0 概 述

隨著火力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，世界各國對火力發(fā)電廠環(huán)保的要求越來越高，許多機組都在使用低NOx排放技術(shù)。為了降低NOx和飛灰排放量又不增加運行成本，作為鍋爐系統(tǒng)重要輔機的磨煤機也相應(yīng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，采用動態(tài)分離器技術(shù)是最佳的方法。2004年8月，上海重型機器廠有限公司按照華能玉環(huán)電廠合同要求，從美國Alstom公司（即以前的美國ABB-CE公司）引進(jìn)了動態(tài)分離器技術(shù)，并成功的為華能玉環(huán)電廠（國內(nèi)第一座百萬kW超超臨界燃煤機組）提供了配備動態(tài)煤粉分離器的中速磨煤機。迄今為止，上海重型機器廠有限公司生產(chǎn)的帶動態(tài)分離器的HP磨煤機（見圖1及2）已經(jīng)超過800臺，配備動態(tài)分離器的HP磨煤機因具有煤粉細(xì)度可調(diào)范圍大、煤粉均勻性好、出口風(fēng)粉混合物偏差小等優(yōu)點得到了國內(nèi)各大電廠的認(rèn)可，結(jié)合國家“十二五”規(guī)劃工程節(jié)能減排戰(zhàn)略方針，目前國內(nèi)新建火力發(fā)電廠要求磨煤機配備動態(tài)分離器的比率成上升趨勢，已運行的帶靜態(tài)分離器的磨煤機現(xiàn)不能滿足節(jié)能環(huán)保要求，國家要求、鼓勵火力發(fā)電廠對制粉系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并改造。

圖1 靜態(tài)分離器HP磨煤機

圖2 動態(tài)分離器HP磨煤機

1 HP磨煤機介紹

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

帶動態(tài)分離器的HP磨煤機主要由以下部件組成（見圖3）：給煤管、排出閥裝置、動態(tài)分離器、分離器頂蓋、彈簧加載裝置、分離器體、磨輥裝置、側(cè)機體裝置、刮板裝置、葉輪裝置、磨碗、減速箱、潤滑油站、電動機及密封風(fēng)系統(tǒng)等。

其中，電動機是動力設(shè)備，它為磨煤機提供動力；行星齒輪減速箱為驅(qū)動設(shè)備，帶動磨碗和葉輪裝置一起轉(zhuǎn)動；三個磨輥裝置屬于碾磨部件，對磨碗上的原煤進(jìn)行碾磨；三個彈簧加載裝置分別對磨輥裝置提供碾磨力；刮板裝置將無法碾磨的石塊或其他不可碾磨的物料清掃出磨煤機；動態(tài)分離器為選粉設(shè)備，將不合格的煤粉反送至磨碗上繼續(xù)碾磨；給煤管則將需要碾磨的原煤輸送至磨碗上；潤滑油站為減速箱提供潤滑及冷卻。

圖3 帶動態(tài)分離器HP磨煤機主要部件

1.2 工作原理

HP磨煤機的主要功能是將直徑≤38mm的原煤研磨成0.075mm左右的煤粉，供鍋爐燃燒。熱一次風(fēng)（用來干燥和輸送磨煤機內(nèi)的煤粉）從磨碗下部的側(cè)機體進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，并圍繞磨碗轂向上穿過磨碗邊緣的葉輪裝置，旋轉(zhuǎn)的葉輪裝置使氣流均勻分布在磨碗邊緣并提高了氣流的速度，與此同時，煤粉和氣流就混合在一起，氣流攜帶著煤粉沖擊固定在分離器體上的固定折向板。顆粒小且干燥的煤粉仍逗留在氣流中并被攜帶沿著折向板上升至分離器，大顆粒煤粉則回落至磨碗被進(jìn)一步碾磨，分離器體下部的固定折向板使煤粉在碾磨區(qū)域進(jìn)行了初級分離。

煤粉和氣流上升，通過分離器體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的葉片式轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子外沿處，氣流和煤流相互作用，轉(zhuǎn)子會阻止較大顆粒通過，使較大顆粒返回磨碗進(jìn)一步碾磨，而細(xì)度合格的煤粉則可以通過轉(zhuǎn)子排出磨煤機。通過變頻器和變頻電機可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，通過改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以調(diào)整煤粉的細(xì)度。

