雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統的性能優化及改造

董 方， 馬治安， 彭 麗， 石戰勝， 柳冠青， 李宗慧

(華電電力科學研究院有限公司多相流分離技術研究及應用中心， 浙江杭州310030)

燃煤電廠制粉系統主要負責為鍋爐提供合格的煤粉， 是入爐煤摻配和鍋爐燃燒的中間環節， 因此， 保證制粉系統的優良性能至關重要。 目前， 國內燃煤電廠一直在發展摻煤燃燒， 造成實際煤質與設計煤質偏差大， 入爐煤質越來越差[1]。 現有制粉系統在燃用劣質煤種后， 運行中出現了制粉出力不足、 能耗偏高、 煤粉細度偏粗、 煤粉均勻性指數低等問題， 進而產生諸多鍋爐燃燒問題， 如灰渣可燃物超標、 煤粉著火推遲、 火焰中心升高、 排煙溫度升高和減溫水量增大等， 這些問題對制粉系統性能提出了更高的要求。

近年來， 國內外學者對制粉系統開展了廣泛的研究，主要從磨煤機、分離器、煤粉管道及風粉調平等方面優化制粉系統的性能[2-5]。如黃鋼英等[6]將某電廠雙軸向粗粉分離器改為動態粗粉分離器，改善了鍋爐燃燒狀況，但應對電廠煤質變化，對雙進雙出磨煤機制粉系統有針對性的性能優化研究相對較少[7]。雖有學者從分離器擋板開度、鋼球加裝量等方面對制粉系統性能進行整體優化，給出了磨煤機分離器開度的最優值，為電廠運行提供指導，但是未能從根本上解決問題[8]。

本文中針對某電廠制粉系統因煤質變化引起的實際問題展開研究，提出一種新型粗粉分離技術并對其出口的煤粉管道系統進行優化，從根本上提高制粉系統性能指標，為燃燒不同煤種提供技術保障。

某電廠機組鍋爐采用2臺600 MW超臨界參數變壓直流本生鍋爐，每臺爐配有24個旋流煤粉燃燒器和6臺雙進雙出磨煤機，設計燃用貧煤，采用雙調節軸向型分離器。近年來，該電廠燃用煤種偏離設計值程度較大，發熱量低，造成制粉系統出力低、廠用電率高，機組必須在6臺磨煤機全部運行的情況下才能達到滿負荷。因為沒有備用制粉系統，無論哪套制粉系統設備故障，都會影響機組帶負荷能力，因此，亟需對該電廠的制粉系統進行深入研究和分析，找出存在的問題并對制粉系統進行優化改造，提高制粉系統出力，降低制粉單耗，為鍋爐配送高品質合格的煤粉，從而提升鍋爐燃燒效率，提高電廠經濟效益[9]。

1 制粉系統存在問題及分析

針對該電廠制粉系統，分別選擇鍋爐上、中、下進入爐膛的A、B、E制粉系統進行性能測試[10]。測試分析發現，3套制粉系統改造前均存在以下問題。

1.1 粗粉分離器出口煤粉管道的問題

該電廠制粉系統的磨煤機的出力、 最佳風煤比均按無煙煤煤種設計， 且煤粉管直徑都已定型。 經測試試驗發現， 改燒煙煤后， 煤粉管道流速達到33 m/s(遠大于設計值28 m/s)， 此時風壓已達到極限值9 500 Pa， 制粉系統出力仍然不足。 分析原因發現， 原煤粉管道的直徑小， 通風阻力大， 限制了制粉系統出力， 因此要提高出力， 必須降低整個管網系統的阻力。

同時，經過對現場煤粉管道實際考察發現，雙進雙出磨煤機兩端分離器出口管道偏差嚴重(如圖1所示)，驅動端分離器出口煤粉管道路徑長，且彎頭數目多，而非驅動端分離器出口煤粉管道路徑短，且彎頭數目少，使得同一臺磨兩端分離器出口煤粉管道阻力相差比較大。現場通過調節縮孔這種常規的方法進行阻力調平，但這種對壓降較低的管道進行節流的調平方法，會造成煤粉管網系統壓降進一步升高，通風能力降低，磨煤機出力下降。

