某电厂1 000 MW机组双进双出钢球磨煤机出力低原因分析及优化改造

张开亮 ，李 伟 ，李志东 ，宋子阳 ，杜学森

（1.华润电力湖北有限公司，湖北 赤壁 437300；2.润电能源科学技术有限公司，郑州 450000）

0 引言

钢球磨煤机广泛应用于我国火力发电厂中，尤其是300 MW以上机组，较多采用了双进双出钢球磨煤机直吹式制粉系统，其具有煤种适应性广泛，易于操作控制等优点，尤其适合可磨系数低、磨损性强和煤粉细度要求高的煤种，如劣质烟煤、贫煤和无烟煤［1］。同时，双进双出钢球磨煤机也存在着一些缺点，如钢球消耗量大，制粉出力滞后，系统运行自动化程度低、运行经济性较差，增负荷时煤粉过粗影响燃烧效率等问题［2］。双进双出钢球磨煤机直吹式制粉系统是厂用电耗电大户之一，其耗电量占到厂用电量的15%～25%。制粉系统磨煤机出力低不仅会进一步增加厂用电，还提高了人力资源成本和生产成本，更对锅炉运行的安全性和经济性造成影响［3］。

某电厂1 000 MW机组双进双出钢球磨煤机自投产以来一直出力不足，距离设计出力有较大差距，衍生出一系列影响锅炉安全、经济运行方面的问题［4-5］。磨煤机和一次风机厂电耗高，且用电高峰时段机组经常因磨煤机出力低而带不满负荷，仅2019年，调度考核电量就达到了989万kW·h。此外，一次风机超负荷运行也对锅炉安全运行产生了影响。

本文针对电厂双进双出钢球磨煤机出力低的问题进行了原因分析，并提出了整改方案，利用数值模拟仿真的手段对整改方案进行了优选，提出了整改意见。

1 设备概况

1.1 锅炉与制粉系统概况

某电厂锅炉为上海锅炉厂引进ALSTOM技术生产的超超临界变压直流煤粉炉，型号为SG-3103/27.46-M536，型式为单炉膛、双切圆、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、π式煤粉直流锅炉。机组采用双进双出钢球磨煤机正压直吹式冷一次风机制粉系统，每台炉配6台磨煤机，不设备用磨煤机，磨煤机型号为MGS-4366，该磨煤机设备规范见表1。磨煤机自投产以来出力一直不足，铭牌最大出力为78 t/h（煤质哈氏可磨系数55），排查性试验前磨煤机最大出力约65 t/h（煤质哈氏可磨系数60）。在煤质变差或六台磨煤机同时运行时，机组存在带不满负荷的问题。

表1 MGS-4366磨煤机设备规范Tab.1 MGS-4366 specification for coal mill equipment

1.2 锅炉煤质特性

电厂煤源主要由陕西煤和山西煤组成，陕西煤和山西煤均属于烟煤，地方矿煤多属于是贫瘦煤和无烟煤。煤质特性见表2。

表2 电厂煤质特性Tab.2 Coal quality characteristics of power plant

2 磨煤机出力低的原因分析

制粉系统出力包含三方面：研磨出力、通风出力、分离出力［6］。关于前两方面在厂家和电科院指导下进行了多次运行调整和试验，还进行了单台磨煤机的高铬衬板及钢球级配改造，此问题未能得到改善和解决。再次将该厂制粉全系统各相关设备与其他电厂进行比对时（比对情况见表3），判断出该厂平锥式轴向分离器设计不合理，分析出分离出力低是问题关键所在，具体包括三点：分离器喉部直径偏大、撞击锥直径偏大和分离器整体尺寸设计偏大。

