中速磨煤机新型焊接结构旋转风环的设计与应用

摘要：火力发电制粉系统中，中速磨煤机旋转风环设计是保证一次风与煤粉混合物（风煤粉混合物）合理流速的重要基础。通过对比研究传统铸造结构旋转风环与新型焊接结构旋转风环在结构设计上的异同之处，并结合两者在磨煤机制粉过程中的实际运行效果，详细分析了焊接结构旋转风环的特点与优势，同时阐述了新型焊接结构旋转风环的设计实现方法。

关键词：旋转风环；风煤粉混合物；通风电耗

作者简介：王金柱（1977-），男，北京人，北京电力设备总厂磨机事业部，工程师。（北京 102401）

中图分类号：TK223.25 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0233-01

目前，中速磨煤机在火力发电厂锅炉制粉系统中已经得到了广泛应用。中速磨煤机主要采用直吹式制粉系统，即原煤在经过磨煤机研磨部件碾磨成煤粉后不在内部停留，通过提供给磨煤机的一次热风进行直吹，经过一次风室、旋转风环[1]、机壳壳体、分离器和出粉口出磨而送入煤粉管道并最终到达炉膛内进行燃烧。为了保证出磨的风煤粉混合物[2]在一个合理的流速范围内，需要设计旋转风环的线型并计算合适的通风面积。笔者根据北京电力设备总厂（以下简称“我厂”）中速辊式磨煤机传统铸造结构旋转风环的特点，结合现场实际应用过程中的实际经验，设计了新型焊接结构旋转风环，并在宁夏中宁电厂大修改造项目中得到了成功应用。

一、中速磨煤机新型焊接结构旋转风环设计原理

1.旋转风环基本原理介绍

中速磨煤机旋转风环的工作原理是通过改变风环处的空气动力场，达到控制风环出口处流速的作用，保证出磨的风煤粉混合物流速在一定范围内，并有效提高了风环的使用寿命。与传统静态风环相比，旋转风环使得风煤粉混合物流速降低20%左右，降低了磨煤机阻力和通风电耗[3]，风环的使用寿命提高了2～3倍以上。目前旋转风环主流上采用铸造结构设计。

2.铸造结构旋转风环介绍

中速磨煤机不同规格的旋转风环直径范围在1.6m～3.2m之间，质量大约为6000kg～22000kg，其结构特殊、工艺复杂，由内动外静两环组成，在动环外侧有一圈叶片，与静环内径之间形成喉口面积。传统的生产工艺一直采用实样下芯、粘砂造型工艺，芯子为整体粘土砂芯，动环叶片埋于砂中，最后取出。由于叶片四周均被型砂紧紧包裹，在取出时砂型表面会有不同程度破损，致使铸件的外观效果差，后续清理困难。

3.新型焊接结构旋转风环设计

针对铸造结构旋转风环工艺特殊复杂的情况，结合多年生产一线的实际经验，提出了将铸造结构改为焊接结构的构想。改造具体思路是：首先，设计焊接结构旋转风环外形尺寸与铸造结构旋转风环基本一致，满足风环合理通风流速的基本功能；其次，为保证焊接结构旋转风环坚固耐用，将动环分部采用内外双圈结构加固叶片，满足风环在快速旋转运行过程中的叶片不致损坏；再次，为满足焊接结构旋转风环在风煤粉混合物高速通过下的耐冲刷性，整体结构采用锰钢材料[4]（根据实际需要，叶片可采用高硬度双金属耐磨复合材料[5]），提高风环的使用寿命；最后，由于叶片安装可以灵活调整，可以根据实际风量计算出合理通风流速后再确定叶片数量和焊接角度。

二、中速磨煤机新型焊接结构旋转风环设计计算

1.铸造结构与焊接结构旋转风环结构对比

铸造结构旋转风环主要由风环静环、动环、叶片和托盘组成，焊接结构旋转风环由静环、动环内外环、叶片、法兰托盘和扁钢组成。铸造结构与焊接结构旋转风环结构对比如图1所示。

