李柏林

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610051

水泥廠非標管道大角度彎頭氣體流場仿真研究

李柏林

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610051

常見水泥廠大非標管道積灰，原因在于設(shè)計風速與管道傾角的選擇缺少科學性。為解決大非標管道積灰，常采用傳統(tǒng)折線大彎頭和底部折返大彎頭兩種設(shè)計。底部折返大彎頭由于沒有小傾角段存在，被理論上認為可以消除彎頭積灰。在同條件、彎頭尺寸相近的前提下，傳統(tǒng)大彎頭仿真模擬效果要優(yōu)于底部折返大彎頭。但是，不排除通過底部折返大彎頭仿真模擬結(jié)果進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計后，可以得到氣體流場分布更好、更穩(wěn)定的設(shè)計方案。

大非標管道 大角度彎頭 彎頭仿真

0 引言

水泥生產(chǎn)工藝中的大非標管道多為熱風管道，主要擔負傳遞熱量、輸送物料等作用。含粉塵的熱風氣體在管道內(nèi)流動過程中，管道布局走向的起伏變化、轉(zhuǎn)折改變方向等因素會導(dǎo)致大非標管道的局部流域內(nèi)粉塵物料濃度高、風速加快或流向急劇改變等不利情況發(fā)生，易造成管道磨損嚴重、積灰堵塞等問題。筆者在2007年第6期《水泥廠非標管道耐磨材料的選用》一文中已有較為詳細的論述，本文在重點分析研究大非標熱風管道積灰問題基礎(chǔ)上，研究大非標管道大角度彎頭仿真設(shè)計。

1 常見水泥非大標管道積灰設(shè)計原因的分析

雖然大非標管道積灰問題不可能百分百避免，但是，合理的設(shè)計方案可以改善熱風氣體流速和流態(tài)，達到減少積灰或部分地方可以實現(xiàn)避免積灰，增加系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率。造成大非標管道積灰的可能原因一般可分人為因素和設(shè)計因素，人為因素多表現(xiàn)為系統(tǒng)操控水平、維護水平和個人素質(zhì)等方面，比如，操作能力差、各區(qū)段風速控制不正確、系統(tǒng)運轉(zhuǎn)率不高、操作人員主觀能動性差和經(jīng)常性急停等，造成某些區(qū)域累積積灰嚴重；設(shè)計因素多表現(xiàn)為設(shè)計上沒有結(jié)合具體處理的粉塵和氣體的特性，想當然地隨意設(shè)計。

1.1 設(shè)計風速

設(shè)計時需要納入氣體濕度、溫度、含塵氣體特性及含塵濃度等相關(guān)參數(shù)綜合考慮，確定相對合理的設(shè)計風速。周華[1]的研究結(jié)果表明，管道積灰與風速之間有如下關(guān)系：（1）當風速＞25 m?s-1時，管道中阻力大，壓降大，不經(jīng)濟；（2）當風速＞18 m?s-1時，易于輸送粉塵，管道內(nèi)壁清潔，能帶走灰塵；（3）當風速=15 m?s-1時，管內(nèi)灰以波浪式移動；（4）當風速＜15 m?s-1時，部分粉塵沉降；（5）當風速＜5 m?s-1時，大部分粉塵發(fā)生沉降，堵塞嚴重。一般地，建議水泥廠大非標管道，其工況風速不宜超過20 m?s-1。對內(nèi)部氣流含塵量大、傾斜度不大的管道，為防止沉積，其風速一般取12～15 m?s-1。傾斜管道，因灰塵在重力作用下向下滑動，不易沉積，風速宜選用18 m?s-1；煤粉制備系統(tǒng)的含煤氣體、風速應(yīng)適當提高，建議風速20～22 m?s-1；垂直管道因灰塵在管道內(nèi)垂直下落運動，相對較低風速也不會堵塞，風速可取15 m?s-1或適當降低。設(shè)計中盡量避免水平管道，當無法避免時，應(yīng)加大風速。實際設(shè)計大非標管道風速時，還必須結(jié)合氣體的物理特性和工況進行細化設(shè)計。

設(shè)計管道風速過低，會造成管道堵塞，影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率；設(shè)計風速過高，造成大非標管道壓力損失大，增加系統(tǒng)能耗，還會加劇管壁磨損，縮短使用壽命。所以，合理設(shè)計大非標管道風速，不僅可減少或預(yù)防管內(nèi)積灰，還可提高管道使用壽命。

