基于物料測試和DEM- CFD仿真的輸煤轉運系統(tǒng)結構設計定型方法

摘要：針對輸煤轉運系統(tǒng)結構設計定型方法以物料測試為基礎，通過離散元方法（DEM）仿真模擬以及離散元方法（DEM）——計算流體動力學（CFD）耦合仿真模擬，在設備被加工制造之前對輸煤轉運系統(tǒng)的結構進行了系統(tǒng)性能分析，對設計方案的性能進行了驗證，以幫助設計師尋找設備的潛在問題，最終確定最佳設計方案。

關鍵詞：輸煤轉運系統(tǒng);溜槽;DEM- CFD仿真;EDEM軟件;Fluent軟件

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0213-05

1 引言

輸煤轉運系統(tǒng)中存在的問題基本上是結構設計缺陷造成的。傳統(tǒng)設計中，轉運系統(tǒng)的設備如頭部漏斗、溜槽和導料槽等是根據(jù)《DTⅡ型固定式帶式輸送機設計選用手冊》進行選型，除塵器的設備選型根據(jù)經驗公式計算確認。傳統(tǒng)轉運系統(tǒng)設計不考慮輸送介質特性、物料拋出軌跡，在皮帶機卸載點扔出不可控制的物料流并任由其以散開狀落下，空氣穿過物料流時會分散并夾帶細小的粉塵顆粒，形成大量粉塵飛揚。溜槽的設計基本都是轉角設計和垂直落料，容易造成物料在溜槽內速度過快沖擊力大，使溜槽磨損嚴重且容易積料甚至堵料。在落料點物料對受料皮帶沖擊大，容易造成物料落料不正最終導致皮帶跑偏，導料槽粉塵外溢嚴重，轉運系統(tǒng)環(huán)境粉塵濃度超標，嚴重影響操作人員的身心健康。在輸煤轉運系統(tǒng)中80%以上的停機是由于轉運系統(tǒng)維護造成的，嚴重影響轉運系統(tǒng)的運行效率，并造成不必要的經濟損失。

2 設計定型方法

針對現(xiàn)有技術的不足，本文提供一種針對輸煤轉運系統(tǒng)結構設計定型從輸送介質開始考慮，并了解物料流和管理物料流，通過科學管理物料流進而影響控制空氣流，基于物料測試和DEM - CFD仿真對物料流和空氣流進行系統(tǒng)分析，并對輸煤轉運系統(tǒng)的結構設計進行定型的方法。

2.1 設計定型方法的步驟

設計定型方法包括以下步驟（圖1）。

（1）對轉運系統(tǒng)的物料進行采集，這里的采集包括物料本性特征測試、襯板測試、離散元仿真的材料參數(shù)校驗。

（2）采用CAD軟件SolidWorks建立轉運系統(tǒng)上下轉運皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型——轉運系統(tǒng)曲線溜槽三維結構模型。

（3）將采集好的物料和結構的數(shù)據(jù)以及轉運系統(tǒng)曲線溜槽三維結構模型輸入EDEM軟件中，根據(jù)物料及襯板測試校驗參數(shù)，建立物料顆粒工廠、物料間參數(shù)關系、物料與設備之間的參數(shù)關系，進行基于DEM的離散元方法仿真模擬。

（4）根據(jù)步驟（3）中得到的仿真結果同時結合溜槽設計準則對轉運系統(tǒng)曲線溜槽三維結構模型進行結構性的分析判斷.得到轉運系統(tǒng)曲線溜槽三維結構模型是否符合要求，如果滿足要求則進入步驟（5），若轉運性能差不滿足要求則返回步驟（2）進行模型參數(shù)的修改并重新建模。

（5）在轉運系統(tǒng)上下轉運皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型基礎上采用CAD軟件SolidWorkS建立受料皮帶導料槽和除塵罩幾何模型——轉運系統(tǒng)塵降和除塵結構三維模型。

（6）采用ANSYS ICEM CFD六面體結構化網格生產軟件對轉運系統(tǒng)三維模型進行網格劃分;