帶動態(tài)分離器的磨煤機由于內(nèi)循環(huán)負(fù)荷比靜態(tài)分離器小，所以能夠提高磨煤機出力，這是由于分離效率提高實現(xiàn)的，就是說避免了細(xì)小顆粒（粒度小于200目的）不必要的重新碾磨次數(shù)，這樣合格的煤粉就可以較快的排出磨煤機。也就是說：相同的煤質(zhì)和細(xì)度要求下可以提高磨煤機出力；或者相同的煤質(zhì)和出力要求下可以提高煤粉細(xì)度。

圖4 帶動態(tài)分離器HP磨煤機工作原理

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)轉(zhuǎn)子體裝置

轉(zhuǎn)子體是整個動態(tài)分離器的核心部件，煤粉分離的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，絕對不可以選用水泥磨、礦渣磨等其他磨型或其他廠商的轉(zhuǎn)子體放置到HP型中速磨上，否則只能適得其反。

該HP磨煤機動態(tài)分離器的轉(zhuǎn)子體為Alstom公司專利產(chǎn)品，通過計算機模擬仿真結(jié)合空氣動力學(xué)原理設(shè)計制造，通過其自身結(jié)構(gòu)來促使磨煤機運行時內(nèi)部氣流的走向更加合理、通暢，因此轉(zhuǎn)子葉片傾斜的角度、相鄰葉片之間的距離、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、通過的風(fēng)量都需要通過專業(yè)的論證。

轉(zhuǎn)子葉片采用耐磨合金鋼制成，整體錐形結(jié)構(gòu)，設(shè)計壽命超過35 000h。

圖5 動態(tài)分離器外觀

圖6 轉(zhuǎn)子體外觀

圖7 動態(tài)分離器轉(zhuǎn)子體裝置

(2)軸承座裝置

動態(tài)分離器使用一對脂潤滑角接觸球軸承，軸承放置在結(jié)構(gòu)件制成的軸承座中，上、下軸承各有一個熱電阻用于監(jiān)測軸承溫度。為了保護軸承，上、下各有一個油封。迷宮氣封的設(shè)計也是為了防止粉塵進(jìn)入驅(qū)動裝置。上、下軸承各有一個熱電阻用于監(jiān)測軸承溫度。軸承在安裝前涂滿潤滑脂，以后如果要潤滑可以通過油杯在設(shè)備外部進(jìn)行，操作起來十分方便。

圖8 動態(tài)分離器軸承座裝置

(3)傳動方式

HP磨煤機動態(tài)分離器的主傳動采用V形帶傳動的形式，與齒輪傳動相比，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運行穩(wěn)定無噪聲，維護方便，只需每年定期檢查一次皮帶的漲緊量。

圖9 傳動皮帶

2 技術(shù)指標(biāo)

分離器轉(zhuǎn)速 30～120 r/min

變頻電機額定功率 30～75 kW

變頻電機額定電壓 380 V

變頻電機額定轉(zhuǎn)速 1 485r/min

變頻器功率 50～90kW

變頻范圍 10～50Hz

使用系數(shù) 1.15

煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)范圍 R90=5%～35%

煤粉均勻性指數(shù) ≥1.2

表1 HP磨煤機采用動態(tài)分離器后煤粉顆粒分布關(guān)系

3 工藝流程

動態(tài)分離器通過可調(diào)整變頻器和可編程控制器，由一個交流變頻電動機來驅(qū)動。動態(tài)分離器的轉(zhuǎn)速取決于給煤速度，當(dāng)給煤機速度加快時，分離器轉(zhuǎn)速也加快。

