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MPS中速磨煤机旋转式煤粉分离器的改造及应用

作者:责任编辑 / 发布日期:2017-08-28 / 来源:中国电力
0引言

  磨煤机是燃煤火电厂重要辅机之一,其运行状况直接影响锅炉的安全经济运行,同时,它也是电厂耗电最大的辅机之一。磨煤机出口煤粉细度直接影响锅炉的燃烧状况,而煤粉细度的大小和磨煤机及煤粉分离器的特性有关。在选用中速磨直吹式制粉系统时,磨煤机一般配挡板式的离心式煤粉分离器。挡板式分离器调整煤粉细度不方便且较难把握,除非电厂煤质发生了很大变化,一般运行时不作调整,因此不能很好地适应锅炉燃烧煤质变化较大较频繁的情况,也影响锅炉变负荷时的燃烧效率。近10a来,国际上对污染物排放的限制越来越严格,因而许多锅炉的制粉系统开始广泛采用旋转式煤粉分离器。这样,既可方便地调节煤粉细度,提高煤粉的均匀性, 有利于低NOx燃烧器的运行,降低锅炉NOx的排放水平,又可减小磨煤机电耗,减少厂用电率。近几年国内一些制造商引进国外技术,也开始推出配旋转式分离器的中速磨煤机,以适应现代发电厂对提高锅炉安全经济运行,减少污染物排放的要求。

1国际上MPS中速磨煤机煤粉分离器的发展

  在20世纪70 年代前,MPS 中速磨煤机采用的煤粉分离器一般为静态挡板离心式煤粉分离器(以下简称静态分离器),它和磨煤机构成一个整体,它有一个圆柱形或圆锥形的外壳体",用法兰与磨煤机碾磨区相连,在上部沿圆周均匀分布多个折向挡板,在磨煤机壳体外部可对挡板的角度进行调整,风粉混合物流经挡板改变流动方向产生旋转,煤粉在离心力和重力作用下实现分离,分离出来的粗煤粉沉落到碾磨区重新磨制。在直吹式制粉系统中,分离后合格的煤粉由一次风携带经煤粉管输送到燃烧器进行燃烧。当对煤粉细度的要求不高(如R90约30%)时,此静态分离器还是较经济实用的。静态分离器的结构及煤粉分离流程见图1。

静态分离器结构及煤粉分离流程


  进入20世纪70 年代后, 随着国际上对污染物排放(如SO2和NOx)的限制越来越严格,越来越多的电厂开始选用低硫煤来代替以前采用的高硫煤。由于某些低硫煤的热值低,若要完全燃烧,则对煤粉细度的要求提高,要求R90小于20%静态分离器已不能满足这一要求。国外一些锅炉制造商已开始开发新的煤粉分离器来替代静态分离器,其中以美国B&W 公司为代表。1992年美国B&W 公司研制出第2代DSVSTM型旋转式分离器"该旋转式分离器的推出极大地提高了MPS 磨煤机煤粉分离器的性能。


2美国B&W公司第2 代DSVSTM型旋转式分离器的结构特性

  第2 代DSVSTM 型旋转式分离器主要由2部分组成:第1级为静态挡板分离区,即定子:第2 级为旋转分离区,即转子,转子既可由变频电机驱动,也可由液压装置驱动。该旋转式分离器结构特点及煤粉分离的流程见图2。