（7）對離散元軟件EDEM和計算流體動力學軟件Fluent參數(shù)及耦合接口設置并導入網格模型，對轉運系統(tǒng)三維模型進行基于離散元方法（DEM）—計算流體動力學（CFD）耦合仿真模擬。

（8）根據(jù)步驟（7）中得到的仿真結果結合控塵設計準則對轉運系統(tǒng)塵降和除塵結構三維模型進行流動性分析判斷得到轉運系統(tǒng)塵降和除塵結構三維模型是否滿足要求，如果轉運系統(tǒng)塵降和除塵結構三維模型滿足要求，則轉運系統(tǒng)結構設計定型，如果該三維模型尤法滿足要求，控塵效果差，則返回步驟（5），進行結構參數(shù)的修改并重新建立轉運系統(tǒng)塵降和除塵結構三維模型。

步驟（1）中的物料本性特征測試具體為根據(jù)國家標準測試物料的含水率、堆積密度、真實密度、安息角、顆粒形狀特征、粒度和顆粒組成。襯板測試具體為襯板磨損實驗（圖2）和襯板沖擊磨損實驗（圖3），所述襯板磨損實驗是為了評估不同的內襯材料的磨損性能，物料與襯板在水平圓磨損試驗機上可進行時間測試;為了確定確切的磨損性能，對每個磨損襯板樣品的重量損失進行監(jiān)測，并可以轉化為估計的預期壽命。所述襯板沖擊磨損實驗是為了評估不同的內襯材料的抗沖擊磨損性能，物料與襯板在垂直圓磨損試驗機上可進行時間測試;為了確定確切的磨損性能，每個磨損襯板樣品的重量損失進行監(jiān)測，并可以轉化為估計的預期壽命。將襯板磨損實驗和襯板沖擊磨損實驗的結果結合EDEM軟件仿真的磨損分析選擇合理的滿足實際工況的襯板材料。

步驟（1）的離散元仿真的材料參數(shù)校驗具體為：包括離散元仿真的材料參數(shù)獲取和參數(shù)校驗。所述離散元仿真的材料參數(shù)包括碰撞恢復系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)和JKR模型的能量密度，這些參數(shù)主要是在物料與物料之間、物料與設備之間，通過設計合適的實驗平臺與仿真虛擬實驗進行標定，如：自由下落實驗、滑板實驗、坍塌實驗（圖4）。所述離散元仿真的材料參數(shù)校驗保證仿真結果的準確性，確保仿真能夠代表真實世界的物料流動行為。在仿真和真實世界之間建立聯(lián)系的關鍵就是離散元仿真的材料參數(shù)校驗。

2.2 離散元方法仿真模擬

2.2.1 幾何模型建立

采用CAD軟件SolidWorks建立轉運系統(tǒng)上下轉運皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型。

2.2.2 設置材料和定義顆粒

設置設備及物料顆粒的材料本征參數(shù)，接觸模型選擇Hertz - Mindlin模型，根據(jù)離散元仿真的材料參數(shù)校驗設置物料之間以及物料與設備之間的基本接觸參數(shù)和接觸模型參數(shù);定義顆粒的形狀特征及粒度分布。

2.2.3 定義幾何模型運動特征

導入幾何模型，定義皮帶、滾筒和曲線溜槽的材料及運動特征。

2.2.4 設置顆粒工廠

根據(jù)皮帶輸送量、帶速在卸料皮帶頭部設置顆粒工廠。

2.2.5 對輸煤轉運系統(tǒng)進行離散元仿真求解

設置仿真時問及保存時間問隔，對輸煤轉運系統(tǒng)方案幾何模型進行離散元仿真求解。

2.2.6 EDEM后處理

實驗結果結合EDEM軟件仿真進行后處理即結構性能和轉運性能的分析。2.3離散元方法（DEM） -計算流體動力學（CFD）耦

合仿真模擬2.3.1 幾何模型建立

在轉運系統(tǒng)上下轉運皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型基礎卜采用CAD軟件SolidWorks建寺受料皮帶導料槽和除塵罩幾何模型。

