直吹式制粉系統(tǒng)送粉管道粉量分配特性試驗(yàn)研究

侯凡軍 ，張利孟 ，劉景龍 ，劉 科，崔 輝

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

300 MW及以上容量機(jī)組已經(jīng)成為我國火力發(fā)電主力機(jī)組，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響重大。現(xiàn)在大容量機(jī)組大多采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，其送粉管道粉量分配特性對(duì)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響很大，粉量分配不均會(huì)造成燃燒不穩(wěn)甚至滅火、燃燒器燒損、爐內(nèi)結(jié)焦、水冷壁高溫腐蝕和超溫，增加了機(jī)組非停的風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。因此有必要對(duì)不同直吹式制粉系統(tǒng)的粉量分配特性進(jìn)行實(shí)際測量，為分析和解決這個(gè)行業(yè)難題提供數(shù)據(jù)支持。

1 正壓直吹式制粉系統(tǒng)煤粉流量測量試驗(yàn)

直吹式制粉系統(tǒng)是指從磨煤機(jī)磨制的煤粉，在一次風(fēng)的攜帶下，經(jīng)過分離器直接通過送粉管道和煤粉燃燒器進(jìn)入鍋爐爐膛的制粉系統(tǒng)。若一次風(fēng)機(jī)位于磨煤機(jī)之前，整個(gè)系統(tǒng)處于正壓狀態(tài)，稱為正壓直吹式制粉系統(tǒng)。與中間儲(chǔ)倉式制粉系統(tǒng)相比，正壓直吹式制粉系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊、初投資少、送粉管道短、運(yùn)行電耗低等優(yōu)點(diǎn)，也存在發(fā)生故障時(shí)直接影響鍋爐運(yùn)行、對(duì)鍋爐負(fù)荷響應(yīng)慢等不足。根據(jù)磨煤機(jī)型式的不同，可分為雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)、中速磨直吹式制粉系統(tǒng)、風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)。

1.1 雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)煤粉流量測量

雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)適用范圍廣，適合磨制無煙煤、貧煤、煙煤。根據(jù)分離器和磨煤機(jī)本體的相對(duì)位置關(guān)系，可分為分離型雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)和緊湊型雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)。

1.1.1 分離型雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)煤粉流量測量

A電廠3號(hào)鍋爐是由上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的SG-2102/25.4-M954型超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐制粉系統(tǒng)為分離型雙進(jìn)雙出鋼球磨正壓直吹系統(tǒng)，磨煤機(jī)為6臺(tái)，B-MCR工況時(shí)5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。磨煤機(jī)為沈陽重型機(jī)械廠設(shè)計(jì)、制造，出口分離器為徑向雷蒙式分離器，制粉系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分離型雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)

選取D磨煤機(jī)進(jìn)行了煤粉流量測量，測量結(jié)果見表1。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，D磨各送粉管道流量偏差較大，D4管煤粉流量最小，偏差為-24.67%，D2管煤粉流量最大，偏差為+16.23%。

表1 D磨煤機(jī)送粉管道粉量偏差

1.1.2 緊湊型雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)煤粉流量測量

B電廠6號(hào)鍋爐是東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司制造的1110t/h亞臨界自然循環(huán)汽包爐、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒，平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，Π型布置。鍋爐制粉系統(tǒng)為緊湊型雙進(jìn)雙出鋼球磨正壓直吹系統(tǒng)，磨煤機(jī)與分離器連為一體，在分離器出口安裝有格柵分配器，磨煤機(jī)為3臺(tái)。磨煤機(jī)為沈陽重型機(jī)械廠設(shè)計(jì)、制造，型號(hào)BBD4060A，磨煤機(jī)的額定出力為60 t/h（哈氏可磨性系數(shù)HGI=50，全水Mt=8%，75%質(zhì)量過200目標(biāo)準(zhǔn)篩）。制粉系統(tǒng)如圖2所示。