動態(tài)分離器的轉(zhuǎn)速隨著磨煤機給煤速度而相應(yīng)變化，動態(tài)分離器驅(qū)動器的控制可以通過電位計、mA信號、VDC信號來實現(xiàn)。在調(diào)試過程中，要制定出給煤速度和分離器轉(zhuǎn)速與煤粉細(xì)度關(guān)系的試驗曲線，然后通過曲線來自動控制分離器轉(zhuǎn)速，如果操作沒有經(jīng)過校準(zhǔn)的試驗曲線的磨煤機，那么就將分離器轉(zhuǎn)速調(diào)至60r/min，在各種給煤速度下都保持不變。

如果在給煤機運行過程中動態(tài)分離器停機，不必停下給煤機，磨煤機可以繼續(xù)運行，只是煤粉細(xì)度不合格。

改造為動態(tài)分離器之后，磨煤機整體的運行流程（潤滑油站、主電動機、減速機等）沒有變化，但需要針對動態(tài)分離器環(huán)節(jié)對電廠的DCS集散控制系統(tǒng)進(jìn)行修正。

3.1 從DCS輸入到變頻器的主要信號

(1)開始/停止

(2)分離器轉(zhuǎn)速要求

3.2 從變頻器輸入到DCS的主要信號

(1)轉(zhuǎn)速反饋

(2)電機電流

(3)變頻器準(zhǔn)備就緒

(4)變頻器運轉(zhuǎn)

(5)變頻器故障

變頻器故障信號用來表示變頻器出現(xiàn)了故障，但是如果監(jiān)測到皮帶斷裂或者電機溫度調(diào)節(jié)裝置斷路時變頻器也會發(fā)出故障信號。

3.3 動態(tài)分離器啟動流程

3.3.1 啟動

打開排出閥。

確定密封風(fēng)機運行。

如果密封風(fēng)已經(jīng)通進(jìn)來，那么動態(tài)分離器可以在磨煤機之前或之后啟動都可以。

3.3.2 關(guān)機

給煤機停機，讓磨煤機冷卻。磨煤機和動態(tài)分離器停機。

3.3.3 報警和停機如果沒有主氣流，發(fā)出警報，分離器電機停機；如果沒有密封風(fēng)，發(fā)出警報，分離器電機停機；如果磨煤機電動機停機，發(fā)出警報，分離器電機停機；

如果一個軸承溫度超過107℃并持續(xù)2s以上，發(fā)出警報，分離器電機停機。

注意：

(1)以上控制邏輯不適用于靜態(tài)分離器。

(2)如果無法提供氣流信號，可用以下任何一種方法代替：

密封風(fēng)機運行，冷風(fēng)門打開；密封風(fēng)機運行，熱風(fēng)門打開。動態(tài)分離器轉(zhuǎn)子速度表(以HP1003磨煤機為例)

表2 動態(tài)分離器轉(zhuǎn)子速度表

4 改造方案

將HP磨煤機靜態(tài)分離器的改為動態(tài)分離器步驟如下：

4.1 現(xiàn)場運行的HP磨煤機

采用靜態(tài)分離器的如果要求改造為動態(tài)分離器則需要拆除的部件如圖10所示：

1—排出閥與多出口裝置；2—分離器頂蓋裝置（含靜態(tài)分離器折向門）；3—文丘里裝置；4—內(nèi)錐體及其襯板裝置；5—倒錐體裝置。拆除上述部件使磨煤機分離器由原來靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)需要增加的部件有：1—排出閥裝置；2—動態(tài)分離器裝置；3—動態(tài)分離器頂蓋裝置；4—轉(zhuǎn)子體裝置（見圖11）。

圖10 改造前的靜態(tài)分離器

圖11 改造后的動態(tài)分離器

HP磨煤機動態(tài)分離器裝置在出廠前，每一臺都在車間組裝試車，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)后整體發(fā)運現(xiàn)場，減少了現(xiàn)場安裝的工作量。

4.2 其他需要改造的部分

4.2.1 磨煤機本體密封風(fēng)系統(tǒng)管路

由于動態(tài)分離器軸承的密封采用機械與空氣雙重密封形式，因此對于改造后的磨煤機本體密封管路需要作少許變動，主要是從密封風(fēng)集管上引出一分路密封風(fēng)，接至動態(tài)分離器軸承處，結(jié)合該處的機械密封件油封形成雙重密封效果，保證動態(tài)分離器軸承的正常使用。

