呂盛娟，朱曙光，王碩，羅玉康

(南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094)

作為世界最大的煤炭消耗國(guó)，我國(guó)煤炭主要用于火力發(fā)電[1-2]?；鹆Πl(fā)電廠在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)粉的均衡分配對(duì)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性至關(guān)重要。如風(fēng)粉分配不均勻，局部過(guò)量空氣系數(shù)會(huì)偏離正常值的區(qū)域，影響煤粉完全燃燒的程度，降低鍋爐的運(yùn)行效率，且更容易產(chǎn)生NOx等污染物，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生爐內(nèi)結(jié)焦、受熱面局部升溫、燃燒傳熱惡化和爐膛爆管等安全事故[3-5]。風(fēng)粉的流動(dòng)速度、煤粉顆粒濃度通常被用來(lái)衡量風(fēng)粉是否均衡分配[6-7]。

《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5145-2012)指出，對(duì)于中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)而言，風(fēng)粉分配均衡的最優(yōu)結(jié)果應(yīng)為管道出口風(fēng)速偏差不大于5%，煤粉濃度偏差不大于10%[8]。

研究表明：支管的固有阻力和煤粉引起的附加流動(dòng)阻力是導(dǎo)致風(fēng)粉分配不均勻的重要因素[7]。而在送粉管道內(nèi)設(shè)置節(jié)流元件是均衡管道內(nèi)的風(fēng)速和煤粉濃度的常用方式。本文在一次風(fēng)支管中添加均衡調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)整均衡調(diào)節(jié)閥的角度來(lái)改變管道內(nèi)的阻擋面積，可以控制各個(gè)并聯(lián)支管內(nèi)的阻力，進(jìn)而調(diào)整管道內(nèi)的一次風(fēng)速和煤粉濃度。

1 研究對(duì)象

以某電廠磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的制粉系統(tǒng)作為研究對(duì)象，制粉系統(tǒng)包括磨煤機(jī)的出口、連接磨煤機(jī)出口與爐膛入口處的管道，使用Solidworks軟件對(duì)制粉系統(tǒng)進(jìn)行建模，磨煤機(jī)送粉管道仿真模型三維圖如圖1所示。本文研究的制粉系統(tǒng)通過(guò)1～4號(hào)管，將煤粉送往爐膛四角切圓的A、B、C和D四臺(tái)燃燒器處。在模擬的過(guò)程中將磨煤機(jī)的出口面作為入口處，將管道的出口面作為出口處。管道直徑均為711 mm。

圖1 磨煤機(jī)送粉管道仿真模型三維圖

均衡調(diào)節(jié)閥設(shè)置在距離磨煤機(jī)出口管道300 mm處。均衡調(diào)節(jié)閥厚度為20 mm，均衡調(diào)節(jié)閥上設(shè)置了矩形導(dǎo)流孔，長(zhǎng)和寬分別為60 mm和30 mm。將均衡調(diào)節(jié)閥角度定義為管道的軸線(xiàn)方向與均衡調(diào)節(jié)閥所在的平面形成的角度，記為α(0°≤α≤90°)，均衡調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 均衡調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

將均衡調(diào)節(jié)閥的節(jié)流比定義為通流面積與管道截面積的比值，記為n，均衡調(diào)節(jié)閥的節(jié)流比n與均衡調(diào)節(jié)閥角度α的關(guān)系式為：

n=[0.964 7-0.675 4cos(90-α)]×100%

(1)

