一次風管道風粉均衡數值模擬研究

呂盛娟，朱曙光，王碩，羅玉康

(南京理工大學能源與動力工程學院，南京 210094)

作為世界最大的煤炭消耗國，我國煤炭主要用于火力發電[1-2]?；鹆Πl電廠在運行過程中發現，風粉的均衡分配對電廠運行的經濟性、安全性和環保性至關重要。如風粉分配不均勻，局部過量空氣系數會偏離正常值的區域，影響煤粉完全燃燒的程度，降低鍋爐的運行效率，且更容易產生NOx等污染物，嚴重時會產生爐內結焦、受熱面局部升溫、燃燒傳熱惡化和爐膛爆管等安全事故[3-5]。風粉的流動速度、煤粉顆粒濃度通常被用來衡量風粉是否均衡分配[6-7]。

《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》(DL/T 5145-2012)指出，對于中速磨煤機直吹式制粉系統而言，風粉分配均衡的最優結果應為管道出口風速偏差不大于5%，煤粉濃度偏差不大于10%[8]。

研究表明：支管的固有阻力和煤粉引起的附加流動阻力是導致風粉分配不均勻的重要因素[7]。而在送粉管道內設置節流元件是均衡管道內的風速和煤粉濃度的常用方式。本文在一次風支管中添加均衡調節閥，通過調整均衡調節閥的角度來改變管道內的阻擋面積，可以控制各個并聯支管內的阻力，進而調整管道內的一次風速和煤粉濃度。

1 研究對象

以某電廠磨煤機對應的制粉系統作為研究對象，制粉系統包括磨煤機的出口、連接磨煤機出口與爐膛入口處的管道，使用Solidworks軟件對制粉系統進行建模，磨煤機送粉管道仿真模型三維圖如圖1所示。本文研究的制粉系統通過1～4號管，將煤粉送往爐膛四角切圓的A、B、C和D四臺燃燒器處。在模擬的過程中將磨煤機的出口面作為入口處，將管道的出口面作為出口處。管道直徑均為711 mm。

圖1 磨煤機送粉管道仿真模型三維圖

均衡調節閥設置在距離磨煤機出口管道300 mm處。均衡調節閥厚度為20 mm，均衡調節閥上設置了矩形導流孔，長和寬分別為60 mm和30 mm。將均衡調節閥角度定義為管道的軸線方向與均衡調節閥所在的平面形成的角度，記為α(0°≤α≤90°)，均衡調節閥結構圖如圖2所示。

圖2 均衡調節閥結構圖

將均衡調節閥的節流比定義為通流面積與管道截面積的比值，記為n，均衡調節閥的節流比n與均衡調節閥角度α的關系式為：

n=[0.964 7-0.675 4cos(90-α)]×100%

(1)

式(1)中，當α為 0°時，n為 96.47%；當α為 90°，n為 28.92%。

根據制粉系統運行的實際工況，煤粉的體積分數在10-6至10-3范圍內，屬于稀相氣固兩相流范疇。為簡化問題做如下假設：1)將一次風作為連續相，且一次風的流動屬于不可壓縮流體的等溫定常流動；2)將煤粉作為顆粒相，煤粉均為粒徑相同的球體；3)忽略煤粉間的碰撞；4)一次風與煤粉之間具有雙向動量耦合作用。采用Fluent中的Realizablek-ε湍流模型模擬氣相湍流，采用離散相模型(DPM)，模擬煤粉顆粒的運動，同時開啟隨機軌道模型模擬顆粒的湍流耗散。

2 模型的求解

2.1 網格劃分

將Solidworks建好的三維模型導入ICEM CFD中，由于均衡調節閥實體結構復雜，采用非結構網格劃分生成混合網格，對均衡調節閥處進行網格加密。隨著均衡調節閥角度的變化，總網格數目會產生一定的變化，但均在360萬至370萬范圍內，網格質量平均值為0.73，滿足模擬的要求。

2.2 物性參數和邊界條件

模擬中將熱空氣作為氣相，空氣溫度為70 ℃，動力粘度為2.048×10-5Pa·s；將低熱值煤粉作為離散相，密度為1 400 kg/m3，煤粉粒徑取為70 μm。

入口條件取速度入口，對于兩相流模擬，入口處煤粉速度與一次風速度均為4 m/s；出口條件取壓力出口，相對靜壓值為-100 Pa。重力加速度取為9.8 m/s2，壁面粗糙度取為0.003 mm，近似為水力光滑管。

3 數值模擬結果及分析

在本文研究的所有工況中，入口處煤粉速度與一次風速度均為4 m/s。入口處風粉條件分為煤粉均勻分布與煤粉非均勻分布。

一次風入口速度為4 m/s，一次風總流量為160 625.67 kg/h，相當于44.618 kg/s；總煤量57 600 kg/h，相當于16 kg/s，煤粉質量濃度為0.358 6 kg/kg。風粉偏差計算公式如下所示：