對于磨煤機本體的密封風(fēng)管路，現(xiàn)有的管路布置不需要任何變動，增加的動態(tài)分離器部分的密封管路如圖12所示，實線所示為增加部分。

圖12 密封風(fēng)系統(tǒng)（a）

圖12 密封風(fēng)系統(tǒng)（b）

4.2.2 密封風(fēng)機校核

動態(tài)分離器改造后需要從原有密封風(fēng)系統(tǒng)分出一路接至動態(tài)分離器軸承處，因此針對不同的項目，需要根據(jù)實際情況對現(xiàn)有的密封風(fēng)機余量做進(jìn)一步的計算校核，以確定密封風(fēng)機是否需要更換。

5 節(jié)能分析

與采用靜態(tài)分離器相比，動態(tài)分離器在節(jié)能、環(huán)保方面有很大的優(yōu)勢：

5.1 300MW機組，動態(tài)分離器相對靜態(tài)分離器以出力提高10%

5.1.1 節(jié)能方面

假若每臺鍋爐每小時耗煙煤量為130t，每臺鍋爐配5臺磨煤機，4臺運行1臺備用，那么每臺磨煤機要求出力為32.5t/h，如果磨煤機采用靜態(tài)分離器，這時磨煤機型號可選為HP863這一檔；如果磨煤機采用動態(tài)分離器，這時磨煤機型號可選為小一檔的HP803型，此時：

(1)磨煤機型號變小，每臺節(jié)約成本60萬元左右，五臺共節(jié)約300萬元；

(2)磨煤機高度可降低1.3m，廠房面積可以減少15m2，可節(jié)約鋼材大約160t，水泥可節(jié)約75t，可節(jié)約110萬元左右；

(3)由于磨煤機型號變小，所配的一次風(fēng)機型號也變小，也可節(jié)約30萬元左右，五臺可節(jié)省150萬元。

以上前期投資可節(jié)省560萬元左右人民幣。

5.1.2 環(huán)保方面

由于采用動態(tài)分離器，煤粉細(xì)度、均勻性相對提高，使燃燒更充分，大大降低煤中的硫、氮的含量。對于煤中的硫可較采用靜態(tài)分離器時降低20%左右。如果電廠脫硫采用石灰石原料進(jìn)行脫硫的話，對于每小時燃燒130t煤來說，每小時可節(jié)省石灰石15t左右，按一年運行300天計算，可節(jié)約石灰石粉15×24×300=108 000t，合人民幣約20萬元左右。

5.2 600MW機組，動態(tài)分離器相對靜態(tài)分離器以出力提高10%

5.2.1 節(jié)能方面

假若每臺鍋爐每小時耗煙煤量為260t，每臺鍋爐配6臺磨煤機，5臺運行1臺備用，那么每臺磨煤機要求出力為52.0t/h，如果磨煤機采用靜態(tài)分離器，這時磨煤機型號可選為HP1103這一檔；如果磨煤機采用動態(tài)分離器，這時磨煤機型號可選小一檔的HP1003，此時：

(1)磨煤機型號變小，每臺節(jié)約成本90萬元左右，六臺共節(jié)約540萬元；

(2)磨煤機高度可降低1.5m，廠房面積可以減少25m2，可節(jié)約鋼材大約290t，水泥可節(jié)約180t，共節(jié)約235萬元左右；

(3)由于磨煤機型號變小，所配的一次風(fēng)機型號也變小，也可節(jié)約40萬元左右，六臺可節(jié)省240萬元。

以上前期投資可節(jié)省1015萬元左右人民幣。

5.2.2 環(huán)保方面

由于采用動態(tài)分離器，煤粉細(xì)度、均勻性相對提高，使燃燒更充分，大大降低煤中的硫、氮的含量。對于煤中的硫可較采用靜態(tài)分離器時降低20%左右。如果電廠脫硫采用石灰石原料進(jìn)行脫硫的話，對于每小時燃燒260t煤來說，每小時可節(jié)省石灰石35t左右，按一年運行300天計算，可節(jié)約石灰石粉35×24×300=252 000t，合人民幣約50萬元左右。

