新型軸基氣封裝置在中速磨煤機(jī)的應(yīng)用與效果分析

董吉柱

(深能合和電力（河源）有限公司，廣東 河源 517000)

0 引言

中速磨煤機(jī)一般用于正壓直吹式制粉系統(tǒng)，為了有效防止磨煤機(jī)內(nèi)部熱風(fēng)攜帶煤粉泄露至磨煤機(jī)外部污染周邊環(huán)境，每臺磨煤機(jī)都配有一定量的密封風(fēng)，配合現(xiàn)有軸基密封裝置使用以達(dá)到密封效果，降低磨煤機(jī)內(nèi)部煤粉外泄致使周邊環(huán)境污染的情況發(fā)生。原中速磨煤機(jī)設(shè)計的軸基密封裝置多由縫隙氣封、金屬調(diào)節(jié)片氣封等組成，該軸基密封裝置一旦發(fā)生泄露，將會形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重時影響設(shè)備運(yùn)行的安全性，同時該軸基密封裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試工作難度大，極大的影響了設(shè)備的使用效率。隨著近年各種軸基密封裝置技術(shù)的不斷進(jìn)步，對一部分火電廠的中速磨煤機(jī)軸基密封裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，即在原縫隙氣封的外側(cè)增加擋渣環(huán)，將原金屬調(diào)節(jié)片氣封更換為碳晶浮動密封環(huán)密封，以提高軸基密封的密封效果，降低金屬調(diào)節(jié)片對軸的磨損，但該軸基密封裝置的碳晶密封環(huán)具有種類參差不齊，品質(zhì)高低不一，安裝精度要求高，維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。本文以實(shí)際案例對原中速磨煤機(jī)設(shè)計的軸基密封裝置結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行深入剖析，通過自主設(shè)計改造原中速磨煤機(jī)設(shè)計的縫隙氣封裝置和金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置，從而有效降低中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置的漏風(fēng)、漏粉、噪音大等設(shè)計缺陷，進(jìn)而提高密封風(fēng)的使用效率，降低中速磨煤機(jī)日常維護(hù)成本，進(jìn)一步提高中速磨煤機(jī)運(yùn)行的可靠性和改善現(xiàn)場文明施工情況。

1 基本情況

廣東河源電廠2×600 MW工程超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組于 2008年、2009年分別投產(chǎn)，鍋爐的制粉系統(tǒng)選用的是上海重型機(jī)械廠有限公司（現(xiàn)更名為上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司，以下簡稱上重廠）生產(chǎn)的 HP1003型碗式中速磨煤機(jī)、一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配備 6臺HP1003型碗式中速磨煤機(jī)，B-MCR工況下5臺運(yùn)行，1臺備用，每臺爐配備2臺100%容量的9-26 No11.2D-7型離心式密封風(fēng)機(jī)，B-MCR工況下1臺運(yùn)行，1臺備用。

1.1 磨煤機(jī)

1.1.1 磨煤機(jī)工作原理

原煤自磨碗中心上方的落煤管落入旋轉(zhuǎn)的磨碗中央時在離心力的作用下連續(xù)不斷地向磨碗的邊緣移動，當(dāng)通過磨輥與磨碗的狹窄間隙時煤被碾碎，熱一次風(fēng)通過葉輪裝置斜向進(jìn)入磨碗上部形成旋轉(zhuǎn)的氣流，在氣流的卷吸作用下將煤粉帶入磨煤機(jī)上部的分離器中，不合格的煤粉被分離后便直接回道磨碗上重新磨制。合格的煤粉通過煤粉均分器進(jìn)入煤粉管道[1]。煤中難以破碎的雜物如鐵塊、石子煤等不能被氣流帶走，它們通過葉輪裝置落入磨碗下部的熱一次風(fēng)空氣室中，磨碗下部對稱裝有四個刮板將雜物刮至石子煤箱中，由石子煤輸送刮板輸送至石子煤斗。

1.1.2 磨煤機(jī)相關(guān)參數(shù)

廣東河源電廠2×600 MW工程超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組 HP1003型碗式中速磨煤機(jī)額定出力54.9 t/h，設(shè)計煤種最大出力66 t/h，轉(zhuǎn)速33.01 rpm；電機(jī)功率560 kW，電壓6 kV，電流69.6 A，轉(zhuǎn)速977 rpm。

1.2 密封風(fēng)機(jī)