由结构图可知，焊接结构旋转风环在脱胎于铸造结构旋转风环的基础上，优化了制作工艺并提高了生产效率。其中由静环、叶片、动环内外环和扁钢组合构成的喉口结构如图2所示。

中速磨煤机在实际运行过程中，通过喉口的一次热风在风环旋转运行下而呈现螺旋上升形态，并带动研磨后的煤粉送入煤粉管道进入炉膛燃烧。由此可见，喉口的外形尺寸是最终影响风煤粉混合物流速计算的主要参数，这其中包括：风环动环内环外径（D1）、风环叶片外径（D2）、风环静环内径（D3）、风环动环外环外径（D4）、扁钢外径（A）、叶片宽度（W）、叶片厚度（T）、叶片倾角（θ）、叶片数量（n）共9个尺寸。

2.焊接结构旋转风环计算公式

焊接结构旋转风环通风流速计算首先要根据相关尺寸参数计算出通风面积，然后根据中速磨煤机热平衡计算结果提供的一次风体积流量[6]（VPA）计算通风流速。

单个叶片截面积（㎜2）：

整圈风环通风面积（㎜2）：

间隙通风面积（㎜2）：

扁钢面积（㎜2）：

风环总通风面积（㎜2）：

风环通风流速（m/s）：

根据我厂中速磨煤机经验值，旋转风环通风流速在[60～70]（m/s）为合适的数值。

三、中速磨煤机新型焊接结构旋转风环应用

1.项目介绍

宁夏中宁电厂投建发电至今已将近8年时间，是西北地区较早使用我厂中速磨煤机的电厂之一。由于磨煤机长年运行导致的磨损，再加上近些年火电行业煤质普遍变差等原因，目前中宁电厂磨煤机出力已经无法达到当初设计时的保证值。为解决电厂的燃眉之急，不断提高自身设备性能之需，此次借中宁电厂大修改造之机，我厂与其合作了磨煤机增容提速改造项目。

2.改造方案

鉴于火电行业目前运营现状，此次磨煤机改造本着为电厂节约费用成本的同时，达到增加出力、降低功耗、提高设备耐冲刷性的目的。具体方案为：改原有铸造结构旋转风环为焊接结构旋转风环（采用锰钢耐磨材料）；通过提高主电机功率和减速机传动比来提高磨盘部转速而增加研磨能力；更换新型增大容积的选粉分离器来满足磨煤机提高出力的要求。最终要求中速磨煤机改造后达到55.476t/h的保证出力，整机通风电耗控制在9.0kW·h/t范围以内。

3.运行效果

替换与改造部件经过安装、调试、消缺工作目前已正常运行，经过在中控室数日的跟踪与监控，改造后的一号机组A磨煤机在一次风量达到满负荷的75%左右、磨辊加载力大小为最大加载力的80%左右、分离器折向门开度大小为50°的基本工况下，出力已经超过55.476 t/h的改造保证值。

根据电厂 DCS[7]（集散控制系统）给出的运行数据值并经过校核与计算，在磨煤机出力为55.53 t/h、磨煤机本体工作电流值为36.5A的工况下，磨煤机本体功耗值约为8.315kW·h/t，达到了电厂对磨煤机增容提速改造通风电耗的考核要求。

四、结束语

本文详细阐述了中速磨煤机新型焊接结构旋转风环改造设计的实现方法与应用过程。目前，在火电行业运营成本增大、利润普遍下滑的大背景下，提高机组的工作效率并降低设备功耗值是电厂扭亏为盈的重要手段之一。对电厂机电设备有针对性地进行技术升级改造是摆在工程技术人员面前的重要课题。希望本文所论述的设计思想能对广大工程技术人员有所帮助。

参考文献：

[1]边军英.中速磨煤机旋转风环的结构分析[J].华东电力，1999，

（12）.

[2]中华人民共和国国家经济委员会.火力发电厂制粉系统设计计算技术规定（DL/T5145 - 2002）[M].北京：中国电力出版社，2003：60-62.

[3]景朝晖.热工理论及应用[M].第2版.北京：机械工业出版社，

2009：15-17.

[4]宋延沛，谢敬佩，等.铸造耐磨材料及其生产技术[M].北京：机械工业出版社，2012：174-176.

[5]宋延沛，谢敬佩，等.铸造耐磨材料及其生产技术[M].北京：机械工业出版社，2012：216-220.

[6]中华人民共和国国家经济委员会.火力发电厂制粉系统设计计算技术规定（DL/T5145-2002）[M].北京：中国电力出版社，2003：65-71.

[7]王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2004：3-5.