600 MW機組鍋爐制粉系統(tǒng)一次風(fēng)量偏差原因分析及優(yōu)化

郭彥飛，盧建榮，王俊俊，張 根，韋紅旗

（1.內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013700；2.東南大學(xué)熱能動力實驗室，南京 210000）

0 引言

火電廠鍋爐一次風(fēng)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到鍋爐安全穩(wěn)定與經(jīng)濟運行。由于一次風(fēng)管道的布置受空間限制，磨煤機進口一次風(fēng)管的直管段長度大多不能滿足冷熱一次風(fēng)混合后對于風(fēng)量測量的需求，而且熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板也會對風(fēng)量測量產(chǎn)生干擾，因此火電廠普遍存在制粉系統(tǒng)磨煤機入口一次風(fēng)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(fēng)量偏差為研究對象，采用數(shù)值模擬分析方法找出制粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對風(fēng)量的影響，并采取優(yōu)化措施改善風(fēng)量偏差現(xiàn)象，為其他機組類似問題的處理提供參考。

1 設(shè)備概況

內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱岱海電廠）4號600 MW機組采用冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置6臺ZGM123G型中速磨煤機，根據(jù)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(xù)出力）和ECR（Economical Continu?ous Rating，鍋爐經(jīng)濟連續(xù)出力）負(fù)荷時均投5層，另1層備用。

制粉系統(tǒng)工作原理為：煤經(jīng)落煤管至磨盤中央，在磨盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力作用下被甩至磨盤四周，磨輥在磨盤轉(zhuǎn)動時自轉(zhuǎn)，磨輥與磨盤相對運動完成煤的研磨過程。一次風(fēng)經(jīng)一次風(fēng)室環(huán)形噴嘴切向進入磨煤機內(nèi)，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(jīng)環(huán)形折向擋板后，合格的煤粉經(jīng)煤粉管道、分配器進入爐內(nèi)燃燒，不合格的煤粉沿落煤管的外壁重新回到磨煤機內(nèi)繼續(xù)研磨；不能研磨的雜物經(jīng)環(huán)形噴嘴落入一次風(fēng)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(nèi)的一次風(fēng)起到干燥與輸送煤粉的作用。一次風(fēng)取自鍋爐房室內(nèi)風(fēng)（冬季）或室外風(fēng)（夏季），經(jīng)一次風(fēng)機做功升壓，一路經(jīng)暖風(fēng)器進入空預(yù)器換熱，由空預(yù)器出來的熱一次風(fēng)經(jīng)一次風(fēng)母管匯集，再經(jīng)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(fēng)，直接接入各磨煤機熱一次風(fēng)管支路熱風(fēng)擋板，起到調(diào)節(jié)風(fēng)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(tǒng)長期存在磨煤機入口一次風(fēng)流量偏差現(xiàn)象，導(dǎo)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(fēng)壓力進行調(diào)節(jié)，這樣不僅提高了制粉系統(tǒng)電耗率，加速磨煤機系統(tǒng)部件磨損，還嚴(yán)重影響機組運行的經(jīng)濟性[2]。

對額定負(fù)荷、不同制粉系統(tǒng)運行方式下燃燒不同煤種的運行參數(shù)進行分析。下5層制粉系統(tǒng)運行參數(shù)見表1，上5層制粉系統(tǒng)運行參數(shù)見表2。

額定負(fù)荷時，無論哪種運行方式，煤量相同情況下（5號磨煤機風(fēng)量偏低故設(shè)有負(fù)偏置）各磨煤機風(fēng)量基本持平，熱風(fēng)擋板開度偏差均較大。因長協(xié)煤更接近設(shè)計煤種，故選取工況3下的參數(shù)進行分析：各磨煤機熱風(fēng)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(fēng)量幾乎相同，2號、5號磨煤機熱風(fēng)擋板開度明顯較其他磨煤機大，甚至全開時風(fēng)量才能勉強維持；在煤質(zhì)差、煤量大時，熱風(fēng)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(fēng)量。

