600 MW機組中速磨煤機的綜合改進

劉建華， 李金晶

(華北電力科學研究院有限責任公司， 北京 100045)

磨煤機是煤粉鍋爐的核心輔機設備之一，燃煤發電機組大多缺少穩定的煤源，導致入爐煤質復雜多變[1]；入爐煤中往往夾雜了石塊、木塊、鐵塊及其他雜質，進一步增加了影響磨煤機運行可靠性的不可控因素；另外，在磨煤機內部，氣-固兩相流動的流場設計也很復雜，局部甚至可能出現爆炸、磨損、漏粉或漏油等故障，這導致了磨煤機處于十分惡劣的工作環境中，難以保持長周期的穩定運行性能。煤粉鍋爐的燃燒性能易受磨煤機性能影響[2]，因此磨煤機的運行和維護工作是燃煤發電廠鍋爐專業的重要課題。

磨煤機出現的問題，按照其對機組運行的影響程度可大致分為可靠性問題、經濟性問題和生產環境問題。可靠性問題直接關系到磨煤機甚至是發電機組的安全穩定運行，研究方向有制粉系統防爆[3]、提高磨煤機出力[4]、提高附屬設備可靠性[5]等。經濟性問題只影響發電機組運行成本，研究方向有延長設備壽命[6]、準確控制一次風量[7]、減少磨煤機運行數量[8]、優化進風結構[9]、改善煤粉細度[10]等。生產環境問題主要考慮生產區域的安全、文明、衛生等，研究方向有隔絕熱風進入停運磨煤機[11]、防止粉塵污染[12]、及時清運石子煤[13]等。

筆者針對某600 MW機組的中速磨煤機通風量過大的問題，探索在保持合理風速的前提下減小制粉系統一次風量的改進措施，綜合考慮了磨煤機的風煤比(通風質量流量與給煤質量流量的比)、石子煤量和煤粉細度等指標，不僅涉及磨煤機內部結構的調整，還包括運行方式和維護方式的同步優化。

1 設備概況

某600 MW燃煤發電機組的鍋爐型號為SG-2028/17.5-YM908，是亞臨界、控制循環、四角切向燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、緊身封閉、全鋼構架的Π形汽包爐。鍋爐實際燃用毗鄰煤礦的優質煙煤(煤質數據見表1)，設計保證效率為93.58%。制粉系統采用正壓直吹式制粉系統，爐前配置6臺HP1003型中速磨煤機，其中5臺運行，1臺備用，磨煤機主要技術參數見表2。

表1 典型入爐煤質分析

表2 磨煤機主要技術參數

鍋爐在600 MW、450 MW和350 MW 3個穩定工況下的主要性能測試結果見表3(NOx初始排放質量濃度為選擇性催化還原(SCR)脫硝系統入口煙氣中NOx質量濃度)。實測鍋爐效率均優于設計保證值(93.58%)，在電站鍋爐中處于較高水平；主要問題是NOx初始排放質量濃度均高于設計保證值(150 mg/m3)，表明當前的燃燒方式未能達到減少NOx生成量的預期目標。

表3 鍋爐運行實際性能

在機組為600 MW時，比較同時運行5臺磨煤機(制粉系統一次風質量流量為426 t/h)和同時運行6臺磨煤機(制粉系統一次風質量流量為489 t/h)兩種工況下的NOx初始排放質量濃度，得到的結果見圖1。由圖1可得：兩種工況下的NOx初始排放質量濃度相差達30.7 mg/m3，可見一次風量對NOx初始排放質量濃度有重要影響。

在保持磨煤機出口溫度正常(68～75 ℃)的前提下，減小單臺磨煤機的入口一次風量，探索A、B、C、D磨煤機的入口一次風量優化值，具體見表4。

表4 磨煤機入口一次風量試驗結果

在機組分布式控制系統(DCS)邏輯中，各磨煤機入口一次風質量流量的設置值比優化值大10.1%～18.5%，可見磨煤機均存在不同程度的入口一次風質量流量設置值偏大的問題。由于實際運行中操作人員習慣增設正偏置來減少石子煤量，因此磨煤機入口一次風質量流量的實際值比優化值偏大更多。一次風量偏大是導致NOx初始排放質量濃度偏高的重要原因，應對磨煤機結構、運行和維護方式進行綜合改進。