1.2.1 密封風(fēng)機(jī)工作原理

密封風(fēng)機(jī)將來自一次風(fēng)機(jī)出口的冷空氣加壓，一般要求密封風(fēng)與一次風(fēng)差壓大于1250 Pa[2]。由于制粉系統(tǒng)為正壓系統(tǒng)，極易造成泄露，因此密封風(fēng)的作用一是在磨煤機(jī)縫隙氣封處形成一道高壓氣幕防止一次風(fēng)粉外漏，污染環(huán)境；二是將密封風(fēng)引入磨輥頭實(shí)施正壓保護(hù)，防止煤粉進(jìn)入磨輥總成損壞磨輥軸承[3]；三是將密封風(fēng)引入彈簧加載組件，防止煤粉進(jìn)入發(fā)生磨損與堵塞[4]。四是防止磨煤機(jī)內(nèi)的熱一次風(fēng)通過給煤機(jī)與落煤管間隙倒灌入給煤機(jī)，需提供給煤機(jī)密封風(fēng)。若熱一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入給煤機(jī)，不僅會將皮帶埋沒，造成停車后再次啟動時發(fā)生過載跳閘，增加人工清理工作量，而且熱一次風(fēng)還會加劇給煤機(jī)橡膠皮帶老化，甚至發(fā)生火災(zāi)事故，磨煤機(jī)內(nèi)部熱一次風(fēng)逃逸，將大大降低制粉系統(tǒng)工作效率。

1.2.2 密封風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

廣東河源電廠2×600 MW工程超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組密封風(fēng)機(jī)為9-26 No11.2D-7型離心式風(fēng)機(jī)，葉輪單側(cè)懸掛，流量42221 m3/h，轉(zhuǎn)速1450 rpm，全壓6382 Pa；電機(jī)功率132 kW，電壓380 V，電流235 A，轉(zhuǎn)速1470 rpm。

2 HP 型中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置簡介

上重廠生產(chǎn)的 HP1003型碗式中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置由縫隙氣封裝置、金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置和密封風(fēng)室構(gòu)成，如圖1所示，磨煤機(jī)軸基氣封裝置不僅是磨碗榖與側(cè)機(jī)體間的密封部件，而且是防止磨煤機(jī)內(nèi)部密封風(fēng)和石子煤泄露的密封裝置。磨煤機(jī)工作時熱一次風(fēng)（約300 ℃）從熱一次風(fēng)室通過并攜帶煤粉顆粒進(jìn)入爐膛，設(shè)計上為防止熱一次風(fēng)從縫隙氣封裝置處外溢，在此處鋪設(shè)2路壓力高于熱一次風(fēng)風(fēng)壓的密封風(fēng)并在縫隙氣封裝置處形成密封氣環(huán)，將熱一次風(fēng)密封在磨煤機(jī)內(nèi)部防止外溢，同時一小部分密封風(fēng)從金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置處外溢到周邊環(huán)境中[5]。

圖1 HP1003型碗式中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置示意圖Fig.1 schematic diagram of shaft base gas seal device of bowl type medium speed pulverizer

2.1 縫隙氣封裝置

縫隙氣封裝置布置在磨煤機(jī)熱一次風(fēng)室下部，主要由內(nèi)氣封環(huán)、縫隙氣封金屬調(diào)節(jié)片和下裙罩裝置等構(gòu)成，通過調(diào)整縫隙氣封金屬調(diào)節(jié)片的厚度來實(shí)現(xiàn)下裙罩裝置和內(nèi)氣封環(huán)間的縫隙氣封裝置的間隙調(diào)整，原廠設(shè)計的縫隙氣封裝置間隙控制在0.5-1.6 mm。

縫隙氣封裝置存在如下問題：一方面設(shè)備長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，細(xì)小的石子煤等容易被擠壓進(jìn)入縫隙氣封處并在此處不斷摩擦，內(nèi)氣封表面密封受損，導(dǎo)致縫隙氣封間隙不斷增大[6]。另一方面縫隙氣封裝置間隙調(diào)整過程工作量大，作業(yè)空間狹小，調(diào)整難度高，作業(yè)人員勞動強(qiáng)度大。

縫隙氣封裝置的密封效果如果不好，會造成熱一次風(fēng)從此處外溢至密封風(fēng)室內(nèi)，乃至外部的環(huán)境中，外溢的熱一次風(fēng)一般會攜帶少量的灰塵或石子煤，當(dāng)運(yùn)行條件不良時，石子煤會自燃，不僅造成附近環(huán)境污染，而且會使磨煤機(jī)周邊存在極大的火災(zāi)隱患[7]。同時因軸基氣封裝置處密封風(fēng)大量外泄，導(dǎo)致密封風(fēng)母管壓力降低，造成磨煤機(jī)其他位置密封風(fēng)無法保證有效密封風(fēng)風(fēng)壓，進(jìn)而不利于彈簧加載組件、磨輥總成的穩(wěn)定運(yùn)行，降低磨煤機(jī)運(yùn)行的安全性[8]。

