東北某300MW機組制粉系統靈活性改造方案探討

魏東陽

(國家電投集團東北電力有限公司，遼寧沈陽 110181)

隨著國家經濟的快速發展及人民生活水平的日益提高，全國電網裝機容量也隨之增大，全國的用電結構也發生了變化，造成電網峰谷差日趨增大，尤其是耗電大的省市，用電峰谷差就更加突出，造成電網調峰幅度和難度越來越大。另一方面，伴隨著低碳經濟的實施，可再生資源發電的投入將加大。以東北電網為例，風力發電的裝機容量已成為東北電網的第二大能源。隨著風電的大規模開發，特別是千瓦級風電基地的投運，依照現有運行火電機組低谷調峰能力計算，系統調峰問題非常突出［1－2］。

2016年6月14日，國家能源局正式啟動靈活性改造示范試點項目。能源局選取了可再生能源消納問題較為突出地區的16個典型項目進行試點，2016年7月又增加了6個試點項目。根據發改委、能源局印發的《可再生能源調峰機組優先發電試行辦法》的專項行動措施意見等相關文件要求，電廠需進行相應的靈活性改造，提高機組深度調峰能力［3－5］。

本文所分析機組是哈爾濱鍋爐廠有限公司設計制造的配300MW汽輪發電機組的亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環汽包爐，采用平衡通風、四角切圓燃燒方式，設計燃料為褐煤。鍋爐型號:HG－1035/17.5－HM35型。鍋爐采用全鋼架懸吊結構、緊身封閉布置。本文以30%、20%TRL兩個目標進行制粉系統改造方案的分析和探討。

1 30%TRL制粉系統改造方案

1.1 粉管可調縮孔更換

對5臺磨對應的20只可調縮孔進行更換，以改善一次風速可調節特性，緩解爐內燃燒偏斜。同時對煤粉取樣就地測孔位置進行優化，比如C磨，測孔正對管子，煤粉取樣槍插入受到影響，在保證測孔位于直管段上前提下，應對BCD磨粉管上的測孔都進行位置優化。

1.2 磨煤機冷風管支管技改

在30%TRL工況下，總燃煤量在65t/h左右，三臺磨煤機能夠正常運行，出力正常。此時磨出口溫度高達90℃(試驗期間運行不到1h后停止試驗)，冷風擋板開度已滿，煤粉在管道中是流動狀態，爆燃或著火的可能性不大，反而降低了煤粉氣流著火熱。但是磨煤機本體存在爆燃或者內部局部著火的可能性，可考慮對磨煤機冷風管支管進行管徑擴大的技改。根據現場實際運行情況，旁路冷一次風風門已經100%全開，磨煤機出口送粉溫度仍然在90℃以上，若降低一次風壓，則會出現磨煤機堵磨的風險，可以采用系統改造以解決送粉超溫問題，改造方案本著有效、簡潔的原則確定。通過對鍋爐煙風系統流程圖、冷一次風道安裝圖、熱一次風道安裝圖的分析計算，改造方案以降低旁路冷一次風阻力，增大冷一次風份額實施。

1.2.1 基本計算

風道改造方案的設計通過阻力計算分析完成，計算初始數據根據鍋爐30%負荷現場運行數據選定。根據熱一次風溫、冷風溫度、入磨一次風溫推測出冷一次風旁路比例約為16%，那么冷一次風旁路占總風量比例約為6.4%。空氣阻力計算范圍為冷一次風道旁路，包括:一次風機出口母管引出三通、冷一次風母管含彎頭(Φ720 mm)、冷一次風磨煤機前分配集箱(Φ820 mm)、冷一次風分配支管含彎頭(Φ377 mm)、冷風支管與熱風支管匯集三通、風門。

1.2.2 改造方案

根據對上述計算結果的分析，冷風道總阻力約為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:

一次風機出口，旁路冷一次風道引出位置增加導流彎頭可顯著降低引出阻力損失。

旁路冷一次風母管(Φ720mm及Φ820mm)擴徑雖然可降低系統阻力，但改動量大，且對管道系統阻力改善有限，因此不做修改。

冷一次風支管(Φ377mm)流速明顯高于母管，雖然長度短，但阻力損失占總損失一半以上，通過口徑增大的方式可明顯改善，可由Φ377mm改為Φ426mm。

調節風門和隔斷門在全開狀態對阻力改善有限，且投資費用大，建議不做更改，接口處以大小頭過渡。

同樣，風道引入位置需要增加導流彎頭降低總阻力。

根據上述改造方案，系統阻力系數下降，冷風旁路與熱風道阻力重新平衡，冷一次風旁路比例增加，系統總阻力下降。冷一次風旁路比例約為20%，冷一次風旁路占總風量比例約為8%。混合后入磨風溫可下降12℃，降至262℃。

