薛飛宇， 韓健民， 梁雙印

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

在一次風送往電站鍋爐燃燒過程中，由于磨煤機出口風粉分配特性以及下游各支管位置布局差異，各管道阻力存在較大偏差，一次風管中存在空氣和煤粉分配不均衡的現(xiàn)象[1-2]。煤粉分配不均會造成鍋爐的燃燒效率降低，NOx生成量增加，同時引起鍋爐燃燒不穩(wěn)定、結渣等隱患，有時還會發(fā)生輸煤管道堵塞[3-4]。

目前，電廠改善煤粉分配均勻性的措施主要有:(1)在磨煤機出口處安裝煤粉分配器，常見的分配器類型有擴散型、格柵型和文丘里型等，由于上述分配器具有不可調特性，存在10%～20%的固有煤粉分配偏差，且無法解決因下游管道阻力不均而引起的煤粉分配偏差問題[5];(2)在管道中加裝可調節(jié)流元件來平衡管道間的阻力偏差，但無法實現(xiàn)分別調節(jié)煤粉和空氣流量，且易導致煤粉沉積、堵管等事故。因此，上述方法都缺乏對鍋爐制粉系統(tǒng)的靈活性調節(jié)。

Vijiapurapu等[6]提出一種適合電站鍋爐冷態(tài)調平的純空氣阻力法，分別計算一次風在不同管道內的壓降系數(shù)，根據(jù)風粉均衡后的各管壓降系數(shù)確定節(jié)流孔尺寸的大小，結果顯示一次風管道內的壓降系數(shù)受管道幾何尺寸影響最大。陳冬林等[7]提出了一種下段擴容式旋風分離器，當擴容段最大直徑為1.3倍筒體直徑時總分離效率達到最高值90.3%，比傳統(tǒng)旋風分離器的總分離效率高4.4%。王偉[8]設計了一種由內、外殼和可調式葉片構成的新旋流式煤粉分配器，葉片安裝角度為75°、共6個矩形葉片時，分配器內部的流場壓降較小，速度分布差異小，出口顆粒分布均勻。賈波[9]設計了一種可以直接安裝在粗粉分離器出口的可調緊湊型煤粉分配器，并對其分配特性進行了數(shù)值分析和實驗研究，為煤粉分配器的設計提供了新思路。

筆者設計了一種雙可調煤粉分配器，該裝置將磨煤機出口一次風分離為濃、稀兩股流體，通過調節(jié)閥門開度來調整這兩股流體的流量，解決由送粉管道阻力系數(shù)不同造成煤粉分配不均的問題。

1 雙可調煤粉分配器的結構及原理

雙可調煤粉分配器的結構如圖1所示，由入口擴散段、風粉分離段、風粉調節(jié)段及混合段4部分組成。扇形風粉調節(jié)閥(以下簡稱扇形閥)的安裝位置如圖1(b)所示，按俯視逆時針順序記為1號～4號支管。各擋板閥門的厚度及其固定裝置的尺寸遠小于煤粉分配器的尺寸，對整體流場影響較小，故模擬時忽略此部分以簡化計算條件。

(a)雙可調煤粉分配器結構

含煤粉的一次風在經過磨煤機頂部粗粉分離器出口時會帶有一定的旋轉，經過煤粉分配器的入口擴散段后，由于管道橫截面積逐漸擴大，風粉混合物的流速和旋轉速度均有所下降，此時風粉混合更加均勻[10-11]。在風粉分離段內部裝有4列漸縮型圓環(huán)擋板，利用煤粉慣性大于空氣，流動軌跡相對不易改變的特點，絕大多數(shù)的煤粉被集中到內環(huán)出口形成煤粉流量占比較高的流體(簡稱濃相流)?？諝鈩t從圓環(huán)擋板之間的縫隙中逃逸到外環(huán)流域，形成外環(huán)出口空氣流量占比較高的流體(簡稱稀相流)[12]。在風粉分離完成后，通過風粉調節(jié)段的十字擋板將濃相流和稀相流分別均分為4組，并在各自的流道內加裝調節(jié)擋板以調節(jié)風量和粉量。最終將調節(jié)完畢的濃相流和稀相流在混合段進行充分混合，再經下游管道送往爐膛中進行燃燒。

與傳統(tǒng)煤粉分配器相比，雙可調煤粉分配器可相對獨立地調節(jié)各個支管的風量和粉量，且不用考慮各支管下游管路在設計安裝過程中的阻力是否均衡，大大增加了機組運行的靈活性[13]。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型與網格劃分

