王周君，唐立軍，陸永，李清榮，劉又維

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217）

0 前言

大型火電廠燃煤鍋爐普遍采用中速磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)，磨煤機入口風量的準確性直接影響到鍋爐制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。由于電廠規(guī)模的擴大和場地空間的限制，制粉系統(tǒng)的布置越來越緊湊，一次風道越來越短，導(dǎo)致磨煤機入口冷、熱一次風摻混不均，加上管道內(nèi)各種阻流件的擾動作用，使得風量測量裝置處的流場紊亂，出現(xiàn)渦流或二次流，進而導(dǎo)致風量測量裝置處的速度和溫度分布極不均勻，從而造成絕大多數(shù)火電廠磨煤機入口風量測量不準且動態(tài)特性差，有時甚至出現(xiàn)風量測量裝置測得的風量和風門開度變化相反的現(xiàn)象[1-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對火電廠磨煤機入口一次風量測量問題進行研究時，大多集中在測量元件的改進和優(yōu)化，如采用等截面多點式自清灰風量測量裝置[5-6]、防堵陣列式風量測量裝置[7]以及FDB/SS型風量測量裝置[8]等。在磨煤機入口冷熱一次風道布置空間極為緊湊的情況下，風量測量裝置處的流場和溫度場均勻性較難保證，準確測量磨煤機入口風量難度極大。因此，要實現(xiàn)磨煤機入口風量的精確測量，一次風道內(nèi)流場和溫度場均勻性的改善顯得尤為重要。

本文以國內(nèi)某600 MW機組鍋爐中速磨煤機入口前冷、熱風母管后的一次風道為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬的方法對磨煤機入口一次風道內(nèi)的流場和溫度場進行研究，并設(shè)計了一套適用于緊湊型磨煤機入口一次風道的冷熱風混流及均流裝置。采用上述設(shè)計方案，使冷、熱一次風混合均勻，流場和溫度場均勻性得到大幅度提高，從而使磨煤機入口一次風量測量的準確性和穩(wěn)定性得到大幅度提高。

1 數(shù)學(xué)模型及計算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

圖1為國內(nèi)某600 MW 機組鍋爐中速磨煤機入口一次風道的物理模型示意圖。根據(jù)設(shè)計，磨煤機入口一次風量測量裝置安裝位置處的管道截面尺寸為1200×1400 mm，冷一次風道管徑為600 mm，垂直接入熱一次風道，接入位置距離上彎頭進口4000 mm。冷熱風混合風道內(nèi)的風量測量裝置前后直管段長度只有2500 mm，達不到混合管段內(nèi)流體成為充分發(fā)展管流所需要的直管段長度[9]。同時，還可以看出，管道內(nèi)存在各種阻流件，如冷、熱一次風調(diào)節(jié)門、彎頭、漸縮管等，加上冷熱風交匯處到風量測量裝置間的距離較短，導(dǎo)致冷熱風不能完全均勻混合，使得風量測量裝置處的流場均勻性和溫度場均勻性難以保證。另外，熱風調(diào)節(jié)門為百葉窗式，冷風調(diào)節(jié)門為蝶閥，由于在不同工況下冷、熱風調(diào)節(jié)門的開度會發(fā)生變化，因此也會影響風量測量截面處的流場和溫度場，從而影響風量測量的準確度。

圖1物理模型示意圖

1.2 計算方法

選定制粉系統(tǒng)的兩種運行工況作為模擬研究工況，模擬工況的具體參數(shù)如表1所示。

表1數(shù)值模擬工況參數(shù)

采用ICEM CFD前處理軟件對物理模型進行三維混合網(wǎng)格劃分。對管道形狀相對規(guī)則的部分進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，而對于復(fù)雜部位則采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并進行了局部網(wǎng)格加密處理。圖2為工況1下一次風道的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為458851。由于一次風道內(nèi)的馬赫數(shù)Ma＜0.3，可認為一次風道內(nèi)的流動為定常不可壓縮的湍流流動?？紤]到中速磨煤機一次風管道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，湍流模型采用RNG k-e模型[10]，近壁處采用標準壁面函數(shù)法處理。邊界條件設(shè)置具體如下：

1）冷、熱一次風入口采用流量入口。冷、熱一次風壓和風溫設(shè)為固定值，分別為8.0 kPa和11.5 kPa，593 K 和293 K。

2）出口采用自由流出。在y 軸方向設(shè)置重力加速度為-9.81 m/s2，方向與豎直管段流體流向相同。

4）計算結(jié)果收斂的條件為能量方程的殘差小于10-6，其他方程的殘差小于10-4。

5）流體材料為空氣，壓力速度耦合采用SIMPLE 算法[11]，其中壓力采用二階離散格式，動量、湍動能、湍流耗散率和能量方程的離散格式均采用二階迎風格式。

圖2工況1下的一次風道網(wǎng)格劃分

1.3 均勻性評價指標[12]

