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1、全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 663 电厂除灰系统 NG30 型浓缩机改进 房继忠 李晓玲 （中国电力姚孟发电有限责任公司） 【摘 要】姚孟发电公司14 锅炉除渣除灰系统， 分别于 1985 年相继在水力除灰系统上安装投运六台 NG30 型灰浆浓缩机，将火力发电厂正常运行时燃烧所产生的灰浆（每台炉设计总排灰量 106t/h，排渣量 19.3t/h） 。采用 水力清除方式送到除灰系统进行灰渣脱水分离、灰浆浓缩（灰浆浓度：33%重量浓度） 、回水回收、浓浆输送等工序 后送至灰场。 该系统 1985 年投运以来，由于除灰系统中浓缩机多次出现因浓缩机中心
2、筒轴承脱轨，行走部分一、二级齿轮磨 损、拖轮磨损等引起浓缩机停运导致除灰系统瘫痪的恶性事故的发生。直接造成影响机组的安全、稳定运行。 在这种情况下，为了保证#14 机组的正常输灰，解决浓缩机故障率高，检修频繁、备件消耗量大，运行不稳定 等问题，为此对除灰系统中的浓缩机传动部分、中心筒轴承部分进行改造，经几年设备运行效果良好，为火力发电 同类型机组的浓缩机设备改进时作为参考借鉴。 【关键词】浓缩机 除灰 浓度 中心筒轴承 行走部分 1 NG30 浓缩机基本情况概述 姚孟发电公司除灰系统中安装有 6 台 NG30 型浓缩机，四台为双臂驱动，两台为单臂驱动，自 1985 年投入使用。因该设备原为仿造
3、前苏联设计产品，主要是用于黑色金属、有色金属、非金属选 矿厂的精矿浓缩及矿山的尾矿脱水处理，后来被电厂用于灰浆灰水分离处理，适用于高浓度灰浆系 统。 技术规范： 浓缩池直径：30m 浓缩池深度： 3.97m 沉淀面积：707m 2 耙架每转一周时间：16 分钟 处理能力：1570t/日 电机功率：7.5kw 转速：960r/min DN30 型浓缩机工作原理： 灰浆来自火力发电厂锅炉燃烧后经电除尘器、捞渣机收集后由水力输送至除灰系统。灰浆由来 浆管道经中心筒均流孔流入浓缩池。较粗的灰浆颗粒沉入池底，较细的灰浆颗粒随溢流水向四周扩 散，边扩散边沉降，在池底形成锥形浓缩层，极细颗粒随溢流水溢出。沉
4、淀的灰浆颗粒被爬架的爬 齿刮集到池中心，由泵抽出。已澄清的灰水则由溢流槽溢出，完成浓缩的全过程。经过十几年的运 行，暴露出了不少存在的问题，如传动部件多，检修频繁，易损件磨损严重，检修工人劳动强度大， 维修费用高等。 1）中心轴承： NG30 型浓缩机选用的球轴承因原结构设计上有严重缺陷，不能承受径向力。当 浓缩机作业，刮板刮灰所产生的径向力通过桁架、回转支座作用于中心轴承时，易造成轴承上轴圈 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 664 位移，使钢球脱出轨道，进而造成中心回转定位不准、偏移。 2）固定支座和回转支座：两支座均为铸铁件，强度有限，损坏后无
5、法修复，单件重量太大，回 转支座达 3.7 吨，这样大修更换轴承时起吊非常困难，采用 45 吨汽车吊，单件已超过起吊负荷，检 修中危险性较大。 3）润滑与密封：原轴承采用干油润滑系统，只能在大修或更换轴承时加注润滑脂，平时加油十 分困难。由于原设计未采用有效的密封方法，灰水、雨水经常进入轴承及回转部分，而又无法排出， 使轴承完全丧失润滑功能，造成故障。 4）开式传动行走机构：原周边驱动装置采用电机减速机开式齿轮行走轮轨道。开式齿 轮噪音大，易损件多，日常维护、检修工作量大，每年更换备件多等。如在露天情况下，灰尘、漂 珠很容易贴在开式齿轮润滑脂上，因漂珠很硬，进而变成了研磨剂，造成开式齿轮经常损
