0 概 述

電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，由于中國(guó)的三種一次能源呈現(xiàn)出“富煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)，因此，采用煤炭作為一次能源的火力發(fā)電一直是我國(guó)的主要發(fā)電形式。對(duì)中國(guó)“十二五”及“十三五”期間的電力需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，到2020年，全國(guó)用電量將接近8.2萬億kW·h。未來的電力需求與目前實(shí)際發(fā)電量之間的巨大缺口必然會(huì)促進(jìn)包括火電、核電在內(nèi)的各種類型的發(fā)電廠的建設(shè)力度，由此可見，至少在未來的5～10年內(nèi)，我國(guó)的火電行業(yè)仍將維持較快的發(fā)展速度。

作為火力發(fā)電廠燃煤鍋爐的主要輔機(jī)和制粉系統(tǒng)的重要組成部分，磨煤機(jī)的主要功能是碾磨一定粒度的原煤，使其達(dá)到能在爐內(nèi)有效燃燒的細(xì)度。為了適應(yīng)目前鍋爐燃煤量增大、電廠煤質(zhì)變化大以及符合設(shè)備運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性要求，同時(shí)降低設(shè)備制造成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高磨煤機(jī)出力及煤種適應(yīng)性顯得尤為重要。

1 中速磨煤機(jī)技術(shù)引進(jìn)及發(fā)展

1.1 早期的技術(shù)引進(jìn)

為了裝備國(guó)內(nèi)火力發(fā)電制粉系統(tǒng)，改變我國(guó)中速磨煤機(jī)落后的局面，我國(guó)從20世紀(jì)70年代起先后從歐美工業(yè)國(guó)家引進(jìn)了幾種系列的中速磨煤機(jī)，主要以上海重型機(jī)器廠有限公司向美國(guó)ALSTOM公司（原ABB-CE公司）引進(jìn)的RP/HP磨煤機(jī)和北京電力設(shè)備總廠向德國(guó)Babcock公司引進(jìn)的MPS磨煤機(jī)為主；同時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)人員積極研究國(guó)外的先進(jìn)機(jī)器，在引進(jìn)消化吸收的基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾十年的努力，目前國(guó)內(nèi)中速磨煤機(jī)已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并且各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)符合國(guó)際要求，生產(chǎn)水平得到了很大的提高。隨著我國(guó)火電技術(shù)的進(jìn)步，中速磨煤機(jī)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。同時(shí)，為了滿足節(jié)能減排、高效環(huán)保的要求，對(duì)發(fā)電設(shè)備的各項(xiàng)性能要求也日益提高。

1.2 中速磨煤機(jī)技術(shù)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)幾大中速磨煤機(jī)制造廠商，通過自身技術(shù)團(tuán)隊(duì)的研究、開發(fā)，都已經(jīng)具備了為50MW機(jī)組到1 500MW機(jī)組配套磨煤機(jī)的能力，磨煤機(jī)單臺(tái)出力從10t/h到150t/h。磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，磨煤機(jī)加工制造成本也大幅下降，更加適應(yīng)當(dāng)前火電設(shè)備市場(chǎng)的現(xiàn)狀。通過幾十年火電市場(chǎng)的飛速發(fā)展及國(guó)內(nèi)中速磨煤機(jī)制造企業(yè)的不斷創(chuàng)新，使我國(guó)中速磨煤機(jī)無論從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工工藝，還是產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)都與世界先進(jìn)水平保持同步。

1.3 中速磨煤機(jī)的特點(diǎn)

磨煤機(jī)是將煤塊破碎并碾磨成煤粉的設(shè)備，它的種類繁多，通常可以按照碾磨部件的轉(zhuǎn)速將其分為低速磨煤機(jī)、中速磨煤機(jī)和高速磨煤機(jī)三類。低速磨煤機(jī)主要以雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)為主；中速磨煤機(jī)主要以RP/HP磨煤機(jī)（見圖1）、MPS（ZGM）磨煤機(jī)、E型磨煤機(jī)為主；高速磨煤機(jī)主要以風(fēng)扇磨煤機(jī)為主。三種磨煤機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)煤種適應(yīng)性各不相同，在國(guó)內(nèi)外火電項(xiàng)目中根據(jù)不同的工程要求及原煤煤質(zhì)情況，選用不同的磨煤機(jī)形式（見表1）。從國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也可以清楚看出，推薦采用中速磨煤機(jī)的煤種主要是貧瘦煤及煙煤、全水分≤19%的部分褐煤等，但是由于中速磨煤機(jī)具有其他低速、高速磨煤機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，故目前國(guó)內(nèi)外大型火力發(fā)電工程對(duì)制粉系統(tǒng)選型時(shí)，仍然將中速磨煤機(jī)作為制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)配套首選方案。這就對(duì)中速磨煤機(jī)的出力、煤種適應(yīng)性提出了更高要求。