(2)

(3)

式(2～3)中，Gave、Gi、ΔGi分別為管間煤粉濃度(風速)平均值、i號管煤粉濃度(風速)值、i號管煤粉濃度(風速)偏差值；j為并聯支管的數量，在本文中取為4。

3.1 入口處風粉均勻分布對支管風粉分配結果的影響研究

研究并聯支管固有阻力對風粉分配情況的影響時，為了避免入口處風粉分布情況產生影響，將煤粉入射方式設置為按入口面積均勻入射。

3.1.1 均衡調節閥全開時支管風粉分配情況

入口處風粉均勻分布，并聯支管中均衡調節閥角度均為0，即均衡調節閥所在平面與管道軸線方向平行，模擬得到四根并聯管道中風粉分配結果，入口處風粉均勻分布時管道風粉參數分配結果如表1所示。

表1 入口處風粉均勻分布時管道風粉參數分配結果

根據表1可知，四根支管的風速、煤粉流量大小關系式為：

V3>V4>V2>V1；Q3>Q4>Q2>Q1；μ3>μ4>μ2>μ1

1號管風速和煤粉流量、煤粉質量濃度均最小；3號管風速和煤粉流量最大，且煤粉質量濃度最小。并聯支管間風速偏差最大值為6.242%，濃度分配偏差最大值為5.752%，均大于5%，表明四根支管固有阻力特性引起的速度與濃度偏差不可忽略，需要調節均衡調節閥的角度改變管道的阻力。根據表格數據可知，1號管、2號管風速與煤粉流量相近，但風速小；3號管和4號管風速與煤粉流量相近，但風速較大，因此優先調整3號管和4號管均衡調節閥角度。

3.1.2 均衡調節閥調整后支管風粉分配情況

參考均衡調節閥調整前所得的仿真結果，不斷調整3號管和4號管均衡調節閥的角度進行模擬，發現當3號和4號管里的均衡調節閥角度分為30°和25°時，可得到風粉均衡的結果，均衡調節閥調整后入口處風粉均勻分布時管道風粉參數分配結果如表2所示。

表2 均衡調節閥調整后入口處風粉均勻分布時管道風粉參數分配結果

根據表2可知，通過調整管道內均衡調節閥的角度，并聯支管間風速偏差最大值為1.556%，并聯支管間煤粉濃度偏差最大值為1.842%，均小于5%。在均衡風速的同時，達到了煤粉濃度均衡的目的。由此可知，當3號和4號管里的均衡調節閥角度分為30°和25°時，各個管道的阻力近似相等，管道的固有阻力是影響并聯支管風速分配的重要影響因素。

3.2 入口處煤粉非均勻分布對支管風粉分配結果的影響研究

通過改變入射面風粉分布的均勻程度，研究入口處風粉不均對支管風粉分配的影響。為了避免管道固有阻力對風粉分配的影響，調整3號和4號管里的均衡調節閥角度分為30°和25°時。將入射面均分為四個部分(根據該部分與管道的對應關系命名為a、b、c、d)，均為四分之一圓，入口面四分之一圓與管道對應關系如圖3所示。

圖3 入口面四分之一圓與管道對應關系圖

入口處煤粉速度與一次風速度均為4 m/s。煤粉在入射面的總質量流量為16 kg/s，設計四種工況，進行模擬，入口處風粉非均勻分布工況表如表3所示。在四分之圓內，煤粉仍按照面積均勻分布。表3中不均勻度數值為入口處煤粉質量流量的相對偏差的最大值。

表3 入口處風粉非均勻分布工況表

通過仿真得到入口處煤粉非均勻分布支管風粉分配結果如圖4所示。

由工況1可知，當Qa=5.5，Qb=Qc=Qd=3.5時，煤粉濃度偏差最大值出現在1號管；

由工況2可知，當Qb=5.5，Qa=Qc=Qd=3.5時，煤粉濃度偏差最大值出現在2號管；

由工況3可知，當Qc=5.5，Qa=Qb=Qd=3.5時，煤粉濃度偏差最大值出現在3號管；

由工況4可知，當Qd=5.5，Qa=Qb=Qc=3.5時，煤粉濃度偏差最大值出現在4號管。

由此可知，煤粉濃度偏差最大值出現在入口處煤粉質量流量偏差最大值所對應的并聯支管。除此之外，這四種工況下并聯支管間風速偏差最大值相對于表2的結果均有略微增加，但均小于5%；煤粉濃度偏差最大值相對于表2的結果均有大幅度增加，煤粉濃度偏差最大值均大于30%。

