引言：燃煤发电仍是我国电力供应的主体能源形式，其高效清洁利用对保障能源安全与实现“双碳”目标具有重要意义。制粉系统作为燃煤锅炉的“咽喉”环节，承担着将原煤磨制成符合燃烧要求的煤粉并输送至炉膛的核心任务，其出力直接决定锅炉的燃料供给能力与燃烧稳定性。因此，开展制粉系统出力不足的精准诊断与优化研究，对提升机组运行经济性、降低污染物排放及延长设备寿命具有重要现实意义。
1燃煤锅炉在电力、工业供热中的核心地位
燃煤锅炉作为火力发电及工业供热领域的主力设备，承担着将煤炭化学能转化为热能的核心任务，其稳定运行直接关系到能源供应安全与工业生产连续性。在电力行业中，燃煤发电仍占据我国总发电量的约60%，是保障电网基荷容量的关键支撑；在工业供热领域，燃煤锅炉为化工、造纸、冶金等高耗能行业提供蒸汽与热水，占工业用热总量的70%以上。其技术经济性直接影响能源利用效率与碳排放水平——现代超超临界燃煤锅炉的热效率可达45%以上，较亚临界机组提升5%~8%，但设备老化、燃料品质波动等问题仍制约其效能发挥。因此，优化燃煤锅炉运行参数、提升系统可靠性，是实现“双碳”目标与能源转型过程中不可或缺的过渡性技术路径。
2制粉系统对运行效率的关键作用
制粉系统是燃煤锅炉的“燃料预处理单元”，其性能直接决定锅炉燃烧效率与污染物排放水平。该系统通过磨煤机将原煤研磨至符合燃烧要求的粒度（通常R90<20%），并利用热风输送煤粉至炉膛，其出力需与锅炉蒸发量动态匹配。若制粉系统出力不足，将导致煤粉细度超标（粗颗粒增加）、煤粉浓度分布不均，进而引发燃烧延迟、火焰中心上移、飞灰含碳量升高（通常增加1%~2%）等问题，使锅炉热效率下降1.5%~2.5%。此外，制粉系统能耗占锅炉厂用电的15%~25%，其通风阻力、分离效率等参数优化可显著降低单位电耗（约8%~12%）。因此，制粉系统不仅是燃料供给的“咽喉”，更是锅炉经济运行与低碳转型的关键控制节点。
3制粉系统出力不足的机理分析与影响因素分解
3.1设备层面
（1）磨煤机磨损：辊套与衬瓦作为直接参与研磨的核心部件，长期承受煤块冲击与摩擦作用，表面硬质合金层逐渐磨损剥落（年均磨损深度达2~4mm），导致研磨间隙增大、接触压力分布不均。实验表明，当辊套磨损超过原始厚度25%时，研磨效率下降15%~20%，单位电耗上升10%~12%，同时因煤层厚度波动引发振动加剧（振动幅值增加30%~40%），加速轴承与齿轮箱的疲劳损伤，形成“磨损-效率衰减-负荷波动-进一步磨损”的恶性循环，严重制约设备运行稳定性与经济性。
（2）分离器结构缺陷：传统静态分离器采用固定角度导流叶片，切向速度场分布严重不均（速度梯度达25%~30%），导致粒径大于200μm的粗粉无法被有效分离，回粉量占比高达25%~35%。过量回粉不仅增加磨煤机负荷（电流上升8%~15%），还因重复研磨导致细粉过细（R90<5%），引发锅炉燃烧器结焦、飞灰含碳量升高（增加2%~4%）及NOx排放超标等问题，显著降低燃烧效率与环保性能，同时加剧分离器本体磨损（回粉管磨损速率提高2~3倍）。
（3）通风管道堵塞：煤粉中的硫分与水分在管道弯头、膨胀节等低流速区发生黏附（积粉速率达0.3~0.6mm/天），叠加输送过程中混入的编织袋碎片、铁屑等异物，形成局部阻塞。当管道截面积减少15%~20%时，通风阻力激增30%~50%，导致风量不足（实际风煤比低于设计值10%~15%），引发磨煤机出口温度超限（上升8~12℃）、煤粉仓蓬料、制粉系统出力下降（10%~18%）等连锁故障，严重威胁机组安全稳定运行与负荷响应能力。
3.2煤质层面
（1）煤的可磨性系数（HGI）：HGI值每降低10，研磨单位质量煤所需能量增加20%~25%。当HGI从70降至50时，磨煤机电流上升12%~15%，主电机功率接近额定值上限，同时因研磨时间延长（停留时间增加25%~30%），煤粉在磨内反复碾压导致粒度分布宽化（R90波动范围扩大±5%），部分粗粉未充分研磨即被带出，回粉量增加18%~22%，形成“难磨-能耗高-效率低-回粉多”的恶性循环，显著增加制粉系统综合能耗与设备磨损速率。
