雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)雙可調(diào)式動(dòng)靜態(tài)分離器研發(fā)與應(yīng)用

0 引 言

雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)是火力發(fā)電廠直吹式制粉系統(tǒng)的主體設(shè)備，具有煤種適應(yīng)廣、自動(dòng)化程度高、出力和細(xì)度穩(wěn)定、維護(hù)操作簡便等特點(diǎn)，近年被廣泛使用。每臺磨煤機(jī)配有兩個(gè)獨(dú)立分離器、左右對稱。目前，國內(nèi)運(yùn)行的雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)主要供應(yīng)商是SVEDALA公司、FW公司和ALSTOM公司，沈陽重型機(jī)器廠和上海重型機(jī)器廠引進(jìn)ALSTOM公司的技術(shù)制造。這三家供應(yīng)商制造的雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，例如在分離器結(jié)構(gòu)方面：FW公司分離器為靜態(tài)慣性雙流道式，SVEDALA公司和ALSTOM公司分離器為靜態(tài)離心擋板式。

2006年筆者負(fù)責(zé)聊城發(fā)電有限公司2×600 MW超臨界機(jī)組（#3、4機(jī)組）鍋爐制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)的設(shè)計(jì)。由于燃用煤種為山西陽泉無煙煤與貧瘦煤的混煤，煤質(zhì)揮發(fā)份低（Vdaf≈10%）、可磨性差（HGI=37～67），屬于極難燃煤種，磨損指數(shù)達(dá)ke=6.2～18, 煤的著火、燃盡性能很差。為提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，保證無煙煤和貧煤等低揮發(fā)分煤種的著火和穩(wěn)燃，應(yīng)采用較細(xì)的煤粉細(xì)度。然而現(xiàn)有三家公司的分離器結(jié)構(gòu)都很難滿足這要求。按照ALSTOM公司雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)配置的分離器為靜態(tài)分離器，由于結(jié)構(gòu)原因，在遇到高細(xì)度煤粉時(shí)，存在磨煤機(jī)出力損失大，循環(huán)倍率大，分離效率低，煤粉顆粒均勻性差，出口之間煤粉濃度偏差大等缺點(diǎn)。因此要求研發(fā)一種既適應(yīng)雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)運(yùn)行要求，又能滿足高煤粉細(xì)度和均勻性指標(biāo)（≥1.1），具有多煤種適應(yīng)能力、調(diào)節(jié)方便、簡單可靠的分離器。

20世紀(jì)80年代后，國內(nèi)引進(jìn)中速磨煤機(jī)、水泥立磨等有部分配有旋轉(zhuǎn)式分離器，但是在雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)上還沒有采用旋轉(zhuǎn)分離器。筆者在雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)上增加動(dòng)、靜態(tài)分離器的構(gòu)思與業(yè)主進(jìn)行了交流，經(jīng)過雙方溝通，業(yè)主接受了設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過近一年半的時(shí)間，完成雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)雙可調(diào)式動(dòng)、靜態(tài)分離器的設(shè)計(jì)，并取得了成功。此后，該技術(shù)又分別用于華潤常熟、貴州塘寨和四川鞏縣等多家大型發(fā)電機(jī)組中，為提高鍋爐熱效率，降低飛灰含碳量及NOX排放量，使飛灰變?yōu)橐环N暢銷的副產(chǎn)品，對經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境發(fā)揮了很好的效用。

1 雙可調(diào)式動(dòng)靜態(tài)分離器的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 動(dòng)、靜態(tài)分離器設(shè)計(jì)原理

動(dòng)、靜態(tài)分離器設(shè)計(jì)思想主要來自于雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)靜態(tài)分離器。靜態(tài)分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：煤粉細(xì)度提高，磨煤機(jī)出力下降，且出力下降率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)度提高率，主要是因?yàn)殪o態(tài)葉片結(jié)構(gòu)造成的。原結(jié)構(gòu)中多出口分配器并不能起到有效的分離粗、細(xì)粉作用，如果用動(dòng)態(tài)葉輪取代多出口分配器位置，就能在原有靜態(tài)分離的基礎(chǔ)上增加一個(gè)動(dòng)態(tài)分離的功能，合格的煤粉被更快的分離排出，減少了分離器產(chǎn)生的再循環(huán)煤粉。

由于動(dòng)、靜態(tài)分離器可以實(shí)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和靜態(tài)折向擋板角度調(diào)節(jié)的雙向調(diào)節(jié)功能，能夠使煤粉在重力分離、撞擊分離、折向慣性分離和離心力強(qiáng)制分離等作用下，在磨煤機(jī)內(nèi)循環(huán)倍率下降，達(dá)到提高煤粉細(xì)度和均勻性指標(biāo)，最終達(dá)到提高鍋爐燃燒效率，降低飛灰含碳量的目的。

1.2 動(dòng)、靜態(tài)分離器組成和結(jié)構(gòu)

1.2.1 分離器結(jié)構(gòu)組成

圖1 動(dòng)靜分離器結(jié)構(gòu)