使用SolidWorks軟件對該煤粉分配器進行幾何建模，并用ICEM CFD軟件對該模型進行網格劃分，幾何模型尺寸與網格劃分如圖2和表1所示，Oi(i=1,2,3,4)為繞環(huán)形漸縮閥中點。為了確保計算準確度，整個計算域內均采用六面體結構化網格，網格質量均值為0.908，滿足工程計算要求。并對網格數(shù)量為651 582、1 040 811和1 527 335的煤粉分配器模型進行數(shù)值模擬,通過網格無關性驗證，最終選取網格數(shù)為1 040 811的模型進行后續(xù)模擬計算。

圖2 煤粉分配器尺寸及網格劃分

表1 煤粉分配器幾何尺寸

2.2 數(shù)學模型

氣固兩相流在煤粉分配器的流動過程中溫度變化較小，故忽略氣固兩相及管道的能量交換過程[14]。煤粉分配器內部的風粉兩相流屬于高雷諾數(shù)的旺盛湍流階段，選擇Standardk-ε湍流模型進行計算[15-16]。氣固兩相流中煤粉質量占比取0.3 kg/kg，此時煤粉所占體積分數(shù)小于0.005，屬于稀相流動，顆粒相采用離散顆粒(DPM)模型進行計算[17]。壓力與速度的耦合使用Simplec 算法，壓力梯度相選擇Standard算法，動量、湍流、湍流耗散方程的離散格式均采用二階迎風格式。

2.3 計算條件

由于煤粉分配器體積較大，流域較長，故考慮重力的影響，重力加速度取g=9.81 m/s2。流體參數(shù)采用鍋爐實際運行的磨煤機出口參數(shù)。氣相為溫度88 ℃的空氣，此時密度為0.978 kg/m3，動力黏度為2.14×105Pa·s。煤粉分配器入口為速度入口，分別取15 m/s、20 m/s、25 m/s 3種工況，出口為壓力出口，湍流強度取5%，水力直徑取200 mm。壁面選擇無滑移壁面條件。

煤粉為中熱值煤粉，顆粒密度取1 500 kg/m3，分布類型采用Rosin-Rammler分布，最小顆粒粒徑為10 μm，最大顆粒粒徑為90 μm，平均顆粒粒徑為50 μm。選擇默認的穩(wěn)態(tài)顆粒追蹤方式，入射類型為Surface，煤粉顆粒的速度與入口空氣速度相等。

3 模擬結果

3.1 環(huán)形漸縮閥風粉分離效果

定義漸縮角度為繞環(huán)形漸縮閥圓環(huán)母線與水平面的夾角為β，高度占比C定義為四列環(huán)形漸縮閥總高度與風粉分離段長度之比，表達式如下：

C=4H/L2

(1)

為尋找環(huán)形漸縮閥合適的偏角和高度，以Oi為旋轉中心，選取漸縮角度分別為55°、60°、65°、70°、75°、80°和85°，高度占比分別為40%、50%、60%的環(huán)形漸縮閥，計算入口一次風速分別為15 m/s、20 m/s和25 m/s 3種工況下的風粉分離效果。

3.1.1 速度場

圖3給出了入口一次風速為20 m/s時，環(huán)形漸縮閥不同高度占比下的縱截面速度云圖。從圖3可以看出，速度最大值出現(xiàn)在內環(huán)出口附近，最大速度隨著漸縮角度的增加而減小，同一漸縮角度下高度占比越大流域最大速度越大。這是因為環(huán)形漸縮閥使得氣流運動半徑縮小，動能增大，高度占比越大時可供流體從內環(huán)擴散到外環(huán)的縫隙越小，氣體大部分從內環(huán)流出，使內環(huán)的速度越大，這不僅加劇了附近壁面的磨損，還使得內、外環(huán)速度差變大，在后續(xù)兩股氣流混合過程中黏性作用導致能量損失增加。流體在環(huán)形漸縮閥外圍形成了回流區(qū)，漸縮角度越大，回流區(qū)面積越小?；亓鲄^(qū)面積越大，產生的流動阻力越大，還會導致積粉、積灰等問題，嚴重時會導致管道堵塞，引發(fā)安全事故。

