目前火力发电厂一方面需满足国务院办公厅下发的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》要求,到2020年现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310克/千瓦时;严控大气污染物排放,在基准氧含量6%条件下,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米。另一方面国家发改委、国家能源局2018年3月23日印发《关于提升电力系统调节能力的指导意见》指出实施火电灵活性提升工程,要求在“十三五”期间力争完成2.2亿千瓦火电机组灵活性改造,提升电力系统调节能力4600万千瓦。解决弃风、弃光现象,增加新能源发电在电网中的比重[1,2,3]。因此,在国家政策、环保要求、电厂经营情况等多重因素的影响下,促使电厂进行增容、提效的改造。

1 制粉系统概况及存在的问题

原制粉系统基本概况:某电厂锅炉为四台武汉锅炉厂制造的WGZ1004/18.4-2型亚临界、一次中间再热、自然循环、单炉膛、单汽包、固态排渣电站煤粉锅炉,燃烧系统为前、后墙布置LYSC-II型旋流燃烧器,制粉系统为北京电力设备总厂制造的ZGM113N型中速辊式磨煤机,每台炉采用3运1备的设计。磨煤机基本出力为56.8t/h,燃用设计煤种工况下最大计算出力为59.1t/h,燃用校核煤种工况下最大计算出力为64.89t/h,磨煤机减速机收入轴转速为990r/min。

存在的问题:实际燃煤偏离设计煤种。日常燃用煤种为挥发分较低的烟煤,燃煤全水7～9%,内水1～2%,收到基灰分36～42%,收到基挥发分18～23%,收到基低位发热量15～18MJ/kg。改造前电厂日常燃用煤质偏离设计值较大,与设计值比较热值降低了约4MJ/kg,灰分上升了近50%(相对值),收到基灰分达36%左右;锅炉燃烧效率低。锅炉运行中灰渣含碳量大(飞灰含碳量达7%左右),采用常规燃烧控制手段降低灰渣含碳量比较困难,已严重影响锅炉热效率;煤粉细度不够小。煤粉细度大,R90达到20%以上,降低煤粉细度受到磨煤机碾磨出力的限制,且调整煤粉细度不方便;低NOx燃烧器改造后,有必要进一步降低煤粉细度。针对上述运行、经济、安全三方面的几个问题,制粉系统增容提效改造至关重要。

2 制粉系统增容提效改造方案

拟达到的技术参数指标。通过设备改造和性能调试使磨煤机碾磨出力增加20%以上,在煤粉细度R90=10%时维持现有磨煤机出力,即56.8t/h,磨煤机震动符合国家相关标准。煤粉细度R90在3%～20%范围内可调,煤粉细度均匀性指数n均不小于1.1。改造后磨煤机能够正常运行,无磨煤机震动,无动态分离器阻力大幅增加等情况发生;磨煤机本体改造方案。对磨煤机动静环进行优化改造,提高磨煤机旋转喷嘴出口风速,相应提高了一次风的携带能力,从而提高磨煤机的出力及有效的控制石子煤的排放量提高磨煤机的通风出力,优化磨煤机入口风环流场。

磨煤机减速机改造方案。通过改造减速机传动比实现磨煤机转速增速,有效提高磨煤机碾磨出力。提高磨煤机的出力,在不增大原有磨煤机型号的基础上对原有磨煤机减速机进行改造,提高20%的输出转速,通过提高磨煤机转速、增大研磨面积等方式使磨煤机的研磨能力提高20%;分离器改造方案。磨煤机静态分离器改造为动态分离器以提高该磨的煤粉均匀性及出力,确保该磨煤机制粉系统连续稳定运行。动态分离器可实现煤粉细度的降低及可调,煤粉细度R90从13%～19%降低至5%～8%。

3 动态分离器结构改造数值模拟

动态分离器是影响磨煤机细度的核心部件,为保证改造的效果,改造前对动态分离器的不同结构参数和运行参数条件下的气固两相流动状况进行了模拟预测,并评价了不同改造方案分离器出口的煤粉细度、分离阻力及分离器出口煤粉均匀性等重要指标。

3.1 动态分离器结构改造方案建模

为了使动态分离器出口煤粉均匀性更好,煤粉更细,对ZGM113N型磨煤机结构所能适配的动态分离器进行三种转子结构的设计与模拟:方案一。动态分离器转子与动叶片均垂直于出口安装,动静转子间隙为0.32m(图1);方案二。在方案一基础上改变转子与竖直方向的角度,转子整体高度不变,动叶片与垂直方向夹角变为15°(图2);方案三。在方案一基础上将动静转子的间隙由0.32m减小到0.18m,动叶片形状以及大小均不改变(图3)。采用ANSYS ICEM CFD进行网格划分,网格数量均在51万左右,网格质量良好,保证整个模拟过程的计算精确性。

3.2 模拟所采用的模型选择

对煤粉气流的稀相流动采用离散相模型进行模拟,湍流模型选取k-εRNG模型,壁面反弹模型使用标准壁面反射模型,分离器入口采用速度入口边界条件,分离器出口采用outflow边界设置,入口和出口的离散相边界条件采用escape,入口煤粉细度定位R90=30%,R200=10%,粒径分布根据煤粉破碎公式进行分段设置。模拟共分为三组工况,分离器入口煤粉质量流量定为45t/h,转子转速分别有55r/min、67.5r/min、80r/min。