第2代DSVSTM 型动态可变速旋转分离器结构特点及 煤粉分离流程

  从图2可知,原煤进入磨煤机后,经磨辊碾磨成粗细不等的煤粉颗粒。这些煤粉在一次风的带动下,先流经第1级分离区,即静态挡板分离区L首先进行预分离。但分离出来的煤粉粒子较粗,进入第2 级旋转分离区作进一步分离,合格的细煤粉经煤粉管道送入燃烧器进行燃烧,分离出的粗煤粉全部经回粉锥体落回磨煤机内继续碾磨。新型的DSVSTM 旋转式分离器与静态分离器的煤粉分离机理不同。静态分离器依靠煤粉粒子对挡板的撞击及自身的重力作用进行分离,虽也存在离心分离,但其切向速度较低,基本上和轴向速度相当,约3、4m/s,所产生的离心加速度小于1g(重力加速度)。 旋转式分离器则通过动叶轮的转动,使带粉气流旋转,在正常运行时产生的离心加速度约8~10g,在最大转速时可达23g,因此它主要是通过离心力来进行分离。煤粉粒子在旋转分离器转子分离区内主要受携带气流的引力作用,该作用力和气流径向速度10:13 2017-8-28  及煤粉粒子的直径10:14 2017-8-28成正比。同时带粉气流在转子叶轮的作用下产生旋转,煤粉受到离心力的作用。受到的离心力与粒子切向速度10:15 2017-8-28、煤粉粒子直径10:15 2017-8-28粒子的表面密度成正比。当煤粉粒子受到的离心力大于气流的曳引力时,粒子就被分离。同样当动叶轮转子转速增高时,粒子受到的离心力也增大, 直径较小的粒子也能分离出来。这就是第2 代DSVSTM  型旋转式分离器可通过调节动叶轮转速来调节煤粉细度的原理。
  目前,B&W 公司原装配有或经改造安装第2代DSVSTM  型旋转式分离器的MPS磨煤机已在全球许多大型燃煤发电厂使用。经过实际使用后证明,MPS型磨煤机采用B&W第2 代DSVSTM  型旋转式分离器后有如下优点:(1)煤粉分离效率高,煤粉细度调节方便且调节范围大,煤粉均匀性好;(2)减少飞灰可燃物含量,减少SO2和NOx的排放量;(3)磨煤机进出口差压减小, 并能有效提高磨煤机出力14%~28%,使磨煤机对煤种的适应性大为提高;(4)磨煤机电耗减小,能有效降低厂用电率,减少发电成本。这种旋转式煤粉分离器代表着磨煤机煤粉分离器的发展趋势。

3磨煤机煤粉分离器概况及改造原因

  扬州第二发电有限责任公司装有2台600MW燃煤发电机组, 所配锅炉为B&W 公司制造的亚临界、中间一次再热、自然循环、平衡通风、单汽包、半露天煤粉炉。锅炉采用正压直吹式制粉系统,配置6台B&W 公司制造的MPS—89G 型中速磨煤机。其所配的煤粉分离器为静态挡板式分离器,在磨煤机内上部沿圆周均匀分布30只折向挡板,在壳体外部左右两侧各有,个手动调节机构M可对煤粉分离器的挡板角度进行调整M但挡板调节比较困难,通过调节挡板角度来调整煤粉细度的方法也较难掌握。
  目前2台机组作为调峰机组运行,负荷变化大,磨煤机的负荷变化也大。MPS—89G 型磨煤机所配的静态分离器无法根据磨煤机的负荷来自动调节挡板开度,获得最佳煤粉细度,因此在一定程度上降低了煤粉的燃烧效率。当国内煤源紧张, 所用煤种较多时,煤粉细度调节不便的问题就更显突出。 为此,决定对磨煤机出口的静态分离器进行改造,即加装旋转式分离器。 国内还没有在MPS中速磨煤机上加装旋转式分离器改造的经验,因此决定通过借鉴并吸收国外公司旋转式分离器的技术,结合该公司MPS—89G型磨煤机的结构特点, 并与相关煤粉分离器专业厂家合作开发MPS中速磨煤机旋转式煤粉分离器,先在该公司1号炉磨煤机(1A)上加以改造,待成功后再推广。

4磨煤机(1A)煤粉分离器改造方案

  2002年10月开始对磨煤机(1A)的煤粉分离器进行改造。2003 年6 月完成了对磨煤机(1A)出口加装旋转式分离器的改造工作,并经调试投入正常使用。 改造后的煤粉分离器见图3。

