一種多級慣性煤粉濃縮器的結構優化

張亞青， 李 娜， 周屈蘭， 田明泉， 沈吉兆

（1.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，西安710049；2.西安航空學院 動力工程系，西安710077；3.新疆澤普石油基地塔西南電力工程部，喀什844808；4.揚州晨光特種設備有限公司，揚州225800）

煤粉濃淡燃燒技術因具有高效、穩燃和防污染等特點，在電站鍋爐中得到了廣泛應用.煤粉濃淡燃燒技術的關鍵是研究和開發合適的煤粉濃縮器［1－3］.目前，對濃縮器的研究主要集中在濃淡比、濃淡風比和阻力系數等方面，針對某一特定的濃縮器結構，有關各個因素在什么位置和尺寸下濃縮器達到的效果最好以及各個影響濃縮效果因素的優劣排序等方面的研究相對偏少［4－6］.由于濃縮器結構中可變化的參數種類很多，若要全面研究各個因素在不同組合下濃淡分離效果的優劣，工作量極大，因此有必要采用一種以簡代繁的方法.

正交試驗設計是一種針對多因素并按照一定規律分別安排多因素組合的試驗，其目的是找到最優水平組合的高效率試驗設計方法［7］，其基本特點是：用部分試驗代替全面試驗，并通過對部分試驗結果的分析，了解全面的試驗情況.在文獻［8］中，筆者在綜合考慮各方面因素的基礎上，設計了一種新型煤粉濃縮器.這種煤粉濃縮器具有優良的空氣動力場特性和較高的濃淡比，同時結合冷態模化試驗，研究了濃縮器在不同工況下的工作效果.由于濃縮器各構件的位置和大小均是根據經驗確定的，因此有必要系統研究濃縮器結構中各因素的優化組合，以便獲得最佳的濃淡比.

筆者以一種多級慣性煤粉濃縮器為研究對象，通過正交試驗設計與數值模擬相結合的方法，對濃縮器進行結構優化，并采用數值模擬方法獲得了各種組合對應的濃淡比大小，進而由極差分析法確定最終的優化組合以及每個因素重要程度的排序.

1 煤粉濃縮器結構

圖1為多級慣性煤粉濃縮器結構示意圖.多級慣性煤粉濃縮器以擋塊結構為基礎，應用的是離心分離和撞擊分離原理，其結構主體部分為1個旋轉圓筒，主要起離心作用；在旋轉圓筒內部安裝的主要部件包括2個擋塊、1個分流擋板和雙齒形環，同時在其主體的四周部分采用了內凹結構設計.2個擋塊分為前后2級布置，前級擋塊和后級擋塊間有一定的遮擋，同時在后級擋塊與分流擋板間也設置了遮擋.齒形環安裝在濃縮器出口處的分流擋板附近，擋塊和擋板的大小和位置均由經驗確定（以下簡稱經驗結構）.由于離心力和慣性力的作用，煤粉氣流呈現外濃內淡的分離效果［8］.

圖1 多級煤粉濃縮器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of the multistage pulverized coal concentrator

2 濃淡分離試驗

在文獻［8］中，結合所設計制造的旋流燃燒平臺，對煤粉濃縮器經驗結構進行了試驗研究，包括空氣動力場和兩相流場測量.對于空氣動力場，主要對回流區變化特性進行研究，而對于兩相流，則對濃淡比隨風速、截面關系以及絕對濃度的變化進行了測量.在試驗中，濃縮器的濃淡比由顆粒捕集法確定，把真空泵、流量計、濾筒和取樣槍進行連接，并在一定時間內分別在濃縮器出口的內外側捕集煤粉顆粒，濃縮器的濃淡比等于分別從其出口外側和內側搜集到的煤粉顆粒質量之比.

圖2為經驗結構濃淡比模擬值與試驗值的比較.筆者根據RNG k－ε模型，對經驗結構的煤粉濃淡比進行數值模擬，并與測量結果進行比較后發現，兩者的變化規律一致.在模擬計算中，擋塊對氣流的阻力小于實際測量值，且濃縮器內壁的阻力也小于試驗值，導致濃淡比的模擬值略大于試驗值.總之，數值模擬能正確反映煤粉濃淡比的變化規律，可以作為代替試驗研究的有效手段.

