600 MW機組鍋爐制粉系統一次風量偏差原因分析及優化

郭彥飛，盧建榮，王俊俊，張 根，韋紅旗

（1.內蒙古岱海發電有限責任公司，內蒙古 烏蘭察布 013700；2.東南大學熱能動力實驗室，南京 210000）

0 引言

火電廠鍋爐一次風量的準確性直接關系到鍋爐安全穩定與經濟運行。由于一次風管道的布置受空間限制，磨煤機進口一次風管的直管段長度大多不能滿足冷熱一次風混合后對于風量測量的需求，而且熱風調節擋板也會對風量測量產生干擾，因此火電廠普遍存在制粉系統磨煤機入口一次風量偏差大的問題。本文以某火電廠600 MW機組鍋爐磨煤機入口一次風量偏差為研究對象，采用數值模擬分析方法找出制粉系統結構對風量的影響，并采取優化措施改善風量偏差現象，為其他機組類似問題的處理提供參考。

1 設備概況

內蒙古岱海發電有限責任公司（以下簡稱岱海電廠）4號600 MW機組采用冷一次風正壓直吹式制粉系統，配置6臺ZGM123G型中速磨煤機，根據鍋爐高度由下至上（1號—6號）逐層布置，每臺磨煤機出口由4根煤粉管接至爐膛四角的同一層煤粉噴嘴，鍋爐BMCR（Boiler Maxium Continuous Rating，鍋爐最大連續出力）和ECR（Economical Continu?ous Rating，鍋爐經濟連續出力）負荷時均投5層，另1層備用。

制粉系統工作原理為：煤經落煤管至磨盤中央，在磨盤轉動產生的離心力作用下被甩至磨盤四周，磨輥在磨盤轉動時自轉，磨輥與磨盤相對運動完成煤的研磨過程。一次風經一次風室環形噴嘴切向進入磨煤機內，一方面對原煤及煤粉進行干燥，另一方面攜帶煤粉向上運動至分離器頂部，經環形折向擋板后，合格的煤粉經煤粉管道、分配器進入爐內燃燒，不合格的煤粉沿落煤管的外壁重新回到磨煤機內繼續研磨；不能研磨的雜物經環形噴嘴落入一次風室，由磨盤軸上的刮板刮到渣箱定期排出磨煤機外。送入磨煤機內的一次風起到干燥與輸送煤粉的作用。一次風取自鍋爐房室內風（冬季）或室外風（夏季），經一次風機做功升壓，一路經暖風器進入空預器換熱，由空預器出來的熱一次風經一次風母管匯集，再經各磨煤機支路進入磨煤機干燥、攜帶、輸送煤粉；另一路稱為冷一次風，直接接入各磨煤機熱一次風管支路熱風擋板，起到調節風溫、控制磨出口煤粉氣流溫度的作用[1]。

2 存在的問題

岱海電廠4號機組運行中制粉系統長期存在磨煤機入口一次風流量偏差現象，導致磨煤機入口擋板開度不均勻，不能滿足磨煤機干燥出力，需要增加一次風壓力進行調節，這樣不僅提高了制粉系統電耗率，加速磨煤機系統部件磨損，還嚴重影響機組運行的經濟性[2]。

對額定負荷、不同制粉系統運行方式下燃燒不同煤種的運行參數進行分析。下5層制粉系統運行參數見表1，上5層制粉系統運行參數見表2。

額定負荷時，無論哪種運行方式，煤量相同情況下（5號磨煤機風量偏低故設有負偏置）各磨煤機風量基本持平，熱風擋板開度偏差均較大。因長協煤更接近設計煤種，故選取工況3下的參數進行分析：各磨煤機熱風擋板開度偏差最大已達44.5%，偏差率接近80.6%。工況3下各磨煤機一次風量幾乎相同，2號、5號磨煤機熱風擋板開度明顯較其他磨煤機大，甚至全開時風量才能勉強維持；在煤質差、煤量大時，熱風擋板全開仍無法滿足磨煤機干燥出力，尤其是5號磨煤機，必須被迫限制出力以勉強維持風量。