采用速度相對標準偏差Cv和溫度相對標準偏差CT作為衡量截面上流場均勻性的量化指標。

式中：Sv，ST分別表示截面上速度標準偏差和溫度標準偏差；vi，Ti分別表示第i 個測點的速度值和溫度值；分別表示截面上所有測點的平均速度；n 表示測點個數(shù)。

按照等截面網(wǎng)格法多點測量原理[13]，在上彎頭上游截面和風量測量截面上布置25 個測點，溫度測量截面上布置20個測點。

2 模擬結(jié)果與分析

工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標如表2所示。由表2可見：隨著工況的提高和調(diào)節(jié)風門開度的增大，冷熱一次風混合管段內(nèi)各截面速度相對標準偏差減小而溫度相對標準偏差增大，說明混合管段內(nèi)速度和溫度分布均勻性受工況和調(diào)節(jié)風門開度的影響，而這種影響效果是相反的。由表2還可以看出，工況1和工況2下風量測量截面上測點速度范圍和溫度范圍相差較大，速度和溫度相對標準偏差達到29.26%、28.53%和2.81%、8.17%，表明風量測量截面上速度和溫度分布并不均勻，冷、熱一次風通過調(diào)節(jié)風門后相互混合不均勻。

表2工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標

圖3為工況1下磨煤機入口一次風道內(nèi)流線圖?？梢钥闯觯瑲饬魍ㄟ^冷、熱一次風調(diào)節(jié)門后，出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在風量測量截面處的速度方向出現(xiàn)很大的偏轉(zhuǎn)，無法正對著風量測量元件，從而造成風量測量偏差較大、波動劇烈等問題。因此，擬采用加裝冷熱一次風混流及均流裝置來提高混合風道流場和溫度場的均勻性，調(diào)整氣流偏向，使氣流的來流方向正對著風量測量元件，實現(xiàn)磨煤機入口一次風量的精確測量。

小說的社會背景處在一種中西文化沖突碰撞的“陣痛期”。在五四新文化運動的影響下，傳統(tǒng)的中國女性在思想上已然被西方文化打開了缺口，但是還不徹底，以上所述的“女”的委屈與妥協(xié)與“人”的思考與追求一直處于一種矛盾沖突之中。這一狀態(tài)的產(chǎn)生正是因為當時傳統(tǒng)社會與戰(zhàn)爭年代對于“女”與“人”的完美結(jié)合所設(shè)置的一道又一道難以跨越的屏障。

圖3工況1下磨煤機入口一次風道內(nèi)流線圖

3 冷熱一次風混流及均流裝置設(shè)計

本文針對現(xiàn)有磨煤機入口一次風量測量不準、風量控制無法自動投入的問題，采用數(shù)值模擬方法設(shè)計了冷熱一次風混流及均流裝置，可以使冷、熱一次風混合均勻，流場和溫度場均勻性得到大幅度提高，從而實現(xiàn)磨煤機入口一次風量的精確測量。圖4為磨煤機入口一次風道優(yōu)化改造后模型圖。

圖4磨煤機入口一次風道優(yōu)化改造后模型圖

結(jié)合了以往對燃煤電廠磨煤機入口矩形一次風道的改造經(jīng)驗，為了使冷一次風與熱一次風有更大的接觸面積，對原冷一次風道進行了優(yōu)化改造，增加了冷一次風箱。冷一次風箱結(jié)構(gòu)為上端開口小，下端開口大的漸擴結(jié)構(gòu)，冷一次風箱上端開口與冷一次風道對接，下端開口與熱一次風道外壁面連接，熱一次風道外壁面被冷一次風箱包圍的部分開有引風孔，引風孔將冷一次風分成3股引入混合整流器的內(nèi)部空腔，再通過出風孔射入熱一次風道內(nèi)。