6、坏。由于 中心回转定位问题，也常常发生行走脱轨事件。 5）集电装置：因中心回转有时产生位移，可造成集电装置电刷偏移，造成停机故障。 2 改造要求 鉴于原 NG30 型浓缩机在运行过程中存在许多问题， 必须对其进行技术改造， 提出设计要求如下： 1）中心轴承：要求可承受一定的径向负荷，并提高其同轴回转性，增加轴承的承载能力和运行 稳定性。 2）固定支座和回转支座：在保证整机强度和刚度的要求前提下，采用铸钢件与钢结构件整体焊 接成形，这样即减少单件重量，又方便安装与以后维修。 3）润滑与密封：增设密封装置和排水孔道，解决轴承易进水及进水后不易排出的问题；改善润 滑条件，增加润滑的可靠性。 4）传动
7、机构：取消开式齿轮，尽量采用标准件，驱动力满足实际要求，并增设过载保护装置。 3 浓缩机改造方案设计 3.1 中心回转机构 设计改造结构图如下： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 665 DN30 型浓缩机简图 1.轴承；2.轴；3.防雨罩；4.支撑套环；5.交换套环；6.固定支座；7.中心筒旋转部分；8.油杯；9.挡水板 3.1.1 中心轴承 （1）原则：因是改造项目，轴承选型必须遵循以下原则：悬挂耙架的两个支撑点之间的距离尺 寸不能改变，原中心回转支座的外径结构尺寸不能改变，新、旧轴承直径应基本一致。 （2）轴承参数选取 因原轴承结构设计不合理，
8、当受一定的径向力时，钢球易被挤出滚道；考虑其实际工况和轴承 加工工艺，设计深沟平底推力球轴承。 旧轴承参数：中径 D0=2480mm，外径 D=2550mm，内径 d=2410mm，厚度 H=86mm，钢球公称直径 dw=32mm，滚道深度 h=3mm。 新轴承参数确定：根据结构限制，选取中径 D0=2460mm，外径 D=2550mm，内径 d=2370mm，厚度 H=120mm，钢球公称直径 dw=50mm，滚道深度 h=10mm。 （3）轴承结构设计 轴承结构图如下： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 666 推力球轴承设计中，接触角是一个很重
9、要的参数之一，要求接触角在 4560范围内，这样 才可以承受径向载荷，小于 45时不宜承受径向负荷。这类轴承所能承受径向负荷的大小取决于接 触角的大小，一般来说，接触角越大，其承受径向负荷的能力就越大。 计算钢球与轴圈的接触角： = cos-1(dw-2h)/dw 将新旧轴承参数代入上式中，得： 旧轴承： = cos-1(32-23)/32 = 35 新设计轴承： = cos-1(50-210)/50 = 52 结果见下表： 钢球直径 dw mm 50 32 滚道深度 h mm 10 3 滚道圆弧半径 R mm 26.25 16.8 接触角 052 035 由计算可知：原轴承中钢球与轴圈的接触
10、角45，因此不能承受径向力。新设计轴承中， 接触角= 5245，能满足设计要求。 较大的接触角，使钢球与滚道的接触弧长度增加，轴承可承受较大的径向负荷，并有效地防止 钢球脱出滚道。 新轴承 原轴承 （4）校验中心轴承的轴向负荷 平底推力球轴承适用于转速不高的地方，为了确保轴承运转时，防止因离心作用而在钢球和滚 道之间产生有害的滑移，轴承必须施加一定的最小轴向负荷 Famin，也就是说，轴承所支撑的机件 重量即外载荷 F 必须大于所需的最小轴向载荷，即轴承需满足以下条件： FaminF 1）计算中心轴承的最小轴向负荷 Famin 中心轴承的最小轴向负荷 Famin 按下式计算： Famin A（