1.2 管道傾角因素

在輸送含塵氣體大非標管的道設(shè)計中，很少會有長距離的水平管段設(shè)計，因為根據(jù)前面風速分析也可以發(fā)現(xiàn)，在相同工況條件下，管道傾角越小，越易發(fā)生粉塵沉降引起積灰。所以，在設(shè)計長距離含塵氣體管道時，通常會設(shè)置一定傾角，將管道起伏布置，分為上行段和下行段。為防止粉塵沉降，傾角越小，所需的風速越高，壓力損失愈大；反之，傾角越大，風速可以適當降低，管道壓力損失愈小。

大非標管道的起伏和轉(zhuǎn)向折返布置方案中，為防止積灰，通常都設(shè)計大傾角上行，其轉(zhuǎn)向處，必然涉及大角度彎頭的設(shè)計，它將影響管道的壓損、氣體流態(tài)、粉塵在管道內(nèi)部運行軌跡和管壁的磨損等。為分析彎頭形式對氣體流態(tài)、粉塵運行軌跡的影響，下文將對常見的兩種典型的大角度彎頭進行仿真分析研究。

2 大角度彎頭仿真分析

基于傳統(tǒng)制作方法的大角度風管彎頭，是將其中心線劃分成為多邊形的模式，圖1是其截面輪廓形式，這種形式彎頭的中線圓弧由多段直線段擬合而成，存在不同程度的小傾角段，甚至水平段，一些觀點認為這里易發(fā)生積灰。基于上述觀點，近幾年發(fā)展出了底部直接折返大角度彎頭的設(shè)計形式。圖2是其截面輪廓形式，這種底部直接沿管道母線方向延伸折返的彎頭形式，由于沒有小傾角段存在，被理論上認為可以消除彎頭積灰的情況。那么，氣體在經(jīng)過這兩種彎頭時，該區(qū)域流體流場到底會有什么樣的變化呢？

圖1 傳統(tǒng)折線大彎頭

圖2 底部折返大彎頭

2.1 大角度彎頭三維模型建立

為了增強后續(xù)分析的可比性，除彎頭本身部分尺寸不一樣外，其余部分采取一樣的設(shè)計尺寸。分析模型主要參數(shù)為：兩端進、出口圓形截面直徑都取Φ 4 m；進、出口中心跨距統(tǒng)一為20 m；左側(cè)為進口，含塵氣體沿管道上行，上行傾角為60°；右側(cè)為出口，含塵氣體沿管道下行，下行傾角為48°。建立如圖3、圖4所示夾角為72°的大彎頭三維模型。

圖3 傳統(tǒng)折線大彎頭模型

圖4 底部折返大彎頭模型

2.2 大角度彎頭流體分析邊界條件

啟用流體分析軟件，導(dǎo)入大彎頭三維模型軟件，進行網(wǎng)格劃分，精度設(shè)置為中等。選取左側(cè)圓形端面為進口-Inlet，進口壓力為0（Pa）；選取右側(cè)圓形端面為出口-Outlet，參考前文管道風速設(shè)計分析，出口速度為18 m/s；其余殼體類型設(shè)置為邊壁-wall，邊壁無滑移且光滑；選擇流體介質(zhì)為標準大氣壓的空氣，介質(zhì)溫度25 ℃，摩爾質(zhì)量為29 kg/mol，質(zhì)量密度為1.1 kg/m3。