圖1 HP中速磨煤機(jī)

表1 磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)的選擇

中速磨煤機(jī)優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）運(yùn)行良好，對(duì)負(fù)荷反應(yīng)迅速，制粉操作靈活，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；

（2）由于碾磨部件之間沒有直接接觸，加載裝置又有限位裝置，所以震動(dòng)小、噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)；

（3）運(yùn)行、維護(hù)、檢修方便，碾磨件壽命較長(zhǎng)，并且停機(jī)檢修時(shí)間較短；

（4）初期投資費(fèi)用小，磨煤電耗低；低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，單位耗電量增加不多，已成為大型火電機(jī)組配備磨煤機(jī)的首選方案。

但中速磨煤機(jī)對(duì)煤種適應(yīng)性較差，不適應(yīng)灰分高、含石子煤量大的煤種，這限制了中速磨煤機(jī)的推廣。同時(shí)由于近年來優(yōu)質(zhì)原煤價(jià)格不斷走高，而儲(chǔ)量更大、價(jià)格更優(yōu)的褐煤運(yùn)用越來越廣泛，許多火電企業(yè)為了降低初次投資成本，都傾向采用投資成本更小、運(yùn)行維護(hù)更方便的中速磨煤機(jī)。如果不能夠解決中速磨煤機(jī)煤種適應(yīng)性方面的局限性，中速磨煤機(jī)在以后國(guó)內(nèi)外火電市場(chǎng)中的發(fā)展將受到很大程度的限制。為使中速磨煤機(jī)能夠保持優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能夠在新的市場(chǎng)機(jī)遇面前繼續(xù)快速發(fā)展，進(jìn)行再一次的中速磨煤機(jī)技術(shù)創(chuàng)新已刻不容緩。

2 提高磨煤機(jī)出力及煤種適應(yīng)性的措施

2.1 提高碾磨壓力

碾磨壓力是指磨輥（碾磨部件）與磨盤襯板之間相接觸的單位接觸面積上對(duì)煤及煤粉的平均作用力。中速磨煤機(jī)的工作原理基本相似，都是依靠加載裝置對(duì)磨輥施加一定的加載力，使煤塊在磨輥和旋轉(zhuǎn)的磨盤（磨碗或者磨環(huán)）的擠壓作用下被碾磨成煤粉。碾磨壓力主要來自彈簧、液壓缸或其他壓緊力，其次是磨輥裝置的自重。目前磨煤機(jī)采用的加載形式分為彈簧變加載和液壓變加載，彈簧變加載系統(tǒng)通過彈簧預(yù)壓縮量給予一定的初始加載力，隨著磨輥與磨盤之間在不同負(fù)荷下的煤層厚度變化情況實(shí)現(xiàn)變加載；而液壓變加載系統(tǒng)是通過給煤機(jī)的給煤負(fù)荷情況實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)加載力的在線自動(dòng)調(diào)節(jié)（見圖2）。

圖2 磨煤機(jī)加載、碾磨系統(tǒng)

碾磨壓力越大，磨輥與磨盤之間的煤或煤粉越容易被壓碎，減少碾磨次數(shù)，經(jīng)過碾磨壓碎的小顆粒煤粉將被磨盤旋轉(zhuǎn)離心力很快甩出，進(jìn)入風(fēng)粉氣流輸送通道盡快吹出磨機(jī)，提高磨煤機(jī)出力。同時(shí)針對(duì)原煤灰分含量較高的貧煤或含碳量較高的無煙煤，其哈氏可磨度（HGI）較低的比較難磨的煤種，提高碾磨加載力可以使磨煤機(jī)的碾磨效率提高，這樣就可以大幅提高中速磨煤機(jī)的煤種適應(yīng)性。