系統總阻力降低到523.3Pa，阻力降低主要體現在引入、引出、支管段，而母管阻力由于風量增加略有升高。

通過對冷風旁路的分析計算，提出降低阻力的改造方案。改造后系統降低到523.3Pa，冷風旁路比例提高至20%。混合后入磨風溫下降至262℃。進而可降低磨煤機出口風溫約10℃。

一次風率按50%，同理計算得出結果是:改造后冷風旁路阻力降低至778.6Pa，冷風旁路比例提高至22%。混合后入磨風溫下降至260℃。進而可降低磨煤機出口風溫約11℃。

1.3 MPS200HP－II中速磨煤機制粉系統優化方案

1.3.1 磨煤機動態分離器改造依據及改造關鍵

1.3.1.1 改造依據

1)現有分離器煤粉調節難度較大，不能根據煤質水分變化有效快速調節煤粉細度;

2)不利于煤粉的均勻分配;

3)MPS200HP－II磨煤機出力優化改造已經具有成熟技術，有成功改造案例。

1.3.1.2 改造關鍵

1)改造后煤粉細度和煤粉均勻性要得到保證，而且動態分離器對煤粉細度在一定細度范圍內動態可調，煤粉均勻性要好;

2)動態分離器阻力不增加，不能降低現有制粉系統的出力，在同樣煤質、同樣煤粉細度的情況下，改造后磨煤機出力較改造前要有所提高;

3)在同樣煤質、同樣煤粉細度、同樣磨煤機出力的情況下，改造后磨煤機分離器阻力較改造前不增加;

4)分離器動、靜葉片、分離器頂蓋、分離器出口煤粉管道需要防磨處理;

5)分離器出口煤粉管煤粉分配性良好，保證粉管粉量偏差小;

6)分離器的靜態殼體與動態部分密封需要注意，防止漏粉;

7)需要注意減速箱殼體的密封，防止齒輪潤滑油的泄露;8)設計時要根據實際燃燒的煤質情況，選擇動態分離器合適的轉速，同時根據轉速選擇好減速機的尺寸;

9)設計時要注意動態分離器軸承的密封，防止煤粉的進入導致軸的卡死情況的出現;

10)設計時要根據實際燃燒的煤質情況選擇合適的動葉直徑、靜葉直徑、分離器筒體尺寸，動葉片之間的間距設計要合適。

1.3.1.3 具體改造方案

把靜態分離器改造為動態分離器并同時更換磨煤機動態旋轉風環對機組低負荷穩燃有較大改善，針對C、D、E磨三臺進行改造。根據現場的情況以及空間分布。

將原有的分離器拆除，主要拆卸部位為分離器與機殼的連接法蘭，分離器與落煤管和出粉管的連接法蘭，磨輥密封風管和惰化氣體的接口法蘭以及舊磨煤機風環。安裝分離器之前，先把新風環安裝完畢。更換的動態旋轉分離器由轉子、靜子、驅動裝置等組成，其與磨煤機的接口主要有四部分接口，分別是與機殼連接法蘭接口，與落煤管和出粉管的連接法蘭接口，與磨輥密封風管的接口，與防爆蒸汽的接口。

另外，新的分離器增加了變頻電氣裝置，由于該裝置為整體設計、組裝，現場安裝比較方便，整個安裝和調試工期不超過20天。

1.3.1.4 動態旋轉分離器改造后預期效果

1)每臺磨煤機各個出粉口的風量偏差不大于±5%，粉量偏差不大于±8%;

2)磨煤機出力增加3% ～5%;

3)要實現超細粉燃燒，煤粉粒徑R90由35%調整到10%～40%動態可調;

4)煤粉均勻性指數應≥1.1;

5)動態分離器葉片使用壽命不低于40000h;

6)動態分離器運行平穩，頂蓋底面振動(雙振幅)小于0.025mm;