圖2 經驗結構濃淡比模擬值與試驗結果的比較Fig.2 Comparison of rich／lean ratio between simulated results and experimental data

3 濃縮器優化

3.1 試驗設計

為了深入研究濃縮器內部結構對煤粉濃淡比的影響，采用正交試驗進一步研究了不同因素組合變化時濃縮器工作性能的變化.在正交試驗中，需要確定試驗具體因素，所采用的煤粉濃縮器正交試驗的結構參數見圖3.在圖3中，h1為初級擋塊高度，h2為次級擋塊高度，h3為外凸結構高度，l為次級擋塊到分流擋板前端的距離，α為初級和次級擋塊傾角，2級擋塊角度相同.在確定各個因素之后，需要選取每個因素的水平，即確定特定因素的具體取值.表1為煤粉濃縮器因素水平表.在表1中，每個因素均包含了4種取值.根據五因素四水平正交表，可以獲得需要計算的16種組合，然后根據正交試驗數值模擬不同結構參數下濃縮器的濃淡比，結果見表2.

圖3 煤粉濃縮器正交試驗的結構參數Fig.3 Structural parameters of the coal concentrator for orthogonal experiment

表1 正交試驗中結構參數的設置Tab.1 Settings of structural parameters in orthogonal experiment

表2 煤粉濃縮器濃淡比的模擬結果Tab.2 Simulated results of the rich／lean ratio for pulverized coal concentrator

3.2 試驗結果

根據煤粉濃縮器16種組合的模擬結果，采用極差分析法獲得了煤粉濃縮器的最終正交試驗結果（表3）.在表3中，Ki（i＝1，2，3，4）為各因素i水平所對應的濃淡比之和，ki（i＝1，2，3，4）為Ki的平均值，min ki和max ki分別為各因素ki的最小值和最大值.最終得到的優化組合為A1B1C1D2E1，因素主次順序為B＞D＞C＞E＞A，各因素對濃淡比影響大小的排序依次為：次級擋塊高度＞次級擋塊到分流擋板距離＞外凸結構高度＞擋塊傾角＞初級擋塊高度.因此，對于煤粉濃縮器，次級擋塊高度的影響最大.

表3 煤粉濃縮器的正交試驗結果Tab.3 Results of the orthogonal experiment

3.3 優化結構

正交試驗得到的濃縮器優化結構（優化組合A1B1C1D2E1所對應的結構）并不包含在所涉及的16種方案中.為了檢驗正交設計的結果，再次用數值模擬方法計算優化結構的濃淡比大小.圖4為經驗結構與優化結構的濃淡比結果比較.在常見的風速范圍內，與經驗結構的濃淡比相比，優化結構的濃淡比均明顯提高.當風速為20m／s時，優化結構的濃淡比可以達到5以上.

圖4 經驗結構與優化結構的濃淡比結果比較Fig.4 Comparison of the rich／lean ratio between empirical and optimized structure

筆者主要研究濃淡比對煤粉濃縮器工作效果的影響.除此之外，在設計煤粉濃縮器時，也考慮了進出口壓降、擋塊和分流擋板磨損以及濃淡風比等因素.在一次風速為20m／s時，16種煤粉濃縮器正交結構方案的進出口壓降見表4.從表4可知：不同結構間的差異較小，不會給煤粉濃縮器濃淡分離產生較大的影響，但是擋塊和分流擋板的磨損會降低濃淡分離的效果.通過采用“分級抗磨”或復合材料等方法能夠提高擋塊和分流擋板的耐磨性，從而延長煤粉濃縮器的使用壽命.濃淡風比越均勻，對濃縮器出口處的燃燒越有益.今后應繼續深入研究上述因素對煤粉濃縮器結構和工作性能的綜合影響.

表4 16種正交結構煤粉濃縮器的進出口壓降Tab.4 Pressure drop of sixteen different coal concentrators Pa

4 結 論

采用數值模擬方法對一種多級慣性煤粉濃縮器的濃淡比進行了模擬，模擬值與冷態試驗測量數據基本一致，驗證了模擬結果的正確性和可靠性.利用正交試驗的方法對煤粉濃縮器結構進行了優化設計，獲得了煤粉濃縮器的最優組合以及不同因素對煤粉濃縮器工作效果影響的優劣排序.多級慣性煤粉濃縮器的結構優化結果表明，優化結構濃淡比的模擬值好于經驗結構.正交設計提供了煤粉濃縮器結構優化的有效方法，有效補充了試驗數據，為采用試驗方法對煤粉濃縮器的結構進行深入研究奠定了基礎.致謝：本文的試驗和研究還得到了江蘇省揚州特種設備有限公司和江蘇省“雙創”人才計劃項目以及揚州市“綠楊金鳳”人才計劃項目的資助，特此致謝.

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