采用永磁电动机驱动的磨煤机控制优化研究

何志瞧，杨 敏，赵力航，，杨 威，卢琴芬

（1.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 金华 321110；2.浙江省火力发电高效节能与污染物控制技术研究重点实验室，杭州 311121；3.浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 311121；4.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027）

0 引言

火力发电厂传统制粉系统中，磨煤机驱动采用工频运行的异步电动机，其转速是发电厂基建阶段根据设计煤种校核得到的，此后无论煤种如何变化，磨煤机电动机均为定频运行。因此，传统制粉系统不能调整转速，当工况变化后，容易出现制粉系统出力降低、电耗增大等一系列问题[1-2]。

当上仓煤种可磨性较差时，磨煤机出口煤粉细度增大，导致着火推迟，火焰中心上移，易造成锅炉效率降低、污染物排放量超标，以及主、再热汽温超温等问题；当上仓煤种可磨性较好时，磨煤机出口煤粉细度减小，易造成磨煤机电耗增加[3-6]。对于传统制粉系统，通过调节静态分离器折向挡板开度（或动态分离器转速）及磨煤机液压（弹簧）加载力，可在一定程度上起到调整煤粉细度的作用，但会限制磨煤机出力，影响机组带负荷能力，而且在运行中调节磨煤机折向挡板、液压（弹簧）加载力的操作较为繁琐。

现有的磨煤机电动机变频器，是在无法确定磨辊加载力、煤粉细度和磨煤机出力之间的规律的前提下，通过增加电动机转速来提高磨煤机出力[7-9]。目前国内外缺乏对磨煤机转速、加载力、煤粉细度和磨煤机出力之间关系的研究与具体应用[10-12]。

采用稀土永磁电动机作为磨煤机的驱动电动机，具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点。此外，稀土电动机搭配变频器使磨煤机运行中的转速调整成为可能。就制粉系统来说，调节磨煤机转速的主要目的不是节电，而是通过控制煤粉细度和煤粉浓度的变化，匹配当前煤种、当前设备状态以及当前锅炉燃烧的调整需求。本文探讨磨煤机电动机采用稀土永磁电动机后的运行方式，设计一系列试验方案测试改造后制粉系统在不同转速、不同工况下的各项参数，并通过分析试验结果给出磨煤机在轻载、中载、重载下的转速设定推荐值。

1 磨煤机电动机改造

将某发电厂1 号机组的1E 磨煤机电动机替换为稀土永磁电动机。原有锅炉（B & WB-1903/25.40-M）为超临界参数、螺旋炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置的Π 型锅炉，锅炉配有带循环泵的内置式启动系统。采用ZGM 中速磨冷一次风机正压直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，配置B & W 公司的DRB-4Z 超低NOX双调风旋流燃烧器及燃尽风喷口。机组经历过增容改造，额定出力为660 MW。

电动机改造前制粉系统主要技术参数见表1。

表1 电动机改造前制粉系统主要技术参数

将原异步电动机替换为永磁电动机，并配用一台通用变频器。替换后的稀土永磁电动机主要技术参数见表2。

表2 永磁电动机主要技术参数

2 方案设计

为了探寻磨煤机使用永磁电动机变频调速后转速的控制问题，制订一套技术方案。

（1）对于设计转速为n0、设计煤量为Q0的磨煤机，按各个相关设备当前参数设置进行试验，记录入口一次风量、一次风温、出口压力、出口温度、煤粉细度、煤粉浓度（本文指质量分数）、石子煤量、磨煤机电动机功率、电动机电流、1～2 h磨煤机电耗。

（2）根据测得的煤粉细度结果，调整折向挡板的角度。由于磨煤机转速提高后会使煤粉变细，为了充分发挥高转速下磨煤机的带载能力，在制粉结果合格的前提下，可增加折向挡板的角度。

（3）为获得最优磨煤机转速与当前煤种下煤量的对应关系，设定基准转速n=n0，基准煤量Q=Q0，分别进行0.75n，0.9n，1.0n，1.1n，1.25n共5 档磨煤机转速下，煤量为最小负载、0.6Q、0.9Q、最大负载共4 种工况的测试，记录入口一次风量、一次风温、出口压力、出口温度、煤粉细度、煤粉浓度、石子煤量、磨煤机电动机功率、电动机电流、1～2 h 磨煤机电耗，并进行对比分析。最小负载工况以磨煤机运行时不产生有害性振动为判断依据，并参考磨煤机设计最小煤量；最大负载工况以磨煤机运行时稀土电动机的定子电流、功率不超过额定值为判断依据，并参考磨煤机设计最大煤量。

最后，对石子煤量进行校核：若石子煤量在预设阈值内，则进行下一步骤；若石子煤量超过阈值，则返回上一步骤，调整基准转速与基准煤量重新测试。

试验方案的流程如图1 所示。根据试验结果，针对当前煤种确定变频器的变速范围，以及轻载、中载、重载下的建议转速。当需要降低磨煤机的最低煤量时，对于设计转速为n0的磨煤机，可以通过变频调速适当降低转速。