11、n/1000）2 kN 式中： A最小负荷常数，取 A=1000 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 667 n轴承工作转速（r/min） 已知： 电机转速 no=1440 r/min 减速机 i=731 行走轮直径 d=900 mm 轨道直径 D=30400mm 轴承工作转速 n=耙架工作转速=(no/i)d(d)-1 =(1440/731)900(30400)-1 =0.05856 r/min 轴承所受最小轴向负荷 Famin Famin =1000(0.0585610-3)2=3.42910-6 kN=3.42910-3N 2）计算中心轴承实际载
12、荷 F 中心轴承载荷因素包括耙架、副耙、底耙、回转支座、周边驱动装置等。下面对上述载荷因素 作用在中心轴承上的轴向载荷 F 逐项进行受力计算： a、耙架 耙架重量（W1=7202kg）根据结构尺寸，载荷分布如图： 已知：W1= 1/2ql=7202kg 耙架重量作用在中心轴承上的载荷 F1： F1 = 1/3ql =2/3W1 = 2/37202 = 4801 kg b、副耙 双耙驱动改造为单耙驱动，无驱动端耙架在离中心 1/3 处截断，将其改为副耙。副耙重量为： W2=5/9W1=4001 kg 设副耙为均布载荷(mq=4001kgm)，其重量作用在中心轴承上的轴向载荷 F2： F2 = 1
13、/2 q1/3l(2+1/3) = 1/240011/3(2+1/3) =1556 kg c、底耙 底耙的重量（W3=1738kg）全部作用在中心轴承上，即轴向载荷 F3： F3 = 1738 kg 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 668 d、回转支座 回转支座的重量（W4=3895kg）全部作用在中心轴承上，即轴向载荷 F4： F4 = 3895 kg e、周边驱动装置 周边驱动装置的重量全部作用在周边轨道上，即轴向载荷 F5： F5 = 0 f、中心轴承所承受的轴向总载荷 F F = F1 + F2 + F3 + F4 + F5 = 4801+
14、1556+1738+3895+0 = 11990 kg = 1.199105 N 3）比较轴承最小轴向载荷 Famin 与实际轴向载荷 F 因 Famin F ，即中心轴承所承受的轴向负荷能够满足其最小轴向负荷的要求，满足设计 条件。 （5）计算钢球的承载能力 P 由经验公式： P = foZdw2Sin 式中：fo球轴承系数，取 fo = 61.6 Z钢球个数，Z = 150 dw钢球直径，dw = 50mm 接触角，=52 P = 61.6150502Sin52 =1.82107N 比较 P 与中心轴承支撑的机体重量 F，PF，说明钢球的承载能力能够满足轴承的要求。 （6）轴承材料与加工工
15、艺 原轴承材料为 ZG65Mn，因铸件缺陷在加工滚道时，易出现砂眼、气孔，对砂眼、气孔出现补焊 后不易处理，轴承滚道上常会留有砂眼、气孔或焊疤，这些都直接影响滚道的表面粗糙度及精度。 另外，滚道精加工后采用火焰淬火进行表面处理，其淬透性及淬匀性自然较差，又进一步影响了滚 道的耐磨性，影响轴承寿命。 新设计轴承材料采用 50Mn 锻件。锻件强度好，不易有缺陷，加工后采用中频淬火，淬火深度可 达 57mm，且淬火均匀性好。淬火后的滚道采用磨削加工，其表面粗糙度及精度均大大好于未磨削 的轴承，大大提高了轴承寿命。 3.1.2 固定支座和回转支座 原固定支座和回转支座均采用铸铁件，单件重量大，且强度低
