火電廠中速磨煤機旋轉風環數值模擬研究

閆順林，滕 龍，劉志巍

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定071003)

0 引言

目前，由于大多電廠實行混煤摻燒，煤質變化較大，需要經常對給煤量及煤粉細度進行調節，因此正壓直吹式RP 型中速磨煤機制粉系統以其啟停快、調節靈活、占地小等特點在各大型火力發電廠中得到了廣泛應用。但是，由于RP 型磨煤機存在著諸如風環石子煤排量過大、刮板及一次風室襯板磨損較嚴重等問題，嚴重影響了磨煤機運行的安全性和經濟性［1～4］。隨后，人們研發出了裝配有旋轉風環的HP 型磨煤機，使得石子煤排量與RP 型磨煤機相比顯著降低，然而由于很難準確地獲得磨煤機內部流場數據，因此無法直觀地分析內部流場的改善情況。由此，提出了利用數值模擬的方法，對兩種磨煤機建立模型并進行數值模擬，研究兩者的內部流場數據，分析影響上述問題的關鍵因素。

1 工作原理

某電廠采用的一次風機正壓直吹式制粉系統中配用了6 臺帶有動態分離器的HP 型中速磨煤機。運行時，5 臺投入使用，1 臺備用。每臺磨煤機配有電子稱重式給煤機，它受燃燒控制系統管理，向磨煤機投入所需的燃煤，部分運行參數如表1 所示。

表1 HP 型中速磨煤機性能數據

HP 型磨煤機(如圖1)在底部結構上與RP型磨煤機相比增加了旋轉式動態風環裝置，旋轉方向為順時針方向(由磨盤正上方觀測)，可以有效地使風環和分離器體之間形成均勻分布的環形一次風，而且在一次風入口處增設了導流板，使得一次風在進入風室前更加平順［5～7］。

圖1 磨煤機結構示意圖

原煤由落煤管落入磨煤室后，在離心力作用下向磨碗邊緣方向滾動，在磨碗上形成煤床，原煤經研磨后滾動至風環上方，與一次風混合后形成風粉氣流旋轉而上，進入頂部分離器中進行粗粉分離。石子煤由于質量較大，一次風無法將其托起，故其受重力作用落入一次風室，隨后被刮板刮至排渣口排出。RP 型磨煤機由于石子煤排量較大，加大了排渣工作量，如果排渣不及時，還會造成一次風室入口堵塞，嚴重時需要停止運行，影響了磨煤機的穩定性和制粉效率［8，9］。

2 模擬過程

2.1 建立模型

利用前處理軟件GAMBIT 對兩種型號的磨煤機建立模型(如圖2)，為了提高模型的網格質量，將模型進行離散化處理，劃分網格后再拼接成整體，幾何結構規則的部分均采用網格質量較好的六面體網格，個別幾何結構較為復雜的部分采用四面體網格。最終，模型網格總數為125．7萬，aspect ratio 數最高為3．26 ＜5，equiangle skew數最高為0．82 ＜0．9，網格質量參數符合模型計算收斂的基本要求。

圖2 模型示意圖

2.2 參數設定

考慮到模型內部的流場存在高曲率流線及漩流的特點，選取Euler 坐標系下的k-epsilon/RNG計算模型，該模型考慮了湍流渦的存在，提高了計算精度，在計算旋轉流體時有較好的表現。水力半徑選取1．203，湍流強度為10%。

k-epsilon/RNG 模型中主要方程:

連續性方程:

動量方程:

湍動能方程k:

湍動能耗散率方程ε:

