IHI-VS24磨煤機性能提升實踐

□ 李志強

上海電氣上重碾磨特裝設備有限公司 上海 200245

1 H電廠項目情況

H電廠2×600 MW火力發電機組分別于2005年8月和2005年11月投入運行,每臺火力發電機組制粉系統均配置六臺IHI-VS24中速磨煤機,鍋爐滿負荷運行時,五臺IHI-VS24磨煤機運行,一臺備用[1]。IHI-VS24磨煤機配用靜態分離器,運行至今,分離效果較差,分離器折向門開度小于40%時,IHI-VS24磨煤機的振動大,其煤粉細度R90最大達21.2%,與設計值14%±2%有明顯偏差,導致低負荷爐內燃燒效果差,火力發電機組深度調峰燃燒效果則更差。鍋爐原設計煤種見表1,實際應用煤種見表2,IHI-VS24磨煤機運行現場如圖1所示。

“十三五”期間我國大力發展了風能、太陽能等可再生能源。風力發電、光伏發電的隨機性、間歇性較強,大規模并網給電網的安全穩定運行帶來了負面影響。為提高可再生能源的消納能力,承擔全國70%以上發電量的火力發電機組必須承擔電網的調峰任務[2]。因此,火力發電機組的靈活性改造和深度調峰工作越來越受到重視。2020年7月,作為火力發電機組靈活性改造的一部分,H電廠通過設計供貨施工總承包項目招標對IHI-VS24磨煤機進行動態分離器改造。投標人需結合該電廠2017年至2019年煤質情況,按照實際煤種進行設計改造,通過改造實現三方面要求。

(1) 在不降低IHI-VS24磨煤機出力的條件下,進行設計、供貨、施工改造,實現煤粉均勻性指標不小于1.2,煤粉細度R90不大于14%,而且可以實時調整。

表1 鍋爐原設計煤種

表2 鍋爐實際應用煤種

(2) 消除IHI-VS24磨煤機高負荷折向門關小時的振動現象。

(3) IHI-VS24磨煤機電耗不大于9 (kW·h)/t。

對H電廠煤質2017年、2018年、2019年統計加權,綜合分析電廠現有煤質及后續煤質變化情況,改造采用三年平均值作為設計煤質,煤質可磨性因數為75,同時考慮電廠多種煤質的適應性。

圖1 IHI-VS24磨煤機運行現場

2 IHI-VS24磨煤機簡介

2.1 技術來源

火力發電廠中常用的磨煤機類型有三種:① 低速磨煤機,轉速為17～24.5 r/min,一般為鋼球磨煤機;② 中速磨煤機,轉速為22～64 r/min,一般為碗式、輪式、平盤磨煤機;③ 高速磨煤機,轉速為425～1 000 r/min,一般為風扇磨煤機等[3]。中速磨煤機中,應用最廣的有碗式HP磨煤機、輪式MPS磨煤機、輪式MBF磨煤機三種。這三種磨煤機都屬于中速立式磨煤機,研磨機理大致相同,對煤種的適應性也基本相同。隨著中速磨煤機市場競爭的加劇,這三種磨煤機為了爭奪中速磨煤機市場,也在吸取優點,互相取長補短,不斷進行結構改進和完善,結果是這三種磨煤機在結構方面存在的不同點在減少,相同點在增多,差異越來越小[4]。對碗式HP、輪式MPS、輪式MBF這三種磨煤機的參數進行比較,對于研究輪式MBF磨煤機的性能,提升改造有很大借鑒意義。IHI-VS24磨煤機是日本石川島播磨重工業株式會社在引進美國福斯特惠勒公司輪式MBF磨煤機基礎上制造的,也屬于輪式MBF磨煤機。

2.2 主要設計參數

H電廠的IHI-VS24磨煤機主要設計參數中,磨碗直徑為2 388 mm[5],磨碗轉速為22.7 r/min,磨輥直徑為1 880 mm,電機功率為690 kW,設計出力為66.5 t/h,煤粉細度R75不大于15%。

2.3 結構

IHI-VS24磨煤機是立式中速磨煤機的一種,主要由落煤管、頂蓋、內錐體、折向門、分離器體、磨輥裝置、彈簧加載裝置、磨碗裝置、側機體、石子煤出口和減速機等部件組成,如圖2所示。

圖2 IHI-VS24磨煤機結構

2.4 工作原理

以下介紹IHI-VS24磨煤機的工作原理[6]。

給煤機輸送來的原煤通過位于磨煤機中心的落煤管,落到磨碗上。

減速機由電動機驅動,磨碗與減速機連接,和減速機一起轉動。原煤落到磨碗上后,在離心力的作用下沿徑向朝外移動,在磨碗上形成一層煤床。煤床在可繞軸轉動的磨輥裝置下通過,此時,彈簧加載裝置產生的碾磨力通過轉動的磨輥施加在煤床上,原煤在磨碗和磨輥之間被碾磨成粉。