16、，运行时常常发生回转支座内侧 定位圈被撞碎掉下的现象，因是铸铁件而又无法进行修复。 新设计支座采用铸钢件及钢结构件。在固定支座进水口处采用了耐磨的铸钢件，以提高其使用 寿命，其余采用了钢结构件，每件的强度及刚度都大大提高，这样在保证其强度及刚度的前提下， 又减轻了单件的重量，方便安装与维修。如固定支座重量由 2.7 吨减到 1.7 吨，回转支座重量由 3.7 吨减到 2.2 吨。考虑到中心轴承在工作状态下应有一定的轴向负荷，增设 4 块配重，每块 150kg， 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 669 均匀分布在回转支座无悬挂耙架的两侧，不仅保证了回
17、转支座起吊重量不致过重，而且使中心轴承 受力比较均匀。 3.1.3 润滑 原中心回转机构中只有干油润滑方式，为了使润滑更可靠，新设计中我们增加了一套稀油润滑 系统，采用干、稀油混合润滑方式，改善润滑条件，增加润滑的可靠性，适应轴承低速运转状态。 设备安装时，加一次干油，在运行期间，主要靠稀油润滑，但还设置有干油加油杯以备用。 稀油润滑采用了 8 升稀油杯，定期（每月一次）加稀油到稀油杯中，油杯中设有调节装置，可 调整使加油量由每分钟几滴到几十滴，加注的稀油顺加油孔流入中心轴承，保存在 10mm 深的轴承下 滚道内，不间断的润滑钢球，下次多加的稀油，会顺轴承外侧流走，并带走一部分污物。 3.1.
18、4 防水、排水和密封 （1）防水、排水 原中心回转机构中，为了减轻重量，在固定支座上开有 6 个扇形孔，而后用盖板盖住，螺栓连 接。因是铸铁件，周边未加工，盖板无法盖紧，造成灰水从缝隙中上翻，日积月累，灰水会进入中 心轴承。另外，原交换套筒处没设防雨罩，下雨时，雨水大量进入，而又无法排出，进而进入轴承， 影响轴承润滑，造成轴承损坏。 改造设计中充分考虑了原结构存在的问题，采取了以下措施： （1）在交换套筒处安装防雨罩， 使雨水无法进入固定支座； （2）因这次采用钢结构件，所以，为减轻重量开的孔，又用 3mm 钢板将 孔封死，池内灰水与轴承完全隔离，使灰水不能进入固定支座； （3）在固定支座周围
19、预留 6 个 24 40 的排水孔，使可能进入的极少量雨水及时得到排出。 （2）密封 为了防止灰水进入中心轴承，在回转支座下深定位处，增加一道耐磨的碳素盘根（1414） ，起 到一定的密封作用，防止灰尘进入轴承。 3.2 周边驱动装置 取消了原开式齿轮、轨道、钢轮等传动系统，采用以飞机橡胶机轮作为驱动轮的驱动装置。 3.2.1 传动系统图： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 670 1、机轮 2、轴承座 3、联轴器 4、底座 5、减速机 6、液力偶合器 7、电动机 3.2.2 传动方案特点 （1）简单、运行可靠。大量采用标准件，寿命长，易损件少，大大
20、提高了运行可靠性。 （2）过载能力强。由于采用了液力偶合器，使传动平稳，过载能力大。它具有柔性传动、自动 适应、减轻冲击、隔离扭振、轻载启动、过载保护等功能。保护电动机、减速机等机械不受损坏。 （3）运行噪音小、平稳，磨损小。 3.2.3 计算 （1）机轮 1）计算机轮承载力 F 机轮载荷因素主要包括耙架、副耙、周边驱动装置等。下面对上述载荷因素作用在机轮上的径 向载荷 F 逐项进行受力计算： a. 耙架 耙架重量（W1=7202 kg）载荷分布如图： 已知：W1= 1/2ql=7202kg 耙架重量作用在机轮上的载荷为： F1 = 1/6ql =1/3W1 =1/37202 = 2400.7