式(1)中，當(dāng)α為 0°時(shí)，n為 96.47%；當(dāng)α為 90°，n為 28.92%。

根據(jù)制粉系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際工況，煤粉的體積分?jǐn)?shù)在10-6至10-3范圍內(nèi)，屬于稀相氣固兩相流范疇。為簡(jiǎn)化問(wèn)題做如下假設(shè)：1)將一次風(fēng)作為連續(xù)相，且一次風(fēng)的流動(dòng)屬于不可壓縮流體的等溫定常流動(dòng)；2)將煤粉作為顆粒相，煤粉均為粒徑相同的球體；3)忽略煤粉間的碰撞；4)一次風(fēng)與煤粉之間具有雙向動(dòng)量耦合作用。采用Fluent中的Realizablek-ε湍流模型模擬氣相湍流，采用離散相模型(DPM)，模擬煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)開(kāi)啟隨機(jī)軌道模型模擬顆粒的湍流耗散。

2 模型的求解

2.1 網(wǎng)格劃分

將Solidworks建好的三維模型導(dǎo)入ICEM CFD中，由于均衡調(diào)節(jié)閥實(shí)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分生成混合網(wǎng)格，對(duì)均衡調(diào)節(jié)閥處進(jìn)行網(wǎng)格加密。隨著均衡調(diào)節(jié)閥角度的變化，總網(wǎng)格數(shù)目會(huì)產(chǎn)生一定的變化，但均在360萬(wàn)至370萬(wàn)范圍內(nèi)，網(wǎng)格質(zhì)量平均值為0.73，滿(mǎn)足模擬的要求。

2.2 物性參數(shù)和邊界條件

模擬中將熱空氣作為氣相，空氣溫度為70 ℃，動(dòng)力粘度為2.048×10-5Pa·s；將低熱值煤粉作為離散相，密度為1 400 kg/m3，煤粉粒徑取為70 μm。

入口條件取速度入口，對(duì)于兩相流模擬，入口處煤粉速度與一次風(fēng)速度均為4 m/s；出口條件取壓力出口，相對(duì)靜壓值為-100 Pa。重力加速度取為9.8 m/s2，壁面粗糙度取為0.003 mm，近似為水力光滑管。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在本文研究的所有工況中，入口處煤粉速度與一次風(fēng)速度均為4 m/s。入口處風(fēng)粉條件分為煤粉均勻分布與煤粉非均勻分布。

一次風(fēng)入口速度為4 m/s，一次風(fēng)總流量為160 625.67 kg/h，相當(dāng)于44.618 kg/s；總煤量57 600 kg/h，相當(dāng)于16 kg/s，煤粉質(zhì)量濃度為0.358 6 kg/kg。風(fēng)粉偏差計(jì)算公式如下所示：

(2)

(3)

式(2～3)中，Gave、Gi、ΔGi分別為管間煤粉濃度(風(fēng)速)平均值、i號(hào)管煤粉濃度(風(fēng)速)值、i號(hào)管煤粉濃度(風(fēng)速)偏差值；j為并聯(lián)支管的數(shù)量，在本文中取為4。

3.1 入口處風(fēng)粉均勻分布對(duì)支管風(fēng)粉分配結(jié)果的影響研究

研究并聯(lián)支管固有阻力對(duì)風(fēng)粉分配情況的影響時(shí)，為了避免入口處風(fēng)粉分布情況產(chǎn)生影響，將煤粉入射方式設(shè)置為按入口面積均勻入射。

3.1.1 均衡調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)支管風(fēng)粉分配情況

入口處風(fēng)粉均勻分布，并聯(lián)支管中均衡調(diào)節(jié)閥角度均為0，即均衡調(diào)節(jié)閥所在平面與管道軸線(xiàn)方向平行，模擬得到四根并聯(lián)管道中風(fēng)粉分配結(jié)果，入口處風(fēng)粉均勻分布時(shí)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果如表1所示。

