中速磨煤機噴嘴環的優化及分析

天津大唐國際盤山發電有限公司 李志強 趙坤杰

制粉系統是電廠重要的組成部分，也是電廠能源消耗的大戶，制粉系統的安全、穩定直接影響到鍋爐運行的安全性和經濟性，所以制粉系統的升級對電廠而言其意義重大[1-2]。中速磨煤機是制粉系統的核心設備，而噴嘴環是中速磨煤機的重要組件，日常運行時，噴嘴環處的風速較高且同時經受了物料和石子煤的沖擊，造成了噴嘴環較大的損耗率，所以噴嘴環的優化設計具有重要意義。

國內外學者對中速磨煤機噴嘴環的研究較多，但大多研究都集中在改善噴嘴環的運行條件，通過解決產生問題的原因來解決問題[3-5]。在噴嘴環結構改進方面，袁敏[6]發現傳統噴嘴環的熱一次風流通面積小、通風阻力大、磨損嚴重等問題，而改進后的噴嘴環可以大大降低維修成本，從而降低電廠的發電成本。劉潤華[7]將整體式靜環改為分體式靜環，即將靜環改為上、下兩個部分的靜環，改造后的靜環具有縮短維修時間、降低維修費用、延長使用壽命等優點。此次研究的噴嘴環正常運作時，時常因為噴嘴環的流通面積設計不合理，導致噴嘴環出力不足，可采取對噴嘴環通風口進行部分封堵來修正噴嘴環的出力。

噴嘴環對中速磨煤機的流場影響很大，上述直接更換噴嘴環的實驗過程成本較大，通過數值模擬的方法來指導噴嘴環的優化設計是一種高效而簡便的手段[8]。本文采用數值模擬的手段開展噴嘴環優化的研究，以探究不同噴嘴環結構對中速磨煤機的影響。

1 研究對象

本文探討噴嘴環對中速磨煤機流場的影響，噴嘴環影響的流場集中在噴嘴環上部的流動空間，所以截取中速磨煤機下部分模型。

圖1是噴嘴環的計算模型，其中圖1（a）中速磨煤機下部分模型，裝配有不同的噴嘴環，圖1（b）是中速磨煤機最初的噴嘴環，為方便記為噴嘴環A，圖1（c）是新設計的一種噴嘴環，記為噴嘴環B。對不同噴嘴環進行數值模擬，分析噴嘴環對中速磨煤機的影響，從而確立最佳的噴嘴環模型。

圖1 噴嘴環模型圖

2 數值模擬方法

2.1 網格劃分

根據中速磨煤機噴嘴環結構的特殊性，網格劃分類型選擇非結構化網格，并對噴嘴環部分網格進行適當加密，網格總數量為33萬，如圖2所示，經網格無關性驗證，此時不同網格的計算結果已與數量無關。

圖2 噴嘴環網格圖

2.2 計算模型與方法

針對不同的工程問題需要選擇合適的湍流模型，在保證精度的情況下又要節省計算時間，標準k-ε 模型對于噴嘴環的流場計算較為適應，而RSM 模型會大幅增加計算資源且收斂性較低，綜合考慮下選用標準k-ε 模型，具體方程可見文獻[9]。計算設立的邊界條件為：入口設為質量流量入口，大小為24kg/s；出口為壓力出口；其余面設為壁面。

3 結果與分析

3.1 流場分析

為了解噴嘴環模型流場的情況，取噴嘴環A中心截面的速度云圖和壓力云圖進行分析，圖3是噴嘴環A 中心截面的速度云圖及局部矢量圖。由圖3可知，氣流從入口進入后，沿通道流動至噴嘴環處，此時由于流通面積大幅減小，從而使氣流速度增大，噴嘴環處的速度大小為56.71m/s。氣流通過噴嘴環后，此處流場較為簡單，沒有阻礙氣流的物件，且噴嘴環呈環形，氣流是豎直向上噴射而出，所以氣流沿著外壁面往上流至出口，中間部分的氣流較少。另外，由圖3右下的矢量圖可知，此處存在一個速度“死區”，可增加引流板進行優化。