图1 试验方案流程

根据上述方案，结合1E 磨煤机的实际参数，设计了5 档转速，每档转速4 个工况（其中18 r/min时只进行了3 个工况试验），共计19 个工况的试验（见表3）。各工况测试期间，磨煤机进口冷热风门投自动，磨煤机出口温度设定值为75 ℃，磨煤机一次风量不设偏置，磨煤机液压加载力跟随该磨液压加载曲线，磨煤机出口静态分离器挡板放置于55°。试验期间，1E 磨煤机上仓煤种均为同批次优混煤，设计煤种和试验煤种煤质指标见表4，机组负荷大部分时间稳定在600 MW。

表3 工况安排

表4 试验期间煤种情况

3 试验内容与分析

3.1 煤粉细度测试试验

在18 r/min，21 r/min，24 r/min，27 r/min，30 r/min 转速下，分别进行30 t/h，45 t/h 煤量时的煤粉细度测试试验，结果见表5。可以看出：相同煤量下，随着磨煤机转速的提高，煤粉细度呈下降趋势；相同转速下，随着给煤量的增加，煤粉细度呈上升趋势。

表5 不同转速相同煤量煤粉细度测试结果

3.2 最大出力测试试验

在18 r/min，21 r/min，24 r/min，27 r/min，30 r/min 转速下，分别进行磨煤机最大出力和煤粉细度测试试验，结果见表6。可以看出：随着转速的提高，磨煤机最大出力增加较为明显，相较于改造前额定转速（24 r/min），磨煤机转速增加至27 r/min 和30 r/min 后，磨煤机最大出力分别增加约13.1%和20.4%；磨煤机最大出力工况下，随着转速提高，煤粉细度有减小趋势。

表6 不同转速下磨煤机最大出力及煤粉细度测试结果

将不同转速下磨煤机最大出力时的煤粉细度折算到R90=18%进行修正，修正后磨煤机的最大出力结果见表7。可以看出，将不同转速下最大出力试验时的煤粉细度折算到R90=18%进行碾磨出力修正后，随着转速的提高，磨煤机最大出力增加更为明显。

表7 不同转速下磨煤机最大出力折算到设计煤种时的碾磨出力

3.3 最小出力试验

在18 r/min，21 r/min，24 r/min，27 r/min，30 r/min 转速下，分别进行磨煤机最小出力和煤粉细度测试试验，结果见表8。可以看出：转速降低至21 r/min 和18 r/min，可以有效降低磨煤机最小出力，并且这2 档转速下磨煤机电流相比改造前空载电流降低约8 A；对比21 r/min 和18 r/min这2 档转速，磨煤机最小出力工况时，煤粉细度变化不大。

表8 不同转速下磨煤机最小出力及煤粉细度测试结果

3.4 煤粉浓度和磨煤单耗

3.4.1 煤粉浓度

通过发电厂数据采集系统，取试验期间1E磨煤机的平均给煤量和平均一次风量，计算1E磨煤机在各煤量下，转速增加时煤粉浓度的变化情况，如图2 所示。可以看出，相同煤量下，随着转速的提高，煤粉浓度逐渐增加。

图2 各煤量下转速增加时煤粉浓度变化趋势

3.4.2 磨煤单耗

试验期间，由于机组负荷不同，无法对1E磨煤机改造前后的制粉单耗进行直接对比。通过统计试验期间各工况下磨煤机单位时间内耗电量、平均给煤量、平均电流等参数，对比计算得到磨煤单耗，如图3 所示。可以看出，相同煤量下，随着转速的提高，制粉系统磨煤单耗呈下降趋势。其中最小给煤量（14 t/h 及以下）下，磨煤机转速在21 r/min 时磨煤单耗最小；30 t/h 煤量下，磨煤机转速在24 r/min 时磨煤单耗最小；45 t/h煤量下，磨煤机转速在27 r/min 时磨煤单耗最小；最大给煤量下，随着磨煤机转速的提高，磨煤单耗呈下降趋势。

图3 各煤量下转速增加时磨煤单耗变化趋势

3.5 石子煤排放情况

试验期间，对各工况下磨煤机石子煤排放量进行统计计算，结果见表9。可以看出：提高磨煤机转速，磨煤机出力增加后，石子煤量增加不明显；较低煤量时，磨煤机转速过高（达到27 r/min），磨煤机石子煤排放量较大。

表9 不同转速、不同煤量时磨煤机石子煤统计情况

4 结语

本文提出一种磨煤机电动机采用永磁同步电动机后的变频运行技术方案，通过进行5 档转速、每档转速4 个工况的试验，测得不同工况下煤粉细度、最大出力、最小出力、石子煤排放情况，分析煤粉浓度和磨煤单耗的变化趋势。

根据上述测试结果，针对当前煤种提出变频器运行方案。轻载时（给煤量20 t/h 及以下），建议磨煤机转速为21 r/min；中载时（给煤量20～40 t/h），建议磨煤机转速为24 r/min；重载时（给煤量40 t/h 及以上），建议磨煤机转速为27 r/min。采用该方案能使制粉系统的煤粉细度和煤粉浓度可控，有利于磨煤机驱动系统的优化运行。