(a)40%高度占比

3.1.2 進出口壓降

圖4給出了不同入口一次風速下，煤粉分配器進出口壓降與漸縮角度的關系。由圖4可知，隨著入口一次風速的增加，煤粉分配器壓降逐漸上升,當入口一次風速為25 m/s時，分配器進出口壓降較大，當高度占比為60%，漸縮角度為55°時，煤粉分配器進出口壓降最大值為2 050.6 Pa。其原因是入口一次風速的增加會使風粉氣流的雷諾數(shù)增加，導致在繞過環(huán)形漸縮閥時的混亂程度增加，煤粉分配器阻力系數(shù)增大，最終導致煤粉分配器壓降提高。在保持入口一次風速及漸縮角度一定的情況下，隨著高度占比的減小，煤粉分配器壓降也隨之下降，在高度占比為40%時最低。在保持入口一次風速及高度占比一定的情況下，隨著漸縮角度的增加，壓降以斜率逐漸減小的趨勢逐漸降低，在85°達到最低，壓降范圍在8～34 Pa。其原因是漸縮角度的增加或高度占比的減小，導致風粉氣流的方向變化程度變弱及經過環(huán)形漸縮閥時造成的渦流損失減少，降低了局部阻力損失。

(a)入口一次風速為15 m/s

3.1.3 濃相煤粉占比

圖5給出了不同入口一次風速下，煤粉分配器風粉分離效果與漸縮角度的關系。由圖5可知，保持入口一次風速及漸縮角度不變的情況下，高度占比越高，濃相分離效果越好。在入口一次風速及高度占比不變的情況下，隨著漸縮角度的增加，濃相煤粉占比減小速度變快。當入口一次風速為25 m/s，高度占比為60%，漸縮角度為55°時，最高濃相煤粉占比為96.20%。

(a)入口一次風速為15 m/s

3.1.4 不同粒徑煤粉的分離效果

圖6為3種入口一次風速下，漸縮角度為70°時不同粒徑煤粉的分離效果。從圖6可以看出，粒徑越大或入口一次風速越高風粉分離效果越好。粒徑為10～40 μm的煤粉顆粒分離效果較差，粒徑為50～90 μm的煤粉顆粒分離效果較好，入口一次風速的增加也在一定程度上增強分離效果。這是因為在相同入口一次風速下，細煤粉慣性小，受氣動牽引力影響大，更容易被攜帶至閥外區(qū)域；相同粒徑下，煤粉分配器入口一次風速越大，顆粒動能越大，碰撞后徑向速度越大，顆粒越靠近中心區(qū)域，分離效果增強。

圖6 不同粒徑煤粉在風粉分離段的分離效果

3.1.5 綜合分析

在圖4、圖5中，從壓降曲線來看，漸縮角度越小，壓降曲線斜率越大，壓降降低越明顯，在漸縮角度為70°～85°時，壓降整體數(shù)值較低且變化幅度??；從濃相煤粉占比來看，隨著漸縮角度的增加，濃相煤粉占比下降的速度變快，分離效果加速惡化，在漸縮角度為55°～70°時，濃相煤粉占比保持較高數(shù)值且下降速度較慢。因此，漸縮角度的選擇區(qū)間以65°～75°為宜，后續(xù)選擇漸縮角度為70°的模型進行模擬分析。

圖7給出了漸縮角度為70°時，不同高度占比對煤粉分配器壓降及濃相煤粉占比的影響。由圖7可知，高度占比增加對煤粉分配器壓降升高的影響呈現(xiàn)遞增的趨勢，對濃相煤粉占比的影響趨于線性。其中高度占比為40%時的平均壓降為114.23 Pa，濃相煤粉平均占比為87.58%；高度占比為50%時的平均壓降為181.88 Pa，濃相煤粉平均占比為89.75%；高度占比為60%時的平均壓降為297.38 Pa，濃相煤粉平均占比為91.45%。隨著高度占比的增加，增加單位占比的濃相煤粉所需的壓降逐漸上升，環(huán)形漸縮閥高度占比的取值不宜超過60%，因此選擇高度占比為50%的模型進行模擬分析。

(a)壓降

3.2 扇形閥對風粉分配偏差的優(yōu)化效果

煤粉分配器的風粉分配偏差定義為各支管出口的空氣/煤粉質量流量相對偏差，定義單根支管的相對偏差為：

(2)

扇形閥閥門開度的減小會導致流場局部流動面積急劇減小，產生較大的回流區(qū)和阻力損失，實際工程應用中，其閥門開度一般不小于40%。分別模擬安裝在濃/稀相區(qū)的扇形閥(簡稱濃/稀相扇形閥)在開度為40%～100%時的風粉均衡效果。