但是隨著碾磨壓力的提高，作用在磨盤上的壓力也相應(yīng)提高，碾磨部件的磨損將上升，碾磨所需的電動(dòng)機(jī)功率也將相應(yīng)提高，故提高碾磨壓力后需要相應(yīng)增強(qiáng)碾磨件的耐磨性，提高碾磨件壽命；增加配套電動(dòng)機(jī)的功率，使電動(dòng)機(jī)功率與碾磨壓力相匹配，否則容易引起電動(dòng)機(jī)過載。此外隨著碾磨壓力的提高，磨機(jī)作用在基礎(chǔ)的靜載荷及動(dòng)載荷也將相應(yīng)增加，故在磨煤機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)也要適當(dāng)增加磨煤機(jī)混凝土基礎(chǔ)的重量，防止磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)震動(dòng)。

2.2 提高磨盤轉(zhuǎn)速

中速磨煤機(jī)的工作原理基本都是通過旋轉(zhuǎn)的磨盤將平鋪在磨盤上的原煤層依次通過三個(gè)120°均布的磨輥裝置進(jìn)行反復(fù)碾磨，同時(shí)原煤層在磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)離心力的作用下向外移動(dòng)（見圖3）。目前國(guó)內(nèi)中速磨煤機(jī)制造廠商為了能夠提高原煤碾磨層在單位時(shí)間內(nèi)通過碾磨區(qū)域的次數(shù)，提出可以相應(yīng)將磨盤的轉(zhuǎn)速提高，分別在原始轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上提高10%、20%、30%。

圖3 中速磨煤機(jī)磨盤

提高磨盤轉(zhuǎn)速的同時(shí)，磨盤上原煤層所受的磨盤旋轉(zhuǎn)離心力也將相應(yīng)提高，其離心力為：

式中 F - 離心力，N

m - 原煤質(zhì)量，kg

v - 磨盤圓周速度，m/s

r - 磨盤的名義半徑，m

原煤層沿著磨盤向外移動(dòng)的速度也將相應(yīng)加快，這樣磨盤上同一區(qū)域的原煤層在通過上一碾磨區(qū)后，在進(jìn)入下一碾磨區(qū)之前就有可能已經(jīng)被甩出磨盤進(jìn)入煤粉輸送通道。提高磨盤轉(zhuǎn)速不但不會(huì)提高原煤通過碾磨區(qū)的次數(shù)，反而由于磨盤轉(zhuǎn)速的提高，使煤層快速通過磨盤與磨輥裝置形成的碾磨區(qū)，降低磨煤機(jī)對(duì)原煤的碾磨效率。

2.3 配套增加動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器

煤粉分離器的作用是將磨煤機(jī)磨制出來的煤粉依顆粒的大小進(jìn)行分選，即把粒度小的某粒度級(jí)的細(xì)粉（合格煤粉），作為成品隨干燥氣流輸送至煤粉分離器或直接進(jìn)入爐膛；而把粒度大于這一粒度級(jí)的粗顆粒（不合格煤粉）從氣流中分離出來，并返回磨煤機(jī)重新磨制。一個(gè)性能理想的煤粉分離器，不僅能把合格煤粉隨氣流輸出，而不混入返回磨煤機(jī)的粗粉中去，從而增加磨煤機(jī)負(fù)荷，影響其出力；還能把大于規(guī)定粒度級(jí)的不合格煤粉——粗粉全部分離出來并返回磨煤機(jī)重磨，而不隨氣流與合格煤粉進(jìn)入爐膛，影響鍋爐燃燒效率。煤粉分離器的作用除了能分離粗粉和把合格的煤粉輸送出去外，還具有調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度的能力，以便在煤種或磨煤機(jī)出力或通風(fēng)量變化時(shí)保證一定的煤粉細(xì)度，起到改善和保證煤粉品質(zhì)的作用，從而提高制粉工作的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的燃燒效率（見圖4）。

圖4 靜態(tài)煤粉分離器

根據(jù)分離原理的不同，分離器分為慣性煤粉分離器（靜態(tài)）和離心煤粉分離器（動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)）兩種。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，靜態(tài)煤粉分離器煤粉由于采用固定的可調(diào)節(jié)葉片來進(jìn)行煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)，煤粉分離效率偏低，煤粉均勻性較差。

隨著我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深入，節(jié)能環(huán)保的要求不斷提高，許多火電機(jī)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(yùn)行成本，作為鍋爐系統(tǒng)重要輔機(jī)的磨煤機(jī)也相應(yīng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，采用動(dòng)態(tài)分離器技術(shù)是較佳的方法。