6 效益分析

由于用煤價格上漲較快，發(fā)電企業(yè)為了提高經(jīng)濟效益，經(jīng)常燃用發(fā)熱量低于設(shè)計煤種的劣質(zhì)煤，或者進(jìn)行摻燒，磨煤機輥套、襯板磨損加快，造成磨煤機制粉出力不足，機組發(fā)電負(fù)荷受制粉出力的限制，不能滿負(fù)荷運行，影響發(fā)電企業(yè)的發(fā)電量。為了使機組具有更好的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性，許多電廠將現(xiàn)有磨煤機的靜態(tài)煤粉分離器改為動態(tài)煤粉分離器。

根據(jù)Alstom公司提供的動態(tài)分離器選型曲線，同靜態(tài)分離器相比，HP磨煤機采用動態(tài)分離器后，其基本出力可以提高10%（基本出力是指煤的哈氏可磨度系數(shù)HGI為55；煤粉細(xì)度為通過200目篩子的過篩率為70%；煤的收到基全水分：對高揮發(fā)分煙煤不大于8%，對低揮發(fā)分煙煤不大于10%工況下的磨煤機碾磨能力）以上。但對于不同的煤質(zhì)情況、煤粉細(xì)度要求，動態(tài)分離器相對于靜態(tài)分離器的出力增加系數(shù)是不同的。

以300MW機組，磨煤機型號為HP863為例，動態(tài)分離器改造費用約為100萬元，1臺機組6臺磨煤機改造總費用為600萬元，按年平均因制粉出力限制機組負(fù)荷100 000kW/h,時間700h計算，1臺機組少發(fā)電量0.7億kWh,每kWh盈利0.1元計算，少盈利700萬元，不到1年即可收回成本，1年之后可以盈利。

所以，通過改造煤粉動態(tài)分離器的方案解決發(fā)電企業(yè)因制粉系統(tǒng)出力不足，導(dǎo)致機組不能滿負(fù)荷運行的難題，具有廣闊的推廣前景。

7 適用范圍

美國空氣潔凈法對燃煤鍋爐NOx和其他污染物的排放有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)限制。因此，許多機組都在研究爐內(nèi)低NOx技術(shù)。隨著典型爐內(nèi)低NOx系統(tǒng)的安裝，生煤中未燃碳的含量也隨之增加。如果煤渣中碳的含量增加的話，那么煤渣就會從暢銷的副產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成需要處理費用的副產(chǎn)品。另外，由于煤渣中含碳的緣故造成效率降低，使鍋爐總的熱輻射速率增加。這兩個方面的影響將會造成成本增加。

磨煤機出口處的煤粉細(xì)度是影響未燃碳的最重要因素之一。常規(guī)磨煤機都配有靜態(tài)分離器，這種磨煤機所能達(dá)到的煤粉細(xì)度有限，并且隨著煤粉細(xì)度的增加，磨煤機出力明顯下降。而動態(tài)分離器能夠在提高煤粉細(xì)度的同時又不會像靜態(tài)分離器那樣降低磨煤機出力。

磨煤機的出力不只取決于磨煤機的尺寸，還與煤質(zhì)和要求的煤粉細(xì)度有關(guān)。因此，可以通過權(quán)衡煤粉細(xì)度來增加磨煤機出力。這樣的話，動態(tài)分離器在細(xì)度要求不高的情況下可以用來增加磨煤機出力。這在由于熱值較低需要增加煤流的情況下表現(xiàn)更加明顯。

HP系列磨煤機適用煤種范圍：

水分Mt≤45%

揮發(fā)份Vdaf≤50%

灰分Aar≤45%

哈氏可磨度 HGI≥30

磨損指數(shù)Ke≤7.0

HP系列帶動態(tài)分離器磨煤機適用范圍：

(1)煤種變化頻繁

不同的煤種使磨煤機碾磨件磨損較快，導(dǎo)致出力上不去的燃煤機組；在同一煤種條件下，帶動態(tài)分離器的磨煤機較帶靜態(tài)分離器的磨煤機的出力可以增加10%～20%；

