雙進雙出鋼球磨煤機變頻直驅高效傳動鏈技術研究

上海電氣上重碾磨特裝設備有限公司 上海 200245

1 研究背景

雙進雙出鋼球磨煤機是在單進單出鋼球磨煤機基礎上發展起來的一種新型制粉設備,具有烘干、磨粉、選粉、送粉等功能,通常用于直吹式制粉系統。該磨煤機連續作業率高、維修率低、出力和細度穩定、響應迅速,適合碾磨各種硬度高、磨損性大、磨蝕性強的煤種,能夠碾磨出極細的煤粉,被廣泛應用于國內大型火力發電廠[1]。

雙進雙出鋼球磨煤機雖有很多優點,但受碾磨機理所限,在碾磨原煤過程中,鋼球與鋼球及鋼球與襯板之間的無用功產生頻繁,電耗較高。據統計,配備雙進雙出鋼球磨煤機的300 MW、600 MW火力發電機組,磨煤機耗電量占廠用電量的20%～30%。

目前,在火電行業產能過剩、競爭激烈、對發電成本極為敏感的大環境下,優化磨煤機運行方式、降低電耗顯得尤為重要。經過近幾年的深入研究,發現通過優化傳動系統、改變筒體轉速來滿足鍋爐的負荷變化要求,將會產生非常可觀的節能效益[2]。

2 碾磨原理

如圖1所示,原煤通過給煤機從料斗內卸下,落入混煤箱內,經旁路風預烘干后,由螺旋輸送器推入磨煤機筒體內。筒體內裝有波形襯板和一定數量的碾磨介質鋼球,通過筒體的旋轉運動將鋼球提升到一定高度,在鋼球拋落和滑落過程中將原煤碾磨成煤粉。

熱的一次風通過螺旋輸送器內的中心管進入筒體內,將煤干燥后,按原煤進入磨煤機的相反方向經中心管與中空管之間的環形通道將煤粉帶出磨煤機筒體,與旁路風混合后進入分離器。煤粉經過分離器分選后,從分離器出口輸送至燃燒器,然后噴進鍋爐內進行燃燒。

圖1 雙進雙出鋼球磨煤機碾磨原理

3 碾磨空耗原因分析

3.1 過高裝球量導致長期運行空耗嚴重

磨煤機的出力需要隨電廠負荷的變化而調整,為保證磨煤機適應各種發電負荷的變化,每臺磨煤機的裝球量就高不就低,由此來滿足運行階段的最大出力要求。因此,在長時間的運行周期內,磨煤機碾磨能力過剩,從而引起主電機功率的空耗[3]。

3.2 筒體轉速固定導致運行未處于最佳效率點

對于鋼球磨煤機而言,筒體的轉速一般設定為75%臨界轉速[4]。在該轉速下,筒體內鋼球成滑落和拋落的混合狀態,拋落的鋼球用于撞擊破碎物料,滑落的鋼球用于鋼球間相互擠壓、摩擦碾磨物料。經實際生產和研究發現,碾磨物料及出料粒度要求變化,對磨煤機內鋼球滑落和拋落數量的比例要求會發生相應變化,即磨煤機在碾磨不同物料時采用固定轉速運行是不合理的。因此,絕大部分磨煤機在運行時都未處于碾磨效率最佳點,從而導致磨煤電耗大[5]。

3.3 驅動電機運行功率遠低于額定值

雙進雙出鋼球磨煤機在選型設計時,通常在保證鍋爐最大連續蒸發量的燃煤工況下預留15%的出力裕量。由于當前大部分運行燃煤機組負荷率只能達到額定負荷的70%左右,因此導致磨煤機負荷率遠低于設計值,驅動電機的運行功率為額定功率的60%～70%。在低功率段,電機效率下降更多[6]。

4 制粉節能方法及可行性分析

4.1 變速運行

磨煤機的定速運行是造成不經濟運行的關鍵因素,可以采用變速運行來提高經濟效益。

筆者對鋼球磨煤機筒體在不同轉速下的鋼球運行狀態[7]進行分析。如圖2所示,鋼球運行狀態分為三種:① 鋼球拋落狀態,鋼球被襯板提升后呈拋落狀態,具有對物料破碎作用,拋落鋼球的數量比例較高,易造成球與球之間的直接碰撞,導致能量空耗;② 鋼球滑落狀態,鋼球被襯板提升后呈滑落狀態,鋼球與原煤之間相互碾磨產生煤粉,是磨制合格煤粉的主要來源,這部分比例越高,磨煤機的效率就越高;③ 鋼球相對靜止狀態,這部分鋼球幾乎不參與碾磨,數量占比越低,磨煤機效率就越高。

如圖3所示,磨煤機筒體轉速分別按照60%、66%、70%和75%臨界轉速進行仿真,發現在轉速降低過程中,拋落鋼球數量呈減少趨勢,滑落鋼球數量呈增加趨勢,相對靜止鋼球數量呈減少趨勢。

由仿真可以看出,在磨煤機轉速降低過程中,筒體內鋼球仍呈拋落、滑落和相對靜止的混合狀態,不存在速度降低、無法帶球現象。同時,由于滑落鋼球數量增加,提高了磨制細粉能力,有利于提高鍋爐燃燒效率。

圖2 磨煤機筒體鋼球狀態分布

磨煤機功率PM為:

(1)