2 綜合改進方案

2.1 石子煤排放控制

2.1.1 石子煤排放特性摸底試驗

在D、E磨煤機上，測試并得到了磨煤機穩定運行約1 h的數據，并化驗了石子煤發熱量，結果見表5。DL/T 467—2004 《電站磨煤機及制粉系統性能試驗》規定正常運行時磨煤機石子煤質量流量應不大于磨煤機額定給煤質量流量的0.05%(即29.1 kg/h)，并且石子煤發熱量應不大于6.27 MJ/kg。

表5 磨煤機石子煤排放試驗結果

由表5可得：D磨煤機的石子煤質量流量受入口一次風質量流量的影響很大，入口一次風質量流量從102 t/h減至80 t/h時，石子煤質量流量增大近6倍，石子煤發熱量增大近4倍，這表明D磨煤機在入口一次風量減小時石子煤排放情況已明顯偏離正常工況；即使是石子煤排放情況較好的E磨煤機，其石子煤質量流量也是標準規定值(29.1 kg/h)的2.46倍，石子煤發熱量也超過標準規定值(6.27 MJ/kg)，這表明E磨煤機石子煤排放情況也已明顯偏離正常工況。

2.1.2 內部結構檢查

圖2為磨煤機內部結構示意。對磨煤機內部結構逐一進行檢查，通過測量和計算發現，磨煤機轉動葉輪與外殼間隙為15～30 mm，較制造廠推薦值(8～10 mm)偏大，使得間隙漏風過多，從轉動葉輪進入的一次風的速度較設計值偏低。另外，磨輥與磨盤間隙普遍大于10 mm，也較制造廠推薦值(6～8 mm)偏大，使得磨輥對煤顆粒的碾磨能力較設計值偏小。當磨煤機入口風質量流量低于90 t/h時，速度較低的一次風不足以托起較大的煤粒，導致大量煤粒從石子煤排放口涌出，不但加重了石子煤清理的工作量，同時也使機組運行的經濟性降低。按照磨煤機石子煤排放特性摸底試驗結果粗略估算，不考慮制粉系統電耗增量，石子煤量和發熱量過大導致鍋爐效率降低約0.1百分點，折合增加機組煤耗約0.3 g/(kW·h)。

正常的磨煤機通風量(一次風量)應滿足三方面的運行需求：(1)將磨制的煤粉經由磨煤機本體和煤粉管道輸送至爐膛，即不堵磨煤機、不堵粉管；(2)干燥入爐原煤，即確保合適的磨煤機出口溫度；(3)在保證石子煤正常排出的同時托住較大的煤顆粒，即維持合適的石子煤量。從實際運行數據來看，該機組磨煤機通風量的調節主要受到第三個因素的制約。因此，開展制粉系統運行優化的前提是解決磨煤機低風量運行時石子煤量過大的問題。

2.1.3 內部結構改進

為解決低風量運行時石子煤量過大的問題，磨煤機的內部結構改進主要包括兩方面的工作：(1)調整磨煤機入口一次風通流面積，使低風量下的一次風速度達到設計值；(2)調整磨輥與磨盤間隙至6～8 mm，增強磨輥對煤顆粒的碾磨能力。考慮到封堵磨煤機轉子與外殼間隙的操作難度較大，容易導致轉子卡澀，降低磨煤機運行可靠性，故調整磨煤機入口一次風通流面積主要采用封堵轉動葉輪的方式。

磨輥與磨盤間隙調整試驗結果見表6。通過調小磨輥與磨盤間隙至廠家推薦值，石子煤質量流量減小了177 kg/h，石子煤發熱量減小了3.12 MJ/kg，磨煤機出口煤粉粒度還略有變細。調小磨輥和磨盤間隙對磨煤機的這幾項運行指標都有不同程度的改善作用，但相比正常石子煤質量流量(29.1 kg/h)和石子煤發熱量(6.27 MJ/kg)的規定，只依靠調整磨輥與磨盤間隙還不能完全達到以上要求。

