机技改参考章节1中30%TRL的技改即可。

3 结论及探讨

改造后机组运行中存在的问题主要是:(1)磨煤机存在部分粉管中一次风粉速度偏差大，炉膛存在燃烧偏斜现象，主再汽温左、右侧偏差大，烟气流场分布均匀性较差。(2)三台磨运行时，当负荷低至30%TRL以下，磨入口冷风挡板开至100%，但磨分离器出口温度高达90℃以上，磨煤机本体存在煤粉爆燃或着火的安全隐患。解决措施为:对磨煤机冷风管道支管进行增粗的技改，以减小冷风阻力，提高冷风量的比例，来降低30%TRL或20%TRL工况下三台磨运行时磨分离器出口的温度。