圖1 改造前磨煤機兩端分離器出口煤粉管道Fig.1 Pulverized coal pipe at outlet of separator at both ends of ball mill before reformation

1.2 粗粉分離器的問題

粗粉分離器是制粉系統中的關鍵設備，其運行狀況對制粉系統影響很大，在現場系統運行中發現回粉量大、煤粉粗，為此需要對粗粉分離器進行重點測試試驗。

1)通過試驗研究發現， 改造前， 制粉系統最大出力均值為44.3 t/h， 分離器效率均值為 47.28%， 制粉單耗均值為22.07 kW·h/t， 分離器及出口管道壓降分別為2 170、 3 140、 2 505 Pa(包含分離器出口彎頭和調節縮孔、 部分管道)。 試驗數據表明， 改造前， 粗粉分離器存在阻力大、 效率低、 性能差等問題。

2)分離器擋板特性試驗。 將上擋板調節至35 °， 下擋板調節至65 °， A、B、E制粉系統在高出力狀態下運行， 煤粉均勻性差且煤粉偏粗： 煤粉均勻性指數均值為0.97； A制粉系統出力在51.3 t/h時， 煤粉細度R90為19.8%， B制粉系統出力在40.7 t/h時， 煤粉細度R90為18.38%， E制粉系統出力在40.8 t/h時， 煤粉細度R90為17.05%。此時上、 下擋板已經到達調節極限，如若繼續調節上、 下擋板，減小開度，分離器阻力將增加，出力急劇下降，因此分離器存在上、下擋板的調節特性差的問題，難以滿足電廠摻配摻燒和變煤種對合格煤粉細度的需求[11]。

3)分離器磨損問題。 粗粉分離器現場使用情況表明， 雙擋板分離器下擋板磨損嚴重， 尤其在靠近內錐體下擋板上部周邊區域， 見圖2。 個別分離器的內錐體磨穿造成煤粉直接進入內錐中， 見圖3。 長期在內錐內部爆燃使內錐體頂部鼓包， 見圖4。 在拆卸下來的分離器內錐體內也沉積大量可能自燃的煤粉， 見圖5。 由此可知， 上述問題使粗粉分離器在運行過程中存在重大安全隱患， 迫切需要進行優化改造。

圖2 內錐體下部磨損Fig.2 Wear of lower part of inner cone圖3 內錐體局部磨穿Fig.3 Local wear through of inner cone

圖4 內錐體頂部爆燃鼓包Fig.4 Deflagration drum at top of inner cone圖5 內錐體內積粉Fig.5 Powder accumulation in inner cone

由上述分析可知：改造前，制粉系統存在阻力大，出力不足，制粉單耗高，分離器性能較低且存在安全隱患，煤粉細度整體偏粗、均勻性差等問題。

2 系統優化

通過現場測試試驗，結合鍋爐機組在運行中的數據分析，該電廠在燃用劣質煤種后，粗粉分離器性能不高和出口煤粉管道阻力大是導致制粉系統性能不佳、出力不足的主要原因。針對該電廠制粉系統存在的上述問題，采用氣固分離技術，即基于先進的旋渦理論和計算流體動力學(CFD)相結合的方法，對影響分離器性能的關鍵技術進行了深入研究，研發新型高效旋慣耦合式粗粉分離器[12]，并將其應用于制粉系統優化改造中，從根本上解決粗粉分離器對劣質煤粉的不適應性，同時對制粉系統中分離器出口煤粉管道進行降阻優化設計，配合粗粉分離器減小系統阻力，提高制粉系統的出力。

