磨煤機入口一次風管水平段長度改造可行性分析

劉智博,劉維岐,關多嬌,代新瑤,周 闖

(1.沈陽工程學院,遼寧 沈陽 110136;2.中電投東北能源科技有限公司,遼寧 沈陽 110179)

0 引言

目前大型燃煤機組普遍采用中速磨煤機制備煤粉,一次風作為煤粉制備過程中重要的干燥劑和輸送媒介。在正壓直吹式制粉系統中,一次風量的準確測量是制粉系統安全經濟運行的必要條件[1-2]。國內火電機組均采用緊湊式布置方式,磨煤機入口通風管道均存在較多彎頭或截面突變結構,因此不能保證彎管后有足夠長的水平直管段。而彎管后水平直管段的長度對流量系數影響較大[3]。本文利用流體仿真軟件對實際電廠中3種工況下不同長度的彎管后水平直管段進行模擬仿真,得到彎管45°處的壓強差,再利用強制渦流理論,得出修正后的流量系數及流量,與實際流量進行對比。因此本文主要研究磨煤機前一次風管水平段長度大小對流量的影響,為一次風道的優化改造提供參考[4]。

1 強制渦流理論

當流體流經彎管時,由于彎管的約束作用,迫使流體在彎管內做曲線運動。流體在管道內做曲線運動時必然會產生慣性離心力,其大小與流體的流速、密度及曲率半徑等因素都有直接關系。在離心力作用下,在彎管內、外側將產生壓力差,且該壓力差與上述影響因素有關。因此,只要測出彎管內、外側的靜壓差值,就可以方便算出管道內的流體流量[5-6]。

(1)

式中:Q為流量,m3/s;R為彎管中心曲率半徑,m;D為彎管當量直徑,m;Δp為彎管截面內、外側壓強差,Pa;ρ為流體密度,kg/m3;C為流量系數。

相關研究表明,強制渦流理論與試驗結果較為吻合[7],因此本文以強制渦流理論為研究依據。對于特定的管道尺寸及彎管形狀,式(1)中的彎管中心曲率半徑、彎管當量直徑均為定值,當流體種類及溫度壓力確定時,流體密度也為定值。因此通過數值計算求得彎管截面內、外側壓強差,即可根據強制渦流理論求得管道中的實際流量大小。

2 研究對象及數值建模

2.1 研究對象

某電廠為2×600 MW的國產超臨界燃煤發電機組,鍋爐為HG1900/25.4-YM3型,每臺鍋爐配有6臺MPS235HP-Ⅱ型中速磨煤機。在大比例摻燒褐煤后,制粉系統先后出現了煤粉管道漏粉、磨煤機內部構件磨損嚴重、燃燒器本體磨損嚴重等問題,嚴重影響機組安全生產運行,并造成較為嚴重的經濟損失。

2.2 數學模型建立及網格劃分

根據相似原理進行數值計算分析,以10∶1比例進行建模。彎管的當量直徑為D,前直管段長度為2.5D,后直管段長度分別設為0、0.5D、1D、1.5D、2D、3D、4D、5D。網格為六面體結構化網格,如圖1所示。

圖1 磨煤機入口數學模型網格劃分

2.3 邊界條件及模型選擇

隨著負荷的不同需要,一次風閥門開度也不同,故研究電廠3種工況下模型內部流場的變化。入口設置為速度入口,出口設置為壓力出口,其他部分為固體壁面,具體工況及邊界條件如表1所示。紊流模型的選擇可實現k-ε雙方程模型,為了提高計算精度,采用SIMPLEC壓力速度耦合方法,對于壓力項采用標準格式,對于動能、湍動能和湍流耗散率都選用二階迎風格式[8]。

表1 數值模擬主要邊界條件

3 數值計算結果分析及驗證

3.1 數值計算結果分析

通過對上述3種工況進行數值計算,分析彎管后水平段長度變化對流量系數的影響。對彎管45°處取彎管內、外側靜壓,應用強制渦流理論,對凈壓強差進行分析,得到不同工況下彎管45°處內、外側壓強差隨彎管后水平段長度變化情況如圖2所示。

(a)100%工況

由圖2可知,彎管后水平段的長度對于流量系數測量的準確性影響較小。

3.2 準確性驗證

現電廠原有直管段長度為3D,分別取3種工況下在0.5D～3D的修正流量系數及修正密度,可以利用流量公式反求得風管入口的進風流量,并與實際流量進行對比,結果如圖3所示。

圖3 不同工況下后直管段長度與流量差分布

由圖3可知,不同工況下后直管段長度在1D～2D時對于流量的測量最為穩定和準確。

3 結論

a. 在3種工況下彎管后直管段0.5D～5D壓力差值基本吻合,流量系數變化范圍在0.5D～5D時波動不大,較為穩定。

b. 不同工況下后直管段長度在1D～2D對于流量測量的穩定性和準確性均有保證,因此關于磨煤機前一次風管后水平直管段的改造經濟可行,可為存在類似情況的電廠提供參考。