钢球磨煤机钢球级配和补球优化试验研究

何 翔，魏增涛，周文台，马达夫，施鸿飞，陈端雨

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

摘 要：为降低钢球磨煤机制粉单耗和研究较佳的补球规律，针对某600 MW机组双进双出钢球磨进行了煤粉等速取样、钢球筛分以及补球优化的运行试验。结果表明：根据煤粉细度和均匀性指数可以推测出钢球级配的变化;补球应将钢球平均球径控制在初始平均球径附近，且补球时应先稳住大球级配，逐步适当提高小球级配;合理的级配可以使得相同工况下煤粉均匀性指数提高至0.8以上、制粉单耗平均下降近3 kWh/t;得到了钢球磨损量与合理补球的信号。

关键词：钢球磨煤机;级配;磨损;补球;制粉单耗

0 引 言

钢球磨煤机制粉系统适用于无烟煤及磨损指数Ke>3.5的煤种[1]。钢球的级配、磨损、补球等特性具有“黑箱子”性质，只能通过运行数据、煤粉取样数据及倒球筛分钢球数据来判断真实的级配变化、钢球磨损等特性。

在球径方面，我国早期火力发电厂配备的球磨机及球径的确定主要是根据前苏联的经验公式附加一定的修正进行计算，比如拉苏莫夫公式、奥列夫公式和邦德公式等[2];后来也有学者引进欧美的一些计算公式进行修正后再使用，比如欧美的Allis-Chalmers公式和Re.Xnord公司的磨煤机自带的计算公式[3];国内较为有名的是段希祥提出的球径半理论公式[4];统计进入磨煤机的原煤粒度区间，依照“多碎少磨、以碎代磨”的原则，从粒度减小的统计趋势来进行钢球球径选择的优化[1，4]。在级配方面，常见的是等腰三角形法[5]、等差数列法[6]、多级试配(图表)法[7]等。此外，因为钢球磨损量与球径成反比[1]，有学者认为大球比例高碾磨性能更好[8];也有学者认为小球比例高会使得小球撞击点增大一个数量级，能量传递面扩大了，综合经济效益更大[1，7]。总的来看，3类级配方式：纺锤形、哑铃形、棒槌形最为流行。在补球方面，根据磨煤机电流和一些经验数据进行补球，普遍以优先甚至只添加大球径的钢球为主，容易造成磨煤机偏离最佳钢球装配系数下运行[8]。余涛等[8]提出了钢球直径变化的概率密度矩阵，从统计学角度得出了需要补球的外径和级配数据;任志宇等[9]从统计学角度建立了运行工况不变时的钢球稳态磨损特性方程;綦守荣等[10]依据矩阵理论中的泛灰数理论，建立了既能反映工况条件参数的影响又能体现运行经济性的钢球磨损一般数学模型;刘如金[2]在综合前苏联等公式的基础上，提出了平衡补球法与补球的参考曲线。在磨损方面，一个方向是研究钢球、衬板不同材料的硬度、脆性以及寿命等。汪焰流[11]分析了马钢热电厂的磨煤机衬板磨损原因;刘玉海[12]认为虽然优质钢球价格高，但综合效益更好，折算下来钢球成本能节约10万元;赵太平等[13]通过研究不同衬板材料，对煤粉料位监控装置进行了优化，降低了球耗。另一个方向则是建立钢球磨损的数学模型，进行大量的统计计算，从理论上求得钢球的磨损量，然后以此结论指导补球。

综上所述，球磨机的球径、级配、磨损和运行维护都有大量的研究，但实际应用中，火电机组负荷变化频繁，磨煤机的运行参数一直在变，从理论上得到的结果难以应用于实际生产中。本文立足长周期的煤粉取样试验、简化文献中复杂的数学模型，再与锅炉启炉前的钢球筛分结合，对钢球磨的钢球级配、磨损和补球进行了优化。

1 试验参数的确定

试验600 MW机组，锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布置、露天布置。锅炉燃用无烟煤，采用W火焰燃烧方式，在前、后拱上共布置有24 组狭缝式燃烧器，6台BBD 062(MSG4060A)双进双出磨煤机直吹式制粉系统。

1.1 钢球球径

钢球的平均球径分为质量加权平均、数量加权平均和相等质量加权平均3种。多数电厂采用的是质量加权平均，但也有学者、电厂工程师研究得出相等质量加权平均是比较准确的描述钢球平均球径的方法，其综合考虑了质量、个数[14]。3种平均方法得到的结果见表1。这里以试验磨为例，检修后新钢球(ø30 mm、ø40 mm、ø50 mm)各33.3%，共计86 t。