1.2.2 分離器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高（如圖2）

圖2 傳動(dòng)軸系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)分離器關(guān)鍵部件，采用同軸減速器經(jīng)軸承座與葉輪相聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠。軸承座采用一對雙列球面滾子軸承和單個(gè)軸向推力軸承作傳動(dòng)軸支撐，從而解決了徑向和軸向載荷受力分布。軸承的設(shè)計(jì)壽命大于100 000 h，為確保軸承長期運(yùn)行安全，采用油封+迷宮密封，磨煤機(jī)處于正壓運(yùn)行，在上部和下部油封處通入密封風(fēng)，以免受到分離器內(nèi)煤粉入侵。另外，軸承采用油脂潤滑，外部設(shè)置注油管路，便于定期加油。

(2)操作簡單、維護(hù)方便

由于靜態(tài)葉片在分離器頂蓋上部設(shè)有手動(dòng)調(diào)節(jié)扳手，在初始狀態(tài)調(diào)好葉片角度后，只需通過變頻電機(jī)來調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，就可以達(dá)到對煤粉細(xì)度的調(diào)節(jié)。加上內(nèi)、外錐采取防磨措施，整個(gè)分離器幾乎不需要日常維護(hù)，非常簡便。

(3)選粉效率高、安全性能好

由于采用可調(diào)角度的靜葉片和可調(diào)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)葉輪(如圖3)，整個(gè)動(dòng)、靜態(tài)系統(tǒng)形成雙層籠式結(jié)構(gòu)，使煤粉經(jīng)過靜葉分離后再經(jīng)動(dòng)態(tài)葉輪加速分離，分離效率明顯高于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)分離器；采用狹長的可調(diào)靜葉和轉(zhuǎn)子葉片, 狹長的擋板使煤粉流在通流截面上均勻性更好。加上靜態(tài)與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生意外不能運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)靜態(tài)葉片角度，分離器依然能滿足鍋爐運(yùn)行要求，這樣制粉系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性明顯提高。

圖3 轉(zhuǎn)子外形

2 動(dòng)、靜態(tài)分離器工作原理

煤粉氣流由磨煤機(jī)筒體進(jìn)入高位布置的分離器腔體時(shí)，由于截面積突然增大，流速降低，質(zhì)量大的一部分煤粉顆粒失去動(dòng)能，受重力作用沿外錐體內(nèi)壁滑入返粉管中。在分離器頂部裝有36個(gè)均布可調(diào)節(jié)的靜態(tài)葉片擋板，風(fēng)煤混合物穿越靜態(tài)葉片時(shí)，受到葉片阻擋形成風(fēng)煤混合物的渦流，由渦流產(chǎn)生的離心力改變煤粉顆粒的方向和速度，從而促使大顆粒煤粉離開煤粉氣流落到內(nèi)錐體中，沿內(nèi)錐體內(nèi)壁進(jìn)入返粉管和原煤混合一起送入磨煤機(jī)。調(diào)整葉片擋板的開度可以改變風(fēng)煤混合物的流場調(diào)節(jié)，通常被認(rèn)為靜態(tài)預(yù)選，從而改變出粉細(xì)度。進(jìn)入靜葉和動(dòng)態(tài)葉輪之區(qū)域的煤粉氣流在葉輪帶動(dòng)下，煤粉顆粒被瞬間提速，粗顆粒煤粉在離心力及動(dòng)態(tài)葉片撞擊作用下，與煤粉氣流脫離進(jìn)入內(nèi)錐體下部，隨后進(jìn)入返粉管。符合要求的煤粉穿過動(dòng)態(tài)葉輪經(jīng)分離器排出口進(jìn)入鍋爐。由此可看出，在相同的條件下，葉輪轉(zhuǎn)速大，則離心力大。當(dāng)粗顆粒煤粉受到的離心力大于氣流的曳引力時(shí)，就被自然分離出來。煤粉顆粒越小，分離所需要的離心力越大，需要葉輪轉(zhuǎn)速也越高，當(dāng)動(dòng)葉轉(zhuǎn)速達(dá)到較高時(shí)，可以獲得較高的煤粉細(xì)度。因此，按照煤粉細(xì)度要求，可以通過降低或提高葉輪轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)（見圖4）。從上述分離器運(yùn)行原理可看出，動(dòng)態(tài)葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)還能產(chǎn)生相當(dāng)大的擾動(dòng)力，使煤粉在被瞬間提速時(shí)促使風(fēng)粉混合物更趨均勻化，使粗、細(xì)煤粉相互間干擾減少，從而降低了回粉中的合格煤粉數(shù)量，降低了分離器的循環(huán)倍率，提高了煤粉的均勻性。分離器循環(huán)倍率降低實(shí)際上也是提高了磨煤機(jī)的出粉效率，降低了磨煤機(jī)單位能耗。由于煤粉均勻性提高，出口間煤粉濃度偏差明顯降低，這對鍋爐燃燒控制起著很重要的作用。

當(dāng)然，煤粉顆粒受到離心力的大小與靜葉的角度和動(dòng)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度均有關(guān)系，只有當(dāng)二者配合得當(dāng)時(shí)，才會(huì)使煤粉細(xì)度、均勻性達(dá)到最佳狀態(tài)。否則，效果將背道而馳。