2.3.2 網格劃分

采用ANSYS ICEM CFD六面體結構化網格生產軟件對輸煤系統(tǒng)幾何模型進行網格劃分。

2.3.3

EDEM中設置仿真參數(shù)

參照離散元方法（ DEM）仿真模擬具體步驟;最后打開耦合接口。

2.3.4

Fluent中設置仿真參數(shù)及邊界條件

湍流模型選用Realizable k- epsilon/Standard wallfunctions;卸料皮帶頭部護罩設置為速度入口，導料槽出口和除塵罩設置為壓力出口;受料皮帶單獨設置為WALL邊界條件，并在求解時設置其運動速度。

2.3.5 設置耦合參數(shù)

耦合模型采用Eulerian - Eulerian，曳力模型采用Ergun and VVen&，Yu.定義材料物性為空氣，設置松弛因子。

2.3.6 設置時間

Fluent的時間步長應該為EDEM的時間步長的整數(shù)倍。

2.3.7 求解

對輸煤轉運系統(tǒng)進行離散元方法（ DEM） -計算流體動力學（CFD）耦合仿真模擬求解。

2.3.8

Fluent后處理

過程中EDEM軟件負責顆粒的運行軌跡計算，F(xiàn)LUENT軟件負責計算流體流場，兩者在耦合模型中進行質量、動量和能量等信息的雙向傳遞，從而實現(xiàn)耦合。

2.4 溜槽設計準則

2.4.1 管理物料流

關鍵步驟是通過溜槽管理物料流。盡量減小物料流對曲線溜槽壁沖擊的角度和力量，減少沖擊產生的粉塵，同時盡可能保持動量。理論上，沖擊角度不能超過15°～20°（圖 5） 。

2.4.2 控制物料速度

如果物料的速度太高意味著更高的磨損;如果物料的速度太低，粘性物料可能積料并堵塞。因此，針對所處理的物料合理控制物料速度是關鍵。理論上·速度控制在5m/s～lOm/s，根據(jù)實際物料特性進行適當調整（圖6）。

2.4.3 確保足夠的橫截面面積

根據(jù)輸送帶的設計能力和物料在溜槽內的速度，過流系數(shù)即曲線溜槽的截面積S至少是物料流截面積s1的2.5～4倍（圖7）。

物料流截面積：

Q為皮帶機輸送運量t/h;

p為被輸送散裝物料的堆積密度kg/m3;v為溜槽橫截面處的平均物料速度m/s。過流系數(shù)為：x=S/S1=2.5～4

2.4.4 物料獲得與下游皮帶運行方向基本相同的分速度并集中加栽到下游皮帶

物料在重力的作用下集中于槽型溜槽底板，物料加載到下游皮帶前后具有相同或相似截面形狀，物料與受料皮帶重心重合并集中加載避免落料不居中造成受料皮帶跑偏;物料同時獲得與下游皮帶運行方向相同的分速度，減少物料與受料皮帶之間的帶速差，降低對受料皮帶的沖擊，提高皮帶運行效率，成為節(jié)能轉運的設計因素，并最大程度減少了物料與皮帶之間的相對運動，減輕皮帶的磨損，提高了皮帶的使用壽命。

物料在卸料口處的水平分速度：Vex=Ve×cosθ°）

其中：Ve為物料卸料速度（m/s）;θ°為物料沖擊皮帶的速度方向與水平方向的夾角（°）。

物料在卸料幾處的水平分速度基本滿足在受料皮帶速度Vb（1±10%）的范圍（如圖8）。

2.5 控塵設計準則

2.5.1 管理物料流最大程度地減少物料流所攜帶的混入空氣

轉運曲線溜槽將物料以緊密而連貫的物料流形式采用非常小的沖擊角度在槽型溜槽內滑動，物料流隔斷了沖擊點上方的氣流，通過控制物料的流動有效的控制了誘導風，使溜槽內形成較穩(wěn)定且較小的氣壓，源頭上最大程度地減少物料流所攜帶的混入空氣（圖6）。