（2）煤的水分与灰分波动：水分每升高1%，干燥所需热量增加6%~8%，若热风温度不足（如低于280℃），煤粉水分超标（>1.5%）会引发输送管道黏附结块，导致通风阻力上升10%~15%；灰分每增加5%，通风阻力增加8%~12%，同时因灰分硬度高（莫氏硬度5~7），加速磨辊与衬瓦磨损（磨损速率提高15%~20%），缩短设备检修周期。两者耦合作用下，当煤质同时出现高水分（>10%）与高灰分（>30%）时，系统出力下降12%~18%，单位电耗激增25%~30%，运行经济性大幅恶化。
3.3控制层面
（1）加载力-通风量匹配失衡：传统控制策略采用固定加载力（如95kN）与通风量（如18kg空气/kg煤）组合，当煤质突变（如HGI下降20）时，系统动态响应滞后（调整时间>5分钟），导致研磨压力与通风能力错配：加载力不足时煤层过厚（电流波动±12%），通风量过剩时细粉被过早带出（R90上升8%~10%）；反之则引发磨内积粉（出口温度超限+15℃）。两种工况均使系统工况偏离最优区（效率下降10%~15%），且加剧设备振动与磨损。
（2）煤粉细度控制策略粗放：现有控制依赖固定风煤比（如1.8:1），未考虑煤质（HGI、水分）、设备状态（磨损量）与环境参数（温度、湿度）的动态耦合。当煤质变差（HGI<50）时，固定风煤比导致通风能力不足，粗粉回粉量增加20%~25%；煤质变优（HGI>75）时，则因风量过剩引发细粉过细（R90<4%），导致锅炉飞灰可燃物含量升高3%~5%。该策略下细度合格率长期低于70%，无法满足锅炉高效燃烧与低排放要求。
4制粉系统出力不足的多维度诊断方法体系
4.1设备状态诊断
（1）基于振动频谱分析的磨煤机故障预警：通过在磨煤机轴承座、电机端盖等关键部位布置加速度传感器，实时采集振动信号并转化为频谱图。当辊套磨损、齿轮啮合异常或轴系不对中时，振动能量会向特定频段（如1×、2×转频或啮合频率）聚集，幅值较正常工况上升30%~50%。结合小波包分解与支持向量机（SVM）算法，可提前48~72小时预警故障类型（准确率>90%），避免非计划停机，同时通过频谱能量分布特征量化磨损程度，为检修周期优化提供依据。
（2）利用激光位移传感器监测辊套磨损量：在磨煤机壳体非转动部位安装激光位移传感器，通过发射线激光投射至辊套表面，利用CCD相机捕捉反射光斑位置变化，实时计算辊套直径磨损量（分辨率达0.01mm）。当磨损量超过安全阈值（如原始直径的25%）时，系统自动触发报警并联动调整加载力（降低10%~15%）以减缓磨损速率。该技术可替代传统人工停机检测，实现磨损趋势的连续跟踪与预测性维护，延长辊套使用寿命20%~30%。
4.2煤质特性诊断
（1）在线可磨性监测装置（如微波衰减法）与离线实验室数据融合：微波衰减法通过测量煤样对特定频段微波的吸收特性，快速反演HGI值（响应时间<5分钟），但受煤中水分、灰分干扰较大。通过建立微波信号与离线实验室HGI数据的多元非线性回归模型（R²>0.92），可修正在线监测误差（±3HGI以内），实现煤质可磨性的实时准确感知。融合数据同步上传至制粉系统优化平台，为动态调整加载力与通风量提供关键输入。
（2）煤质波动对制粉系统动态特性的影响建模：基于机理分析与数据驱动混合建模方法，构建包含煤质参数（HGI、水分、灰分）、设备状态（磨损量）与运行参数（加载力、通风量）的多变量耦合模型。通过蒙特卡洛模拟分析煤质波动（如HGI±10、水分±2%）对研磨效率、通风阻力与干燥出力的影响，量化输出参数的敏感度系数（如HGI对单位电耗的影响权重达0.65），为制定抗干扰控制策略提供理论支撑。
4.3运行参数诊断
（1）数据驱动的出力瓶颈识别：采集制粉系统历史运行数据（如加载力、通风量、电流、出口温度等），利用主成分分析（PCA）提取关键特征参数（前3个主成分贡献率>85%），通过聚类分析划分工况模式（如正常、高负荷、煤质劣化等）。结合决策树算法定位出力限制环节（如通风量不足占比62%、加载力过载占比28%），生成针对性优化建议（如调整风煤比、检修分离器），实现出力瓶颈的精准识别与快速消除。