表6 磨輥與磨盤間隙調整試驗結果

經過測量和計算，對A～F磨煤機葉輪進行了不同程度的封堵，以期在較低的磨煤機通風量下有效提高入口一次風速度，并將石子煤量控制在正常范圍內，結果見表7。葉輪封堵材料采用圓弧形扁鋼(見圖3)。葉輪封堵后，在相同的入口一次風質量流量下，磨煤機石子煤量減小了一個數量級，石子煤發熱量也降至6.27 MJ/kg以下。磨煤機石子煤量過大的問題基本解決，為后續開展運行優化工作創造了良好條件。

表7 磨煤機葉輪封堵試驗結果

2.2 磨煤機通風量優化

解決了石子煤量過大的問題后，制約磨煤機通風量調節的主要因素是磨煤機的干燥出力。為滿足磨煤機干燥出力，且降低一次風機電耗，應對磨煤機風煤比曲線進行優化。在滿足磨煤機出口溫度大于70 ℃的前提下，通過降低一次風量來盡量減小冷一次風門的開度。由于各臺磨煤機實際狀態存在明顯差異，優化后風煤比曲線不會完全相同。優化前、后的磨煤機風煤比自動控制曲線見圖4，由于優化前磨煤機運行中入口一次風質量流量通常設置了一定的正偏置，因此在磨煤機正常運行的給煤質量流量范圍(30～60 t/h)，優化后每臺磨煤機的入口一次風質量流量實際下降幅度均在10%以上。

2.3 磨煤機狀態檢修措施

隨著磨煤機部件的磨損和運行狀態的劣化，需要適時采取相應的狀態檢修措施，磨煤機的狀態判斷標準見圖5。

具體措施為：

(1) 按照邏輯中設置的風煤比，在磨煤機穩定運行工況下試驗測量石子煤質量流量，取樣化驗石子煤的發熱量。

(2) 如果同時滿足石子煤質量流量大于29.1 kg/h和石子煤發熱量大于6.27 MJ/kg，則需要停運磨煤機并檢修磨煤機下部的進風結構以及轉子外緣與筒體間的間隙。

(3) 如果以上2個條件(石子煤質量流量大于29.1 kg/h、石子煤發熱量大于6.27 MJ/kg)僅滿足其中之一，則需要加強監視，按照第1步進行試驗復測，并匯同專業機構開展診斷分析，不應隨意為磨煤機入口一次風量設置正偏置。

3 改進結果及分析

測試機組在3個負荷下穩定運行時，鍋爐的NOx初始排放質量濃度和鍋爐效率見表8。

表8 改進后鍋爐性能復測結果

由表8可得：在鍋爐效率不下降的前提下，NOx初始排放質量濃度分別下降了24 mg/m3、42 mg/m3、59 mg/m3。NOx初始排放質量濃度下降后，按上一年發電量和脫硝還原劑(尿素)單價測算，該600 MW燃煤發電機組可節約脫硝還原劑購置成本41.2萬元/a。中速磨煤機綜合改進的成功經驗已在同類型的另一臺機組上完成推廣應用。

4 結語

(1) 制粉系統一次風量偏大是導致鍋爐NOx初始排放質量濃度偏高的重要原因。為減小制粉系統一次風量，要求對磨煤機結構、運行和維護方式進行綜合改進。

(2) 制粉系統一次風量的關鍵制約因素是石煤子排放情況，包括石子煤質量流量和石子煤發熱量。在通風量減小時，磨煤機的石子煤排放明顯偏離正常工況。

(3) 磨煤機的內部結構改進主要包括：調整磨煤機入口一次風通流面積，使低風量下的入口一次風速度達到設計值；調整磨輥與磨盤間隙至6～8 mm，增強磨輥對煤顆粒的碾磨能力。

(4) 作為磨煤機內部結構優化的配套工作，通風量優化使每臺磨煤機的入口風質量流量實際下降幅度均在10%以上。隨著磨煤機部件的磨損和運行狀態的劣化，應適時采取相應的狀態檢修措施。