根據磨煤機運行參數，入口風速設為23．14 m/s，旋轉風環的轉速為2．9 rad/s，一次風密度設定為1．072 kg/m3［10，11］。

2.3 網格無關性驗證

為排除由于網格因素導致的結果誤差，以HP型磨煤機模型為例，對模型進行網格加密處理，取風環出口平均風速作為對比數據，進行網格無關性驗證。

網格加密后，網格數分別為125．7 萬、204．5萬、346．9 萬。由圖3 可知，3 種網格的出口平均速度之間的差值均在5% 內，模型達到了網格無關。

3 結果及分析

3.1 風室內部流線分析

通過觀測內部流線圖可以直觀地查看磨煤機內部的流場狀態。如圖4(a)中，可以清晰地看到風環內部存在漩渦，磨煤機運行時，漩渦的存在會造成漩渦損失，而且漩渦氣流中會夾雜一些顆粒，加速風環葉片的磨損，嚴重時會出現葉片磨穿現象，縮短了風環的使用壽命。而圖4(b)中，由于采用了旋轉風環，風環內的一次風變得更加均勻，漩渦區減少，一次風可以更平順地從風環噴嘴中噴出。同時，加強了氣流與煤粉的混合強度，有利于一次風對煤粉的干燥。

圖3 網格無關性驗證圖

圖4 內部流線圖

3.2 風環風速分析

在一次風室中風環內截面積最小，所以風室內的最大風速度處在風環內。由于各風環口面積相等，所以各出口風量與各風環口風速成正比。

圖5 中，由于各風環噴嘴口與一次風入口距離各不相同，所以遠離一次風入口位置的風環噴嘴風速低，風量小;靠近一次風入口位置的風環噴嘴風速高，風量大，由此造成了各風環噴嘴口風量不均勻，這是導致石子煤排量過大的主要因素。如果風環處噴嘴口風量小，流速低，則一次風不能攜帶較大顆粒煤粉向上進入分離器，導致該區域石子煤排量較大。

圖5 RP 磨煤機風環出口速度矢量圖

圖6 中，各風環出口風速受旋轉風環的影響，出口風速趨于均勻，而且最大風速由RP 型磨煤機的36．2 m/s 提升到了42．5 m/s，升幅達到17．4%，驗證了旋轉風環對一次風有加強作用的結論。實際運行中，在給煤量為46．8 t/h 的工況下，RP 型磨煤機石子煤排量為198．4 kg/h，而HP 型磨煤機石子煤排量僅為21．8 kg/h，有效地改善了石子煤排量較大的問題。

圖6 HP 磨煤機風環出口速度矢量圖

3.3 流通阻力分析

為了探究旋轉風環對流通阻力的影響，利用fluent 導出模型一次風入口總壓、風環出口截面總壓，兩者之差即為流通阻力。由于風環旋轉過程中對一次風起到推動的作用，等同于對模型內一次風做功，且流場均勻也有助于降低阻力損失。RP 磨煤機中進出口壓差為435．7 Pa，HP 磨煤機中進出口壓差為414．3 Pa，流通阻力降低了4．9%，故選用旋轉風環有利于降低風機功耗，所以采用旋轉風環對降低磨煤機單耗具有一定的現實意義。

4 結論

(1)磨煤機采用旋轉風環后，內部流場流線更加規整，風環內的漩渦區減少，降低了風室內的漩渦損失，而且各噴嘴風速趨于均勻。根據實際運行數據，在相同給煤量的情況下，RP 型磨煤機石子煤排量為198．4 kg/h，HP 型磨煤機石子煤排量為21．8 kg/h，有效地改善了石子煤排量較大的問題，驗證了部分噴嘴口風速較低是磨煤機石子煤增大的主要因素，為以后的磨煤機風環設計提供了結構優化方向。

(2)磨煤機采用旋轉風環后，風環噴嘴風速升幅達到17．4%，流通阻力由435．7 Pa 降為414．3 Pa，降幅為4．9%，說明了HP 型磨煤機旋轉風環可以有效地降低流通阻力，提高風環噴嘴風速，改善磨煤機的風粉混合情況;同時，提高了對煤粉的干燥效率。因此磨煤機的效率得到了進一步的提升。

(3)通過上述分析，HP 型磨煤機由于采用了旋轉風環設計，石子煤排量大大降低，風環噴嘴及一次風室內部的磨損情況得到改善，提高了磨煤機的工作效率及設備的穩定性。

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