杜躍斐

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 分析背景

能源在當今社會發(fā)展的過程中起著舉足輕重的作用,是國民經濟發(fā)展的基礎。進入21世紀后,能源與環(huán)境逐漸成為困擾全球可持續(xù)性發(fā)展的兩大主要問題。目前,我國的整體能源格局仍然以傳統(tǒng)燃煤火力發(fā)電為主,這種情況在相當長的時間內都不會改變。隨著節(jié)能降耗和環(huán)境保護要求的提高,以及國民經濟發(fā)展對電力需求的增長,燃煤鍋爐機組運行的安全性、經濟性和低污染問題顯得尤為突出。磨煤機是燃煤火電廠的重要輔機之一,其運行狀況直接影響鍋爐的安全經濟運行。長期以來,各電廠廣泛存在制粉效率偏低、出粉細度均勻性差、分離阻力大、回粉量偏多等問題。可見,磨煤機的性能提升與改造已經刻不容緩。數值模擬計算作為研究和探索內部氣固兩相流和分離運動特性的重要手段,對縮短設計周期、降低設計風險、改善氣固兩相流場具有重要的意義。

近年來,很多科研人員和工程技術人員在磨煤機內部流動特性與氣固兩相流方面進行了研究、探索。文獻[1-3]在中速磨煤機和雙進雙出磨煤機內部流動特性、溫度場數值模擬與試驗方面做了大量工作,總結了磨煤機內部的流動特性規(guī)律,為磨煤機的結構優(yōu)化設計和實際控制提供了有益的參考。文獻[4-5]在中速磨煤機粗粉分離器分離特性和三維氣固兩相流方面進行了大量研究工作。文獻[6-10]在磨煤機粗粉分離器葉片結構優(yōu)化方面進行了很多研究,取得了大量研究成果。文獻[11]在中速磨煤機的建模與仿真領域進行了相關研究,取得了令人滿意的結果。

筆者以現有的HP中速磨煤機為研究對象,對內部流動機理進行數值模擬分析。在分析中,對磨煤機進行建模與模型簡化,確定流體域的網格劃分方案,并對每個流體域進行網格劃分。對計算提取的磨煤機內部流場信息進行分析,并得出了相關結論和結構改進建議。所進行的數值模擬分析工作對了解磨煤機內部流動機理具有重要意義,同時可以為機組運行人員的操作提供更加科學的依據,從而提高機組的安全性和經濟性。

2 磨煤機工作原理

磨煤機作為燃煤機組中制粉系統(tǒng)的核心設備,用于將原煤碾磨為煤粉,使煤粉達到能在爐內有效燃燒的細度要求。原煤經給煤管落入旋轉的磨碗中,在離心力的作用下沿徑向向外移動至研磨環(huán)。加載裝置產生的力通過磨輥作用在煤上,形成煤床,煤在磨環(huán)與磨輥之間研磨為煤粉。研磨后,煤粉在磨煤機內部主要經歷了兩級分離。一次風從磨碗底部進入,通過一次風室流經磨碗的外徑,在磨碗上的風環(huán)使氣流旋轉向上流動,較小、較輕的煤粒被氣流攜帶向上,進入上部空間,重的不易磨碎的外來雜物穿過氣流,落入一次風室。此時,較重的煤粒直接返回磨碗,進一步被碾磨為更小的煤粒,較輕的煤粒被氣流攜帶至分離器頂蓋,進行第二級分離。經分離器二次分離出的較重煤粒經過內錐體,返回至磨碗的碾磨區(qū)域,重新進行碾磨。出口得到符合細度要求的煤粉,并送入鍋爐燃燒室進行燃燒。

磨煤機內部視圖如圖1所示。

圖1 磨煤機內部視圖

3 磨煤機計算模型

3.1 流體基本方程

磨煤機內部的氣體流動滿足流體力學基本控制方程,即質量守恒方程和動量守恒方程。

質量守恒方程為:

(1)

式中:ρ為密度;t為時間;u為x方向的速度分量;v為y方向的速度分量;w為z方向的速度分量;Sm為質量源項。

式(1)在可壓縮和不可壓縮流場中均適用,是質量守恒方程總的形式。

動量守恒方程為:

(2)

(3)

(4)