表1 入口處風(fēng)粉均勻分布時(shí)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果

根據(jù)表1可知，四根支管的風(fēng)速、煤粉流量大小關(guān)系式為：

V3>V4>V2>V1；Q3>Q4>Q2>Q1；μ3>μ4>μ2>μ1

1號(hào)管風(fēng)速和煤粉流量、煤粉質(zhì)量濃度均最??；3號(hào)管風(fēng)速和煤粉流量最大，且煤粉質(zhì)量濃度最小。并聯(lián)支管間風(fēng)速偏差最大值為6.242%，濃度分配偏差最大值為5.752%，均大于5%，表明四根支管固有阻力特性引起的速度與濃度偏差不可忽略，需要調(diào)節(jié)均衡調(diào)節(jié)閥的角度改變管道的阻力。根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知，1號(hào)管、2號(hào)管風(fēng)速與煤粉流量相近，但風(fēng)速?。?號(hào)管和4號(hào)管風(fēng)速與煤粉流量相近，但風(fēng)速較大，因此優(yōu)先調(diào)整3號(hào)管和4號(hào)管均衡調(diào)節(jié)閥角度。

3.1.2 均衡調(diào)節(jié)閥調(diào)整后支管風(fēng)粉分配情況

參考均衡調(diào)節(jié)閥調(diào)整前所得的仿真結(jié)果，不斷調(diào)整3號(hào)管和4號(hào)管均衡調(diào)節(jié)閥的角度進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)3號(hào)和4號(hào)管里的均衡調(diào)節(jié)閥角度分為30°和25°時(shí)，可得到風(fēng)粉均衡的結(jié)果，均衡調(diào)節(jié)閥調(diào)整后入口處風(fēng)粉均勻分布時(shí)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果如表2所示。

表2 均衡調(diào)節(jié)閥調(diào)整后入口處風(fēng)粉均勻分布時(shí)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果

根據(jù)表2可知，通過(guò)調(diào)整管道內(nèi)均衡調(diào)節(jié)閥的角度，并聯(lián)支管間風(fēng)速偏差最大值為1.556%，并聯(lián)支管間煤粉濃度偏差最大值為1.842%，均小于5%。在均衡風(fēng)速的同時(shí)，達(dá)到了煤粉濃度均衡的目的。由此可知，當(dāng)3號(hào)和4號(hào)管里的均衡調(diào)節(jié)閥角度分為30°和25°時(shí)，各個(gè)管道的阻力近似相等，管道的固有阻力是影響并聯(lián)支管風(fēng)速分配的重要影響因素。

3.2 入口處煤粉非均勻分布對(duì)支管風(fēng)粉分配結(jié)果的影響研究

通過(guò)改變?nèi)肷涿骘L(fēng)粉分布的均勻程度，研究入口處風(fēng)粉不均對(duì)支管風(fēng)粉分配的影響。為了避免管道固有阻力對(duì)風(fēng)粉分配的影響，調(diào)整3號(hào)和4號(hào)管里的均衡調(diào)節(jié)閥角度分為30°和25°時(shí)。將入射面均分為四個(gè)部分(根據(jù)該部分與管道的對(duì)應(yīng)關(guān)系命名為a、b、c、d)，均為四分之一圓，入口面四分之一圓與管道對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 入口面四分之一圓與管道對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

入口處煤粉速度與一次風(fēng)速度均為4 m/s。煤粉在入射面的總質(zhì)量流量為16 kg/s，設(shè)計(jì)四種工況，進(jìn)行模擬，入口處風(fēng)粉非均勻分布工況表如表3所示。在四分之圓內(nèi)，煤粉仍按照面積均勻分布。表3中不均勻度數(shù)值為入口處煤粉質(zhì)量流量的相對(duì)偏差的最大值。