表1 下5層制粉系統運行工況

表2 上5層制粉系統運行工況

3 數值模擬分析

依據現有系統布置情況，建立三維模型（如圖1所示）進行數值模擬分析，因1號—6號磨煤機對稱布置，故以半側建模分析2號磨煤機情況，同理可得5號磨煤機[6-12]。

圖1 空預器出口至磨煤機進口風道三維模型

圖2為空預器出口至2號磨煤機入口管道局部流線圖。由圖2可見，空預器的一次風母管豎直管段與一次風母管接口處、2號磨煤機熱一次風支管與母管接口處、2號磨煤機熱一次風支管與母管底部接口處均為直角連接。

圖3為熱一次風道速度分布云圖（支管中心高度平面）。由圖3可見，熱一次風母管與2號磨煤機支管交接處流場紊亂，氣流下沖、扭轉流進支管，靠頂部區域存在大面積渦流區[3]。圖4為磨煤機進口風量測量截面速度分布云圖。由圖3、圖4可以看出，1號磨煤機進口風量最大，2號磨煤機進口風量最小，且2號磨煤機熱一次風道支管與母管連接處速度場分布不均勻，最大與最小速度相差約22 m/s。

一次風管道結構中，由于空預器出口至一次風母管接口處、2號磨煤機一次風支管與母管接口處、2號磨煤機一次風支管與母管底部接口處均為直角連接，導致局部流量場、速度場分布不均，接口處頂部存在渦流區，進口斷面處速度偏差大；2號磨煤機進口風量最小，且不利于風量監視與自動控制[4]，磨煤機熱一次風系統阻力較大。

4 優化措施

圖3 熱一次風速度分布云圖（支管中心高度平面）

圖4 磨煤機進口風量測量截面速度分布云圖

（1）空預器來的熱一次風豎直管道與磨煤機入口一次風水平母管接口處，由原來的直角連接改為單側弧形連接，即將空預器來的熱一次風支管豎直管段與磨入口熱一次風水平母管連接處，靠近2號磨煤機入口支管一側的接口優化為半徑1200 mm、工程高度1000 mm的弧形連接（如圖5）。

圖5 空預器來的熱一次風豎直管道與磨煤機入口一次風水平母管接口處優化效果

（2）將2號磨煤機熱一次風支管與母管連接處靠近進風口側直角連接改為弧形連接，即2號磨煤機入口熱一次風支管與母管接口處的垂直方向連接優化為半徑400 mm、工程長度200 mm的弧形連接（如圖6）。

圖6 2號磨煤機熱一次風道支管與母管側部接口處優化效果

（3）2號磨煤機熱一次風支管與母管底部改為斜邊過渡連接（如圖7）。

圖7 2號磨煤機熱一次風支管與母管底部接口處優化效果

5 優化效果

利用機組檢修時機，岱海電廠對2號、5號磨煤機熱一次風管道進行了優化，在相近的煤種、額定工況下，3個接口處流場均勻性明顯改善，渦流區基本消失（見圖8、圖9）；2號磨煤機熱一次風支管與母管連接處速度場和流量場分布有所改善。磨煤機進口風量截面速度分布相對較為均勻（如圖10、圖11）。

圖8 優化后空預器出口至磨煤機入口一次風管道三維流線圖

圖9 優化后2號磨煤機與一次風母管直角連接處流線圖

圖10 優化后熱一次風速度分布云圖

圖11 優化后磨煤機進口風量測量截面速度分布云圖

各制粉系統入口一次風量穩定時5臺磨煤機入口熱風擋板開度均勻，偏差減小，優化后最大與最小熱風調節擋板偏差為12.9%，偏差率約22.35%，熱風調節擋板開度偏差與熱風調節擋板偏差率同均小于優化前，消除了磨煤機入口熱風擋板開度偏差大的現象，從而解決了磨煤機入口一次風量偏差大的問題。

同時，由于優化了制粉系統一次風管道結構，使得磨煤機一次風機出口壓力降低約0.1 kPa，能夠降低一次風機電耗率約1%[5]，按單臺機組全年發電量30 TWh、上網電價0.33元/kWh計算，可為公司節省4.95萬元/年。

6 結束語

岱海電廠4號600 MW機組由于制粉系統磨煤機入口一次風流量偏差大，易引起磨煤機運行風量不足、堵磨等不安全事件，通過分析，找出一次風管道結構不合理為主要原因，并有針對性地采取優化措施，消除了擋板偏差現象，解決了風量偏差問題，并減小了系統阻力，降低了一次風機電耗率，提高了機組運行的經濟性，對同類型問題處理具有借鑒意義。