3.2 金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置

金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置為磨碗轂處間隙密封，該密封裝置采取3層6 mm高碳纖維成型環(huán)密封環(huán)和3層20 mm鋼板交疊布置，使用螺栓間隔懸掛固定[9]。利用高碳纖維成型環(huán)密封環(huán)與主軸中間形成微小的凹凸型迷宮結(jié)構(gòu)，密封風(fēng)在迷宮中受到一級一級的阻力，不至于快速泄露，高碳纖維成型環(huán)密封環(huán)與磨碗轂間隙控制在 0.5 mm以內(nèi)。

金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置存在如下問題：一是磨碗榖長期運(yùn)行時，高碳纖維成型環(huán)密封環(huán)發(fā)生變形后，軸基氣封裝置區(qū)域就會產(chǎn)生極高分貝的氣流哨聲；二是軸基金屬密封片不僅安裝復(fù)雜，調(diào)試難度大，維護(hù)工作量多，而且磨碗榖運(yùn)行過程中金屬密封片易對軸造成磨損，修復(fù)時間長、難度大、成本高；三是軸基金屬密封片和磨碗榖與側(cè)機(jī)體有間隙，達(dá)不到完全密封效果，時常伴有石子煤或飛灰噴射，污染環(huán)境。

隨著設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，部分顆粒狀石子煤進(jìn)入高碳纖維成型環(huán)密封環(huán)與磨碗轂之間，加速密封環(huán)和磨碗轂的表面磨損，造成原定0.5 mm間隙不斷增大，從而導(dǎo)致密封風(fēng)室泄壓，無法保證縫隙氣封裝置處密封風(fēng)壓力，此處密封風(fēng)壓力降低后無法對熱一次風(fēng)室內(nèi)的石子煤形成有效隔絕，導(dǎo)致石子煤進(jìn)入縫隙氣封裝置處進(jìn)一步加劇磨損，當(dāng)軸基氣封裝置各間隙磨損達(dá)到一定程度時，密封風(fēng)失去基本密封作用，大量的熱一次風(fēng)和密封風(fēng)混合風(fēng)會從金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置處逃逸，嚴(yán)重時影響進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)部的熱一次風(fēng)量，造成磨煤機(jī)出力降低、出口溫度達(dá)不到設(shè)定值、煤粉著火困難、煤機(jī)渣量增大等問題，進(jìn)而造成磨煤機(jī)軸基氣封裝置處漏風(fēng)、漏粉、噪音大、磨軸和設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、頻繁停機(jī)檢修等問題凸顯[10]。

2.3 密封風(fēng)室

密封風(fēng)室內(nèi)由熱一次風(fēng)室內(nèi)的縫隙氣封裝置下部和磨煤機(jī)外部金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置上部共同構(gòu)成，內(nèi)部通有密封風(fēng)，一部分密封風(fēng)在縫隙氣封裝置處形成高壓環(huán)形空氣幕，防止熱一次風(fēng)和石子煤泄露；一部分（少量）密封風(fēng)在金屬調(diào)節(jié)片氣封裝置處溢出，這樣就可以起到防止熱一次風(fēng)室中熱一次風(fēng)和煤粉向外泄露的作用，進(jìn)而極大的改善了磨煤機(jī)周圍環(huán)境和能源浪費(fèi)[11]。