21、kg b. 副耙 设副耙为均布载荷(W2=4001kgm)，其重量作用在机轮上的轴向载荷 F2： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 671 F2= 1/2q(1/3l)21/l =1/18ql =1/184001 = 222 kg c. 周边驱动装置 周边驱动装置重量（W3=2000kg）全部作用在机轮上，即周边驱动装置重量作用在机轮上的载荷 F3： F3= 2000 kg d. 机轮所受径向总载荷 F F = F1F2F3 = 2400.72222400 = 4578.7 kg = 4.5787T 2）机轮的选取 根据计算结果，并参考中华人民共和国
22、军用标准 GJB68489军用航空轮胎系列样本性能参 数，选取 900300 纵沟轮胎。其主要性能参数为： 名 称 单 位 数 值 备 注 额定载荷 T 4.7 在 258 km/h 速度时 充气压力 kg 6.0 爆破压力 kg 23 根据中华人民共和国军用标准 GJB68389军用航空轮胎 ，当轮胎被用于直升飞机时，额定 载荷、充气压力均可增加 1.5 倍。此时轮胎性能参数为： 名 称 单 位 数 值 额定载荷 T 7.05 充气压力 kg 9.0 爆破压力 kg 23 由于 7.05TF = 4.5787T，故选用 900300 纵沟轮胎完全能满足使用要求。 （2）电动机、减速机的选取
23、原浓缩机主要技术性能参数见下表： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 672 项 目 单 位 参 数 爬架每转时间 min 16 型号 NGW102 减速机 速比 112 型号 YZR160L 功率 kW 7.52 电动机 转速 r/min 960 考虑到浓缩机为室外运行，选取防护等级 IP55 的防水、防尘电机，电机型号为： Y132M4 ，功率：7.5kW , 转速：n=1440 r/min 假设耙架转速不变，计算减速机速比： i= d/Dtn 式中：d机轮直径 m，d=0.887m（充气后尺寸） D滚道直径 m，D=30.4m t耙架每转时间 m
24、in，t=16min n电机转速 r/min，n=1440 r/min i= 0.887/30.4161440 = 672 因原浓缩机主要用于尾矿处理，尾矿比重大于粉煤灰比重，粉煤灰沉淀速度小于尾矿，所以， 新设计周边驱动转速可略小于原浓缩机转速。 选取减速机速比： i= 731 由于行星摆线针轮减速机具有传动比大、传动效率高、体积小、重量轻，且故障少、寿命长、 运转可靠平稳等特点，查看样本，选取型号为： XWE106731 计算此时耙架每转时间： t = 1/(dn)Di =1/(0.8871440)30.4731 =17.4 min 新改造设计浓缩机主要技术性能参数见下表： 项 目 单 位
25、 参 数 耙架每转时间 min 17.4 型号 XWE106731 减速机 速比 731 型号 Y132M4 功率 kW 7.5 电动机 转速 r/min 1440 （3）液力偶合器的选取 根据电动机功率 P=7.5kW ，查看大连液力偶合器厂样本，液力偶合器选取型号为： YOX280A 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 673 主要参数：输入转速：1500 r/min 传递功率： 4.58.7kW 过载系数：2.5 符合设计要求。 （4）传动轴、轴承设计 根据类比法，参照减速机输出轴参数110mm，选取： 传动轴直径为：110mm 根据使用工况，选