2.1 分离器喉部直径偏大

如表3所示，该厂（电厂1）磨煤机分离器喉部的内径为2 560 mm，明显大于其他项目。与该分离器型式相同的电厂2、电厂3项目进行比较，电厂1喉部内径偏大570 mm，喉部的过流断面是电厂2、电厂3分离器的1.65倍，在相同风量的情况下，风粉流速仅为电厂2、电厂3分离器的60%；与电厂4进行比较，分离器喉部内径偏大360 mm，喉部的过流断面是电厂4分离器的1.35倍，在相同风量的情况下，风粉流速仅为电厂4分离器的74%，电厂4设计的煤粉细度为R90=8%，但其分离器喉部内径仍然小于电厂1分离器。对于电厂1制粉系统而言，风粉气流从分离器中部竖井出来后，因扩容较大导致速度降低过多，气流带粉能力差，增强了其重力分离的效果，加大了重力分离的比例，部分合格煤粉可能被撞击落入回粉管。

2.2 撞击锥直径偏大

如表3所示，该厂（电厂1）的撞击锥的第一阶梯直径为900 mm，分离器中部竖井出口直径1 420 mm，两者的比值为0.63。与其他项目型式相同的撞击锥对比得知，该厂撞击锥的直径（即撞击面积）偏大，即撞击锥在中部竖井出口上方阻挡的面积占比偏大，导致撞击分离的程度过大、风粉流场紊乱，使大量煤粉被撞击分离。加之撞击锥下方偏低的风粉流速，部分合格煤粉在此处由于重力沉降及大颗粒的撞击作用也被分离至回粉管。

表3 该厂制粉系统与其他项目对比表Tab.3 Comparison table of the mill's milling system and other projects

2.3 分离器整体尺寸设计偏大

根据《火力发电厂制粉系统设计计算设计规范》（DL/T 5145—2012）［7］中关于粗粉分离器直径的确定方法：先根据煤种所要求的煤粉细度和选定的分离器型式，选取相应的容积强度；再根据实际通过分离器的体积流量和选定的分离器容积强度进行计算确定，计算公式如下：

式中：D为粗粉分离器的直径，m；Q为通风量，m3/h；K为粗粉分离器结构特性系数，串联双轴向型取K=0.35；E为容积强度，m3/（m3·h－1）。

串联双轴向型粗粉分离器容积强度为：

E=1 500+(R90/0.006).

根据各项目的磨煤机设备的技术协议，摘取煤粉细度及分离器通风量数据，计算分离器直径见表4。

表4 该电厂制粉系统技术协议与其他项目对比表Tab.4 Comparison table of the technical agreement of the power plant's pulverizing system and other projects

经过计算，该厂磨煤机分离器的直径应该在3 400 mm～3 600 mm之间，实际直径为3 876 mm，实际直径偏大较多。

轴向分离器的直径决定了其容积强度，进而决定了出粉的细度。分离器直径偏大会加强其重力分离及离心分离的效果，导致煤粉更细，即R90更小，在磨煤机研磨出力固定的情况下，体现为制粉系统出力偏小；增加制粉系统的通风量可以在一定程度上增加分离器的出粉量，但同时会导致分离器内流场紊乱，部分不合格的煤粉可能被带出分离器，合格的煤粉可能被大颗粒撞击落入回粉管。分离器直径偏小会增加制粉系统的阻力，导致制粉系统出力偏低，通过增加通风量可以在一定程度上增加出粉量。

分离器大小、煤种可磨性系数、煤粉细度、制粉系统出力，这四者应该在一定范围内相匹配的。以电厂4最为明显，燃煤为无烟煤，其MGS-4360磨煤机设计煤粉细度R90=8%，分离器直径3 850 mm，设计BMCR工况出力只有50 t/h左右，实际运行时的最大出力约为54 t/h。对于该厂制粉系统，从实际运行情况来看，每套制粉系统出力在60 t/h以下的工况运行时，风煤比在1.5～1.7之间，属于正常范围；在60 t/h以上运行时，属于需要依靠通风量增加出力的情况。所以提高该厂制粉系统的出力，应缩小分离器的直径，提高匹配效果。

3 磨煤机分离器优化方案

基于以上对比分析，得出该厂的轴向分离器原设计不合理，与铭牌最大出力78 t/h不匹配。重新设计选型后整体更换分离器最为直接有效，但此举费用过高、且施工难度大。因此尝试采用小范围改动分离器内部结构、优化流场来解决此问题。