表3 入口處風(fēng)粉非均勻分布工況表

通過(guò)仿真得到入口處煤粉非均勻分布支管風(fēng)粉分配結(jié)果如圖4所示。

由工況1可知，當(dāng)Qa=5.5，Qb=Qc=Qd=3.5時(shí)，煤粉濃度偏差最大值出現(xiàn)在1號(hào)管；

由工況2可知，當(dāng)Qb=5.5，Qa=Qc=Qd=3.5時(shí)，煤粉濃度偏差最大值出現(xiàn)在2號(hào)管；

由工況3可知，當(dāng)Qc=5.5，Qa=Qb=Qd=3.5時(shí)，煤粉濃度偏差最大值出現(xiàn)在3號(hào)管；

由工況4可知，當(dāng)Qd=5.5，Qa=Qb=Qc=3.5時(shí)，煤粉濃度偏差最大值出現(xiàn)在4號(hào)管。

由此可知，煤粉濃度偏差最大值出現(xiàn)在入口處煤粉質(zhì)量流量偏差最大值所對(duì)應(yīng)的并聯(lián)支管。除此之外，這四種工況下并聯(lián)支管間風(fēng)速偏差最大值相對(duì)于表2的結(jié)果均有略微增加，但均小于5%；煤粉濃度偏差最大值相對(duì)于表2的結(jié)果均有大幅度增加，煤粉濃度偏差最大值均大于30%。

圖4 入口處風(fēng)粉非均勻分布支管風(fēng)粉分配結(jié)果圖

模擬多種均衡調(diào)節(jié)閥角度組合下的風(fēng)粉分配情況，發(fā)現(xiàn)無(wú)法得到風(fēng)速和濃度偏差最大值同時(shí)滿(mǎn)足風(fēng)粉均衡要求的角度組合。在模擬中發(fā)現(xiàn)，濃度偏差最大值減小時(shí)，風(fēng)速偏差最大值增加。將速度偏差最大值小于10%，濃度偏差最大值最小時(shí)的結(jié)果作為最優(yōu)風(fēng)粉分配結(jié)果。圖5為入口處風(fēng)粉非均勻分布支管風(fēng)粉分配偏差結(jié)果圖。

圖5 入口處風(fēng)粉非均勻分布支管風(fēng)粉分配偏差結(jié)果圖

由圖5(a)可知，調(diào)整均衡調(diào)節(jié)閥可讓風(fēng)速偏差最大值最小達(dá)到1.869%，但此時(shí)濃度偏差最大值為31.325%；由圖5(b)可知，調(diào)整均衡調(diào)節(jié)閥可得到的相對(duì)較優(yōu)的風(fēng)粉分配結(jié)果是風(fēng)速偏差最大值為8.028%，濃度偏差最大值為19.491%。由此可知，當(dāng)入口處煤粉分布不均勻度較大時(shí)，均衡調(diào)節(jié)閥難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)粉均衡分配的目的。

3.3 入口處煤粉分布不均勻度較小時(shí)風(fēng)粉均衡模擬

3.3.1 均衡調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)入口處煤粉非均勻分布支管風(fēng)粉分配結(jié)果

入口處煤粉速度與一次風(fēng)速度均為4 m/s，入口處風(fēng)粉非均勻分布工況如表4所示。表4中不均勻度數(shù)值為入口處煤粉質(zhì)量流量的相對(duì)偏差的最大值。

表4 入口處風(fēng)粉非均勻分布工況表 kg·s-1

四根并聯(lián)管道均衡調(diào)節(jié)閥全開(kāi)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果如表5所示。

表5 四根并聯(lián)管道均衡調(diào)節(jié)閥全開(kāi)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果

根據(jù)表5可知，四根支管的風(fēng)速和煤粉流量大小關(guān)系式為：

V3>V4>V2>V1；Q1>Q3>Q4>Q2；μ1>μ3>μ4>μ2

1號(hào)管風(fēng)速最小，但煤粉質(zhì)量濃度最大；2號(hào)管風(fēng)速與1號(hào)管風(fēng)速接近，且煤粉濃度最?。?號(hào)管風(fēng)速與4號(hào)管風(fēng)速接近，煤粉濃度也接近。由2號(hào)管風(fēng)速與質(zhì)量濃度可知，2號(hào)管支管阻力最大，風(fēng)速較低且粉相對(duì)于風(fēng)較少，因此可以通過(guò)調(diào)整1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)管均衡調(diào)節(jié)閥角度，達(dá)到風(fēng)粉均衡的目的。