選取C磨煤機(jī)進(jìn)行了煤粉流量測量，測量結(jié)果見表2。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，C磨各送粉管道流量偏差較小，C12管煤粉流量最小，偏差為-5.31%，C11管煤粉流量最大，偏差為+14.15%。

圖2 緊湊型雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)

表2 磨煤機(jī)送粉管道粉量偏差

1.2 中速磨直吹式制粉系統(tǒng)粉量測量

中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)如圖3所示。中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)適合磨制貧煤、煙煤。

圖3 中速磨直吹式制粉系統(tǒng)

1.2.1 帶靜態(tài)分離器中速磨直吹式制粉系統(tǒng)煤粉流量測量

C電廠1號(hào)鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司根據(jù)美國ABB-CE燃燒工程公司設(shè)計(jì)制造的HG-1020/18.58-YM23型鍋爐，該鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛自然循環(huán)汽包鍋爐。設(shè)計(jì)燃用煙煤，采用平衡通風(fēng)、擺動(dòng)燃燒器四角切圓燃燒方式，固態(tài)排渣煤粉爐，鍋爐為全鋼構(gòu)架，緊身封閉，爐頂為大罩殼，整體呈倒U型布置。制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配有5臺(tái)HP863型中速磨煤機(jī)，其中4臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。5臺(tái)型號(hào)3N-CF-800-3500-48電子稱重式皮帶給煤機(jī)。

選取C磨煤機(jī)進(jìn)行了煤粉流量測量，測量結(jié)果見表3。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，C磨各送粉管道流量偏差較大，C1管煤粉流量最小，偏差為-28.48%，C3管煤粉流量最大，偏差為+29.84%。

表3 磨煤機(jī)送粉管道粉量偏差

1.2.2 帶動(dòng)態(tài)分離器中速磨直吹式制粉系統(tǒng)煤粉流量測量

D電廠一期工程為2×600 MW超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組，其鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司制造的超超臨界變壓直流煤粉爐，型號(hào)為B&WB-1909/26.15-M，型式為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。制粉系統(tǒng)為中速輥式磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，帶動(dòng)態(tài)分離器。鍋爐MCR和ECR工況時(shí)，制粉系統(tǒng)4套運(yùn)行，1套備用。每臺(tái)磨煤機(jī)供布置于前、后墻同一層的旋流燃燒器。

選取D磨煤機(jī)進(jìn)行了煤粉流量測量，測量結(jié)果見表4。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，D磨各送粉管道流量偏差較大，D5管煤粉流量最小，偏差為-20.33%，D3管煤粉流量最大，偏差為+31.39%。

表4 磨煤機(jī)送粉管道粉量偏差

1.3 風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)粉量測量

E電廠3號(hào)機(jī)組鍋爐為與220 MW汽輪發(fā)電機(jī)組配套的超高壓一次中間再熱自然循環(huán)單汽包燃煤鍋爐，鍋爐型號(hào)WGZ720/13.7-1。本爐采用風(fēng)扇磨直吹系統(tǒng)，在爐膛出口處抽高溫爐煙加熱風(fēng)、冷風(fēng)進(jìn)行干燥。采用直流型煤粉燃燒器，形成六角切圓燃燒，燃燒直徑Φ562 mm。風(fēng)扇磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)

選取4號(hào)磨煤機(jī)進(jìn)行了煤粉流量測量，測量結(jié)果見表5。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，4號(hào)磨各送粉管道流量偏差較大，中管煤粉流量最小，偏差為-3.96%，下管煤粉流量最大，偏差為+31.39%。

表5 磨煤機(jī)送粉管道粉量偏差

2 直吹式制粉系統(tǒng)風(fēng)粉流動(dòng)特性分析

2.1 雙進(jìn)雙出磨直吹式制粉系統(tǒng)風(fēng)粉流動(dòng)特性分析

分離型雙進(jìn)雙出磨的分離器與磨煤機(jī)本體相距較遠(yuǎn)，磨煤機(jī)和分離器之間為一段傾斜的管道，如圖5所示。當(dāng)含粉氣流流出磨煤機(jī)進(jìn)入分離器下部入口時(shí)，由于離心力作用，管道截面上煤粉分布變得不均勻；當(dāng)含粉氣流流經(jīng)分離器擋板時(shí)，由于有的擋板已被雜物堵塞，氣流無法通過，只能繞流通過其他擋板。由于以上原因，含粉氣流進(jìn)入送粉管道時(shí)，粉量就會(huì)產(chǎn)生較大偏差。