徑向和周向移動的原煤攜帶著被破碎的煤粉越過磨碗邊緣,進入輸送介質一次風通道。輸送介質通常是熱空氣,熱空氣有兩個作用,一是干燥煤粉,二是輸送煤粉。在輸送介質的攜帶下,煤粉在磨煤機內部進行二級分離。合格的煤粉被送至鍋爐進行燃燒,不合格的煤粉返回磨碗繼續進行碾磨。穿過氣流掉入側機體區域內的不易磨碎的外來雜物被裝在磨碗轂上的刮板裝置刮入側機體底板上的孔內,進入石子煤出口,排出磨煤機。

帶靜態分離器的磨煤機通過折向門調節裝置來控制折向門的開度,最終控制進入鍋爐的煤粉細度。

3 改造方案

通過對H電廠IHI-VS24磨煤機碾磨能力、攜帶能力、干燥能力、現場配套能力等方面進行充分核算,最終提出三項主要改造內容。考慮到H電廠的實際情況,最終僅實施前兩項改造內容,后一項改造內容可為其它有需要的電廠提供借鑒。

3.1 靜態分離器改造為動態分離器

20世紀80年代末期,為了應對新環保法案的要求,降低鍋爐氮氧化物排放量和飛灰含碳量,美國阿爾斯通公司開始開發磨煤機動態分離器,并陸續應用于世界各地的火電廠。

2004年以后,隨著國內首套配套動態分離器磨煤機的1 000 MW火力發電機組在華能玉環電廠投產,動態分離器技術逐漸應用于國內大型火力發電機組,并取得了很好的效果。

磨煤機配套的動態分離器裝置主要包括以下幾個部分:變頻器、變頻電機、減速器、軸承座裝置、V形帶、轉子體裝置。

變頻電機和減速器連接在一起,變頻電機通過變頻器改變頻率而改變轉速。減速器輸出軸上安裝主動帶輪,通過V形帶帶動從動輪。從動輪通過軸承座裝置與轉子體裝置連接在一起,使轉子體裝置轉動。

軸承座裝置裝有一對脂潤滑角接觸球軸承,軸承安裝在由結構件制成的軸承座中。上、下軸承各配有一個熱電阻,用于監測軸承溫度。為了保護軸承,軸承座裝置兩端各有一個迷宮型密封結構。

動態分離器可以有效避免粒度小于75 μm的細小顆粒不必要的重新碾磨,使合格的煤粉較快排出磨煤機,進而提高磨煤機的分離效率。因此,帶動態分離器的磨煤機內循環負荷比帶靜態分離器的磨煤機小,能夠提高磨煤機的性能。換言之,在相同的煤質和細度要求下,采用動態分離器可以提高磨煤機的出力;在相同的煤質和出力要求下,采用動態分離器可以提高煤粉的細度。

近年來,筆者公司在磨煤機內部流場優化方面與上海電氣中央研究院和國內知名高校展開密切合作,不斷提升研發水平,為用戶提供更優解決方案。對動態分離器的深入研究結果表明,動態分離器的分離效率與轉子體裝置葉片數量、角度、寬度,以及磨煤機內部間隙都有密切關系,只有確定了合適的參數,才能最大限度發揮動態分離器的作用。

國內某發電廠MBF-23磨煤機動態分離器改造實踐表明,將靜態分離器改造為動態分離器后,煤粉細度R75隨著動態分離器轉速的提高而線性減小。動態分離器轉速達到72.8 r/min時,煤粉細度R75可達到17.76%,動態分離器轉速仍可以繼續提高,來獲得更小的煤粉細度。試驗多個工況,煤粉均勻性指標均大于1.2[7]。筆者公司配套動態分離器磨煤機已超過1 000臺,靜態分離器改造為動態分離器的項目已有幾十臺,以往項目中,石嘴山電廠磨煤機煤粉細度R90達到9.95%～16.3%,沙角C電廠磨煤機煤粉細度R90達到15%～19%,煤粉均勻性指標達到1.2以上,虎山電廠磨煤機煤粉細度R90達到11%～16%,煤粉均勻性指標達到1.48～1.57。由此可見,動態分離器相比于靜態分離器,確實能明顯提高磨煤機的性能。與動態分離器有關的兩個核心指標,煤粉均勻性指標達到1.2以上,煤粉細度不大于14%±2%,是完全可以控制的。帶動態分離器的磨煤機通過變頻電機、減速器來控制轉子體裝置的轉速,最終控制進入鍋爐的煤粉細度。改造后IHI-VS24磨煤機結構如圖3所示。