式中:P為靜壓;fx為x方向的外力;fy為y方向的外力;fz為z方向的外力。

式(2)是直角坐標系下的流體動量守恒方程。

3.2 幾何模型

HP中速磨煤機的幾何模型如圖2所示。根據HP中速磨煤機的幾何特征,確定模型簡化原則:① 保證轉子體、葉輪、側機體進風口的葉片參數不變,對縫隙或待焊處縫隙進行合并;② 對分離器腔體進行等效簡化,保留導向襯板裝置;③ 忽略磨輥與磨碗的相對運動,簡化磨輥與磨碗裝置;④ 刪除一些不必要的氣孔、螺母、孔、倒角、微小臺階特征。

圖2 磨煤機幾何模型

3.3 網格劃分

由于磨煤機內部流場區(qū)域比較復雜,難以一次性完整地生成網格,因此需要先確定網格劃分策略。筆者采用的方法是將整體流域切分為五個部分,包括入口、葉輪、中間體、分離器體、出口。分別對各流體域進行網格劃分,之后再進行合并。HP中速磨煤機的流體網格模型如圖3所示,共計有460萬個網格。

圖3 磨煤機流體網格模型

3.4 計算設置

筆者采用商業(yè)流體計算軟件Fluent進行模擬,所采用的湍流模型為SSTk-ω模型,動靜區(qū)域設置交界面處理,轉子體采用多重參考系計算。

3.5 邊界設置

在Fluent軟件中設置各項邊界條件,具體參數見表1。

表1 邊界條件參數

4 整體流場分析

通過仿真計算,可以得到HP中速磨煤機的流場。在Fluent軟件中進行后處理,提取HP中速磨煤機內部流場速度分布,如圖4所示。由圖4可知HP中速磨煤機的內部流場規(guī)律,紅色代表速度較高的區(qū)域,表明出口區(qū)域速度較高,最高風速可達49.3 m/s。為了達到較好的煤粉分離效果,應該保證流場具備足夠的向上速度帶走煤粉顆粒,同時在二級分離處具有足夠的離心力作用。

圖4 磨煤機內部流場速度分布

5 葉輪裝置流場研究

葉輪裝置位于磨碗的外側,與磨碗一起轉動。氣流從底部經過葉輪進入磨煤機內腔,然后進行煤粉的一次分離。由此可見,葉輪出口氣流的速度和方向對磨煤機煤粉的分離效果起決定性作用。在葉輪結構中,導向板的角度是影響氣流的最重要因素,因此筆者分析導向板角度的變化對流場的影響。

導向板角度如圖5所示。選取導向板角度θ分別為35°、40°、45°、50°、55°,導向板角度變化的實質是葉片與轉動方向夾角的變化。導向板角度越大,對氣流方向的改變就越小。

圖5 導向板角度

計算和提取不同導向板角度時的葉輪出口平均速度、葉輪出口局部最小速度及葉輪進出口壓差,見表2。由表2可知,隨著導向板角度的增大,平均速度減慢,局部最小速度減慢。通過深入分析流動變化規(guī)律可知,導向板角度越大,對氣流的阻礙越小,葉輪進出口壓差也越小。導向板角度從35°增大至55°,平均速度減慢16.8%,局部最小速度減慢23.3%,進出口壓差減小40.9%。從計算結果綜合考慮,速度和壓差在導向板角度為40°～45°之間選取較為合理。

表2 葉輪流場隨導向板角度變化情況

6 結束語

筆者在深入分析磨煤機工作原理的基礎上,采用計算流體動力學方法,對HP中速磨煤機進行建模與網格劃分,并對其內部流場進行數值模擬研究,并深入分析了葉輪裝置結構變化對氣流的影響,得出相關規(guī)律。

(1) 完成了HP中速磨煤機內部流場的建模,分析得到了流體網格劃分策略,獲得了HP中速磨煤機計算流體動力學模型。

(2) 通過分析HP中速磨煤機內部整體流場,獲得了氣流的速度分布規(guī)律,可以幫助工程人員深入認識煤粉分離的機理。

(3) 對葉輪裝置進行深入研究,通過改變導向板角度得到結構對流場的影響規(guī)律,為葉輪的結構改進提供指導。

采用數值模擬方法來研究磨煤機內部的運動規(guī)律,對更加深入了解磨煤機內部的流動特性具有重要意義,同時為磨煤機結構改進提供了理論依據。