3 新型軸基氣封裝置簡介

近年來由于煤炭市場的變化，各電廠煤源不穩(wěn)定、煤質(zhì)下降、煤中矸石及雜鐵含量較多造成磨煤機(jī)工況惡劣。當(dāng)前乃至相當(dāng)一段時間內(nèi)，電煤市場緊張，燃用劣質(zhì)煤或摻混燃燒電廠不在少數(shù)，磨煤機(jī)實(shí)際工況偏離設(shè)計工況，在這種情況下石子煤自燃，軸基氣封裝置處噴射火星等問題頻繁出現(xiàn)，因此有效提升磨煤機(jī)軸基氣封裝置運(yùn)行的可靠性為當(dāng)前首要工作[12]。目前上重廠生產(chǎn)的 HP型中速磨煤機(jī)受自身設(shè)計的局限性，軸基氣封裝置處泄露始終是困擾同類型磨煤機(jī)的重大難題，因此盡快解決 HP型中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置泄露，彌補(bǔ)原產(chǎn)品設(shè)計中的不足，進(jìn)一步提升磨煤機(jī)軸基氣封裝置的密封性能顯得尤為重要。本文介紹的中速磨煤機(jī)新型軸基氣封裝置分內(nèi)、外兩部分，內(nèi)氣封裝置結(jié)構(gòu)為金屬弧形板焊接與裙罩裝置組成迷宮式密封，外氣封裝置由鎳絲編織碳纖維石墨盤根和氟橡膠雙唇柔性密封安裝在外密封座上構(gòu)成接觸式密封，如圖2所示。利用迷宮式密封裝置的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)[13]，將高300 mm的360°弧形板焊接成迷宮密封式內(nèi)氣封焊接在原內(nèi)氣封環(huán)內(nèi)側(cè)，整體加工保持同心，為便于現(xiàn)場焊接采用線切割均分為4個分體結(jié)構(gòu)[14]，磨碗榖運(yùn)行過程中，內(nèi)氣封裝置既不與磨碗榖摩擦，又能有效防止石子煤進(jìn)入氣密封室。外氣封裝置采用耐溫性、耐磨性、自潤滑性良好且摩擦系數(shù)低的1層成型鎳絲編織碳纖維石墨盤根和1層成型氟橡膠雙唇柔性密封與軸過盈配合[15]，柔性密封處涂抹高溫潤滑脂，增加其潤滑性能，利用6件環(huán)形拼接外密封座恒力壓緊，拼接縫使用密封膠涂抹封閉，不僅能保證設(shè)備在運(yùn)行過程中密封風(fēng)、石子煤等近乎零泄露，降低設(shè)備周邊噪音，提高周邊環(huán)境清潔度，而且大幅度減少了密封材料對軸的磨損，降低軸的維修成本，提升設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

圖2 中速磨煤機(jī)新型軸基氣封裝置示意圖Fig.2 schematic diagram of new shaft based gas seal device of medium speed pulverizer

4 新型軸基氣封裝置應(yīng)用效果分析

廣東河源電廠于2020年11月#2機(jī)組大修期間對 2E、2F磨煤機(jī)原軸基氣封裝置進(jìn)行優(yōu)化改造為新型軸基氣封裝置，軸基氣封裝置改造后，設(shè)備狀況得到大大改善，有效解決了設(shè)備出廠設(shè)計中存在的缺陷。截止目前設(shè)備運(yùn)行已1年有余，使用效果得到有效保證，具體效果如下：

（1）磨煤機(jī)軸基氣封裝置改造為迷宮式內(nèi)氣封裝置和接觸式柔性軸基氣封裝置后，軸基氣封裝置處未出現(xiàn)過明顯漏風(fēng)、漏粉、噴射火星等現(xiàn)象，泄漏量幾乎為零，如圖3所示，不僅現(xiàn)場安全文明生產(chǎn)得到顯著改善，同時消除了現(xiàn)場火災(zāi)隱患。

圖3 新型軸基氣封裝置改造前后現(xiàn)場日常運(yùn)行對比圖Fig.3 comparison diagram of field daily operation before and after transformation of new shaft based gas seal device

（2）磨煤機(jī)軸基氣封裝置的金屬調(diào)節(jié)墊片外氣封裝置改造為接觸式柔性軸基氣封裝置后，使用SW-525型噪音測試儀測試2E、2F磨煤機(jī)軸基氣封裝置改造前后噪音數(shù)據(jù)，如表1所示，音量參考值如表2所示。軸基氣封裝置區(qū)域未見明顯高分貝的氣流哨聲，設(shè)備運(yùn)行噪音明顯降低，切實(shí)改善了周邊作業(yè)人員的作業(yè)環(huán)境，確保周邊作業(yè)人員的職業(yè)健康。

表1 新型軸基氣封裝置改造前后噪音值Tab.1 noise value of new shaft based gas seal device before and after transformation

表2 噪音參考值Tab.2 noise reference value

（3）磨煤機(jī)軸基氣封裝置改造后有效降低了密封風(fēng)逃逸量，密封風(fēng)逃逸量按照額定功率的3%計算，密封風(fēng)機(jī)功率為132 kW，每天可節(jié)約廠用電量95.04 kW，以每度電0.4元計算，年有效小時數(shù)系數(shù)按照 0.8計算，每年可節(jié)約廠用電費(fèi)用1.11萬元。每年每臺磨煤機(jī)原軸基氣封裝置更換金屬調(diào)節(jié)墊片備件費(fèi)用約0.8萬元、人工費(fèi)約0.2萬元，磨煤機(jī)臨停期間帶來的風(fēng)險損失忽略不計，2臺機(jī)組12臺磨煤機(jī)每年可節(jié)約總成本[1.11×2+12×(0.8+0.2)]萬元=14.22 萬元。

