提高中速磨煤機出力及煤種適應性的可行性研究

0 概 述

電力是國民經濟發展的重要能源，由于中國的三種一次能源呈現出“富煤、貧油、少氣”的特點，因此，采用煤炭作為一次能源的火力發電一直是我國的主要發電形式。對中國“十二五”及“十三五”期間的電力需求進行預測，到2020年，全國用電量將接近8.2萬億kW·h。未來的電力需求與目前實際發電量之間的巨大缺口必然會促進包括火電、核電在內的各種類型的發電廠的建設力度，由此可見，至少在未來的5～10年內，我國的火電行業仍將維持較快的發展速度。

作為火力發電廠燃煤鍋爐的主要輔機和制粉系統的重要組成部分，磨煤機的主要功能是碾磨一定粒度的原煤，使其達到能在爐內有效燃燒的細度。為了適應目前鍋爐燃煤量增大、電廠煤質變化大以及符合設備運行的安全性、經濟性要求，同時降低設備制造成本，提高市場競爭力，提高磨煤機出力及煤種適應性顯得尤為重要。

1 中速磨煤機技術引進及發展

1.1 早期的技術引進

為了裝備國內火力發電制粉系統，改變我國中速磨煤機落后的局面，我國從20世紀70年代起先后從歐美工業國家引進了幾種系列的中速磨煤機，主要以上海重型機器廠有限公司向美國ALSTOM公司（原ABB-CE公司）引進的RP/HP磨煤機和北京電力設備總廠向德國Babcock公司引進的MPS磨煤機為主；同時國內技術人員積極研究國外的先進機器，在引進消化吸收的基礎上，經過幾十年的努力，目前國內中速磨煤機已經全部實現國產化，并且各項指標已經符合國際要求，生產水平得到了很大的提高。隨著我國火電技術的進步，中速磨煤機得到快速發展和應用。同時，為了滿足節能減排、高效環保的要求，對發電設備的各項性能要求也日益提高。

1.2 中速磨煤機技術的發展

國內幾大中速磨煤機制造廠商，通過自身技術團隊的研究、開發，都已經具備了為50MW機組到1 500MW機組配套磨煤機的能力，磨煤機單臺出力從10t/h到150t/h。磨煤機結構更加緊湊，磨煤機加工制造成本也大幅下降，更加適應當前火電設備市場的現狀。通過幾十年火電市場的飛速發展及國內中速磨煤機制造企業的不斷創新，使我國中速磨煤機無論從產品結構、加工工藝，還是產品的各項性能指標都與世界先進水平保持同步。

1.3 中速磨煤機的特點

磨煤機是將煤塊破碎并碾磨成煤粉的設備，它的種類繁多，通?？梢园凑漳肽ゲ考霓D速將其分為低速磨煤機、中速磨煤機和高速磨煤機三類。低速磨煤機主要以雙進雙出鋼球磨煤機為主；中速磨煤機主要以RP/HP磨煤機（見圖1）、MPS（ZGM）磨煤機、E型磨煤機為主；高速磨煤機主要以風扇磨煤機為主。三種磨煤機各有優缺點及對煤種適應性各不相同，在國內外火電項目中根據不同的工程要求及原煤煤質情況，選用不同的磨煤機形式（見表1）。從國家相關標準也可以清楚看出，推薦采用中速磨煤機的煤種主要是貧瘦煤及煙煤、全水分≤19%的部分褐煤等，但是由于中速磨煤機具有其他低速、高速磨煤機無法比擬的優點，故目前國內外大型火力發電工程對制粉系統選型時，仍然將中速磨煤機作為制粉系統磨煤機配套首選方案。這就對中速磨煤機的出力、煤種適應性提出了更高要求。