3.2.1 稀相扇形閥

圖8為1號支管稀相扇形閥閥門開度為40%～100%，其他支管稀相扇形閥保持全開時的風速偏差曲線圖。因為扇形閥對流場的阻擋效應，1號支管出口風速遠小于其他3根支管，且隨著閥門開度的減小其出口風速偏差呈加速上升趨勢，在閥門開度為40%時達到最大出口風速偏差-28.63%。當1號支管扇形閥閥門開度變化時，其他3根支管的出口風速偏差始終維持在-0.29%～0.33%，這也說明了風側扇形閥調節(jié)風速時對于其他支管有良好的獨立性。

圖8 不同閥門開度下稀相扇形閥各支管出口風速偏差的變化

當稀相扇形閥調節(jié)風速時，各支管出口粉量偏差如表2所示。總體來看，1號支管出口煤粉濃度小于其余3根支管出口煤粉濃度，且隨著閥門開度的減小出口粉量偏差呈增大趨勢，當稀相扇形閥閥門開度為40%時達到最大值-6.79%。2號、3號支管出口煤粉濃度幾乎相等，4號支管出口煤粉濃度略大于2號、3號支管。這是因為風粉分離段的分離效率為90%左右，在稀相流域仍殘留煤粉總量10%左右的煤粉，當閥門開度減小時，煤粉顆粒的流動被阻擋，使得1號支管出口有少量的粉量偏差。因扇形閥的周向不對稱性，靠近1號支管的4號支管出口煤粉濃度高于遠離1號支管的2號、3號支管出口煤粉濃度。但總體出口粉量偏差處于較低水平，可認為稀相扇形閥在調節(jié)風速時對于出口煤粉濃度的變化有著較好的獨立性。

表2 不同閥門開度下稀相扇形閥各支管出口粉量偏差

3.2.2 濃相扇形閥

圖9為1號支管濃相扇形閥閥門開度為40%～100%、其余支管扇形閥保持全開的出口粉量偏差曲線圖。1號支管出口粉量遠小于其他3個支管，隨著閥門開度的減小，其出口粉量偏差變化趨近于線性減少，在閥門開度為40%時達到最大出口粉量偏差-32.61%。其他3根支管的出口粉量偏差隨著1號支管閥門開度的增大而減小，整體出口粉量偏差的變化區(qū)間為-2.78%～5.40%，均保持在較低數(shù)值，故濃相扇形閥調節(jié)粉量時相對于其他支管也有較好的獨立性。

圖9 不同閥門開度下濃相扇形閥各支管出口粉量偏差的變化

表3為濃相扇形閥調節(jié)粉量時，各支管出口風速的偏差情況。總體來看，1號支管的出口風速要低于其余3根支管的出口風速，且隨著1號支管閥門開度的減小，風速偏差呈現(xiàn)上升趨勢，當閥門開度為40%時1號支管的出口風速偏差達到最大值-8.91%。其余3只支管出口風速偏差受閥門開度的影響較均衡，在閥門開度為40%時所受影響最大，出口風速偏差在2.55%～3.30%?？傮w出口風速偏差處于較低水平，可認為濃相扇形閥在調節(jié)煤粉濃度時對于出口風速的變化有著較好的獨立性。

表3 不同閥門開度下濃相扇形閥各支管出口風速偏差

4 結 論

(1)隨漸縮角度的增加，煤粉分配器進出口壓降先下降后趨于平緩，風粉分離段出口濃相煤粉占比呈加速下降趨勢，漸縮角度以65°～75°為宜；隨著環(huán)形漸縮閥高度占比的增加，煤粉分配器進出口壓降升高幅度大于風粉分離段出口濃相煤粉占比的上升幅度，高度占比取值不宜超過60%。

(2)煤粉分配器風粉分離段對粒徑為10～40 μm的煤粉顆粒分離效果較差，對粒徑大于等于50 μm的煤粉顆粒分離效果較好。當入口一次風速增加時，煤粉分配器風粉分離段出口的濃相煤粉占比呈上升趨勢。

(3)單支管稀相扇形閥調節(jié)時最大出口風速偏差為-28.63%，最大出口粉量偏差為-6.79%；單支管濃相扇形閥調節(jié)時最大出口粉量偏差為-32.61%，最大出口風量偏差為-8.91%。與傳統(tǒng)煤粉分配器相比，雙可調煤粉分配器能靈活調整風粉比例，具有良好的調節(jié)獨立性，可增強火電機組對負荷變化的靈活性。