(2)細(xì)度太粗，影響鍋爐的燃燒效率

帶靜態(tài)分離器的磨煤機煤粉細(xì)度調(diào)整范圍是R90=10%～35%，但是在R90≤20%的時候，分離器的效率就大大降低。

帶動態(tài)分離器的磨煤機煤粉細(xì)度調(diào)整范圍是R90=5%～35%，分離器效率高，減少合格煤粉的內(nèi)循環(huán)率，同樣的工況條件下，動態(tài)可以比靜態(tài)煤粉細(xì)度提高20%左右。

(3)均勻性指數(shù)偏低，飛灰含碳量過高

靜態(tài)分離器煤粉均勻性≥1.1，實際檢測結(jié)果1.0左右。

動態(tài)分離器煤粉均勻性≥1.2，實際檢測結(jié)果≥1.2。

以上數(shù)據(jù)均可參考北侖電廠HP963磨煤機靜改動前后的性能試驗報告（見表3）。

表3 北侖電廠HP磨煤機動態(tài)分離改造性能試驗數(shù)據(jù)

8 改造關(guān)鍵

(1)煤粉動態(tài)分離器改造的目的是提高磨煤機的分離效率，提高磨煤機的出力、煤粉細(xì)度和均勻性，因此改造的關(guān)鍵件是煤粉分離環(huán)節(jié)，即轉(zhuǎn)子體裝置。對于轉(zhuǎn)子體的結(jié)構(gòu)性能需要廠商來保證，包括轉(zhuǎn)子葉片的傾斜角度、相鄰葉片之間的距離、葉片的耐磨性等。轉(zhuǎn)子體在制造完畢后必須在動平衡儀上做平衡實驗，以確保轉(zhuǎn)子體具有較高的平衡性。

(2)動態(tài)分離器裝置與現(xiàn)有磨煤機的匹配性是改造項目必須保證的前提條件，包括外形尺寸的匹配和運行原理的匹配。根據(jù)Alstom公司的設(shè)計原理，裝上動態(tài)分離器的HP磨煤機運行時，動態(tài)分離器轉(zhuǎn)子體的旋轉(zhuǎn)氣流和磨煤機葉輪裝置的旋轉(zhuǎn)氣流是一個完整、特殊的氣流系統(tǒng)。動態(tài)分離器的開發(fā)、設(shè)計就是為了使磨煤機運行時內(nèi)部氣流的走向更加合理、流暢，以提高煤粉分離的效率，對磨煤機的出力、煤粉細(xì)度、煤粉均勻性及煤種適應(yīng)性都有很大的改善。

(3)靜態(tài)分離器改造為動態(tài)分離器后，磨煤機的出力、煤粉細(xì)度、風(fēng)量、阻力等參數(shù)都將有所變化，因此需要磨煤機廠商對改造后的制粉系統(tǒng)重新提供運行風(fēng)煤比曲線、阻力與出力曲線、煤粉細(xì)度與出力曲線等，以達(dá)到改造的預(yù)期效果。同時應(yīng)考慮國內(nèi)煤炭市場變化的不確定性，當(dāng)鍋爐實際燃燒煤種變化時，需要磨煤機廠商及時對運行參數(shù)加以修正，以確保磨煤機保持良好的運行狀態(tài)。

(4)磨煤機配套件的參數(shù)需要重新校核，包括一次風(fēng)機、密封風(fēng)機、主電動機等。

(5)改造后磨煤機的日常維護、檢修工作量如何。例如動、靜態(tài)磨煤機的頂蓋是不一樣的，因此磨輥翻出支撐點是不一樣的，需要廠商重新提供磨輥檢修方案，方便磨煤機改造后的檢修、維護工作。

(6)磨煤機分離器頂蓋更換后，煤粉出口管道之間的定位尺寸需要調(diào)整，因此必須考慮磨煤機出口端煤粉管道的布置情況。

9 小結(jié)

火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)將磨煤機由靜態(tài)分離器改為動態(tài)分離器在節(jié)能減排方面前景非常廣闊，已經(jīng)通過實例得到了驗證，如浙江北侖電廠、河南許昌龍崗電廠等。