圖1 HP中速磨煤機

表1 磨煤機及制粉系統的選擇

中速磨煤機優點主要體現在以下幾點：

（1）運行良好，對負荷反應迅速，制粉操作靈活，便于實現自動控制；

（2）由于碾磨部件之間沒有直接接觸，加載裝置又有限位裝置，所以震動小、噪聲低、運行平穩；

（3）運行、維護、檢修方便，碾磨件壽命較長，并且停機檢修時間較短；

（4）初期投資費用小，磨煤電耗低；低負荷運行時，單位耗電量增加不多，已成為大型火電機組配備磨煤機的首選方案。

但中速磨煤機對煤種適應性較差，不適應灰分高、含石子煤量大的煤種，這限制了中速磨煤機的推廣。同時由于近年來優質原煤價格不斷走高，而儲量更大、價格更優的褐煤運用越來越廣泛，許多火電企業為了降低初次投資成本，都傾向采用投資成本更小、運行維護更方便的中速磨煤機。如果不能夠解決中速磨煤機煤種適應性方面的局限性，中速磨煤機在以后國內外火電市場中的發展將受到很大程度的限制。為使中速磨煤機能夠保持優勢，同時又能夠在新的市場機遇面前繼續快速發展，進行再一次的中速磨煤機技術創新已刻不容緩。

2 提高磨煤機出力及煤種適應性的措施

2.1 提高碾磨壓力

碾磨壓力是指磨輥（碾磨部件）與磨盤襯板之間相接觸的單位接觸面積上對煤及煤粉的平均作用力。中速磨煤機的工作原理基本相似，都是依靠加載裝置對磨輥施加一定的加載力，使煤塊在磨輥和旋轉的磨盤（磨碗或者磨環）的擠壓作用下被碾磨成煤粉。碾磨壓力主要來自彈簧、液壓缸或其他壓緊力，其次是磨輥裝置的自重。目前磨煤機采用的加載形式分為彈簧變加載和液壓變加載，彈簧變加載系統通過彈簧預壓縮量給予一定的初始加載力，隨著磨輥與磨盤之間在不同負荷下的煤層厚度變化情況實現變加載；而液壓變加載系統是通過給煤機的給煤負荷情況實現液壓系統加載力的在線自動調節（見圖2）。

圖2 磨煤機加載、碾磨系統

碾磨壓力越大，磨輥與磨盤之間的煤或煤粉越容易被壓碎，減少碾磨次數，經過碾磨壓碎的小顆粒煤粉將被磨盤旋轉離心力很快甩出，進入風粉氣流輸送通道盡快吹出磨機，提高磨煤機出力。同時針對原煤灰分含量較高的貧煤或含碳量較高的無煙煤，其哈氏可磨度（HGI）較低的比較難磨的煤種，提高碾磨加載力可以使磨煤機的碾磨效率提高，這樣就可以大幅提高中速磨煤機的煤種適應性。

但是隨著碾磨壓力的提高，作用在磨盤上的壓力也相應提高，碾磨部件的磨損將上升，碾磨所需的電動機功率也將相應提高，故提高碾磨壓力后需要相應增強碾磨件的耐磨性，提高碾磨件壽命；增加配套電動機的功率，使電動機功率與碾磨壓力相匹配，否則容易引起電動機過載。此外隨著碾磨壓力的提高，磨機作用在基礎的靜載荷及動載荷也將相應增加，故在磨煤機基礎設計時也要適當增加磨煤機混凝土基礎的重量，防止磨煤機運行時基礎震動。

2.2 提高磨盤轉速

中速磨煤機的工作原理基本都是通過旋轉的磨盤將平鋪在磨盤上的原煤層依次通過三個120°均布的磨輥裝置進行反復碾磨，同時原煤層在磨盤轉動離心力的作用下向外移動（見圖3）。目前國內中速磨煤機制造廠商為了能夠提高原煤碾磨層在單位時間內通過碾磨區域的次數，提出可以相應將磨盤的轉速提高，分別在原始轉速的基礎上提高10%、20%、30%。

圖3 中速磨煤機磨盤

提高磨盤轉速的同時，磨盤上原煤層所受的磨盤旋轉離心力也將相應提高，其離心力為：

式中 F - 離心力，N

m - 原煤質量，kg

v - 磨盤圓周速度，m/s

r - 磨盤的名義半徑，m

原煤層沿著磨盤向外移動的速度也將相應加快，這樣磨盤上同一區域的原煤層在通過上一碾磨區后，在進入下一碾磨區之前就有可能已經被甩出磨盤進入煤粉輸送通道。提高磨盤轉速不但不會提高原煤通過碾磨區的次數，反而由于磨盤轉速的提高，使煤層快速通過磨盤與磨輥裝置形成的碾磨區，降低磨煤機對原煤的碾磨效率。