（4）磨煤機(jī)軸基氣封裝置改造后，密封風(fēng)母管與冷一次風(fēng)母管壓差較之前明顯提升約0.9 kPa，如圖3所示，說明原來逃逸的密封風(fēng)已被有效利用，保證了磨煤機(jī)密封風(fēng)和熱一次風(fēng)的壓差，不僅使密封風(fēng)的效率得以顯著提升，對密封風(fēng)風(fēng)機(jī)的電耗降低起著重要作用，而且保證了彈簧加載組件、磨輥頭密封處密封風(fēng)風(fēng)壓的長期穩(wěn)定，磨煤機(jī)彈簧加載組件和磨輥總成檢修次數(shù)明顯降低，彈簧加載組件的銅套和磨輥總成骨架油封使用壽命明顯延長，大大降低了磨煤機(jī)檢修工作量，提高了磨煤機(jī)運(yùn)行的可靠性。

圖4 新型軸基氣封裝置改造前后密封風(fēng)母管與冷一次風(fēng)母管壓差曲線圖Fig.4 pressure difference curve of seal air main pipe and cold primary air main pipe before and after transformation of new shaft based gas seal device

（5）2021年 12月檢查新型軸基氣封裝置使用狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)迷宮式內(nèi)氣封裝置內(nèi)部無任何石子煤殘留，且無明顯的磨損，接觸式柔性外氣封裝置的鎳絲編織碳纖維石墨盤根和氟橡膠雙唇柔性密封無明顯的磨損、變形，磨碗轂運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，無明顯磨損痕跡，改造效果顯著。

（6）磨煤機(jī)新型軸基氣封裝置改造后，迷宮式內(nèi)氣封裝置無需維護(hù)，更不需要作業(yè)人員進(jìn)入熱一次風(fēng)室進(jìn)行維護(hù)，柔性接觸式外氣封裝置預(yù)估5年內(nèi)無需更換柔性密封組件，且柔性組件更換方式簡單，更換難度低，大大降低了磨煤機(jī)軸基氣封裝置的維護(hù)工作量和勞動強(qiáng)度。

（7）磨煤機(jī)新型軸基氣封裝置改造后，磨煤機(jī)內(nèi)部磨損有所下降，延長了磨煤機(jī)的檢修周期，降低了維修時的勞動強(qiáng)度，并且還能顯著改善制粉系統(tǒng)的運(yùn)行工況，提高機(jī)組整體運(yùn)行的可靠性。

6 結(jié)論

河源電廠 HP型中速磨煤機(jī)應(yīng)用新型軸基氣封裝置技術(shù)改造后，從根本上解決了河源電廠HP型中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置處漏風(fēng)、漏粉、磨軸、噪音大等問題，同時發(fā)現(xiàn)密封風(fēng)機(jī)的密封風(fēng)逃逸量明顯降低，密封風(fēng)母管壓力顯著提升，節(jié)能效果明顯，進(jìn)一步完善了制粉系統(tǒng)密封風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和使用性能。與國內(nèi)同類型的中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置技術(shù)改造相比，該技術(shù)改造方案結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)施，投資少，密封效果優(yōu)于傳統(tǒng)金屬調(diào)節(jié)墊片密封和碳精浮動環(huán)密封，極大的改善了現(xiàn)場文明生產(chǎn)情況，對設(shè)備本身無需太大改動，減輕了現(xiàn)場施工的勞動強(qiáng)度，改造后磨煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，間接經(jīng)濟(jì)效益顯著。但新型軸基氣封裝置所用的柔性密封組件預(yù)期使用壽命為3年，柔性密封組件的材質(zhì)選擇仍有很大的進(jìn)步空間，從而有效延長柔性密封組件的使用壽命，進(jìn)一步降低新型軸基氣封裝置的日常維護(hù)成本。新型軸基氣封裝置技術(shù)改造實(shí)施后運(yùn)行至今，未發(fā)生過明顯的質(zhì)量問題和安全隱患，有效的改善了中速磨煤機(jī)的運(yùn)行工況，提高了設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，技術(shù)改造達(dá)到預(yù)期效果，同時針對同類型中速磨煤機(jī)軸基氣封裝置存在的相關(guān)問題具有較高的借鑒意義和推廣應(yīng)用價值。