緊湊型雙進(jìn)雙出磨分離器與磨煤機(jī)本體直接相連，如圖6所示。當(dāng)含粉氣流流出磨煤機(jī)進(jìn)入分離器下部入口時(shí)，離磨煤機(jī)筒體近的一側(cè)阻力較小，風(fēng)粉流量較大；離筒體遠(yuǎn)的一側(cè)阻力較大，風(fēng)粉流量較小；當(dāng)含粉氣流流經(jīng)分離器擋板時(shí)，也存在局部擋板堵塞造成粉量不均問題。由于緊湊型雙進(jìn)雙出磨還有空間，分離器出口可安裝格柵分配器。格柵分配器對(duì)粉量具有較好的均分作用，試驗(yàn)測量結(jié)果也表明，安裝了格柵分離器的緊湊型雙進(jìn)雙出磨，送粉管道粉量偏差并不大。格柵分配容易磨損，當(dāng)格柵分配器中間隔板磨穿后，均分效果就會(huì)變差，磨煤機(jī)出口各送粉管道仍舊會(huì)產(chǎn)生較大的粉量偏差。

圖5 分離型雙進(jìn)雙出磨風(fēng)粉流動(dòng)示意

2.2 中速磨直吹式制粉系統(tǒng)風(fēng)粉流動(dòng)特性分析

熱一次風(fēng)從一側(cè)進(jìn)入磨煤機(jī)底部的風(fēng)室，由于風(fēng)室內(nèi)部風(fēng)壓不均勻，向上流動(dòng)經(jīng)過風(fēng)環(huán)的風(fēng)量并不相同。風(fēng)量大的風(fēng)環(huán)處帶走的煤粉多，風(fēng)量小的風(fēng)環(huán)處帶走煤粉少；帶徑向調(diào)節(jié)擋板的中速磨煤機(jī)如圖7所示，也存在局部擋板堵塞造成粉量不均問題。以上原因會(huì)造成磨煤機(jī)出口送粉管道粉量產(chǎn)生較大偏差。有的中速磨煤機(jī)上安裝了動(dòng)態(tài)分離器，如圖8所示。實(shí)測結(jié)果表明，安裝了動(dòng)態(tài)分離器的中速磨煤機(jī)出口送粉管道仍舊存在較大的粉量偏差，動(dòng)態(tài)分離器用于調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度效果明顯，但對(duì)降低磨煤機(jī)出口粉量偏差基本沒有作用。

圖6 緊湊型雙進(jìn)雙出磨風(fēng)粉流動(dòng)示意

圖7 中速磨風(fēng)粉流動(dòng)示意

圖8 帶動(dòng)態(tài)分離器中速磨風(fēng)粉流動(dòng)示意

2.3 風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)風(fēng)粉流動(dòng)特性分析

與風(fēng)扇磨煤機(jī)配套的分離器有箱型分離器、雙流道慣性分離器和雷蒙式離心分離器。E電廠風(fēng)扇磨直吹式制粉系統(tǒng)所配套的分離器為雙流道慣性分離器，如圖9所示。干燥劑和煤進(jìn)入磨煤機(jī)后，煤即沿著沖擊輪內(nèi)徑分布，煤在沖擊和摩擦下被粉碎，與此同時(shí)也消除了大部分水分，完成了干燥。輸送氣體和煤粉在蝸殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)，最后進(jìn)入磨機(jī)出口的雙流道慣性分離器中。含粉氣流直接沖向撞擊塊，粗粉顆粒從氣流中分離出來，向下落下最后又回到磨煤機(jī)入口重新研磨，細(xì)粉顆粒則隨氣流一起繞過撞擊塊向上流動(dòng)，經(jīng)過分離器上部的煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)擋板，最后進(jìn)入送粉管道。觀察風(fēng)扇磨煤機(jī)分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與雙進(jìn)雙出磨和中速磨所配套的分離器明顯不同，后者風(fēng)粉流動(dòng)沿中心對(duì)稱，而前者僅為左右對(duì)稱，所以其風(fēng)粉分配特性明顯要差。