2.1 煤粉管網設計優化

針對該電廠制粉系統管網，降低阻力有2種方法：一種是將整個煤粉管道更換為大直徑管道；另一種是對磨煤機兩端分離器出口煤粉管網進行調平，降低通風阻力大的一端煤粉管道阻力，從而使整個管網系統阻力降低，提高通風出力。如采用第1種方式，將整個煤粉管道更換為大直徑管道，工作量大，投資費用高，因此，本次改造采用對雙進雙出磨煤機驅動端和非驅動端分離器出口管道進行調平優化的方案，對磨煤機阻力大的一端分離器出口管道及關鍵部位進行結構優化降阻：增大分離器出口關鍵部位的煤粉管道直徑；對扭曲管路進行重新設計，改變管道路線，減少彎頭數量；把現有彎頭更換為大曲率半徑彎頭。

2.2 粗粉分離器優化設計

考慮到原雙擋板軸向粗粉分離器存在撞擊分離效果差、 阻力大、 內錐磨損嚴重、 分離器頂蓋處煤粉顆粒聚集以及2層擋板調節受限等缺點， 采用新型旋慣耦合式粗粉分離器設計， 合理利用分離器進口空間， 設計先進的旋慣耦合分離裝置， 優化改進分離器內部結構， 均流內部流場， 減小流體阻力， 結構設計上消除內錐磨損和積粉問題， 并增設除軟性物質裝置等新技術。 新型粗粉分離器設計原理和技術如下。

1)在分離器進口設計一套可調節的一級高效分離葉片裝置[12]，采用百葉窗調節裝置，配合旋流葉片實現一級粗顆粒分離，較粗顆粒直接從百葉窗旋出，旋流葉片可調節角度形成一級分離。此處設計有效地利用入口管內的空間，且離心分離葉片可調節；形成的離心作用使流場偏離內錐且不再撞擊內錐，減小了阻力，消除了內錐下部的磨損；入口管下部增加均流葉片消除煤粉濃度偏差，同時也起到防止軟性物質堵塞問題[13]。

2)取消下擋板，在分離器外錐體內壁處設計一層小擋板，徹底消除了下擋板磨損問題，也減小了原粗粉分離器在下擋板處的阻力[14]。增加的小擋板能夠有效地阻擋因離心作用在外錐體內壁處運動的不合格的煤粉顆粒，阻擋下來的粗顆粒直接進入回粉管內，小擋板與入口管離心旋流葉片巧妙配合，有效地保證分離器底部形成一級分離效率。

3)原粗粉分離器中氣流因撞擊作用分離，能耗大，粗顆粒中夾帶的細顆粒也被撞擊分離至回粉管，分離效率低，回粉量大。改進后的一級分離入口形成的離心分離使流場偏離內錐體且不再直接撞擊內錐，撞擊部分產生的增壓消失，將內錐體下部由倒階梯型撞擊帽改為錐形導流帽，起到較好的導流作用，在保證旋渦穩定性同時，進一步增大分離器上部分離流場的均勻性[15]。

4)改變外錐體上部結構，形成一定傾斜角，一方面起到導流作用，使流體更好地過渡到出口管，配合分離器出口管設計為下粗上細的圓臺狀，大幅度地減小了出口處的壓降，同時消除了內錐體頂端易出現煤粉顆粒聚集的安全隱患。

5)粗粉分離器底部入口管處加格柵，一方面阻擋雜物進入分離系統，另一方面可以有效地均分氣流，使進入分離器的氣流更加均勻，有利于提升分離效果，同時在一定程度上緩解了出口濃度偏差問題。

6)在上擋板增加調節連桿， 該連桿可通過電機和減速機統一調節上擋板角度， 并可接入DCS系統， 根據機組的負荷和煤質實現煤粉細度的遠程調節。

3 優化改造效果及分析

該電廠雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統，經過改前、改后大量試驗工況的研究，獲得了準確可靠的試驗數據，通過對這些數據進行分析，總結改造效果見表1。

1)制粉系統改造前，A、 B、 E制粉系統最大出力均值為44.3 t/h，制粉單耗均值為22.07 kW·h/t。改造后平均最大出力為53.34 t/h，提高了20%，改造后制粉單耗分別為16.81 、18.67、16.54 kW·h/t，平均制粉單耗為17.34 kW·h/t， 制粉單耗平均減小了4.73 kW·h/t， 節能效果明顯， 有效降低了廠用電率。