圖4 入口處風粉非均勻分布支管風粉分配結果圖

模擬多種均衡調節閥角度組合下的風粉分配情況，發現無法得到風速和濃度偏差最大值同時滿足風粉均衡要求的角度組合。在模擬中發現，濃度偏差最大值減小時，風速偏差最大值增加。將速度偏差最大值小于10%，濃度偏差最大值最小時的結果作為最優風粉分配結果。圖5為入口處風粉非均勻分布支管風粉分配偏差結果圖。

圖5 入口處風粉非均勻分布支管風粉分配偏差結果圖

由圖5(a)可知，調整均衡調節閥可讓風速偏差最大值最小達到1.869%，但此時濃度偏差最大值為31.325%；由圖5(b)可知，調整均衡調節閥可得到的相對較優的風粉分配結果是風速偏差最大值為8.028%，濃度偏差最大值為19.491%。由此可知，當入口處煤粉分布不均勻度較大時，均衡調節閥難以實現風粉均衡分配的目的。

3.3 入口處煤粉分布不均勻度較小時風粉均衡模擬

3.3.1 均衡調節閥全開時入口處煤粉非均勻分布支管風粉分配結果

入口處煤粉速度與一次風速度均為4 m/s，入口處風粉非均勻分布工況如表4所示。表4中不均勻度數值為入口處煤粉質量流量的相對偏差的最大值。

表4 入口處風粉非均勻分布工況表 kg·s-1

四根并聯管道均衡調節閥全開管道風粉參數分配結果如表5所示。

表5 四根并聯管道均衡調節閥全開管道風粉參數分配結果

根據表5可知，四根支管的風速和煤粉流量大小關系式為：

V3>V4>V2>V1；Q1>Q3>Q4>Q2；μ1>μ3>μ4>μ2

1號管風速最小，但煤粉質量濃度最大；2號管風速與1號管風速接近，且煤粉濃度最小；3號管風速與4號管風速接近，煤粉濃度也接近。由2號管風速與質量濃度可知，2號管支管阻力最大，風速較低且粉相對于風較少，因此可以通過調整1號、3號和4號管均衡調節閥角度，達到風粉均衡的目的。

3.3.2 均衡調節閥調整后入口處煤粉非均勻分布支管風粉分配結果

通過不斷調整1號、3號和4號管均衡調節閥角度，通過模擬發現當1號管里的均衡調節閥角度為18°，2號管里的均衡調節閥角度為0°，3號管里的均衡調節閥角度為25°，4號管里的均衡調節閥角度為20°時，得到較為理想的結果。均衡調節閥調整后入口處風粉非均勻分布時管道風粉參數分配結果如表6所示。

管道出口風速偏差最大值為4.827%，小于5%，濃度分配偏差最大值為8.356%，小于10%，滿足風粉均衡模擬的要求。

表6 均衡調節閥調整后入口處風粉非均勻分布時管道風粉參數分配結果

4 結語

本文使用Fluent軟件對電廠某制粉系統進行仿真模擬，模擬了不同工況下的風粉分配情況，探究了均衡調節閥的調節性能。

當入口處風粉分布均勻，各支管內均衡調節閥全開時，并聯支管間風速偏差最大值大于5%，表明四根并聯支管內阻力特性引起的速度偏差不可忽略。通過調節四個均衡調節閥開度依次為0°、0°、30°和25°時，滿足風粉均衡要求。

在4個并聯支管內均衡調節閥的角度分別為0°、0°、30°和25°時，模擬了入口處煤粉速度與一次風速度均為4 m/s、煤粉分布不均勻度為37.5%時的風粉分配情況，此時并聯支管間風速偏差最大值小于5%，但濃度分配偏差最大值大于30%，不滿足風粉均衡分配的要求。經過多次改變均衡調節閥角度，調整均衡調節閥可讓風速偏差最小達到1.869%，但此時濃度偏差最大值為31.325%；調整均衡調節閥可得到的相對較優風粉分配結果是風速偏差最大值為8.028%，濃度偏差最大值為19.491%。說明入口處煤粉分布不均勻度較大時，通過調整均衡調節閥的角度無法達到煤粉均勻分配的目的。

當入口處煤粉速度與一次風速度均為4 m/s、煤粉分布不均勻度為15%時，均衡調節閥全開，并聯支管間風速偏差最大值為8.581%，濃度分配偏差最大值為13.779%，不滿足風粉均衡分配的要求，調整各個并聯支管均衡調節閥角度為18°、0°、25°和20°時，風速和濃度偏差最大值均小于5%，滿足風粉均衡分配的要求。說明在入口處風粉分布不均勻度不大時，均衡調節閥可滿足風粉均衡要求，有利于提高鍋爐的運行效率。