圖5為冷熱一次風混流及均流裝置。其中圖5(a)為混合整流器，由3個等間距的混合整流組件構(gòu)成，混合整流組件由5 mm 普通鋼板制成，呈薄壁空腔結(jié)構(gòu)。每個混合整流組件包括兩個相對平行設(shè)置的矩形壁面，壁面與熱一次風道的水平壁面平行，這種設(shè)置可以調(diào)整熱一次風的流動方向，消除部分由熱風調(diào)節(jié)門引起的漩渦，起到部分整流作用。為減小風阻，將混合整流組件的迎流和背流位置設(shè)計成三角形?；旌险鹘M件內(nèi)部空腔還設(shè)置了水平分隔片和豎直分隔片，把空腔分隔成幾個獨立的通風區(qū)域，每個通風區(qū)域都有獨立的進風口和出風口，進風口都單獨和冷一次風箱相通。進風口的流通面積是按總流通面積均勻劃分，使得每個通風區(qū)域的進風口的風量大致相等。為減小混合整流組件對冷一次風造成的壓力損失，每個混合整流組件的所有出風孔的總面積大于進風口的總面積。每個通風區(qū)域等間距設(shè)置了一定數(shù)量的長條狀出風孔，保證了冷一次風能較為均勻地混入熱一次風中。上述的水平和豎直分隔片除了能夠均勻劃分每個獨立的流通區(qū)域，還能夠起到固定矩形壁面、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。

圖5(b)設(shè)計的導(dǎo)流板采用5 mm 普通鋼板制成的同心變徑弧形板內(nèi)密外疏布置在上彎頭處，可以有效緩解氣流在彎頭處因慣性而出現(xiàn)偏向。

表3優(yōu)化改造后工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標

圖5(c)設(shè)計的矩形柵格整流器采用壁厚2 mm 普通鋼板制成，單元孔為邊長40 mm 的正方形，長度為200 mm。矩形柵格布置在豎直管段內(nèi)風量測量裝置上游。矩形柵格能夠調(diào)整氣流的偏向，消除風道內(nèi)形成的漩渦，減小矩形風道內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)對風速測量的影響。

圖5冷熱一次風混流及均流裝置

圖6為優(yōu)化改造后工況1下磨煤機入口一次風道內(nèi)流線圖?？梢钥闯?，氣流經(jīng)混合整流器、導(dǎo)流板和矩形柵格整流后，混合風道內(nèi)氣流的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到有效的改善，風量測量截面處來流方向正對測風元件，大大提高了風量測量的準確度。

優(yōu)化改造后工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標如表3所示。由表3可見：增加冷熱一次風混流及均流裝置后風道內(nèi)各測量截面速度和溫度相對標準偏差都有所減小，測點速度范圍和溫度范圍進一步縮??；上彎頭上游截面速度相對標準偏差由優(yōu)化改造前的18.59%～30.06%減小至16.40%～22.12%，相應(yīng)溫度相對標準偏差由優(yōu)化改造前的5.52%～10.48%減小至2.42%～2.53%，說明混合整流器確實能夠?qū)崿F(xiàn)冷熱風均勻混合，還能夠?qū)饬髌鸬秸鞯淖饔茫伙L量測量截面速度相對偏差由優(yōu)化改造前的28.53%～29.26%減小至3.56%～7.03%，相應(yīng)溫度相對標準偏差由優(yōu)化改造前的2.81%～8.17%減小至1.50%～1.56%，測點速度范圍和溫度范圍大幅度縮小，提高了風量測量截面處流場和溫度場的均勻性，完全能夠滿足風量測量元件對流場和溫度場均勻性的要求；此外，工況2下溫度測量截面溫度相對標準偏差由優(yōu)化改造前的5.18%減小至1.24%，測點溫度范圍由優(yōu)化改造前的497～593 K 縮小為547～571。與優(yōu)化改造前相比，工況1下一次風總壓損增大了148 Pa，工況2下一次風總壓損增大了434 Pa。

圖6優(yōu)化改造后工況1下磨煤機入口一次風道內(nèi)流線圖

4 結(jié)束語

1）中速磨煤機入口一次風道內(nèi)由于各種阻流件的擾動，氣流易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在風量測量截面處的速度方向出現(xiàn)很大的偏轉(zhuǎn)，無法正對著風量測量元件，從而導(dǎo)致磨煤機入口一次風量測量不準及動態(tài)特性差等問題。另外冷、熱風摻混不均也是絕大多數(shù)火電廠磨煤機入口一次風量測量不準的另一個重要原因。

2）通過對特殊設(shè)計的混合整流器、導(dǎo)流板和矩形柵格的組合布置，能夠?qū)崿F(xiàn)磨煤機入口冷、熱一次風完全充分混合，還能調(diào)整氣流的偏向，使得氣流的來流方向正對風量測量元件；使風量測量截面速度相對偏差降低在7%以內(nèi)，溫度相對偏差降低為2%以內(nèi)，完全能夠滿足風量測量元件對測量截面處流場和溫度場均勻性的要求，從而使磨煤機入口一次風量測量的準確性和穩(wěn)定性得到大幅度提高。與優(yōu)化改造前相比，一次風總壓損增大了148Pa 和434 Pa。