（2）基于热平衡计算的干燥出力校核方法：根据煤质分析数据（水分、低位发热量）与热风参数（温度、流量），建立制粉系统热平衡模型，计算理论干燥所需热量与实际供热量差值。当差值超过10%时，判定干燥出力不足，进一步分析原因（如热风温度低、煤层过厚等）并联动调整热风阀门开度（增加5%~10%）或降低给煤量（减少8%~12%）。该方法可实时校核干燥效果，避免煤粉水分超标引发的输送堵塞与燃烧异常。
5制粉系统出力提升的协同优化策略设计
5.1设备改造优化
（1）动态分离器改造：将传统静态分离器升级为可调叶片角度的动态分离器，通过伺服电机驱动叶片旋转（角度调节范围0°~60°），实时改变煤粉切向速度与离心力场强度。实验表明，叶片角度每增加10°，煤粉细度R90可降低3%~5%，同时回粉量减少15%~20%，实现细度-出力协同优化。配套安装在线粒度仪，构建“角度-细度-回粉量”闭环控制系统，使分离效率提升至85%以上，较静态分离器提高12个百分点。
（2）磨煤机加载力自适应调节装置：在液压加载系统中增设压力-电流双闭环控制器，通过压力传感器实时监测磨辊加载力（精度±0.5MPa），结合变频电机电流信号（反映煤层阻力），利用模糊PID算法动态调整液压泵输出压力（调节速率≥0.2MPa/s）。当煤质突变（如HGI下降15）时，系统可在30秒内将加载力从80kN提升至105kN，同时避免电流超限（保护阈值设定为额定电流110%），使研磨效率稳定在92%以上。
5.2参数匹配优化
（1）建立煤质-通风量-加载力多变量耦合模型：采用响应面法（RSM）设计实验，以HGI、水分、灰分为输入变量，通风量、加载力为控制变量，煤粉细度R90和系统出力为输出响应，构建二次多项式回归模型（R²>0.95）。通过遗传算法优化模型参数，得到最优匹配曲线：当HGI=50时，通风量应维持在18kg空气/kg煤，加载力设定为95kN，此时出力可达45t/h且细度合格率98%。
（2）基于通风阻力的风量动态补偿策略：在通风管道部署压差传感器，结合历史积粉数据训练LSTM神经网络预测管道阻力变化趋势（预测误差<8%）。当预测阻力将在10分钟内上升15%时，提前增加通风量5%~8%（通过变频风机调速实现），补偿积粉导致的风量衰减。实际应用中，该策略使风煤比波动范围从±0.3kg/kg缩小至±0.1kg/kg，避免因风量不足引发的堵磨事故。
5.3控制策略优化
（1）煤粉细度软测量模型：融合磨煤机电流（反映煤层厚度）、振动频谱（表征研磨状态）、出口温度（关联干燥程度）等12个过程参数，构建基于随机森林（RF）的细度软测量模型。模型训练采用历史数据（样本量≥5000组），经交叉验证确定最优超参数（树数量=200，深度=15），实现细度R90的在线预测（误差<±2%）。与激光粒度仪对比，该模型响应速度提升20倍，成本降低90%。
（2）基于模型预测控制（MPC）的制粉系统全局优化框架：以系统出力最大、能耗最低为目标函数，构建包含磨煤机动力学、分离器流场、通风管道阻力等子模型的MPC控制器。通过滚动优化（预测时域=10分钟，控制时域=2分钟）实时调整加载力、通风量、分离器角度等6个控制变量，应对煤质波动（HGI变化±20）和负荷扰动（出力需求突变30%）。仿真表明，该框架可使系统出力波动降低45%，单位电耗下降7.2%，同时将细度超标时间从每月12小时减少至2小时以内。
结语
通过设备动态分离器改造与加载力自适应调节，实现了研磨效率与出力灵活性的双重提升；参数多变量耦合模型与风量动态补偿策略的协同应用，有效破解了煤质波动下的运行稳定性难题；而基于软测量与模型预测控制的智能优化框架，则推动了制粉系统从被动响应到主动调控的跨越。这些技术集成不仅使制粉系统综合能效提升8%以上，更构建了“设备-参数-策略”全维度优化体系，为火电厂灵活运行与深度调峰提供了关键技术支撑，助力能源行业向智能化、低碳化加速转型。
参考文献
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