3.3.2 均衡調(diào)節(jié)閥調(diào)整后入口處煤粉非均勻分布支管風(fēng)粉分配結(jié)果

通過(guò)不斷調(diào)整1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)管均衡調(diào)節(jié)閥角度，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)1號(hào)管里的均衡調(diào)節(jié)閥角度為18°，2號(hào)管里的均衡調(diào)節(jié)閥角度為0°，3號(hào)管里的均衡調(diào)節(jié)閥角度為25°，4號(hào)管里的均衡調(diào)節(jié)閥角度為20°時(shí)，得到較為理想的結(jié)果。均衡調(diào)節(jié)閥調(diào)整后入口處風(fēng)粉非均勻分布時(shí)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果如表6所示。

管道出口風(fēng)速偏差最大值為4.827%，小于5%，濃度分配偏差最大值為8.356%，小于10%，滿(mǎn)足風(fēng)粉均衡模擬的要求。

表6 均衡調(diào)節(jié)閥調(diào)整后入口處風(fēng)粉非均勻分布時(shí)管道風(fēng)粉參數(shù)分配結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用Fluent軟件對(duì)電廠某制粉系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，模擬了不同工況下的風(fēng)粉分配情況，探究了均衡調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能。

當(dāng)入口處風(fēng)粉分布均勻，各支管內(nèi)均衡調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)，并聯(lián)支管間風(fēng)速偏差最大值大于5%，表明四根并聯(lián)支管內(nèi)阻力特性引起的速度偏差不可忽略。通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)均衡調(diào)節(jié)閥開(kāi)度依次為0°、0°、30°和25°時(shí)，滿(mǎn)足風(fēng)粉均衡要求。

在4個(gè)并聯(lián)支管內(nèi)均衡調(diào)節(jié)閥的角度分別為0°、0°、30°和25°時(shí)，模擬了入口處煤粉速度與一次風(fēng)速度均為4 m/s、煤粉分布不均勻度為37.5%時(shí)的風(fēng)粉分配情況，此時(shí)并聯(lián)支管間風(fēng)速偏差最大值小于5%，但濃度分配偏差最大值大于30%，不滿(mǎn)足風(fēng)粉均衡分配的要求。經(jīng)過(guò)多次改變均衡調(diào)節(jié)閥角度，調(diào)整均衡調(diào)節(jié)閥可讓風(fēng)速偏差最小達(dá)到1.869%，但此時(shí)濃度偏差最大值為31.325%；調(diào)整均衡調(diào)節(jié)閥可得到的相對(duì)較優(yōu)風(fēng)粉分配結(jié)果是風(fēng)速偏差最大值為8.028%，濃度偏差最大值為19.491%。說(shuō)明入口處煤粉分布不均勻度較大時(shí)，通過(guò)調(diào)整均衡調(diào)節(jié)閥的角度無(wú)法達(dá)到煤粉均勻分配的目的。

當(dāng)入口處煤粉速度與一次風(fēng)速度均為4 m/s、煤粉分布不均勻度為15%時(shí)，均衡調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，并聯(lián)支管間風(fēng)速偏差最大值為8.581%，濃度分配偏差最大值為13.779%，不滿(mǎn)足風(fēng)粉均衡分配的要求，調(diào)整各個(gè)并聯(lián)支管均衡調(diào)節(jié)閥角度為18°、0°、25°和20°時(shí)，風(fēng)速和濃度偏差最大值均小于5%，滿(mǎn)足風(fēng)粉均衡分配的要求。說(shuō)明在入口處風(fēng)粉分布不均勻度不大時(shí)，均衡調(diào)節(jié)閥可滿(mǎn)足風(fēng)粉均衡要求，有利于提高鍋爐的運(yùn)行效率。