圖3 噴嘴環A 中心截面速度云圖及局部矢量圖

圖4是噴嘴環模型中心截面的壓力云圖，可見壓力分布呈兩部分，噴嘴環模型下端壓力遠大于上端，以噴嘴環為分割點。噴嘴環作為壓力分布的轉折位置，受到的力遠大于模型其他位置，若設計不合理，會增大噴嘴環的磨損率。

圖4 噴嘴環A 中心截面壓力云圖

3.2 噴嘴環通風面積的影響

噴嘴環出口風速的大小由噴嘴環的通風面積決定，縮小噴嘴環的通風面積可提高噴嘴環處的風速，從而增強氣流攜帶煤粉的能力，但噴嘴環的通風面積不能過小，制粉過程中碾磨和烘干是同時進行的，通風面積過小會降低干燥風量從而降低制粉產量。

為分析通風面積對噴嘴環模型的影響，將噴嘴環A 的通風口進行堵塞從而達到降低通風面積的目的，堵住4、6個通風口的噴嘴環A 分別記為噴嘴環A（堵4）和噴嘴環A（堵6），并將其與噴嘴環B 進行對比，得到不同噴嘴環的出口面積和出口風速見表1。由表1可知，對于噴嘴環A，出口面積越小，噴嘴環處風速越大，而噴嘴環B 的出口面積為0.773m2，與噴嘴環A（堵4）的出口面積相近，但速度卻略小于噴嘴環A（堵4），這是因為噴嘴環A、B 兩者結構不同，使得氣流的流通通道也就不同，從而使氣流的流通阻力不同。為了進一步區分各個噴嘴環模型的合適程度，可對比各個噴嘴環的壓降大小。

表1 不同噴嘴環的出口面積及風速

壓降的大小作為判斷噴嘴環優劣的指標之一，表2是不同噴嘴環的壓降，為詳細判斷噴嘴環對整體壓降的影響，將壓降類型分為入口-噴嘴環壓降和入口-出口壓降。對于入口-噴嘴環處的壓降，噴嘴環A 的壓降隨著通風面積的減小而增大，說明噴嘴環面積過小會增加噴嘴環的損耗率，從而降低噴嘴環的使用壽命，噴嘴環B 通風面積與噴嘴環A（堵4）的出口面積相近，但壓降降低了293.65Pa，幅度達16.57%，說明了噴嘴環B 的優勢。對于入口-出口的壓降，可以發現兩款噴嘴環的不同，噴嘴環A 的入口-出口壓降小于入口-噴嘴環壓降，而噴嘴環B 的壓降卻反過來了，說明噴嘴環A 壓降大小隨氣流流動過程的變化趨勢是先降低后增加，而噴嘴環B 大小的變化趨勢則是平緩下降。

表2 不同噴嘴環的壓降大小

總的來說，在實際應用過程中，堵塞噴嘴環A的出口可以提高噴嘴環模型的風速，但需要結合噴嘴環通風口處的速度矢量圖做進一步分析。圖5是噴嘴環通風口處的矢量圖，由圖5可知，堵塞出風口會使氣流在中速磨煤機中分布不均，噴嘴環A 的通風口堵塞后會影響該位置的氣流情況，從而影響制粉產量，而噴嘴環B 不僅提升噴嘴環處的風速，還避免了壓降的提升。

圖5 不同噴嘴環通風口處速度矢量圖

4 結語

本文主要分析了不同噴嘴環的流場和壓降，表明噴嘴環通風面積是影響噴嘴環出口風速和壓降的關鍵。同時，新設計了一種噴嘴環模型，在增加噴嘴環出口風速的同時，避免了壓降的增加。