流線型煤粉均衡閥改造分析

鄭國鋒，馮玉國

（金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

1 引言

采用直吹式制粉系統的燃煤鍋爐，由于煤粉管道布置受空間的限制，管道的長度以及彎管的位置布局均不相同，各管道阻力存在較大偏差，即使在一次風管上安裝節流孔板，用于增加管道局部阻力調平各管道之間的阻力，但是節流孔板以調整風量分配為主，在帶粉運行狀態時，節流孔板無法調節孔徑大小，管道阻力無法及時調整，對一次風管中空氣和煤粉分配達不到均衡效果[1]。近年來，部分燃煤電廠選用可調式煤粉分配器，用于實時調整一次風管煤粉分配，由于可調式煤粉分配器尺寸較大，受空間限制，且分配偏差較大（最大偏差為10%），該設備無法廣泛使用[2][3]。

煤粉分配不均容易造成鍋爐的燃燒效率降低，NOX的生成量增加[4]，同時引起鍋爐燃燒不穩定、爐膛火焰中心偏移、結焦等不安全隱患，有時還會發生輸煤管道堵塞[5]，嚴重影響鍋爐的安全運行與節能減排效果。可調式煤粉均衡閥可以解決上述一系列問題，其結構簡單操作方便，在帶粉運行狀態時，可以及時調整閥體角度，有效的調節管道阻力，均衡一次風管風粉分配。由于一次風對閥體的摩擦以及煤粉顆粒對閥體的碰撞，容易對閥體造成磨損，影響均衡閥的使用壽命[6]。本文提出了一種閥體采用流線型設計的方案，流線型閥體對風粉兩相流有導流作用，可以改善流體的流動特性，減小流體局部阻力，降低閥體磨損，對一次風影響較小的情況下，均衡各一次風管道中空氣與煤粉的分配。

2 均衡閥改造

2.1 閥體改造原理

一次風送粉時，煤粉流動屬于氣固兩相流。流經均衡閥的煤粉顆粒運動是一個復雜、時變、無規律的過程，煤粉顆粒主要受流體的曳力（FD）與自身重力（FG）作用，同時受壁面碰撞以及顆粒之間的碰撞影響，煤粉顆粒所受的力為[7][8]：

其中流體的曳力（FD）方向與煤粉在流體中的相對運動方向相反，CD為阻力系數（關于雷諾數Re的函數），vg為空氣流速（m/s），vp為煤粉速度（m/s），ρg為空氣密度（kg/m3），dp為煤粉顆粒直徑（m），煤粉顆粒所受曳力與一次風速成二次函數關系。

煤粉均衡閥局部阻力可以用管道入口與出口之間的壓力損失表示[9][10]：

其中hf為局部阻力（Pa）；ζ為均衡閥的流阻系數；ρ為流體密度（kg/m3）；v為流體在管道內的平均流速（m/s），改變均衡閥的流阻系數只會影響局部阻力，對一次風速幾乎無影響。

由于煤粉均衡閥安裝于磨煤機與一次風管道連接的出口位置，管道內流體流動截面以及流動方向發生急劇變化，導致煤粉在一次風中得到均勻分布，在一次風的流量均衡分配時，煤粉也得到均衡分配。因此，在閥體角度與阻擋面積不發生改變時，均衡閥閥體采用流線型方案設計可以減小流阻系數，降低局部阻力，在一次風粉混合物流經閥體時，不會造成風粉流動的急劇變化，風粉所受阻力較小，確保煤粉流動均衡分配，減小能耗降低閥體磨損。

2.2 均衡閥改造方案

圖1 均衡閥閥體改造前后簡化模型

圖1為均衡閥改造前后閥體簡化模型，改造后閥體呈現魚骨狀，針對閥體包含的轉動軸與葉片進行流線型改造，保持閥體改造前后的最大軸向截面積與最小軸向截面積不變。其中葉片截面為橢圓形兩端選用橢球體，轉動軸為圓柱體，改造后的均衡閥整體呈流線型，對一次風粉有良好的導流作用。轉動旋轉軸可以調節閥體在0～90度旋轉，設定閥體平行于管道徑向方向的轉角為0度，阻擋一次風流通面積比最小（阻擋面積比值為25%），閥體垂直于管道徑向方向的轉角為90度，阻擋一次風流通面積最大（阻擋面積比值為70%）。轉動閥體角度可以改變管道內的流通面積，達到均衡各一次風管道內風速的效果。

3 均衡閥仿真分析

仿真模型相關尺寸為：管徑530mm，長度2000mm，均衡閥位于管道中部；一次風粉由管道底部入口進入，管道頂部為壓力出口，風速22m/s，密度1.205kg/m3，粘度1.81×10Pa·s；煤粉顆粒為R90。選用comsol對包含均衡閥的部分管道數值仿真。

3.1 均衡閥流場仿真

圖2與圖3分別為流線型閥體轉角為60度時，管道垂直軸向截面的平均速度沿軸向變化曲線與閥體流線型改造前后截面速度場分布云對比圖，其中圖3左側為均衡閥改造前速度場分布云圖，右側閥體流線型改造后速度場分布云圖。由于流體流動面積減小，導致均衡閥附近管道截面平均流速急劇增大，一次風容易對閥體造成磨損，而遠離均衡閥管道截面平均后流速逐漸恢復入口速度，煤粉均衡閥對一次風速的影響較小。煤粉均衡閥經過流線型改造后管道一次風速最大值明顯減小，閥體導流效果增強，一次風對閥體的磨損減小。

圖2 改造后閥體截面平均速度沿軸向分布關系

圖3 閥體流線型改造前后均衡閥截面速度云圖

圖4 煤粉顆粒分布

圖5 閥體改造前后閥體轉角與阻力關系

圖6 流速與阻力關系

3.2 均衡閥煤粉顆粒分布

圖4為閥體轉角為60度時，管道內煤粉顆粒分布圖。其中左側與右側入口煤粉顆粒比值為4：1，煤粉以22m/s初速流入管道，一次風粉經過閥體壁面碰撞反彈以及流體曳力與自身重力的作用，管道中集中流動的煤粉繩狀流被打散，煤粉的速度與分布在管道中趨于均衡，煤粉均衡閥有調節煤粉均衡分配的作用。

3.2 均衡閥阻力分析

均衡閥入口與出口差值即為均衡閥阻力，仿真閥體改造前后不同轉角時的阻力，擬合可得圖5所示閥體改造前后閥體轉角與阻力關系。改造后的均衡閥阻力明顯減小，阻力與轉角成線性函數關系，便于通過調節閥體轉角調整管道阻力，調平各一次風管道壓差，確保管道煤粉分配的均衡。改變入口流速，分析管道風粉流速與阻力的擬合曲線如圖6所示，均衡閥阻力與流速成二次函數關系。

4 結論

煤粉均衡閥流線型設計方案是可行的。通過分析均衡閥的速度、煤粉分布以及阻力關系仿真結果，可以得知：

（1）管道在均衡閥附近有最大一次風風速，容易對閥體造成磨損，煤粉均衡閥流線型改造后的導流效果明顯增強，一次風最大風速減小，閥體磨損降低；

（2）煤粉均衡閥可以調節煤粉顆粒的均衡，對一次風的影響較小，轉動閥體角度，可以配平各一次風管道阻力，均衡風粉分配；

（3）改造后煤粉均衡閥局部阻力明顯減小，阻力與轉角成線性關系，阻力與流速成二次函數關系。煤粉均衡閥流線型改造后阻力減小能耗低，便于建立控制函數模型，方便對一次風粉混合物均衡實現在線調節。