表1 下5層制粉系統(tǒng)運行工況

表2 上5層制粉系統(tǒng)運行工況

3 數(shù)值模擬分析

依據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)布置情況，建立三維模型（如圖1所示）進行數(shù)值模擬分析，因1號—6號磨煤機對稱布置，故以半側(cè)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(yù)器出口至磨煤機進口風(fēng)道三維模型

圖2為空預(yù)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(yù)器的一次風(fēng)母管豎直管段與一次風(fēng)母管接口處、2號磨煤機熱一次風(fēng)支管與母管接口處、2號磨煤機熱一次風(fēng)支管與母管底部接口處均為直角連接。

圖3為熱一次風(fēng)道速度分布云圖（支管中心高度平面）。由圖3可見，熱一次風(fēng)母管與2號磨煤機支管交接處流場紊亂，氣流下沖、扭轉(zhuǎn)流進支管，靠頂部區(qū)域存在大面積渦流區(qū)[3]。圖4為磨煤機進口風(fēng)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(fēng)量最大，2號磨煤機進口風(fēng)量最小，且2號磨煤機熱一次風(fēng)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(fēng)管道結(jié)構(gòu)中，由于空預(yù)器出口至一次風(fēng)母管接口處、2號磨煤機一次風(fēng)支管與母管接口處、2號磨煤機一次風(fēng)支管與母管底部接口處均為直角連接，導(dǎo)致局部流量場、速度場分布不均，接口處頂部存在渦流區(qū)，進口斷面處速度偏差大；2號磨煤機進口風(fēng)量最小，且不利于風(fēng)量監(jiān)視與自動控制[4]，磨煤機熱一次風(fēng)系統(tǒng)阻力較大。

4 優(yōu)化措施

圖3 熱一次風(fēng)速度分布云圖（支管中心高度平面）

圖4 磨煤機進口風(fēng)量測量截面速度分布云圖

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

圖5 空預(yù)器來的熱一次風(fēng)豎直管道與磨煤機入口一次風(fēng)水平母管接口處優(yōu)化效果

（2）將2號磨煤機熱一次風(fēng)支管與母管連接處靠近進風(fēng)口側(cè)直角連接改為弧形連接，即2號磨煤機入口熱一次風(fēng)支管與母管接口處的垂直方向連接優(yōu)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(fēng)道支管與母管側(cè)部接口處優(yōu)化效果

（3）2號磨煤機熱一次風(fēng)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(fēng)支管與母管底部接口處優(yōu)化效果

5 優(yōu)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(fēng)管道進行了優(yōu)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(qū)基本消失（見圖8、圖9）；2號磨煤機熱一次風(fēng)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(fēng)量截面速度分布相對較為均勻（如圖10、圖11）。

圖8 優(yōu)化后空預(yù)器出口至磨煤機入口一次風(fēng)管道三維流線圖

圖9 優(yōu)化后2號磨煤機與一次風(fēng)母管直角連接處流線圖

圖10 優(yōu)化后熱一次風(fēng)速度分布云圖

圖11 優(yōu)化后磨煤機進口風(fēng)量測量截面速度分布云圖

各制粉系統(tǒng)入口一次風(fēng)量穩(wěn)定時5臺磨煤機入口熱風(fēng)擋板開度均勻，偏差減小，優(yōu)化后最大與最小熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板偏差為12.9%，偏差率約22.35%，熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板開度偏差與熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板偏差率同均小于優(yōu)化前，消除了磨煤機入口熱風(fēng)擋板開度偏差大的現(xiàn)象，從而解決了磨煤機入口一次風(fēng)量偏差大的問題。

同時，由于優(yōu)化了制粉系統(tǒng)一次風(fēng)管道結(jié)構(gòu)，使得磨煤機一次風(fēng)機出口壓力降低約0.1 kPa，能夠降低一次風(fēng)機電耗率約1%[5]，按單臺機組全年發(fā)電量30 TWh、上網(wǎng)電價0.33元/kWh計算，可為公司節(jié)省4.95萬元/年。

6 結(jié)束語

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