3.3 模拟结果

3.3.1 结构对分离器整体压差的影响

由表2对比三种转子运行时的整体最大静压差可知,采用方案三的动态分离器结构时其整体压差最大。改变转子与竖直方向夹角的情况下,其平均整体静压差增加20Pa左右,如果进一步增加动叶片与竖直方向夹角,会导致转子下部通流面积大幅度减小,实际运行时容易卡住煤粉,进一步减小通流面积对分离器稳定运行产生不利影响[4]。而减小动静叶片间隙时其平均整体静压差增加近300Pa。多个工况下分离器纵截面的压力云图基本相似,故仅示意采取方案一结构下转子转速为55r/min时的压力云图,由图可知在分离器内压力变化较为明显的位置在动静叶片和接近分离器出口两处。

3.3.2 结构和转速对煤粉细度的影响

三种不同转子结构在转子转速提升的情况下分离出的煤粉均会变细,而采用方案一和方案二的改造模拟结果对比来看,其煤粉细度随转子转速提升下降幅度基本一致,改变转子与竖直方向角度后煤粉细度减小稍快;而将分离器动静叶片间隙减小时其煤粉细度降低幅度非常大,因为动叶片距离分离器中轴线距离增加,叶片旋转角速度相同的情况下其线速度相较初始结构提升较大[5],带动煤粉气流旋转速度增加,对煤粉的分离效果提升明显,而R90降到5%以下其回磨煤粉量会增加,出粉量较少时容易发生堵磨情况。三种不同转子结构随着转子转速提升,R200均有不同程度下降,方案一与方案二的模拟结果中R200变化幅度类似;而动静叶片间隙减小后,在转子低速旋转时通过分离器的煤粉粒径绝大部分都已小于200微米。

3.3.3 不同结构对煤粉均匀性系数的影响

动态分离器的出口煤粉均匀性指数相较传统静态分离器要高,三种结构下其出口的煤粉均匀性指数平均值都超过1.2,方案一的转子结构在模拟中均匀性指数的平均值最高,方案三的转子结构在转子低转速工况下均匀性指数较高,而在高转速下其均匀性指数较低。

3.4 推荐方案

通过对比采取三种方案转子结构所进行的数值模拟计算结果,建议采用方案三所示转子结构,其分离器出口煤粉细度符合改造要求,R90可以在稳定在10%以内且中低转速下其均匀性系数均高于1.1,分离功耗较低。

4 改造后测试试验及效果分析

为掌握磨煤机改造后的煤粉细度、细度均匀性、磨煤机、进出口差压、磨煤单耗等数据的变化情况,需对改造后工况进行调试及试验,以布置在最下方的主力磨A磨为代表,试验结果及分析如下。

磨煤机分离器出口风量偏差试验。测量A磨煤机在66t/h出力下每根粉管出口的风速,计算风量,得出分离器出口风量偏差。试验期间维持各台磨煤机出力、风量等参数不变。A磨煤机给煤量、磨入口风量切手动运行方式,机组负荷变化时维持磨煤机出力、风量不变,且尽量维持试验期间磨煤机上煤煤质稳定。维持A磨煤机在66t/h出力下测量磨的煤粉细度、通风阻力、单耗等数据。A磨煤机分离器出口风量偏差试验,试验过程中维持A磨煤机出力为66t/h,磨煤机煤种不变、磨煤机出力稳定、入口风量相同和磨出口粉管风温尽量相同。由表4可看出,A磨煤机各粉管风量偏差均小于保证值(≤5%)。

A磨煤机出力试验。在66t/h出力下测量磨煤机煤粉细度、磨煤机差压、单耗、噪音值等指标。试验过程中维持煤种不变、磨煤机出力相同且稳定、入口风量相同和磨出口粉管风温尽量相同。由表5可看出,A磨煤机出力为66t/h时:实测煤粉细度R90为8.39%,低于保证值9.00%;实测磨煤机单耗为7.89kWh/t煤,低于保证值8kWh/t煤;磨进出口差压为3500Pa,低于保证值6900Pa;实测磨煤机外壳一米处噪音值为82.7dB(A),低于保证值85dB(A)。

5 结语

针对330MW机组锅炉制粉系统存在的问题及增容提效的需求提出了改造方案,进行了数值模拟研究和现场测试,结论如下:模拟推荐转子结构为垂直、窄间隙。此结构性能较好,适应减速机提速后动静环和磨辊线型优化后的工况,在常规煤粉细度R90=15%左右时出力可提升20%,在燃用低挥发分烟煤工况下保持原额定出力,煤粉细度R90可稳定在10%以下。调试与测试数据分析表明,改造后磨煤机出力为66t/h时,实测煤粉细度R90在分离器转子转速为61.5r/min时为8.39%、低于保证值,出口风量偏差均小于5%且调节裕度较大;改造后磨煤单耗相较保证值低0.19kWh/t,磨煤机整体差压和外壳一米处噪音值均低于保证值。本文所提出的风环、静态分离器及减速机综合改造方案是可行的,达到制粉系统增容提效的需求,能满足火力力发电厂灵活性负荷变化的运行实际工况。