磨煤机1A改造后的煤粉分离器结构


4.1旋转式分离器结构特点及选型
  旋转式分离器改造主要在原静态挡板式分离器的基础上增加了转子动叶轮、减速箱、变频器、变频电机、控制系统等。
4.1.1转子动叶轮的选型
  旋转式分离器的转子动叶轮分圆柱型与锥形2种形式。根据磨煤机原分离器的分离空间,为确保最佳分离效果,选择了锥形转子动叶轮。由于受安装空间的限制,为便于转子的安装与检修,转子设计采用中间对分形式,并用铰制孔螺栓定位、固定。动叶轮上部最大直径为2300mm,下部直径为2000mm。为防止煤粉对转子叶片的冲刷磨损,叶片材料选取采用低合金的耐磨材料16Mn并对叶片表面进行渗氮耐磨处理!。另外还对动叶轮的上下连接环等部件表面进行了喷涂碳化硅陶瓷材料的防磨处理。
4.1.2驱动方式选择
  旋转式分离器的驱动一般采用液压驱动和电机驱动2种方式,都可实现无级变速调节。液压油动机的优点是运行平稳,布置灵活,轴承润滑好;其缺点为结构复杂,油管路接头处易产生漏油等。而变频电机则结构简单,调节更方便、准确,在分离器转子长期低速运行时,电机变速调节比油动机节流调节更省电;缺点为现场布置空间较大。因该公司的磨煤机顶部空间可布置变频电机,经综合考虑,此次改造采用变速电机调频控制。
4.1.3减速箱设计
  改造时考虑工期的要求,减速箱箱体设计采用板焊结构,焊接成形后进行退火处理,消除应力后进行机械加工, 保证回转轴承的定位精度及齿轮传动的平稳。回转轴承的选择,根据转子的转速及润滑情况,初选了钢球式和交叉滚子式回转轴承, 根据转子的受力及转速综合考虑, 钢球式回转轴承的许用转速高于交叉滚子式回转轴承, 故选用钢球式带外齿回转轴承,采用油浴润滑、冷却。齿轮材料的选择:小齿轮材质40Cr调质240-280HBS 大齿圈材质50Mn调质240-280HBS 经校核计算,齿轮的强度能满足要求。
4.1.4 旋转式分离器电气控制系统
  旋转式分离器转子动叶轮的转速采用变频器调节,可在0~50Hz范围内无级调节,电机经减速箱减速后带动转子旋转, 转速可在0~150r/min无级调节;转子驱动采用变频电机,可长期在低频下工作。新增加的旋转式分离器转子转速控制既可通过现场变频器的操作盘操作, 也可通过分散控制系统(DCS)在主集控室内的CRT上直接操作,监测回路设计有叶轮转速表测量转子转速, 回转轴承温度和润滑油温度监测装置,可进行报警和保护动作。

4.2改造的旋转式分离器的设计性能参数

  转子动叶轮转速0~150r/min;煤粉设计细度R90为20%煤粉细度调节范围R90为5%-40%煤粉均匀性指数N 大于等于1.25;变频电机功率30KW。

4.3 磨煤机(1A)现场改造部分
  该公司每台磨煤机都有6 个出粉管,沿磨煤机顶部圆周布置,磨煤机进煤管位于磨煤机中心。此次改造是在原煤粉分离器顶部盖板6个出粉管之间,在进煤管位置处增加1个减速箱,因此需将磨煤机顶部盖板以下的进煤管(D609mm)割去,改成直径为D457mm的进煤管。 在分离器锥筒中,将原直径为D1500mm 的一段中心筒割去,便于安装动叶轮回转筒,安装锥形转子动叶轮,确保分离器的分离空间。

5磨煤机(1A)煤粉分离器改造效果

5.1 煤粉细度调节性能提高

  通过进行在同一工况下磨煤机出口煤粉细度值在分离器转子几种转速下的比较试验,可看出旋转式分离器对煤粉细度的调节作用十分明显,煤粉细度随转子转速的增加而减小。磨煤机的煤种或负荷发生变化,可通过调整转子转速来调整磨煤机出口的煤粉细度。 分离器转子转速与煤粉细度的关系见图4。