2.3 配套增加動態旋轉煤粉分離器

煤粉分離器的作用是將磨煤機磨制出來的煤粉依顆粒的大小進行分選，即把粒度小的某粒度級的細粉（合格煤粉），作為成品隨干燥氣流輸送至煤粉分離器或直接進入爐膛；而把粒度大于這一粒度級的粗顆粒（不合格煤粉）從氣流中分離出來，并返回磨煤機重新磨制。一個性能理想的煤粉分離器，不僅能把合格煤粉隨氣流輸出，而不混入返回磨煤機的粗粉中去，從而增加磨煤機負荷，影響其出力；還能把大于規定粒度級的不合格煤粉——粗粉全部分離出來并返回磨煤機重磨，而不隨氣流與合格煤粉進入爐膛，影響鍋爐燃燒效率。煤粉分離器的作用除了能分離粗粉和把合格的煤粉輸送出去外，還具有調節煤粉細度的能力，以便在煤種或磨煤機出力或通風量變化時保證一定的煤粉細度，起到改善和保證煤粉品質的作用，從而提高制粉工作的經濟性和鍋爐的燃燒效率（見圖4）。

圖4 靜態煤粉分離器

根據分離原理的不同，分離器分為慣性煤粉分離器（靜態）和離心煤粉分離器（動態旋轉）兩種。根據以往經驗，靜態煤粉分離器煤粉由于采用固定的可調節葉片來進行煤粉細度調節，煤粉分離效率偏低，煤粉均勻性較差。

隨著我國電力產業結構調整的深入，節能環保的要求不斷提高，許多火電機組都在使用低NOx排放技術，為了降低NOx和飛灰排放量又不增加運行成本，作為鍋爐系統重要輔機的磨煤機也相應進行了技術改進，采用動態分離器技術是較佳的方法。

動態煤粉分離器工作原理是通過變頻電機、減速箱、皮帶傳動、軸承座裝置驅動煤粉分離葉片轉子體，在轉子外沿處，通過氣流和煤流相互作用，轉子會阻止較大顆粒通過，使其返回磨碗進一步碾磨，而細度合格的煤粉則可以通過轉子排出磨煤機。通過變頻器和變頻電機可以改變轉子的轉速，通過改變轉子的轉速可以調整煤粉的細度（見圖5）。

圖5 動態煤粉分離器

由于動態煤粉分離器轉子體轉速可調，這提高了煤粉分離器的分離效率，降低了煤粉在磨煤機內部的循環倍率，煤粉均勻性得到很大程度的改善，煤粉細度調節更加方便、快捷，煤粉分離器自身阻力大大降低。故配置動態煤粉分離器的中速磨煤機出口煤粉細度完全可以滿足目前電力工業的要求。

2.4 增加磨輥數量

所有中速磨煤機都是由三個120°均布在磨盤上方的磨輥裝置通過擠壓碾磨區中的煤床來使原煤經過碾磨達到要求的細度，并最終吹出磨煤機系統（見圖6）。

原煤從中心落煤管落到磨盤上，在不考慮原煤層在磨盤離心力作用下向外移動的影響，同一區域的原煤床隨磨盤旋轉一周只能三次經過磨輥輥套與磨盤所形成的碾磨區域進行有效碾磨，且每個碾磨區也只存在磨輥輥套錐面與磨盤平面形成的一條近似直線的碾磨區，造成原煤從落到磨盤到被磨盤離心力甩出，未能經過充分碾磨成為達不到要求細度的煤粉，只能在經過煤粉分離器時被篩選出來重新進入碾磨區域進行碾磨，這樣將降低中速磨煤機的碾磨效率。這種情況在碾磨哈氏可磨度比較低的無煙煤時將表現得更加突出。因為無煙煤碳化程度高，含碳量多，哈氏可磨度普遍較低。

圖6 配置3個磨輥裝置的磨機

為了能夠提高磨盤上原煤層在一個圓周行程中經過碾磨區域的次數，可以通過增加布置磨輥數量的方式，提高磨煤機單位時間內的碾磨次數，這樣將會提高磨煤機的碾磨效率，使中速磨煤機更加適應碾磨低哈氏可磨度的無煙煤，對于火力電站制粉系統燃用無煙煤時多了一種磨型可供選擇，不再局限于只能選擇能耗、造價都較高的低速雙進雙出鋼球磨煤機。