2)制粉系統優化改造后最大出力時分離器效率為53.56%， 與改造前制粉系統對比， 分離器相對平均效率提高約13.3%(改造前， 分離器效率為47.28%)。 由同工況對比可知，改造后分離器效率提升顯著。

3)改造后煤粉均勻性指數提高了0.07，煤粉品質更優。

4)制粉系統改造前， A、 B、 E制粉系統出力在51.3、 40.7、 40.8 t/h時，分離器上、 下擋板開度在35 °、65 °時，煤粉細度R90分別為19.8%、 18.38%、 17.05%。 制粉系統改造后， A制粉系統出力在53.12 t/h時， 分離器擋板開度在50 °、 40 °時，煤粉細度R90分別為16.70%、 11.46%； B制粉系統出力在50.74、 39.22、 30.58 t/h時，分離器擋板開度在50 °時，煤粉細度R90分別為17.24%、 16.13%、 11.97%； E制粉系統出力在55.87、 41.81、 30.22 t/h時，分離器擋板開度在50 °時，煤粉細度R90分別為14.50%、 10.03%、 9.47%。上述試驗數據表明，改造后，分離器擋板調節特性較好，分離器上擋板為50 °時，尚能提供合格的煤粉，關小開度，得到的煤粉細度更優(相比改造前，分離器擋板為35 °時得到的煤粉細度較差，且擋板已無調節空間)。優化改造后的制粉系統可為燃燒不同煤種提供合格的煤粉細度，且煤粉細度可以靈活調整，為提高劣質煤的燃盡度和鍋爐燃燒效率均提供了有效技術支持。

表1 改造前后試驗結果對比

5)A、B、E制粉系統改造后，最大出力下分離器系統(包含縮孔和部分彎頭、管道)壓降分別減小300、 1 455、 1 335 Pa，與改造前相比，制粉系統壓降顯著減小。

由以上分析可知，制粉系統優化改造后，粗粉分離器效率明顯提升，制粉系統出力大幅度提高，制粉單耗降低，節能效果顯著；分離器擋板調節性能好，使得制粉系統燃用多煤種時能夠得到細度理想的煤粉；優化后的煤粉管網，配合高效的粗粉分離器，使得制粉系統阻力進一步減小，出力進一步提高。同時，改造后現場運行2年，經多次檢查分離器內部未出現磨損和積粉，安全隱患徹底消除，因此該直吹式制粉系統優化改造，從根本上解決了制粉系統因煤質變化出現的各種問題，為鍋爐安全高效燃燒提供了有效保障，產生了良好的經濟效益。

4 結論

通過對該電廠制粉系統深入分析和研究，找出了制粉系統存在的技術瓶頸問題，基于先進的旋渦理論，采用氣固分離技術研發出高效旋慣耦合粗粉分離器和煤粉管道的優化技術并在該電廠示范應用，結論如下。

1)煤粉管網優化，針對雙進雙出磨煤機兩端分離器出口煤粉管阻力偏差大的問題，通過對磨煤機阻力較大一端分離器出口管道進行結構優化，有效減小系統阻力，增加了通風能力，提升了制粉出力。

2)新型旋慣耦合粗粉分離器的設計，合理引入了旋慣耦合分離裝置，優化了分離器內部流場，改進了內錐結構，優化了分離器出口等。改造后，系統阻力明顯減小，磨煤機最大出力、分離器效率、煤粉均勻性指數顯著提高，且分離器擋板調節特性較好，可為燃燒不同煤種提供合格的煤粉細度。

3)后續將對制粉系統整體進行優化創新，解決當前燃煤電廠煤質多變以及煤粉嚴重偏離設計值造成的制粉系統出力不足、 能耗高、 煤粉品質差等問題。同時，對中速磨直吹式制粉系統開展相關研究。