中速磨煤机直吹式制粉系统节能优化研究

张海龙，杨光锐，井新经，邢乐强，刘超，党黎军

（1.西安热工研究院有限公司，西安 710054；2.西安西热节能技术有限公司，西安 710054）

0 引言

随着我国经济的不断发展，资源环境问题仍将是制约我国经济发展的主要瓶颈，节能减排任务十分艰巨［1］。

火力发电是燃煤消费的主力军，充分挖掘燃煤电厂节能潜力，进一步降低火电厂发电煤耗，对于经济可持续发展具有重要意义［2］。为加快燃煤发电机组升级与改造，国家发改委、环保部、国家能源局三部委联合发布的《行动计划》要求“到2020年，现役火电机组改造后平均供电煤耗低于310 g／（kW·h），其中现役600MW 及以上机组（除空冷机组外）改造后平均供电煤耗低于300 g／（kW·h）”［3］。

随着大容量、高参数燃煤机组的不断发展，我国现役机组供电煤耗平均水平已接近国际先进水平［4］，燃煤机组节能降耗工作进入攻坚期和深水区。近年来，由于燃煤机组装机容量过剩、煤价持续升高、发电利用小时数不断降低，导致燃煤电厂盈利减少，促使电厂深度挖掘设备节能潜力，降低发电成本，达到“降本增效”的目的。

燃煤锅炉设计效率一般在92% ～94%之间，已经达到很高水平，但由于实际燃用煤质较差、深度调峰、运行参数不合理等因素导致锅炉实际运行效率偏低、厂用电率升高。制粉系统主要由一次风机和磨煤机组成，其耗电率约占厂用电率的20%［5］，制粉系统运行参数直接影响锅炉燃烧，对锅炉效率有重要影响，优化制粉系统运行参数，降低制粉系统能耗对电厂节能具有重要意义。

制粉系统节能降耗可从技术改造、检修维护、运行优化3方面开展，运行优化具有投资少、见效快等优点，在机组正常运行工况下开展运行参数优化调整，达到节能效果。在不同煤质下，通过优化磨煤机通风量、加载力可以提高分离器效率，提高锅炉效率［6］。沈跃良等人［7］和丛日成等人［8］通过试验的方法研究了提高磨煤机出口温度对锅炉安全、经济性的影响。白德龙等人［9］采用热重方法得到了空气气氛下CO析出规律，并进行现场试验，磨煤机出口温度升高后，磨煤机运行安全可靠，锅炉排烟温度下降。在当前煤质下，优化一次风量和一次风压，增大热风门开度，可以提高锅炉效率、降低风机耗电率［10-13］。赵振宁［14］研究了一次风量与一次风母管压力、调温风用量对一次风机功耗、厂用电率、锅炉效率与NOx排放的影响规律。目前的研究多集中在单个参数对锅炉的影响，很少研究各参数之间的相互影响。

针对上述研究的不足，本文深入分析磨煤机出口温度、一次风压优化的节能原理，并探讨了两者之间的耦合关系，对某台锅炉进行制粉系统节能优化试验，为制粉系统节能优化运行提供参考。

1 设备介绍

某电厂#2锅炉由东方锅炉（集团）股份有限公司独立设计，锅炉为超临界参数变压直流炉，单炉膛、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全悬吊结构Π型锅炉。锅炉采用前后墙对冲燃烧方式的旋流煤粉燃烧器，共24只旋流煤粉燃烧器分3层布置在前、后墙上，每层4只旋流煤粉燃烧器。

制粉系统采用中速磨煤机正压直吹式，配6台HP943磨煤机，每台磨煤机为同层的4只煤粉燃烧器提供风粉混合物，在锅炉最大连续蒸发量工况下燃用设计煤种时5台运行，1台备用。

锅炉配备2台成都电力机械厂生产的离心式一次风机，采用液偶调节。一次风机出口分3路，一路去空气预热器被烟气加热作为热一次风；一路直接送至磨煤机入口作为冷一次风，冷、热一次风混合后进入磨煤机干燥煤粉；另外一路接至密封风机入口，经密封风机升压后作为磨煤机密封风。

2 制粉系统运行参数分析

2.1 磨煤机出口温度

磨煤机出口温度对锅炉的安全、稳定、经济运行有重大影响。提高磨煤机出口温度有利于煤粉的着火、燃烧，提高燃烧稳定性，磨煤机入口风温升高，掺入冷风量减少，通过空气预热器冷一次风量增加，排烟温度下降，锅炉效率提高。根据理论计算结合相关经验，制粉系统掺入冷风量每降低1%，锅炉排烟温度可下降1.2℃，发电煤耗可降低0.19 g／（kW·h）。