可以考慮將中速磨煤機的磨輥裝置數量由3個增加為4個，這樣不但可以增加磨碗旋轉一周原煤經過碾磨區的次數，同時如果有磨輥裝置出現故障時，磨煤機可以將故障磨輥裝置及對面磨輥抬高，采用另外兩個對稱磨輥裝置繼續進行正常運行，這樣理論上可以確保50%的磨煤機出力。

磨輥裝置數量由3個增加為4個的同時，可以用4個小型號的磨輥裝置代替3個尺寸及重量更大的磨輥裝置，同時磨煤機出力不但不會降低，反而會有一定的提高。這樣磨煤機造價基本保持不變，但中速磨煤機的單位出力將大幅提高（見圖7）。

圖7 配置4個磨輥裝置的磨機

2.5 提高磨煤機一次風入口溫度

我國褐煤資源非常豐富，大約占全國煤炭儲量的16%，主要分布于內蒙古東部、黑龍江東部和云南東部。以往火電鍋爐燃用褐煤時按照《電站磨煤機及制粉系統選型導則》首選磨煤機方案是風扇磨煤機，但是由于風扇磨屬于高速磨，受磨損壽命影響，打擊輪使用壽命周期一般在2 000～3 000h，維護檢修工作量非常大，故大部分燃用高水分褐煤電廠制粉系統一般不太愿意采用風扇磨，而更加青睞檢修維護工作更小、壽命更長的中速磨煤機。

用中速磨煤機碾磨高水分褐煤，這就意味著磨煤機不僅碾磨出力要達到鍋爐要求，最重要的是磨煤機干燥能力也要滿足鍋爐要求。中速磨煤機碾磨煙煤、次煙煤時磨煤機一次風入口溫度一般僅為250℃左右；如果燃用高水分褐煤時為了使原煤及時干燥到要求的煤粉水分，必須大幅提高磨煤機入口的一次風溫和風量來確保磨煤機制粉系統的干燥能力，而這時磨煤機一次風入口溫度可以達到近400℃，磨煤機內部的一次風速也將達到極限值。這樣對磨煤機自身的耐高溫性能、磨煤機內部的防爆要求、碾磨件的壽命、管道的耐磨性等都將提出更高的要求。

為了使中速磨煤機能夠更加適應上述碾磨高水分褐煤時高風溫、高沖刷、高防爆風險的特殊工況，必須對原有中速磨煤機進行如下改進：

(1)內部結構避免有積粉死角結構，杜絕著火的可能性；

(2)內部所有易損件全部采用耐高溫、耐磨性強的材料；

(3)出口配置快速關斷閘板閥，減少滅火蒸汽損失；

(4)預留安裝CO監測裝置的接口，出口留有測量溫度和壓力的接口；

(5)留有惰性氣體接口和滅火噴水接口；

(6)殼體防爆能力須≥0.35MPa設計；

(7)將石子煤出口適當放大，確保其排放暢通，避免由于石子煤排放不暢而引起著火。

3 可行性分析

上述幾項提高中速磨煤機出力及煤種適應性的措施有的已經通過運行得到驗證，有的還需要在運行中去檢驗。但在中速磨煤機選型設計中，上述措施并不是簡單的疊加，而需要根據不同工程原煤煤質情況分析采取哪種措施更重要。筆者認為，應該根據如下原則進行選擇：

(1)對于原煤灰分含量高，哈氏可磨度偏低難以碾磨的貧煤、無煙煤，為了盡量提高磨煤機的碾磨效率，在應用中可以提高碾磨壓力、增加磨輥數量；

(2)對于原煤哈氏可磨度較高、全水分不高容易碾磨的煙煤，為了能夠使碾磨合格的煤粉盡快吹出磨機，建議通過提高磨碗轉速、配置動態煤粉分離器等提高磨機碾磨、分離效率；

(3)對于原煤水分較高的褐煤，為了提高磨煤機的干燥能力，建議通過提高磨煤機一次風入口溫度。

4 小 結

隨著煤炭市場提供給火力發電廠的燃煤品位不斷下降，火電企業也越來越多地使用劣質煤來發電，中速磨煤機要在這種工況下更加可靠和更有效地運行，就必須不斷地進行結構改進和完善，并開發新結構，增加新功能，最大程度提高中速磨煤機的煤種適應性及單位出力，以適應市場的需求。