HP中速磨煤機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

杜躍斐

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 分析背景

能源在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的過(guò)程中起著舉足輕重的作用,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)后,能源與環(huán)境逐漸成為困擾全球可持續(xù)性發(fā)展的兩大主要問(wèn)題。目前,我國(guó)的整體能源格局仍然以傳統(tǒng)燃煤火力發(fā)電為主,這種情況在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都不會(huì)改變。隨著節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)要求的提高,以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力需求的增長(zhǎng),燃煤鍋爐機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和低污染問(wèn)題顯得尤為突出。磨煤機(jī)是燃煤火電廠的重要輔機(jī)之一,其運(yùn)行狀況直接影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。長(zhǎng)期以來(lái),各電廠廣泛存在制粉效率偏低、出粉細(xì)度均勻性差、分離阻力大、回粉量偏多等問(wèn)題。可見(jiàn),磨煤機(jī)的性能提升與改造已經(jīng)刻不容緩。數(shù)值模擬計(jì)算作為研究和探索內(nèi)部氣固兩相流和分離運(yùn)動(dòng)特性的重要手段,對(duì)縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、改善氣固兩相流場(chǎng)具有重要的意義。

近年來(lái),很多科研人員和工程技術(shù)人員在磨煤機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性與氣固兩相流方面進(jìn)行了研究、探索。文獻(xiàn)[1-3]在中速磨煤機(jī)和雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性、溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)方面做了大量工作,總結(jié)了磨煤機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性規(guī)律,為磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際控制提供了有益的參考。文獻(xiàn)[4-5]在中速磨煤機(jī)粗粉分離器分離特性和三維氣固兩相流方面進(jìn)行了大量研究工作。文獻(xiàn)[6-10]在磨煤機(jī)粗粉分離器葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了很多研究,取得了大量研究成果。文獻(xiàn)[11]在中速磨煤機(jī)的建模與仿真領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究,取得了令人滿意的結(jié)果。

筆者以現(xiàn)有的HP中速磨煤機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在分析中,對(duì)磨煤機(jī)進(jìn)行建模與模型簡(jiǎn)化,確定流體域的網(wǎng)格劃分方案,并對(duì)每個(gè)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)計(jì)算提取的磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)信息進(jìn)行分析,并得出了相關(guān)結(jié)論和結(jié)構(gòu)改進(jìn)建議。所進(jìn)行的數(shù)值模擬分析工作對(duì)了解磨煤機(jī)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理具有重要意義,同時(shí)可以為機(jī)組運(yùn)行人員的操作提供更加科學(xué)的依據(jù),從而提高機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 磨煤機(jī)工作原理

磨煤機(jī)作為燃煤機(jī)組中制粉系統(tǒng)的核心設(shè)備,用于將原煤碾磨為煤粉,使煤粉達(dá)到能在爐內(nèi)有效燃燒的細(xì)度要求。原煤經(jīng)給煤管落入旋轉(zhuǎn)的磨碗中,在離心力的作用下沿徑向向外移動(dòng)至研磨環(huán)。加載裝置產(chǎn)生的力通過(guò)磨輥?zhàn)饔迷诿荷?形成煤床,煤在磨環(huán)與磨輥之間研磨為煤粉。研磨后,煤粉在磨煤機(jī)內(nèi)部主要經(jīng)歷了兩級(jí)分離。一次風(fēng)從磨碗底部進(jìn)入,通過(guò)一次風(fēng)室流經(jīng)磨碗的外徑,在磨碗上的風(fēng)環(huán)使氣流旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng),較小、較輕的煤粒被氣流攜帶向上,進(jìn)入上部空間,重的不易磨碎的外來(lái)雜物穿過(guò)氣流,落入一次風(fēng)室。此時(shí),較重的煤粒直接返回磨碗,進(jìn)一步被碾磨為更小的煤粒,較輕的煤粒被氣流攜帶至分離器頂蓋,進(jìn)行第二級(jí)分離。經(jīng)分離器二次分離出的較重煤粒經(jīng)過(guò)內(nèi)錐體,返回至磨碗的碾磨區(qū)域,重新進(jìn)行碾磨。出口得到符合細(xì)度要求的煤粉,并送入鍋爐燃燒室進(jìn)行燃燒。

磨煤機(jī)內(nèi)部視圖如圖1所示。

圖1 磨煤機(jī)內(nèi)部視圖

3 磨煤機(jī)計(jì)算模型

3.1 流體基本方程

磨煤機(jī)內(nèi)部的氣體流動(dòng)滿足流體力學(xué)基本控制方程,即質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程為:

(1)

式中:ρ為密度;t為時(shí)間;u為x方向的速度分量;v為y方向的速度分量;w為z方向的速度分量;Sm為質(zhì)量源項(xiàng)。

式(1)在可壓縮和不可壓縮流場(chǎng)中均適用,是質(zhì)量守恒方程總的形式。

動(dòng)量守恒方程為:

(2)

(3)

(4)