表1 3种平均球径计算结果
Table 1 Three mean diameters calculation results

从表1可以看出，这样的级配方式得到的平均球径实际上是36.74 mm。

1.2 钢球磨损

在新运行周期内，利用停机时间把钢球全部倒出进行筛分即可知道大球、中球、小球的剩余量，也就得到了各自的磨损量以及磨损尺寸。ø50 mm、ø40 mm、ø30 mm钢球各自的剩余量计算方法如下

πρ{n1[(50-X)/1 000]3=6(G1-)(1)

πρ{n2[(40-Y)/1 000]3=6(G2-)(2)

πρ{n3[(30-Z)/1 000]3=6(G3-)(3)

式中,ρ为钢球的密度，kg/m3;n为各外径钢球的个数;X、Y、Z分别是大、中、小球磨损的尺寸，mm;G1、G2、G3是3种球原始加入时的质量，t;、、是3种钢球剩余的质量，t。倒出钢球后，即可求得上述X、Y、Z值，从而得出级配的变化。

由于历次补球对整个级配的影响很大，而且不可能频繁倒球进行全筛分试验，故需要知道大致的钢球磨损尺寸。钢球平均磨损方程为

πρ{n1[(50-X)/1 000]3+n2[(40-X)/

1 000]3+n3[(30-X)/1 000]3}=

这里假设ø50 mm、ø40 mm、ø30 mm钢球各自的磨损尺寸一样，由于小球个数多，仍然满足小球磨损量大，大球磨损量小的原理。式中，G0是3种钢球磨损的总质量，t。则通过上述方程即可求出磨损量、磨损尺寸的变化。

1.3 补球信号

调取长周期的磨煤机平均给煤量Q(t/h),累积运行时间T(h),初始加入钢球量(G1+G2+G3)、历次补球量Gb(t)和倒球筛分剩余量(++)来计算钢球消耗量ΔG(t)和累积给煤量QL(t);同时求得钢球单耗K(g/t)，并得出补球信号，即

K=ΔG/QL，那么每消耗1 t钢球的有效运行时间T=1/KQ。

2 运行试验工况

2.1 煤质分析

入炉煤工业分析见表2。由表2可知，每个时间段的入炉煤质较为稳定。

表2 入炉煤工业分析
Table 2 Proximate analysis of feeding coal

2.2 试验方法

2013年10月，1号炉启动后至2014年11月，开展了4次煤粉取样、多次补球、1次倒球和1次补球优化，煤粉取样及历次补球见表3。

表3 煤粉取样和补球情况
Table 3 Pulverized sample and ball filling

3 结果分析

通过对B磨煤机的性能试验，考查磨煤机出口温度、动态分离器转速、容量风、磨煤机出力变化对煤粉特性的影响。历次煤粉取样试验都是在下述工况进行，固定其余几组运行参数，变化某一项参数，在相同的条件下进行煤粉取样与分析,每次进行9个工况的取样试验。

固定给煤量在40 t/h和磨煤机容量风挡板开度在55%，改变动态分离器转速从50%、58%、65%到75%，对应的工况是1、3、5、6。固定给煤量在40 t/h和磨煤机动态分离器转速在58%，改变磨煤机容量风挡板开度在45%、55%到65%，对应的工况是2、3、4。固定给煤量在40 t/h、磨煤机动态分离器转速在65%和容量风挡板开度在55%，改变磨煤机分离器出口温度在97 ℃和105 ℃，对应的工况是7、8。固定磨煤机分离器在65%和磨煤机容量风挡板开度在55%，磨煤机给煤量在45 t/h，对应的工况是9。

3.1 煤粉特性和制粉单耗

图1是前后几次取样的煤粉细度R75和R90对比。图2是均匀性指数n的对比。煤粉经0.18、0.125、0.09、0.075、0.061 mm筛分。其中，留在上面两级筛分上的煤粉量除以总过筛量就是R90值;留在上面三级筛子上的煤粉量除以总过筛量就是R75值。

图1a中第2次取样时的R75较大，图1b中R90值总体偏小，但是第3次取样R90达到最大，其余几次取样显示煤粉太细。若将分离器转速降低到工况1或2对应的50%和58%时，R90值仍维持在6%左右，而且可以提高磨出力，降低磨电耗。所以可以确定分离器转速不宜过大。

图2表明，第1次取样的各个工况下的n值很小，在0.6左右，这是新加钢球启炉之后的试验结果，说明初始级配不是最合理的。图3是前后几次取样下的制粉单耗。通过上述特性对比，认为第3次取样对应的级配是4次试验下最佳的。

3.2 级配

为了得到B磨煤机磨损及历次补球后各级钢球的比例，于2014年8—9月检修期间将B磨煤机中钢球全部倒出，采用焊制的钢球筛将ø20～ø30 mm、ø30～ø40 mm、ø40～ø50 mm的钢球分别过筛，之后过秤即得到钢球级配，ø40～ø50 mm含量为34.09%、ø30～ø40 mm为44.25%、ø20～ø30 mm为21.65%。中间级配钢球明显过大，而且倒球整个过程并未发现小于ø20 mm的废球。