動(dòng)態(tài)煤粉分離器工作原理是通過變頻電機(jī)、減速箱、皮帶傳動(dòng)、軸承座裝置驅(qū)動(dòng)煤粉分離葉片轉(zhuǎn)子體，在轉(zhuǎn)子外沿處，通過氣流和煤流相互作用，轉(zhuǎn)子會(huì)阻止較大顆粒通過，使其返回磨碗進(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(jī)。通過變頻器和變頻電機(jī)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（見圖5）。

圖5 動(dòng)態(tài)煤粉分離器

由于動(dòng)態(tài)煤粉分離器轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)速可調(diào)，這提高了煤粉分離器的分離效率，降低了煤粉在磨煤機(jī)內(nèi)部的循環(huán)倍率，煤粉均勻性得到很大程度的改善，煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)更加方便、快捷，煤粉分離器自身阻力大大降低。故配置動(dòng)態(tài)煤粉分離器的中速磨煤機(jī)出口煤粉細(xì)度完全可以滿足目前電力工業(yè)的要求。

2.4 增加磨輥數(shù)量

所有中速磨煤機(jī)都是由三個(gè)120°均布在磨盤上方的磨輥裝置通過擠壓碾磨區(qū)中的煤床來使原煤經(jīng)過碾磨達(dá)到要求的細(xì)度，并最終吹出磨煤機(jī)系統(tǒng)（見圖6）。

原煤從中心落煤管落到磨盤上，在不考慮原煤層在磨盤離心力作用下向外移動(dòng)的影響，同一區(qū)域的原煤床隨磨盤旋轉(zhuǎn)一周只能三次經(jīng)過磨輥輥套與磨盤所形成的碾磨區(qū)域進(jìn)行有效碾磨，且每個(gè)碾磨區(qū)也只存在磨輥輥套錐面與磨盤平面形成的一條近似直線的碾磨區(qū)，造成原煤從落到磨盤到被磨盤離心力甩出，未能經(jīng)過充分碾磨成為達(dá)不到要求細(xì)度的煤粉，只能在經(jīng)過煤粉分離器時(shí)被篩選出來重新進(jìn)入碾磨區(qū)域進(jìn)行碾磨，這樣將降低中速磨煤機(jī)的碾磨效率。這種情況在碾磨哈氏可磨度比較低的無煙煤時(shí)將表現(xiàn)得更加突出。因?yàn)闊o煙煤碳化程度高，含碳量多，哈氏可磨度普遍較低。

圖6 配置3個(gè)磨輥裝置的磨機(jī)

為了能夠提高磨盤上原煤層在一個(gè)圓周行程中經(jīng)過碾磨區(qū)域的次數(shù)，可以通過增加布置磨輥數(shù)量的方式，提高磨煤機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的碾磨次數(shù)，這樣將會(huì)提高磨煤機(jī)的碾磨效率，使中速磨煤機(jī)更加適應(yīng)碾磨低哈氏可磨度的無煙煤，對(duì)于火力電站制粉系統(tǒng)燃用無煙煤時(shí)多了一種磨型可供選擇，不再局限于只能選擇能耗、造價(jià)都較高的低速雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)。

可以考慮將中速磨煤機(jī)的磨輥裝置數(shù)量由3個(gè)增加為4個(gè)，這樣不但可以增加磨碗旋轉(zhuǎn)一周原煤經(jīng)過碾磨區(qū)的次數(shù)，同時(shí)如果有磨輥裝置出現(xiàn)故障時(shí)，磨煤機(jī)可以將故障磨輥裝置及對(duì)面磨輥抬高，采用另外兩個(gè)對(duì)稱磨輥裝置繼續(xù)進(jìn)行正常運(yùn)行，這樣理論上可以確保50%的磨煤機(jī)出力。

磨輥裝置數(shù)量由3個(gè)增加為4個(gè)的同時(shí)，可以用4個(gè)小型號(hào)的磨輥裝置代替3個(gè)尺寸及重量更大的磨輥裝置，同時(shí)磨煤機(jī)出力不但不會(huì)降低，反而會(huì)有一定的提高。這樣磨煤機(jī)造價(jià)基本保持不變，但中速磨煤機(jī)的單位出力將大幅提高（見圖7）。

圖7 配置4個(gè)磨輥裝置的磨機(jī)