式中:P為靜壓;fx為x方向的外力;fy為y方向的外力;fz為z方向的外力。

式(2)是直角坐標(biāo)系下的流體動(dòng)量守恒方程。

3.2 幾何模型

HP中速磨煤機(jī)的幾何模型如圖2所示。根據(jù)HP中速磨煤機(jī)的幾何特征,確定模型簡(jiǎn)化原則:① 保證轉(zhuǎn)子體、葉輪、側(cè)機(jī)體進(jìn)風(fēng)口的葉片參數(shù)不變,對(duì)縫隙或待焊處縫隙進(jìn)行合并;② 對(duì)分離器腔體進(jìn)行等效簡(jiǎn)化,保留導(dǎo)向襯板裝置;③ 忽略磨輥與磨碗的相對(duì)運(yùn)動(dòng),簡(jiǎn)化磨輥與磨碗裝置;④ 刪除一些不必要的氣孔、螺母、孔、倒角、微小臺(tái)階特征。

圖2 磨煤機(jī)幾何模型

3.3 網(wǎng)格劃分

由于磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域比較復(fù)雜,難以一次性完整地生成網(wǎng)格,因此需要先確定網(wǎng)格劃分策略。筆者采用的方法是將整體流域切分為五個(gè)部分,包括入口、葉輪、中間體、分離器體、出口。分別對(duì)各流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,之后再進(jìn)行合并。HP中速磨煤機(jī)的流體網(wǎng)格模型如圖3所示,共計(jì)有460萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

圖3 磨煤機(jī)流體網(wǎng)格模型

3.4 計(jì)算設(shè)置

筆者采用商業(yè)流體計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行模擬,所采用的湍流模型為SSTk-ω模型,動(dòng)靜區(qū)域設(shè)置交界面處理,轉(zhuǎn)子體采用多重參考系計(jì)算。

3.5 邊界設(shè)置

在Fluent軟件中設(shè)置各項(xiàng)邊界條件,具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊界條件參數(shù)

4 整體流場(chǎng)分析

通過(guò)仿真計(jì)算,可以得到HP中速磨煤機(jī)的流場(chǎng)。在Fluent軟件中進(jìn)行后處理,提取HP中速磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)速度分布,如圖4所示。由圖4可知HP中速磨煤機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律,紅色代表速度較高的區(qū)域,表明出口區(qū)域速度較高,最高風(fēng)速可達(dá)49.3 m/s。為了達(dá)到較好的煤粉分離效果,應(yīng)該保證流場(chǎng)具備足夠的向上速度帶走煤粉顆粒,同時(shí)在二級(jí)分離處具有足夠的離心力作用。

圖4 磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)速度分布

5 葉輪裝置流場(chǎng)研究

葉輪裝置位于磨碗的外側(cè),與磨碗一起轉(zhuǎn)動(dòng)。氣流從底部經(jīng)過(guò)葉輪進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)腔,然后進(jìn)行煤粉的一次分離。由此可見(jiàn),葉輪出口氣流的速度和方向?qū)δッ簷C(jī)煤粉的分離效果起決定性作用。在葉輪結(jié)構(gòu)中,導(dǎo)向板的角度是影響氣流的最重要因素,因此筆者分析導(dǎo)向板角度的變化對(duì)流場(chǎng)的影響。

導(dǎo)向板角度如圖5所示。選取導(dǎo)向板角度θ分別為35°、40°、45°、50°、55°,導(dǎo)向板角度變化的實(shí)質(zhì)是葉片與轉(zhuǎn)動(dòng)方向夾角的變化。導(dǎo)向板角度越大,對(duì)氣流方向的改變就越小。

圖5 導(dǎo)向板角度

計(jì)算和提取不同導(dǎo)向板角度時(shí)的葉輪出口平均速度、葉輪出口局部最小速度及葉輪進(jìn)出口壓差,見(jiàn)表2。由表2可知,隨著導(dǎo)向板角度的增大,平均速度減慢,局部最小速度減慢。通過(guò)深入分析流動(dòng)變化規(guī)律可知,導(dǎo)向板角度越大,對(duì)氣流的阻礙越小,葉輪進(jìn)出口壓差也越小。導(dǎo)向板角度從35°增大至55°,平均速度減慢16.8%,局部最小速度減慢23.3%,進(jìn)出口壓差減小40.9%。從計(jì)算結(jié)果綜合考慮,速度和壓差在導(dǎo)向板角度為40°～45°之間選取較為合理。

表2 葉輪流場(chǎng)隨導(dǎo)向板角度變化情況

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者在深入分析磨煤機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法,對(duì)HP中速磨煤機(jī)進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分,并對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,并深入分析了葉輪裝置結(jié)構(gòu)變化對(duì)氣流的影響,得出相關(guān)規(guī)律。

(1) 完成了HP中速磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的建模,分析得到了流體網(wǎng)格劃分策略,獲得了HP中速磨煤機(jī)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型。

(2) 通過(guò)分析HP中速磨煤機(jī)內(nèi)部整體流場(chǎng),獲得了氣流的速度分布規(guī)律,可以幫助工程人員深入認(rèn)識(shí)煤粉分離的機(jī)理。

(3) 對(duì)葉輪裝置進(jìn)行深入研究,通過(guò)改變導(dǎo)向板角度得到結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律,為葉輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

采用數(shù)值模擬方法來(lái)研究磨煤機(jī)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)更加深入了解磨煤機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性具有重要意義,同時(shí)為磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。