2.3 大角度彎頭仿真結(jié)果分析

求解控制器保持默認控制參數(shù)，啟動求解器求解，得到求解結(jié)果。為便于觀察截取管道中截面，得出速度矢量分布圖和壓力分布云圖，見圖5、6、7、8。

圖5 傳統(tǒng)彎頭速度矢量圖

圖6 底部折返彎頭速度矢量圖

圖7 傳統(tǒng)彎頭壓力云圖

分析比較兩種彎頭的速度矢量圖（見圖5、圖6），不難發(fā)現(xiàn)幾個明顯的差異之處：（1）傳統(tǒng)彎頭的速度矢量分布均勻，大非標管道截面利用率高，氣流在經(jīng)過彎頭區(qū)域速度矢量損失?。欢撞空鄯祻濐^速度矢量分布不均，大非標管道截面利用率低，氣流在經(jīng)過彎頭區(qū)域速度矢量損失大。（2）傳統(tǒng)彎頭速度矢量最大值發(fā)生在彎頭底部（圖5注示區(qū)域1），為Vmax=29.9 m/s; 底部折返彎頭速度矢量最大值發(fā)生在彎頭后面上側(cè)（圖6注示區(qū)域2），為Vmax=32.9 m/s，比傳統(tǒng)彎頭高了3 m/s。（3）傳統(tǒng)彎頭氣體流場穩(wěn)定，內(nèi)部無渦流產(chǎn)生；底部折返彎頭氣體流場較不穩(wěn)定，內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，速度矢量明顯減小，見圖6注示區(qū)域3。

圖8 底部折返彎頭壓力云圖

分析比較兩種彎頭的壓力云圖（見圖7、圖8），發(fā)現(xiàn)：（1）傳統(tǒng)彎頭的進、出口壓差約為548 Pa，而底部折返彎頭的進、出口壓差約為707 Pa，底部折返彎頭壓損大。（2）傳統(tǒng)彎頭最大負壓發(fā)生在速度最大的位置，而底部折返彎頭最大負壓發(fā)生在渦流區(qū)域。（3）氣體在經(jīng)過傳統(tǒng)彎頭時壓力云圖呈現(xiàn)均勻連續(xù)分布，而底部折返彎頭不均勻，連續(xù)性差。

綜合以上分析，傳統(tǒng)彎頭最大速度和最大負壓區(qū)都在彎頭轉(zhuǎn)向底部，負壓和較高的流速決定了其自清灰能力強，一定程度上抵消了底部傾角小的不良影響，對于干基含塵氣體而言，通過此類彎頭不易積灰。即使對于濕度不大的含塵氣體，在系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)條件下，發(fā)生積灰?guī)茁室埠苄?。只有在系統(tǒng)經(jīng)常性運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、粉塵濕度和粘度都較大的情況下，才有可能發(fā)生彎頭底部輕微積灰，但是，其區(qū)域高速和負壓特性決定了積灰過程也是比較緩慢的。而底部折返彎頭的最大速度和最大負壓區(qū)分別發(fā)生在彎頭折返點之后區(qū)域，最大速度矢量發(fā)生在管壁上側(cè)，對管壁沖蝕嚴重，最大負壓區(qū)發(fā)生在折返點之后下側(cè)，形成渦流區(qū)，打亂了氣體及顆粒的前進方向。初步推測，對于干基含塵氣體，這里積灰?guī)茁瘦^小，但是，對于具有一定濕度和粘度的粉塵氣體，這里發(fā)生粉塵沉積幾率大大增加。如果發(fā)生粒料粘結(jié)，再大的管道傾角設(shè)計都于事無補。

所以，在同條件、彎頭尺寸相近的前提下，傳統(tǒng)大彎頭仿真模擬效果要優(yōu)于底部折返大彎頭。但是，不排除通過針對本文底部折返大彎頭仿真模擬結(jié)果進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計后，可以得到氣體流場分布更好、更穩(wěn)定的設(shè)計方案。

3 結(jié)束語

底部折返大彎頭設(shè)計是近些年為解決積灰問題而提出的新方案，常見于一些國外項目的大非標管道設(shè)計中，至于其是否如設(shè)計預(yù)期那樣達到絕佳的效果，本人持保留意見。單從結(jié)構(gòu)上來說，底部折返彎頭有較大的平面分布，需要布置大量的立筋加強以抵抗來至管道內(nèi)的負壓，同時，迎風阻力也大，相對的，不及圓形截面管道穩(wěn)定。其土建支撐和建造成本也明顯高于傳動彎頭形式，至于維護成本，底部折返彎頭暫時還沒有長期、充分可靠的數(shù)據(jù)資料，這里不作比較。所以，建議在選擇大非標管道彎頭設(shè)計方案時，應(yīng)從實際出發(fā)，結(jié)合物料本身的特性、工藝系統(tǒng)及成本預(yù)算等綜合因素，擇優(yōu)選取。

[1] 周華. 淺談水泥廠管道設(shè)計[J]. 河南建材, 2005(5):47-48.

2016-07-10)

TQ172.8

A

1008-0473(2016)05-0008-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.05.003