圖3 改造后IHI-VS24磨煤機結構

影響磨煤機振動的原因較多,涉及設計、安裝、運行等方面,運行層面的原因較為常見[8]。改造項目中,磨煤機振動主要發生在分離器折向門開度小于40%時。經過分析,主要原因是磨煤機靜態分離器分離效率低,為了達到較小的煤粉細度,需要關小折向門。折向門關太小后,導致煤粉無法及時排出磨煤機,進入鍋爐燃燒,煤粉在磨煤機內都造成風粉混合物氣流紊亂,并在磨碗上堆積,從而導致磨煤機產生振動。將靜態分離器改造為動態分離器,分離效率明顯提高,煤粉細度可以輕松達到設計要求,上述原因帶來的振動問題也將迎刃而解。因此,將靜態分離器改造為動態分離器是本項目必不可少的一項改造內容。

問題的關鍵是改造為動態分離器后要確保動態分離器自身運行穩定,不成為新的振動源。重點采取四項措施來確保動態分離器運行穩定:

(1) 重新優化轉子體裝置葉片數量、厚度、寬度等參數,使轉子體裝置在較低的轉速時煤粉細度R90能夠達到14%左右;

(2) 動態分離器采用雙軸承支撐,以提高動態分離器的穩定性;

(3) 動態分離器采用皮帶傳動,以提高動態分離器自身的抗振能力;

(4) 對磨煤機內部流場進行調整,提高磨煤機的分離效率。

3.2 密封風系統改造

改造后,每臺磨煤機動態分離器需要額外密封風約20 m3/min。經核實,現場密封風機余量不足。為了盡量減少改造費用,不重新購置更大規格的密封風機。動態分離器的密封風由鍋爐冷一次風管引入。

動態分離器對密封風的要求有兩方面:一是密封風的壓力大于磨煤機內部壓力(2 000 Pa),二是密封風的風量大于20 m3/min。動態分離器位于磨煤機頂部,內部壓力與磨煤機入口一次風壓力相比,至少低3 000 Pa,也就是說,引入的鍋爐冷一次風壓力比動態分離器內部壓力至少高3 000 Pa,遠大于需要的2 000 Pa,壓力方面完全滿足要求。另外,經核實,冷一次風的風量很充足,因此,密封風的風量也沒有問題。由此可見,從鍋爐冷一次風管引一路風給動態分離器是可行的。

3.3 適當提高磨碗轉速

磨煤機的出力與磨碗轉速有一定關系,在一定范圍內提高磨碗轉速,可以提高磨煤機的出力。為了延長磨輥套的使用壽命,提高磨煤機的運行穩定性,MBF磨煤機采用了低轉速設計[9-10]。相比較同類型立式中速磨煤機,IHI-VS24磨煤機磨碗轉速最低,見表3。如果項目實際需要,可以考慮通過適當提高磨碗轉速來提高磨煤機的出力。

表3 MBF磨煤機磨碗轉速

4 改造效果

2021年3月,H電廠完成了兩臺IHI-VS24磨煤機性能提升改造。同年4月,中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院對其中一臺IHI-VS24磨煤機進行了性能試驗,試驗報告顯示,改造達到預期效果。

IHI-VS24磨煤機在20 t/h、66.5 t/h出力下均可以穩定運行,并且在上述出力下,磨煤機電流、磨煤機差壓未超過設計最大值,煤粉細度R90測試結果分別為7.35%、11.16%,符合煤粉細度R90不大于14%的設計要求。IHI-VS24磨煤機66.5 t/h出力特性試驗數據見表4。

表4 IHI-VS24磨煤機66.5 t/h出力特性試驗數據

IHI-VS24磨煤機在30 t/h、45 t/h、55 t/h出力下,隨分離器頻率的逐漸提高,煤粉細度R90逐漸減小,煤粉逐漸變細。在各出力下,動態分離器頻率調整至26 Hz后,煤粉細度R90即可滿足不大于14%的設計要求。煤粉細度與分離器頻率關系如圖4所示。

圖4 煤粉細度與分離器頻率關系

煤粉均勻性指標達到1.21～1.35,大于1.2。

各工況下磨煤機最大電耗為6.75 (kW·h)/t,符合不大于9 (kW·h)/t的設計要求。

5 結束語

筆者公司對H電廠IHI-VS24磨煤機性能提升實踐表明,可以通過將靜態分離器改造為動態分離器有效提升IHI-VS24磨煤機的煤粉細度控制能力,消除IHI-VS24磨煤機高負荷折向門開度小于40%時的振動問題,提高了IHI-VS24磨煤機對鍋爐燃燒和機組靈活性的服務能力。國內外有類似問題的同類型磨煤機可以參照本項目的思路進行改造。