采用動(dòng)、靜分離器另一優(yōu)勢就是它的高可靠性，轉(zhuǎn)子故障停轉(zhuǎn)時(shí)仍然可以實(shí)現(xiàn)選粉功能，設(shè)計(jì)時(shí)考慮各種故障對系統(tǒng)的影響，保證正常工作狀態(tài)下靜葉片是不需要調(diào)整的，當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)因故停轉(zhuǎn)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)靜葉片角度取得較好的選粉效果，保證鍋爐安全運(yùn)行。相對于純動(dòng)態(tài)分離器而言，動(dòng)、靜態(tài)分離器工作的可靠性更高。

圖4 動(dòng)、靜分離器工作原理

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

3.1.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和靜態(tài)葉片角度相互配合調(diào)節(jié)，選粉效率高，煤種適應(yīng)性廣。

3.1.2 當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障停轉(zhuǎn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)靜葉擋板，也可取得較好的選粉效果，可靠性高。

3.1.3 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)采用狹長的可調(diào)靜葉和轉(zhuǎn)子葉片形成雙層籠式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)阻力低，出粉均勻；

(2)葉輪軸采用三點(diǎn)支撐，軸承座設(shè)有二道機(jī)械密封，并接入冷卻密封風(fēng)，軸系可靠性高，檢修方便；

(3)葉輪傳動(dòng)裝置設(shè)置在分離器頂蓋上，軸承及轉(zhuǎn)子部分可方便拆除，檢修方便；

(4)葉輪與靜葉片設(shè)有阻尼環(huán)，可防止煤粉流形成旁路，提高分離效果；

(5)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大（葉輪轉(zhuǎn)速：60～150 r/min），煤種的適應(yīng)性更廣。

3.1.4 性能特點(diǎn)

(1)可獲得高細(xì)度煤粉提高難燃煤種鍋爐的燃燒效率；

(2)可提高煤粉均勻性（n＞1.1）并提高磨煤機(jī)出力、降低能耗；

(3)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大（60～150 r/min），煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)范圍大（R90=2%～10%可調(diào)）。

3.2 與國內(nèi)外同類技術(shù)比較

目前，本分離器綜合了現(xiàn)有國內(nèi)外各種分離器的優(yōu)點(diǎn)，雖然有許多分離器也稱為動(dòng)、靜態(tài)分離器，但多數(shù)不具有靜葉可調(diào)功能，仍屬于動(dòng)態(tài)分離器的范疇。本分離器是嚴(yán)格意義上的動(dòng)、靜態(tài)雙可調(diào)分離器，而且從工程實(shí)際出發(fā)，充分考慮設(shè)備壽命和檢修維護(hù)的方便，物料適應(yīng)性廣、調(diào)節(jié)迅速、低耗節(jié)能。聊城發(fā)電有限公司2×600 MW超臨界機(jī)組也是首次采用動(dòng)、靜態(tài)雙可調(diào)分離器的雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)。

4 山東聊城發(fā)電有限公司的應(yīng)用情況

4.1 制粉系統(tǒng)調(diào)整試驗(yàn)

4.1.1 擋板開度對煤粉細(xì)度的影響

在動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)，進(jìn)行了擋板開度與煤粉在規(guī)定孔徑篩上的篩余量關(guān)系試驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

圖5 擋板不同開度對煤粉細(xì)度的影響

4.1.2 動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速對煤粉細(xì)度的影響

分別在擋板40°和擋板50°的位置，調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速對煤粉篩余量的影響進(jìn)行了試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在70～100r/min范圍內(nèi),分離效果更顯著,隨著轉(zhuǎn)速的提高,細(xì)度下降很快（見圖6）。

4.2 制粉系統(tǒng)出力試驗(yàn)

磨煤機(jī)磨制設(shè)計(jì)煤種時(shí)，最大出力為53.3 t/h，達(dá)到保證值53 t/h。

圖6 動(dòng)態(tài)分離器不同轉(zhuǎn)速對煤粉細(xì)度的影響

4.3 磨煤機(jī)單耗試驗(yàn)

制粉系統(tǒng)最大出力試驗(yàn)工況下，磨煤機(jī)單耗為23.64kW·h/t，滿足磨煤機(jī)單耗≤26.9kW·h/t的要求。

4.4 應(yīng)用

雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)動(dòng)、靜態(tài)雙可調(diào)分離器的應(yīng)用，使煤粉細(xì)度提高（R90≈2%～10%可調(diào)，正常R90＜5%，極限R90=1.8%），均勻性（n＞1.1），使鍋爐燃燒劣質(zhì)煤可靠性更高，不投油穩(wěn)燃負(fù)荷更低（＜45%），使鍋爐煤種適應(yīng)性更廣（9%＜Vdaf＜25%均可穩(wěn)定燃燒，燃用低位發(fā)熱量熱值為15 000～25 000Qnet，ar，J/g均能帶滿負(fù)荷運(yùn)行），飛灰含碳量和渣中含碳量均較低（飛灰含碳一般小于2.8%，渣中含碳一般小于7%）。