磨煤机1A 动态旋转分离器分离特性曲线


5.2 煤粉均匀性指数提高

  从运行分析检验和性能试验结果看,采用旋转式分离器的磨煤机(1A)的6 根出粉管煤粉均匀性得到较大改善,煤粉均匀性指数达1.30~1.45。 而未改造的其它几台磨煤机煤粉均匀性指数为1.0~1.1, 号炉几台磨煤机的煤粉均匀性情况见图5(磨煤机1B 未测)。

1号炉磨煤机煤粉均匀性对比


5.3分离器分离效率提高
  磨煤机(1A)使用旋转式分离器后,回粉率比改造前显著降低, 回粉中含细粉量明显减少, 磨煤机(1A)煤粉分离器分离效率比改造前明显提高。
5.4 磨煤机差压减小且出力提高
  磨煤机差压随给煤量增加有所上升, 在满负荷时给煤量为48t/h,分离器转子转速为100r/min 时,磨煤机差压与改造前相比有一定下降(由2.6KPA 下降到2.1KPa)。表明采用旋转式分离器后使磨煤机的差压减小,煤粉的流动阻力减小,在一定程度上可增大磨煤机出力。
5.5 磨煤机制粉耗电率减小
  磨煤机(1A)的电机电流比改造前有所减小,改造前磨煤机电机的最大工作电流是110A, 改造后下降为101A,下降约8%虽旋转式分离器的变频电机需要供电,但其工作电流仅为15A左右(380V) 二者相比,节能效果明显。
  磨煤机(1A)煤粉分离器改造后使该台磨煤机的许多性能得到改善,尤其是煤粉细度、煤粉均匀性都有很大提高,改善了锅炉的燃烧状况,对减少1 号锅炉高温过热器、再热器超温有明显的效果。经1a多的运行表明, 当1 号锅炉高负荷运行需投用1 台上层磨(1A或1E)时,若投用1A磨,则比投用1E磨时高温过热器、再热器管屏超温点大大减少。
  虽然磨煤机(1A)的煤粉分离器改造后带来上述效益, 但由于其增加的旋转式分离器的转子及减速箱设计和加工存在一定缺陷, 该分离器还存在以下不足;(1)转子尺寸和重量设计相对国外公司(如B&W公司)的旋转分离器转子偏大,这就影响了转子转速的提升。(2)该分离器原设计转速范围为)0~150r/min,实际运行超过110r/min时晃动很大,无法继续升速, 原因为分离器减速箱的设计采用了单轴承旋臂支撑和定位, 而B&W公司采用的是双轴承支撑。 由于此原因使该分离器的转速调节只能在80~110r/mi,缩小了该分离器调节煤粉细度的调节范围$使其调节性能受到一定影响。
  由于该公司所选用的美国B&W公司设计的锅炉高度不够,使炉膛出口烟温偏高,减温水量偏大,高温过热器、再热器部分管屏超温较严重。若将每台锅炉,台磨煤机的煤粉分离器均改造为旋转式分离器,则使煤粉细度减小,煤粉均匀性提高,在炉内燃烧充分,燃烧时间缩短,有可能降低炉膛出口烟温,减少减温水量,改善高温过热器、再热器超温问题。目前该机组在600MW满负荷时, 正常需投运5 台磨煤机(下面2 层4台磨煤机B、D、D、F 加1台上层磨煤机1A 或1E若煤种为神府煤时,每台磨的给煤量约40t/h。若分离器改造后每台磨煤机出力能提高20%。且燃烧器燃烧负荷、风机最大出力许可,则可尝试只运行下面2 层的4 台磨煤机来带600MW 负荷,降低炉膛出口烟温,减少锅炉减温水量和高温过热器、再热器的超温程度,保证锅炉安全经济运行,其是否可行,还有许多论证工作要做。

6 结语

  在我国MPS 型或其他类型的中速磨煤机上采用动态旋转式煤粉分离器是今后磨煤机煤粉分离器的发展方向,不仅可提高磨煤机的各项性能,改善锅炉燃烧,减少飞灰可燃物含量,提高锅炉的安全经济运行,而且对减少SO2和NOx等废气的排放量,保护环境有十分重要的意义。
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