雙節流環對磨煤機出口風粉管道壓力調平影響研究

劉兵兵，劉袖，盧華平，馬治安，董方，潘威丞

（1.四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安 638017；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；3.北京天地融創科技股份有限公司，北京 100013）

1 前言

制粉系統是煤粉鍋爐系統中必不可少的一部分，送入鍋爐的煤粉質量好壞將直接影響鍋爐的安全經濟運行。而現階段多數電廠從磨煤機出口到達爐膛的過程中，由于一次風管長度、阻力不一，導致送入爐膛的風粉量偏差較大。以廣安某DG2028/17.45-Ⅱ5 型亞臨界鍋爐為例,該鍋爐為自然循環、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、固態排渣、尾部雙煙道、全鋼構架的П 型汽包爐，制粉系統采用中速磨煤機直吹式，設置6 臺北京電力設備廠生產的ZGM-113G 型中速磨煤機，燃燒方式為前后墻對沖燃燒，燃燒器為BHK 設計得低NOx 燃燒器，共30 個分3 層布置。該制粉系統一次風粉分配均勻性較差，各風管長度、阻力不一，造成一次風在冷、熱態下差異較大，引起送風粉量偏差大、煤粉管道堵塞問題，嚴重影響鍋爐燃燒。

現有文獻的研究結果顯示，節流環可以有效調節風粉管道壓力。為了解決實際廣安電廠制粉系統管道煤粉不均的問題，擬在風粉管道安裝可調節流環對管道內部流場進行調平，本文將基于CFD 數值模擬的方式對風粉管道內部的壓力和煤粉量分布進行研究。

2 模型建立及邊界條件設置

2.1 三維模型及網格劃分

根據相關模型數據，對該電廠制粉系統建模后模型如圖1 所示。改造鍋爐共有六臺磨煤機供應爐膛，每臺磨煤機有5 組管道，管道直徑為530mm。磨粉機A 為例，其彎頭和管道長度如表1、表2 所示，可以看出，5 根管道的彎頭數量和管道長度均偏差較大。

表1 磨煤機A 風粉管道彎頭數及彎頭半徑表

表2 磨煤機A 風粉管道長度表

圖1 制粉系統風粉管道三維模型

對上述物理模型進行網格劃分，采用非結構化網格，其網格劃分區域如圖2 所示。對50、200、400 萬網格進行模擬計算后，發現使用50 萬網格數量模擬進行計算時結果發散，考慮節省計算資源，因此選擇網格數量約為200 萬。本文使用非結構網格的最大畸變度不超過0.9。

圖2 制粉系統風粉管道網格模型

2.2 湍流模型的選取及邊界條件設置

計算模擬采用雙精度模擬方式，湍流模型為k-erealizable 模型，壁面處采用標準壁面處理。計算邊界條件依據實際運行參數設置。網格的入口為速度入口，管道內平均速度大小為24m/s，出口管道為壓力出口。計算過程忽略到達底部出口的影響。壓力速度耦合主題選擇SIMPLE 算法，動量、湍流動能、湍流耗散率均選用QUICK 算法。煤粉粒徑為60um，質量流量為0.1kg/s，dpm 模型選擇不與流體進行交互。

3 計算結果分析

建立模型并確定邊界條件后，使用求解器完成模擬計算工作，并對模擬結果進行分析。得到磨煤機A 風粉管道的流線圖如圖3 所示，由圖中可以明顯看出，各個管道的降壓偏差較大，管道較長的A4 和A5 速度更小，從而導致A4、A5 的煤粉輸送量更少，進而導致燃燒過程的不均衡，影響鍋爐燃燒質量。通過整理計算結果得到的參數表如表3 所示。

表3 A 磨各管道添加節流環前流場參數表

圖3 制粉系統風粉管道原結構流線圖

為了改善管道內部流場狀態，首先，需要研究節流環對風粉管道內部壓力的影響。圖4 為使用500mm 節流環，安裝在管道A3 位置3 段到7 段的中間處，其造成的壓降改變如圖所示。結果顯示，在管道不同位置處添加節流環對壓降變化的影響并不顯著，因此，將節流環的安裝選定在便于進行操作的中間段。

圖4 不同位置安裝節流環下的管道壓降

選定節流環位置后，通過調節節流環使其縮孔在530 ～400mm 的變化范圍內，得到的各個管道的實際壓降結果如圖5 所示。結果可以看出，節流環大小對管道的影響非常顯著，節流環越小，管道壓降越大，壓降下降速率越大。在節流環大小相同的前提下，管道越長，其沿程阻力損失越大，造成管道流速下降。

圖5 不同節流環大小對壓降的影響

最終對各個管道選取最合適的節流環開度，得到的模擬結果如圖6 所示。從圖中可以明顯看出，使用節流環后，有效地改善了管道內部壓力。通過整理計算結果得到的參數表如表4 所示。

表4 A 磨各管道添加節流環后流場參數表

圖6 使用節流環后的管道模擬結果

通過表4 可以看出，A1、A2、A3 節流環開口較大、A5 開口較小。在速度入口壓力入口條件下，管道內部氣速偏差最大只有0.22%。在速度入口速度出口條件下，管道內部壓力偏差最大只有1.17%，煤粉偏差只有1.01%，從而證明使用節流環后可以有效地改善管道內部流場。 ※

4 結語

（1）通過設置節流環可以有效調整風粉管道壓力，節流環的位置對壓力調整影響不大，改變孔徑直徑大小對整體管道的壓力下降呈梯度下降。

（2）在合適的節流環開度下，在速度入口壓力入口條件下，管道內部氣速偏差最大為0.22%。在速度入口速度出口條件下，管道內部壓力偏差最大為1.17%，煤粉流量偏差為1.01%。認為設置節流環可以有效改善制粉系統風粉管道內部壓降的分布狀況，使得煤粉分布更加合理，有利于燃燒。