磨煤机出口温度过高则容易发生爆炸，为了保证制粉系统安全运行，防止出现爆炸事故，DL／T 5145— 2012《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》中规定［15］对于中速磨煤机直吹式制粉系统，当燃煤干燥无灰基挥发分Vdaf＜40%时，磨煤机出口最高允许温度tM2＝［82-Vdaf）5／3］±5（℃）；当燃煤干燥无灰基挥发分Vdaf≥40%时，tM2＝60～70℃。煤粉的爆炸特性与煤的挥发分、灰分、水分、煤粉细度、气粉混合物的温度和浓度、气粉混合物中的含氧量等因素有关，当燃煤干燥无灰基挥发分Vdaf＜10%时，基本无爆炸风险，随挥发分增加爆炸概率变大；当煤粉颗粒在200μm以下时基本没有爆炸的危险，并且颗粒越小，爆炸发生的概率也相应变小；当煤粉水分＞25%时发生爆炸的风险也较小［16］。

在现行的标准中，磨煤机出口温度是燃煤挥发分的单值函数，仅考虑了挥发分的影响，不够客观全面，导致机组实际运行中，磨煤机出口温度控制偏低。由于热一次风温度较高，为控制磨煤机出口温度，需掺入大量冷风，锅炉排烟温度升高，机组经济性降低。因此，在保证制粉系统安全运行的前提下，适当提高磨煤机出口温度，可以提高机组运行经济性，而且可以提高磨煤机干燥出力，降低制粉单耗。

燃煤进入磨煤机后，外在水分首先汽化吸收大量的热量，磨煤机内部温度迅速下降，根据磨煤机热平衡计算，燃煤水分每汽化1%，热风温度降低约12℃，磨煤机内部煤粉温度远远小于磨煤机入口热风温度［17］。

制粉系统爆炸与可燃气体析出有密切关系，热重试验表明，煤中挥发分析出温度为270～280℃，CO2比CO先析出，CO是可燃气体中最先析出的气体，CO析出速率是磨煤机内平衡温度的单一函数。

因此，从安全性角度出发，通过监测磨煤机出口CO，只要磨煤机出口CO质量浓度在安全范围内，则可认为磨煤机的运行是安全的，并且还会有一定的安全余量。

2.2 一次风压

对于中速磨煤机正压直吹式制粉系统，一次风压克服制粉系统阻力满足送粉的要求，当达到平衡时，一次风压等于制粉系统阻力，包括燃烧器阻力、磨煤机阻力和一次风管阻力。燃烧器阻力和磨煤机阻力主要与设计参数、设备磨损情况有关，降低一次风管阻力成为降低一次风压的重要手段。

制粉系统调节过程中，磨煤机热风门主要负责调节风量，根据不同煤质的风煤比曲线调整合适的一次风量，满足送粉和燃烧的要求。当一次风压控制偏高时，为了保证风煤比，磨煤机热风门自动关小，增大一次风管局部阻力损失，一次风机耗电率增加。不同一次风压下一次风机运行工况点如图1所示。

图1 风机运行工况点Fig.1 Working conditions of the fan

一次风压控制较低时，风机运行在M点；一次风压升高，磨煤机热风门关小，节流损失增大，风机运行工况点上移至M1点。风煤比相同的情况下，一次风量Q保持不变，一次风压由p上升到p1，一次风压增加Δp。

风机功率计算公式为

式中：P为风机功率，kW；qV为风机体积流量，m3／s；p为风机全压，kPa；η为风机效率。

根据式（1），一次风压升高，磨煤机热风门关小，风机运行工况点从M点上移至M1点，一次风机功率增加为

一次风压控制过高，磨煤机热风门开度小，节流损失大，风机耗电量增加；一次风压控制过低，热风门全开，磨煤机增加出力时响应速度受限，且存在堵塞磨煤机的风险。因此，对一次风压进行优化时，既要尽量减少磨煤机热风门节流损失，又要保证磨煤机调节灵活性。在一次风量保持不变的情况下，通过逐步降低一次风压，磨煤机热风门逐渐开大，在满足一次风量调节需要的前提下，使热风门开度达到60% ～70%，此时一次风压即为最佳一次风压力［18-20］。

2.3 一次风压和磨煤机出口温度的耦合关系

磨煤机出口温度和一次风压存在一定的耦合关系，运行优化调整时应明确两者内部存在的相互关系，确定正确的优化顺序。提高磨煤机出口温度，则冷风门关小，热风门开大，当热风门开度过大时，需提高一次风压，保证热风门处于最佳开度。反之，降低一次风压，为保证磨煤机出口温度不变，冷、热风门需同步调整。因此，在运行优化试验时，首先在保证制粉系统安全的条件下，进行提升磨煤机出口温度试验，然后优化一次风压，最终将热风门开度调整到最佳开度。

3 节能优化试验

3.1 试验方案

某电厂运行过程中磨煤机出口温度控制在75℃，存在进一步提升的空间；一次风压控制较高，磨煤机热风门开度为40% ～50%，节流损失为1.5～2.5 kPa，较大。因此，对磨煤机出口温度和一次风压进行节能优化试验，进一步降低机组能耗。试验期间入炉煤质见表1。