平锥式轴向分离器其功能由三部分组成：撞击分离、重力分离、挡板旋转分离。本次研究重点从弱化撞击分离和弱化重力分离两个方向着手，对应的手段为：（1）减小撞击面积或者改变撞击方向；（2）减小风粉气流扩容，增加流速。在此基础上初步设计了改动方案，对结构模型进行比较。

3.1 结构模型

模拟改造的分离器结构模型共5个模型，其中“原始”为分离器原始结构，其余均为优化改造方案，圆圈处为各优化改造模型与“原始”结构有差别的位置。改造方案一延长了风管的出口导流板，并在磨盘底部正对风管处添加圆锥导流；改造方案二通过添加导流板缩小了一次风进入磨煤机的通流面积；改造方案三在一次风管进磨煤机出口处增加了环形导流板；改造方案四取消了磨煤机上方出口处的直角。具体改造示意图见图1。

图1 五种分离器的结构模型Fig.1 Structural models of five types of separators

3.2 计算结果和方案优选

为验证改造效果，利用计算流体力学软件Fluent对现有分离器和各改造方案进行了数值模拟，得出不同方案的循环倍率。Fluent软件是一个功能全面、适用性广的CFD软件，对传热、流动和化学反应等方面的问题有较好的模拟效果［8］。

模拟采用变单一结构的方法，即原始模型、网格结构调试确定好后，进行单一变量（变结构）计算。图2为五种分离器内部流速数值模拟的速度分布图，根据判别标准，统计了分离器出口各模拟结果的煤粉颗粒粒子数，并计算出相应的循环倍率，结果见表5。

表5 双R粒径分布各模型循环倍率计算结果Tab.5 Calculation results of cycle magnification of each model of double R particle size distribution

图2 五种分离器内部流速数值模拟的速度分布图Fig.2 Velocity distribution diagram of the numerical simulation of the internal flow velocity of five kinds of separators

由煤粉颗粒进行双R粒径分布的循环倍率计算结果可知，循环倍率从高到低依次为：原始＞改造方案四＞改造方案二＞改造方案三＞改造方案一。循环倍率越高，分离器的分离效果越强，磨煤机出力越小。模拟四种改造后的磨煤机出力与原始情况相比，均有不同程度的增大，从模拟效果来看，“改造方案一”模型的磨煤机出力最大。

3.3 改造效果验证

选择改造方案三模型与改造方案一模型对两台磨煤机分别进行实施现场实验，在机组满负荷状态下进行出力对比，结果见表6。

表6 实际改造后磨煤机出力对比结果（实验煤质哈氏可磨系数60）Tab.6 Comparison result of coal mill output after actual transformation（Experimental coal quality Hastelloy grindability coefficient 60）

4 结论

本文针对某电厂1 000 MW机组双进双出钢球磨煤机出力低的问题，与相同或相近型号磨煤机的制粉系统进行比对及分析，判断磨煤机出力低的原因是平锥式轴向分离器设计不合理，分离出力低。在无经验可借鉴的情况下，创新性地提出了用分离器内部结构改动来解决出力不足问题，并且自主设计改动方案，利用CFD软件通过模拟计算对比，发现循环倍率越低，分离器分离效果越差，磨煤机出力越大。通过数值模拟优选出的最佳改造方案为：延长风管的出口导流板，并在磨盘底部正对风管处添加圆锥导流。经过实践验证，所提方案大幅提高了磨煤机出力。

此次创新改造利用数值模拟方法对双进双出钢球磨煤机进行了改造仿真计算，并通过实际改造试验验证了模拟的效果，避免了大量磨煤机分离器需要更换的经济成本。本文所提改造方案，用较低的经济成本解决了磨煤机出力不足带来的调度考核、厂用电耗高、一次风机易失速等一系列问题，具有较高的安全性与经济效益，此举对其他电厂同类问题的解决也具有一定的指导意义。