基于多相流仿真技術(shù)的火電廠輸煤篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

夏興丁 孫語濃 張譯丹

1浙江浙能溫州發(fā)電有限公司 溫州 325602 2哈爾濱恒宇電力工程有限公司 哈爾濱 150090

0 引言

煤料輸送是燃煤電廠正常運(yùn)作的必備環(huán)節(jié)。目前所有輸煤系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)燃煤時(shí)，燃煤從溜管中下落，壓縮溜管中氣流，產(chǎn)生誘導(dǎo)風(fēng)，帶來大量粉塵，不僅污染了環(huán)境，還造成煤的流失和損耗。目前公司在役的篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)，落煤管為傳統(tǒng)900×900方形直通式，其溜管形狀與物料的落料軌跡不匹配，落煤管易堵煤，落煤管和鎖氣器磨損、穿透現(xiàn)場(chǎng)頻繁，維護(hù)工作量較大。不規(guī)則的落料軌跡與落煤管沖擊，產(chǎn)生大量粉塵顆粒與誘導(dǎo)風(fēng)，DTⅡ傳統(tǒng)的導(dǎo)料槽密封性差，大量高壓、高速氣流從導(dǎo)料槽的前擋簾處噴出，造成大量粉塵逃逸，碎煤機(jī)室內(nèi)粉塵污染嚴(yán)重，影響作業(yè)人員的身心健康。

為此，本文針對(duì)目前在用的輸煤系統(tǒng)中的篩分-破碎系統(tǒng)下轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)改造，運(yùn)用多相流技術(shù)分析系統(tǒng)內(nèi)部氣相流場(chǎng)特性、渦旋結(jié)構(gòu)參數(shù)、噴淋液滴及固體顆粒運(yùn)動(dòng)情況等，對(duì)系統(tǒng)集塵區(qū)內(nèi)多相流動(dòng)過程進(jìn)行分析，并基于數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)現(xiàn)有篩分-破碎系統(tǒng)下轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

如圖1所示，針對(duì)目前存在的問題，結(jié)合多年電廠輸煤系統(tǒng)運(yùn)行、管理經(jīng)驗(yàn)，主要的技術(shù)優(yōu)化措施為：

圖1 優(yōu)化前后的篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)布置圖

1）將直線形方形溜管將直線式溜管改成曲線形槽型溜管。

2）將導(dǎo)料槽改完擴(kuò)容封閉性導(dǎo)料槽，導(dǎo)料槽的橫斷面積為標(biāo)準(zhǔn)DTⅡ橫斷面積的1.6倍。

3）在封閉導(dǎo)料槽上增加數(shù)道阻尼板，減少氣流從導(dǎo)料槽前端擋塵簾處溢出。

4）在封閉導(dǎo)料槽上部增加泄壓倉(cāng)，氣流從泄壓倉(cāng)頂部經(jīng)過濾后泄出，減少導(dǎo)料槽的壓力。

5）改變干霧抑塵的噴淋布置，利用細(xì)微液滴凝塵、降塵。

6）增加回風(fēng)管，連接碎煤機(jī)上部溜管和封閉導(dǎo)料槽，平衡上方溜管和導(dǎo)料槽內(nèi)部氣壓，減少碎煤機(jī)鼓風(fēng)效應(yīng)。

2 多相流分析

為了分析優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，采用多相流技術(shù)對(duì)溜管、導(dǎo)料槽內(nèi)部氣相流場(chǎng)特性、多相流動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，并對(duì)改造前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，從理論上對(duì)優(yōu)化的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 多相流分析理論簡(jiǎn)介

篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)整體涉及空氣、噴淋液滴及固體顆粒物，屬于典型的氣-液-固三相流動(dòng)。目前，研究連續(xù)介質(zhì)類多相流的理論模型主要有歐拉-拉格朗日模型和歐拉-歐拉模型2大類，二者都是將流體作為連續(xù)介質(zhì)處理，不同之處在于前者是將顆粒群作為離散體系處理，研究顆粒動(dòng)力學(xué)、顆粒軌道等信息，而后者將顆粒群當(dāng)作擬連續(xù)流體介質(zhì)處理[1]。

在本模型中，將氣相流體視作連續(xù)相，把噴淋液滴及固體顆粒相作離散相處理，通過分析單個(gè)離散相顆粒的受力情況，運(yùn)用經(jīng)典牛頓力學(xué)知識(shí)，以得到液滴和顆粒物在氣相流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡及其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其中噴淋液滴相的運(yùn)動(dòng)特性采用離散相模型（DPM）進(jìn)行描述，且僅考慮曳力與自身重力的作用，其運(yùn)動(dòng)方程為[2]