表1 入炉煤质Tab.1 Quality of coal as fired

试验时，首先进行磨煤机出口温度优化试验，再进行一次风压优化试验，最终将磨煤机热风门开度调整至60%～70%。

3.2 磨煤机出口温度优化

3.2.1 单台磨煤机安全性试验

为保证制粉系统安全，选择1台磨煤机进行提高出口温度试验，试验选择D磨煤机，通过调整冷、热风门开度，将磨煤机出口温度从75℃升高至80℃，在不同磨煤机出力下对磨煤机出口CO进行测试，试验结果见表2。

表2 磨煤机出口CO体积分数（×10-6）Tab.2 CO volume fractions atm ill outlet（×10-6）

由表2可知，将磨煤机出口温度从75℃升高至80℃，在不同磨煤机出力30，40，50 t／h下，磨煤机出口CO体积分数均为0～0.0003%，煤粉中基本没有CO析出。根据DL／T 5145—2012《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》［15］规定，CO体积分数达到12%时才会发生爆炸，磨煤机出口CO体积分数远低于其爆炸极限的下限。因此，从制粉系统防爆的角度认为，磨煤机出口温度达到90℃是安全的。

3.2.2 多台磨煤机经济性试验

在450MW 负荷工况下，调整所有运行磨煤机冷、热风门开度，使磨煤机出口温度分别维持75℃和80℃，试验期间投运A，B，C，D 4台磨煤机，一次风压控制在9.5 kPa。通过2个工况对比，研究提高磨煤机出口温度对锅炉经济性的影响，试验结果见表3。

表3 磨煤机出口温度优化试验Tab.3 Optim ization test of the tem perature at coalm ill outlet

由表3可知，磨煤机出口温度从75℃升高至80℃，飞灰可燃物质量分数从0.55%升至0.66%，这是由于磨出口温度提高导致一次风速提高，煤粉细度变粗，飞灰略有增加，炉渣可燃物质量分数变化不大，排烟温度降低1.7℃，锅炉效率提高0.08百分点，机组煤耗降低约0.25 g／（kW·h）。

3.3 一次风压优化

在磨煤机出口温度优化试验基础上进行一次风压优化试验，优化试验分别在300，450，600MW 负荷下进行，磨煤机出口温度均控制在80℃，通过逐步降低一次风压，研究一次风压对锅炉经济性的影响，并给出一次风压控制曲线。

3.3.1 300MW 一次风压优化试验

在300MW 负荷下，一次风压逐步从8.0 kPa降至6.5 kPa，试验中投运A，B，C，D 4台磨煤机，各台磨煤机出力约33 t／h，试验结果见表4。

表4 300MW 负荷一次风压优化试验Tab.4 Primary air pressure optim ization test under 300MW load

由表4可知，300MW 负荷下一次风压从8.0 kPa降至6.5 kPa，锅炉效率基本保持不变，一次风机电流之和下降24.5A，风机功率降低216 kW。

3.3.2 450MW 一次风压优化试验

在450MW 负荷下，一次风压逐步从9.5 kPa降至8.0 kPa，试验中投运A，B，C，D 4台磨煤机，各台磨煤机出力约45 t／h，试验结果见表5。

表5 450MW 负荷一次风压优化试验Tab.5 Primary air pressure optim ization test under 450MW load

由表5可知，450MW 负荷下一次风压从9.5 kPa降至8.0 kPa，锅炉效率基本保持不变，一次风机电流之和下降15A，风机功率降低132 kW。

3.3.3 600MW 一次风压优化试验

在600MW 负荷下，一次风压逐步从10.5 kPa降至9.0 kPa，试验中投运A，B，C，D，E 5台磨煤机，各台磨煤机出力约49 t／h，试验结果见表6。

表6 600MW 负荷一次风压优化试验Tab.6 Primary air pressure optim ization test under 600MW load

由表6可知，600MW 负荷下一次风压从10.5 kPa降至9.0 kPa，锅炉效率基本保持不变，一次风机电流之和下降21.3A，风机功率降低188 kW。

优化后，在300，450，600MW 负荷下一次风压分别控制在6.5，8.0，9.0 kPa，一次风压随负荷的变化曲线如图2所示。为防止发生堵磨，当运行磨煤机热风门开度大于80%或切换到磨煤机时，自动增大一次风压，将热风门开度控制在60% ～70%范围内。

图2 一次风压随负荷的变化曲线Fig.2 Curve of primary air pressure varied with load

通过一次风压优化试验，在300，450，600MW负荷下一次风压均可降低1.5 kPa，一次风机功率分别降低216，132，188 kW。综合各负荷工况，一次风机功率平均降低178 kW，风机耗电率可降低0.04百分点，机组煤耗降低约0.13 g／（kW·h）。

4 结束语

本文深入分析提高磨煤机出口温度和降低一次风压的节能原理，并探讨了两者之间的耦合关系，确定了最佳优化策略。结合理论分析开展现场试验研究，通过磨煤机出口温度和一次风压优化试验，机组煤耗可降低0.38 g／（kW·h），按照年利用小时数为5000、标准煤单价850元／t核算，单台机组每年可产生经济效益为97万元，经济效益较好，可为制粉系统开展节能优化提供参考。