2.5.2 消減導料槽落料點處產生的正壓控制粉塵外溢

通過落料點前方設置除塵器，消減導料槽落料點處產生的正壓，保證大粒徑粉塵在導料槽內沉降、小粒徑粉塵顆粒被吸入到除塵器，粉塵顆粒在導料槽出口處無擴散;除塵器的負壓不可太大，以能夠消除導料槽落料點處產生的正壓為原則，為除塵器風量選擇提供依據(jù)（圖9）。

2.5.3合理設計沉降區(qū)結構優(yōu)化舍塵空氣的穩(wěn)定以及浮塵的沉積

合理設計導料槽長度和高度以及內部迷宮式擋簾，來穩(wěn)定氣流并降低氣流速度，控制導料槽出口風速在1m/s以內;并使氣流在導料槽內形成旋渦，具有更多的時間在導料槽腔體內停留，從而使浮塵脫離空氣沉積下來，大部分粉塵將返回至主要物料層上（圖10）。

2.5.4 控制導料槽出口粉塵濃度

最終把導料槽出口處煤塵中游離二氧化硅含量控制在10%以下，工作地點空氣中總含塵濃度為：時間加權平均容許濃度不大于4 mg/m3，短時間接觸容許濃度不大于6 mg/m3，以達到國家環(huán)保要求。

3 應用案例

本工程由中電投河南電力有限公司投資建設，中電投河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司建設。工程本期建設2×1000 MW超超臨界燃煤機組。燃煤采用河南、山西、和陜西的原煤;燃煤運輸采用鐵路和公路聯(lián)合運輸?shù)牧κ健?/p>

4號轉運站具體工況如下：①帶寬：B=1600 mm，帶速：3.15m/s，最大出力：2800t/h;②帶寬：B=14 00mm，帶速：2.5m/s，最大出力：1500 t/h;③落料點：6個，落料高度：15 m。

溜槽外殼采用8 mm厚Q235B鋼板制作，溜槽沖擊面內襯采用高鉻雙金屬耐磨復合鋼板總厚度不低于24 mm（12 mm+12 mm），基體為12 mm厚Q235B鋼板，堆焊厚度不小于12 mm;表面硬度為HRC58 - 60，含碳量（C）不低于4%～5%，含鉻（Cr）量不低于30%;溜槽磨損面內襯采用不小于25 mm厚純陶瓷，AL20。含量：92%以上;莫氏硬度：8以上;比重：3.5 g/cm3以上。溜槽采用六邊形結構，溜槽中段規(guī)格尺寸1100 mm×1100 mm，通過使用離散元方法仿真模擬以及溜槽設計準則進行結構性的分析判斷得知該轉運系統(tǒng)符合要求，經過實踐的檢驗本設計亦符合實際的要求。導判槽最小截面積1.3 m2.導料槽長度14 m。微型布袋除塵器：過濾面積30 m2，處理風量4000 m3/h。通過離散元方法（ DEM）—計算流體動力學（CFD）耦合仿真模擬并結合控塵設計準則分析判斷得知該轉運系統(tǒng)符合要求，在導料槽出口處煤塵中游離二氧化硅含量控制在10%以下，工作地點空氣中總含塵濃度為：時間加權平均容許濃度不大于4 mg/m3，短時間接觸容許濃度不大于6mg/m3，達到國家環(huán)保要求，經實踐證實了本結論。4號轉運站輸煤轉運系統(tǒng)三維結構圖和現(xiàn)場安裝圖如圖11。

4 結語

本設計定型方法在設備被加工制造之前對輸煤轉運系統(tǒng)的結構進行系統(tǒng)性能分析，對沒計方案的性能進行驗證，幫助設計師尋找設備的潛在問題，最終確定最佳設計方案;從而解決輸煤轉運系統(tǒng)中工作環(huán)境粉塵濃度超標，降低系統(tǒng)的故障率和維護量，提高設備的使用壽命和安全性能。

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