7)距動態分離器外殼一米處噪音值不大于85dB(A)。

1.3.2 MPS200HP－II磨煤機旋轉噴嘴環優化改造方案

1.3.2.1 旋轉噴嘴環改造的基本要求

1)旋轉噴嘴環采用耐磨材質，壽命在20000 h以上;

2)一次風通過旋轉噴嘴環能掃過更大的區域帶走煤粉，提高輸送出力;

3)一次風通過旋轉噴嘴環后將大顆粒煤重新拋落回磨碗研磨，降低石子煤量;

4)旋轉噴嘴環改進后風環處風速下降，減少磨損;

5)將將旋轉風環設計為分體結構，旋轉風環分割為6～12塊，便于拆除及更換。

1.3.2.2 磨煤機噴嘴環面積的優化

1)原有噴嘴環面積計算:中速磨煤機的葉輪可以被完全拆除，經過對噴口的現場測量和對設備原有圖紙的校核，測算出每個噴口的面積。通過計算反推，再根據具體的空間尺寸確定R和R，設計新的通流結構。

2)通流面積進行優化。

關鍵性數據和報告如下:

(a)數學模型、邊界條件及收斂標準:根據中速磨煤機內部流場的流動特性，本文采用Realize k－e雙方程模型，Simple算法，速度入口、壓力出口，標準壁面方程，無滑移邊界條件。收斂的判據為流場迭代殘差＜10e－3，進出口流量誤差＜3%。

(b)邊界條件的設定:鍋爐滿負荷磨煤機運行工況。

(c)構體及網格劃分:采用Fluent前處理器Gambit進行構體和網格劃分。由于磨煤機結構復雜，為了盡可能減少甚至避免磨煤機模擬過程中經常會遇到的偽擴散問題，同時又使問題盡可能的簡單(考慮到計算機硬件條件的限制)，采用把磨煤機分成兩部分模擬的分區域模擬方法進行模擬，分成噴環以下部分和噴環以上兩部分進行模擬。首先進行噴環部分的數值模擬研究，然后取噴環出口的速度場和溫度場作為上部的進口邊界條件。由于磨煤機內部結構復雜，采用非結構化網格，局部加密的方式進行網格劃分。網格數目噴環部分為77萬，噴環上部位110萬。

1.3.3 MPS200HP－II磨煤機加載系統的優化調整

1.3.3.1 磨煤機加載系統優化調整改造的基本要求

1)磨煤機加載系統滿足磨煤機低負荷出力時加載穩定的要求;

2)磨煤機加載系統運行靈活、穩定，對煤質適應性范圍加大，提高磨煤機碾磨出力。

1.3.3.2 磨煤機加載系統優化調整改造的具體方法

1)對目前使用的磨煤機加載系統進行校核、計算，確定目前磨煤機最低出力范圍;

2)對目前磨煤機加載系統進行調整，部分更換磨煤機加載系統部件;

3)對設計優化改造后的磨煤機加載系統進行調整，滿足改造要求。

2 20%TRL制粉系統改造方案

在20%TRL負荷下，燃煤量只有52t/h左右，若采用三臺磨煤機則磨煤機出口風溫達到101℃，遠高于允許溫度，煤粉質量濃度只有0.21，不利于穩燃，磨煤機在該工況下運行，煤粉均勻性極差，風粉分配均勻性存在很大問題，煤粉細度較粗。若采用2臺磨煤機則相對來說優于三臺磨煤機，此時風煤比有所下降，磨煤機出口溫度降為90℃。因此推薦采用兩臺磨煤機運行。

涉及的磨煤機技改參考章節1中30%TRL的技改即可。

3 結論及探討

改造后機組運行中存在的問題主要是:(1)磨煤機存在部分粉管中一次風粉速度偏差大，爐膛存在燃燒偏斜現象，主再汽溫左、右側偏差大，煙氣流場分布均勻性較差。(2)三臺磨運行時，當負荷低至30%TRL以下，磨入口冷風擋板開至100%，但磨分離器出口溫度高達90℃以上，磨煤機本體存在煤粉爆燃或著火的安全隱患。解決措施為:對磨煤機冷風管道支管進行增粗的技改，以減小冷風阻力，提高冷風量的比例，來降低30%TRL或20%TRL工況下三臺磨運行時磨分離器出口的溫度。