式中:n為磨煤機轉速;ηdr為磨煤機傳動裝置效率;ηMot為主電機效率;D為筒體內徑;L為筒體長度;ρb為鋼球堆積密度;φ為鋼球裝載因數;κap為護甲形狀因數;κful為燃料、裝載綜合修正因數;S為筒體壁厚[8-9]。

由式(1)可以看出,在其它參數固定的情況下,磨煤機轉速與功率損耗成正比。

圖3 磨煤機筒體鋼球狀態仿真

磨煤機轉速由變頻裝置控制,可隨時調整磨煤機轉速,找到最佳旋轉速度,即最佳碾磨出力點,從而提升磨煤機的碾磨效率。

因碾磨粒度較大、難于破碎的物料而要求磨煤機破碎能力較高時,宜設定稍高轉速。在磨制粒度較小、容易破碎的物料時,磨煤機轉速可適當調低。

對于磨煤機而言,筒體轉速與電機功率成正比,轉速降低意味著損耗功率降低。磨煤機具備調速功能后,在碾磨能力過剩時,可通過降低磨煤機轉速來降低主電機功率的空耗。通過仿真確認,電廠應用的雙進雙出鋼球磨煤機可長期降速10%～20%運行,進而減小大量能耗。

4.2 傳動鏈優化

磨煤機傳動鏈如圖4所示,由異步電動機帶動減速機及大小齒輪,進而帶動筒體旋轉。

傳動鏈的優化從兩個方面著手:采用更高效且靈活可調的驅動設備,縮短傳動鏈。

磨煤機增加變頻器進行調速運行后,可配合鍋爐系統靈活調峰,通過調速尋找最佳效率點,提高制粉效率。啟動時實現低轉速軟啟動,對電網及磨煤機傳動系統的沖擊減小,有效延長傳動設備的壽命[10]。

永磁同步電動機的效率和功率因數相比異步電動機高出很多,同時永磁同步電動機無論在低負載率還是在高負載率下都可保持高效率,而異步電動機在低負載率下效率下降很快。由圖5可知,在60%～70%負載率段,永磁同步電動機的傳動效率比異步電動機高約5個百分點[11]。

圖4 磨煤機傳動鏈

圖5 永磁同步電動機與異步電動機效率曲線

可見,以永磁同步電動機代替異步電動機,可帶來更高的經濟效益。

磨煤機通常采用兩級平行軸齒輪傳動減速機,速比為6～8,傳動效率約為95%。在運行維護過程中,減速機運行維護工作量大,運行成本高。如去除減速機,采用永磁同步電動機直接帶動大小齒輪,則可以省去減速機的大量維護工作,避免冷卻水及潤滑油的損耗,并可以減小減速機的傳動損耗。

5 典型應用案例及經濟效益分析

基于以上分析,山西趙莊鑫光電廠在雙進雙出鋼球磨煤機中采用變頻直驅高效傳動鏈,如圖6所示。

這一傳動鏈采用變頻電機直接驅動大小齒輪,去除減速機和慢傳裝置。智能控制器在磨煤機運行過程中可以根據各工況的變化自動控制轉速,使磨煤機維持在最佳效率點運行。

采用高效傳動鏈的磨煤機,相比于傳統磨煤機,具備以下優點。

圖6 磨煤機變頻直驅高效傳動鏈

(1) 通過調速,可配合鍋爐系統靈活調峰,并找到最佳效率點,以達到節能降耗的目的,為磨煤機精細化運行打下基礎。

(2) 磨煤機啟動時實現低轉速軟啟動,對電網及磨煤機傳動系統的沖擊變小,可有效延長傳動設備的壽命。

(3) 轉速降低有效減小了襯板及鋼球的磨損,延長使用壽命。

(4) 目前,磨煤機的傳動鏈大多由大功率異步電動機加減速機組成,減速機的存在使傳動鏈效率較低,且維護煩瑣。采用變頻直驅高效傳動鏈,由變頻電機直接驅動磨煤機,傳動系統的機械結構變得簡單,既減輕了電廠的日常維護工作,又提高了設備效率,系統的可靠性也大為提高[12]。

以山西趙莊鑫光電廠項目為例,該項目制粉系統選用十臺MGS4760型雙進雙出鋼球磨煤機,全部采用變頻直驅高效傳動鏈,主電機裝機功率為2 200 kW,十臺磨煤機裝機總功率為22 000 kW。

傳統磨煤機傳動鏈的傳動效率為0.838,高效傳動鏈的傳動效率為0.922,傳動效率提升約10%。考慮到疊加調速運行能夠產生的節能貢獻為10%～20%,因此采用高效傳動鏈的雙進雙出鋼球磨煤機整體節能率為20%～30%。在計算經濟效益時取低位數20%計算,運行后,年節約電費約500萬元。

經測算,傳統方案單臺磨煤機裝機成本為120萬元,高效傳動鏈方案單臺磨煤機裝機成本為263萬元,裝機初期每臺高效磨煤機增加投入143萬元,十臺高效磨煤機共計增加投入1 430萬元。

可見,機組運行2.86 a即可收回增加的投資成本,收回成本后每年會有近500萬元的節能收益。

6 結束語

雙進雙出鋼球磨煤機變頻直驅高效傳動鏈技術的研究應用,不但可以取得較大的節能降耗效果,而且可以實現磨煤機的智能化運行,以滿足深度調峰需求,有利于提高設備的運行穩定性,延長使用壽命。