26、用 GB28887 调心滚子轴承。 轴承型号为：53522 其径向基本额定动负荷为：Cr=360kN=36000kg 因机轮所受载荷： F=4578.7kg 故： CrF 满足设计要求 3.3 耙架 姚孟发电公司原 6 台 DN30 型浓缩机中，有 2 台单边驱动和 4 台双边驱动，从运行情况看，单驱 动浓缩机工作状态比较好，能满足实际工作要求，且故障少于双驱动浓缩机。双驱动浓缩机因两个 驱动装置不可能达到完全同步，往往出现一边拖着另一边走的情况，不可避免地产生开式传动机构 干涉现象，造成开式齿轮和行走轮磨损和损坏，使检修工作量增加。这次改造时，我厂把双驱动都 改成了单驱动，既节省了改造费用，
27、又提高了设备运行的可靠性，大大减少了检修工作量。 4 浓缩机改造后使用情况 4.1 安装方便 新设计的浓缩机中心回转机构中，两支座重量均减轻 1 吨以上，最大单件由 3.2 吨减到 2.2 吨， 因此，在吊装时用 45 吨汽车起重机安装十分方便。 4.2 运行平稳、无噪音 中心回转机构采用新设计的轴承，并加注稀油，润滑条件良好，运行阻力小、平稳。 周边驱动装置采用轮胎传动，无噪音，完全消除了以前开式齿轮、钢轮、钢轨道运行时的噪音。 4.3 运行费用低 运行阻力小，效率提高。电动机运行电流由以前双臂双电机驱动（27.5kW）28A 左右，降低 到单臂单电机驱动（7.5kW）的 68A，节电效果十
28、分明显，且运行时电流平稳，无波动。 （可计算 实际节电数值，写入以增加说服力。 ） 4.4 检修、维修量少 改造后的浓缩机运行可靠性提高，无故障工作时间长。我们第一、第二台浓缩机安装 4 年，基 本上未出现故障，检修工作量减少了 95%以上。改造前，大家担心轮胎气压问题，但以实际运行情 况看，轮胎充气一次可使用 2 年左右。 4.5 维修费用低 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 节能与环保 674 改造后浓缩机投入运行后，维修备件大大减少。从使用 4 年情况看，轮胎磨损轻微，一条外胎 使用 5 年以上没问题，这样，5 年内不用更换任何备件。如果需要更换一条外胎，
29、仅需人民币 2000 元。 新、旧浓缩机维护量、备件量见下表： 原浓缩机 名称 维护周期 （月） 备件 （月） 新浓缩机 名称 维护周期 （月） 备件 （月） 中心轴承 6 12 中心轴承 12 48 电 机 12 36 电 机 12 48 减速机 3 12 减速机 6 36 开式齿轮 3 12 液力偶合器 12 36 行走轮 3 12 橡胶轮胎 24 48 轨 道 6 12 轨 道 不需要维护 5 结束语 针对除灰系统中 DN30 型浓缩机运行过程中存在的问题，结合除灰的实际检修经验与教训，对其 中心回转机构及周边驱动装置进行的技术改造，经过冬季严寒和夏季酷暑的考验，设备运行良好， 性能稳定
30、，各项性能指标均符合技术要求，其突出的优点给我公司运行、检修工作均带来较大方便， 从而解决了原浓缩机长期困扰分厂的诸多问题，如：传动部件多，检修频繁，易损件磨损严重，检 修人员劳动强度大，维修费用高等，具有明显的经济效益和社会效益。 参考文献： 1机械设计手册 ，化学工业出版社。 2LYC 滚动轴承 ，洛阳轴承厂编制。 3轴承手册 ，石油工业出版社。 4滚动轴承计算 ，高等教育出版社。 5限矩型液力偶合器使用说明书 ，大连液力偶合器厂。 6行星摆线针轮减速机样本，天津减速机总厂。 作者简介： 房继忠： 从事发电厂锅炉除灰专业技术管理工作。 年龄 41 岁 性别：男 职务：专责工程师 职称：工程师 通讯地址：河南省平顶山姚孟发电公司生产技术部 电话：0375-4932172 E-mail : 邮编：467031 李晓玲： 从事发电厂机械起重工作。 年龄 38 岁 性别：女 职称：助理工程师 通讯地址：河南省平顶山姚孟工程公司起重班 电话：0375-4932972 E-mail : 邮编：467031