式中：up為離散相運(yùn)動(dòng)速度，u為連續(xù)相流體運(yùn)動(dòng)速度，fD(u-up)為單位質(zhì)量的漪力，ρP為離散相密度，ρ為流體密度。

為獲得顆粒-顆粒間、顆粒-流體間及顆粒-壁面間的碰撞等信息，采用CFD-DEM耦合的方法，對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。該耦合方法優(yōu)勢(shì)在于利用離散元方法（DEM）根據(jù)牛頓第二定律求解各離散顆粒的受力、位置及速度變化以獲得顆粒相的運(yùn)動(dòng)情況；而通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法求解Navier-Stokes方程來獲得連續(xù)相的流場(chǎng)分布規(guī)律。其顆粒相的運(yùn)動(dòng)方程為[3]

式中：mi、Ii、vi、ωi分別為顆粒的質(zhì)量、慣性矩、平動(dòng)速度和轉(zhuǎn)運(yùn)速度，fp為顆粒與流體相互作用力，和分別為顆粒i、顆粒j之間的接觸力和阻尼力，和分別為顆粒i、顆粒j之間的軋制力矩和滾動(dòng)摩擦力矩。

2.2 篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)多相流仿真

本文利用流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行仿真分析，建立篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)三維模型，導(dǎo)入Fluent軟件中，在整體網(wǎng)絡(luò)化處理后，細(xì)化入噴淋口、阻尼隔柵、泄壓倉(cāng)出口等處網(wǎng)格，篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的有限元模型最終網(wǎng)格化如圖2所示。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的Fluent模型

仿真邊界條件設(shè)置：1）包括篩下溜管、碎下溜管入口、噴淋口、和前端擋塵簾出口空氣壓力均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；2）在空氣阻尼板處設(shè)置阻尼氣壓，模擬阻尼板作用；3）篩下溜管處的顆粒流量為108 kg/s，碎下處的顆粒質(zhì)量流量為190 kg/s，噴淋噴水口水的質(zhì)量流量為0.56 kg/s。

對(duì)該模型進(jìn)行的多相流仿真結(jié)果如圖3所示，其中，圖3a為原有篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)落料4.72 s時(shí)空氣速度云圖，圖3b為優(yōu)化設(shè)計(jì)后篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)4.72 s時(shí)空氣速度云圖。改變泄壓倉(cāng)內(nèi)過濾網(wǎng)和阻尼板上的阻力，從仿真結(jié)果上可以明顯看到氣流從緩存?zhèn)}口上方溢出，見圖3c、圖3d，其為優(yōu)化設(shè)計(jì)后篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)4 s、7.2 s空氣速度矢量圖。由圖可知：1）料流通過曲線槽型溜管束流、導(dǎo)向后，對(duì)溜管內(nèi)氣流的壓縮、誘導(dǎo)效應(yīng)明顯減弱；2）從氣流跡線圖上可以清晰看出，在分級(jí)阻尼板的作用下，氣流通過泄壓倉(cāng)溢出，降低了全封閉導(dǎo)料槽內(nèi)的氣壓，減少了氣流從導(dǎo)料槽的擋塵簾處溢出；3）4 s時(shí)氣流速度、氣壓明顯高于7.2 s，顯示第一波料流對(duì)溜管內(nèi)氣流壓縮效應(yīng)最大，隨著上游料流均勻，氣流趨穩(wěn)后氣流速度反而有所降低。

圖3 篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)空氣速度對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)目前在役的輸煤系統(tǒng)中的篩分-破碎系統(tǒng)下轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)粉塵污染嚴(yán)重的問題，建立篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)的有限元模型并進(jìn)行了多相流仿真，了解篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)內(nèi)氣、液、固相的流動(dòng)特性，特別是根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)段內(nèi)的氣相流形、速度分布等流動(dòng)特性對(duì)現(xiàn)有篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過改用曲線型槽型溜管、采用擴(kuò)容封閉性導(dǎo)料槽、在導(dǎo)料槽內(nèi)增設(shè)阻尼板、導(dǎo)料槽上部增設(shè)泄壓倉(cāng)、利用細(xì)微液滴凝塵、降塵等一系列改進(jìn)措施，有效降低了物料對(duì)溜管內(nèi)氣流的誘導(dǎo)效應(yīng)，同時(shí)，泄壓倉(cāng)降低了全封閉導(dǎo)料槽內(nèi)部氣壓、氣流速度，多級(jí)阻尼板減少了氣流從導(dǎo)料槽的擋塵簾處溢出，達(dá)到了降塵抑塵的效果。優(yōu)化后的篩碎轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)降塵抑塵的效果還有待在工程實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。