2.5 提高磨煤機(jī)一次風(fēng)入口溫度

我國(guó)褐煤資源非常豐富，大約占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的16%，主要分布于內(nèi)蒙古東部、黑龍江東部和云南東部。以往火電鍋爐燃用褐煤時(shí)按照《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》首選磨煤機(jī)方案是風(fēng)扇磨煤機(jī)，但是由于風(fēng)扇磨屬于高速磨，受磨損壽命影響，打擊輪使用壽命周期一般在2 000～3 000h，維護(hù)檢修工作量非常大，故大部分燃用高水分褐煤電廠制粉系統(tǒng)一般不太愿意采用風(fēng)扇磨，而更加青睞檢修維護(hù)工作更小、壽命更長(zhǎng)的中速磨煤機(jī)。

用中速磨煤機(jī)碾磨高水分褐煤，這就意味著磨煤機(jī)不僅碾磨出力要達(dá)到鍋爐要求，最重要的是磨煤機(jī)干燥能力也要滿足鍋爐要求。中速磨煤機(jī)碾磨煙煤、次煙煤時(shí)磨煤機(jī)一次風(fēng)入口溫度一般僅為250℃左右；如果燃用高水分褐煤時(shí)為了使原煤及時(shí)干燥到要求的煤粉水分，必須大幅提高磨煤機(jī)入口的一次風(fēng)溫和風(fēng)量來確保磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的干燥能力，而這時(shí)磨煤機(jī)一次風(fēng)入口溫度可以達(dá)到近400℃，磨煤機(jī)內(nèi)部的一次風(fēng)速也將達(dá)到極限值。這樣對(duì)磨煤機(jī)自身的耐高溫性能、磨煤機(jī)內(nèi)部的防爆要求、碾磨件的壽命、管道的耐磨性等都將提出更高的要求。

為了使中速磨煤機(jī)能夠更加適應(yīng)上述碾磨高水分褐煤時(shí)高風(fēng)溫、高沖刷、高防爆風(fēng)險(xiǎn)的特殊工況，必須對(duì)原有中速磨煤機(jī)進(jìn)行如下改進(jìn)：

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)避免有積粉死角結(jié)構(gòu)，杜絕著火的可能性；

(2)內(nèi)部所有易損件全部采用耐高溫、耐磨性強(qiáng)的材料；

(3)出口配置快速關(guān)斷閘板閥，減少滅火蒸汽損失；

(4)預(yù)留安裝CO監(jiān)測(cè)裝置的接口，出口留有測(cè)量溫度和壓力的接口；

(5)留有惰性氣體接口和滅火噴水接口；

(6)殼體防爆能力須≥0.35MPa設(shè)計(jì)；

(7)將石子煤出口適當(dāng)放大，確保其排放暢通，避免由于石子煤排放不暢而引起著火。

3 可行性分析

上述幾項(xiàng)提高中速磨煤機(jī)出力及煤種適應(yīng)性的措施有的已經(jīng)通過運(yùn)行得到驗(yàn)證，有的還需要在運(yùn)行中去檢驗(yàn)。但在中速磨煤機(jī)選型設(shè)計(jì)中，上述措施并不是簡(jiǎn)單的疊加，而需要根據(jù)不同工程原煤煤質(zhì)情況分析采取哪種措施更重要。筆者認(rèn)為，應(yīng)該根據(jù)如下原則進(jìn)行選擇：

(1)對(duì)于原煤灰分含量高，哈氏可磨度偏低難以碾磨的貧煤、無煙煤，為了盡量提高磨煤機(jī)的碾磨效率，在應(yīng)用中可以提高碾磨壓力、增加磨輥數(shù)量；

(2)對(duì)于原煤哈氏可磨度較高、全水分不高容易碾磨的煙煤，為了能夠使碾磨合格的煤粉盡快吹出磨機(jī)，建議通過提高磨碗轉(zhuǎn)速、配置動(dòng)態(tài)煤粉分離器等提高磨機(jī)碾磨、分離效率；

(3)對(duì)于原煤水分較高的褐煤，為了提高磨煤機(jī)的干燥能力，建議通過提高磨煤機(jī)一次風(fēng)入口溫度。

4 小 結(jié)

隨著煤炭市場(chǎng)提供給火力發(fā)電廠的燃煤品位不斷下降，火電企業(yè)也越來越多地使用劣質(zhì)煤來發(fā)電，中速磨煤機(jī)要在這種工況下更加可靠和更有效地運(yùn)行，就必須不斷地進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和完善，并開發(fā)新結(jié)構(gòu)，增加新功能，最大程度提高中速磨煤機(jī)的煤種適應(yīng)性及單位出力，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。