圖9 配雙流道慣性分離器的風(fēng)扇磨風(fēng)粉流動(dòng)示意

3 減輕或消除直吹式制粉系統(tǒng)粉量偏差的措施

通過對(duì)不同直吹式制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)風(fēng)粉流動(dòng)特性的分析，減輕或消除磨煤機(jī)出口送粉管道粉量偏差提高分離器入口風(fēng)粉分布均勻性、加裝格柵分配器、加裝粉量調(diào)節(jié)裝置等。

3.1 提高分離器入口風(fēng)粉分布均勻性

可在雙進(jìn)雙出磨制粉系統(tǒng)分離器入口加裝導(dǎo)流裝置，減輕分離器入口風(fēng)粉氣流分布不均勻程度。

對(duì)于中速磨直吹式制粉系統(tǒng)來說，可對(duì)熱一次風(fēng)風(fēng)室結(jié)構(gòu)和進(jìn)風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化，提高風(fēng)環(huán)出口風(fēng)速的均勻性。

3.2 加裝格柵分配器

實(shí)測結(jié)果表明，加裝格柵分配器后，磨煤機(jī)出口送粉管道煤粉流量不均勻的問題會(huì)得到明顯改善［3］。對(duì)于分離型雙進(jìn)雙出磨制粉系統(tǒng)和中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，雖然空間位置受限，但是通過送粉管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以考慮在磨煤機(jī)出口加裝格柵分配器。為了便于日常維護(hù)和檢修，格柵分配器可安裝在運(yùn)轉(zhuǎn)層上。

3.3 在磨煤機(jī)出口加裝粉量調(diào)節(jié)裝置

可考慮在磨煤機(jī)出口加裝粉量調(diào)節(jié)裝置［4-5］。一種調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)如圖10所示。其調(diào)節(jié)原理為：在磨煤機(jī)出口各送粉管道入口適當(dāng)位置，安裝導(dǎo)向擋板。導(dǎo)向擋板不能改變各送粉管道的氣體流量，只對(duì)送粉管道前的煤粉產(chǎn)生導(dǎo)向作用。當(dāng)某一送粉管道粉量偏大時(shí)，可以通過導(dǎo)向擋板將部分粉量引向相鄰的送粉管道，從而達(dá)到均衡各送粉管道煤粉流量的目的。

圖10 煤粉濃度調(diào)節(jié)裝置安裝

4 結(jié)語

正壓直吹式制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)內(nèi)部為復(fù)雜的氣固兩相流，不同型式的制粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異很大，同時(shí)運(yùn)行中還存在分離器擋板被雜物堵塞的問題，從而造成磨煤機(jī)出口送粉管道粉量的分配產(chǎn)生了很大的偏差。理論上認(rèn)為可以在磨煤機(jī)不同部位加裝均流板或?qū)Я鲹醢宓姆椒p輕或者消除粉量偏差，但是實(shí)際效果如何還需要反復(fù)測量驗(yàn)證。由于存在劇烈的磨損，均流板或?qū)Я靼宓男Ч麜?huì)隨著磨損的加劇而減弱。針對(duì)這個(gè)行業(yè)難題，現(xiàn)在的關(guān)鍵是盡快開發(fā)能同時(shí)測量多根送粉管道煤粉流量的全截面煤粉自動(dòng)測量裝置，為最終解決這個(gè)問題提供大量實(shí)際數(shù)據(jù)。