初始总钢球量86 t，余下钢球67.7 t，其中ø50 mm大球损失5.67 t，ø40 mm中球损失10.79 t，ø30 mm小球损失13.84 t，由于ø40 mm球一直在补给，造成ø40 mm球总量较多。级配比例为34∶44∶22，级配失调。

2014年9月12日启炉后，14日补加ø40 mm钢球3 t，则磨煤机中总钢球量在70.7 t。得到上述数据后，再反推算回级配变化,即每次补球后的级配变化特性。表4是级配反推计算结果。

表4 级配变化特性推算
Table 4 Calculation of grading change characteristic

从表3中2014年9月14日加3 t ø40 mm球到表4中2014年11月13日补球前，小球的级配已经减小至0.18。

3.3 补球信号

统计机组运行的磨煤机平均给煤量和有效运行时间，可以推算出级配的变化、钢球的钢耗以及制粉单耗。根据级配、钢球钢耗，同时找到磨损3 t钢球时的有效运行时间，则可找出补球信号。

从B磨煤机2013年10月—2014年9月的运行数据可得出：钢球消耗量ΔG为30.3 t，累积运行时间4 974 h，累积给煤量185 735.56 t/h，平均给煤量37.341 t/h，钢球单耗163.135 g/t，每消耗3 t钢球的运行时间492.475 t。由此可算出，目前级配失调情况下，消耗3 t钢球，需要累积运行492 h，即上一次加球后，平均给煤量37 t/h且连续运行近500 h就可以考虑补3 t钢球了。

3.4 补球优化

应根据煤粉细度、粒度分布特性以及磨出力来综合考虑补球方案，若煤粉过细，合格的煤粉反复在筒体内碾磨，会增加磨煤机制粉单耗。1号炉的入炉煤煤质和燃烧要求R90在6%左右，若试验得到的煤粉细度小于6%，就可侧重补小球，适当放粗煤粉，同时提高了磨煤机的出力。

第3次煤粉取样的特性较好，当时的级配比例推算是36∶34∶31。故补球优化应加大球1 t，小球2 t。稳住大球级配，逐步适当提高小球级配。

统计了2014年11月12日—12月22日B磨煤机的有效运行数据，根据总煤量和制粉单耗排序(即总煤量从小到大的制粉单耗)。对比数据是2014年8月11日—11月11日B磨煤机的有效运行数据。图4是补球优化前后制粉单耗。

由上述对比可以看出，补球优化后的制粉单耗下降明显，主要在30～35 kWh/t;而常规补中球的制粉单耗主要在35～40 kWh/t。

图5是补球优化前后的煤粉的均匀性指数。由图5可以看出，均匀性指数n得到了大幅提升，说明补球优化方案是正确的。未来应进一步补足小球的份量。

4 结 论

1)煤粉细度R90越小、均匀性越差,说明小球不足，会影响磨煤机出力，增加制粉单耗。运行试验煤质下，R90值推荐在6%～8%。

2)补球应将钢球平均球径控制在初始平均球径附近;本文提供了一种级配推算方法，补球时先稳住ø50 mm钢球级配，再适当提高ø30 mm小球级配。

3)优化补球后的制粉单耗平均下降3 kWh/t，均匀性指数提高至0.8以上。

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Optimization of steel ball grading and filling of ball mill

HE Xiang,WEI Zengtao,ZHOU Wentai,MA Dafu,SHI Hongfei,CHEN Duanyu

(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

Abstract:In order to lighten the wearing of steel balls and obtain a better way to fill steel balls,the experiments of coal fines sampling and screening,steel balls filling were conducted taking a 600 MW double-in-out ball mill as research object.The results showed that,the change of steel ball grading could be reflected by coal fineness and evenness index.When filling ,the average diameter should be around the primary diameter.The best filling method was stabilizing the grading of the bigger balls,then increasing the grading of smaller balls.The proper grading could increase the evenness index to above 0.8,and decreased unit loss by 3 kWh/t.

Key words:ball mill;grading;wearing;filling balls;unit loss

收稿日期：2016-02-15;

责任编辑：孙淑君

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.06.014

作者简介：何 翔(1982—)，男，重庆人,工程师,硕士，研究方向为煤清洁燃烧及电厂全厂经济性研究。E-mail：seanjastyt@163.com

引用格式：何 翔，魏增涛，周文台,等.钢球磨煤机钢球级配和补球优化试验研究[J].洁净煤技术，2016，22(6)：71-75,81.

HE Xiang,WEI Zengtao,ZHOU Wentai,et al.Optimization of steel ball grading and filling of ball mill[J].Clean Coal Technology，2016，22(6)：71-75,81.

中图分类号：TK223.25

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2016)06-0071-05