石全成, 呂為智, 周文臺(tái), 何 翔, 汪 鑫, 范衛(wèi)東

(1.中電投新疆能源化工集團(tuán)五彩灣發(fā)電有限責(zé)任公司,新疆昌吉 831799; 2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,上海 200240; 3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

能源是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生產(chǎn)力發(fā)展的重要因素。作為世界最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，煤炭在我國(guó)的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占有主導(dǎo)地位。2019年，我國(guó)原煤生產(chǎn)總量達(dá)79.52 EJ，煤炭消費(fèi)量為81.67 EJ，煤炭消費(fèi)量占能源總消費(fèi)量的57.7%，其中一半以上的煤炭用于火力發(fā)電[1]。

為了加強(qiáng)鍋爐燃燒系統(tǒng)的靈活性，提升鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒能力，可從一次風(fēng)速及其偏差、風(fēng)粉濃度、配風(fēng)方式、燃燒器旋流強(qiáng)度、煤機(jī)投運(yùn)方式等方面進(jìn)行調(diào)整[2]。

在DL/T 5581—2020 《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]中規(guī)定,“氣粉混合物在同一層燃燒器的各路送粉管中的風(fēng)量允許偏差不應(yīng)超過(guò)5%，粉量允許偏差不應(yīng)超過(guò)10%。各路送粉管道由磨煤機(jī)分離器引出時(shí)宜利用分離器自身保證粉量分配均勻。”但在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，同層燃燒器各一次風(fēng)管風(fēng)粉分配偏差達(dá)±(20%～40%)的現(xiàn)象普遍存在。當(dāng)一次風(fēng)粉分配不均時(shí)，進(jìn)入各燃燒器的煤粉量就會(huì)出現(xiàn)較大差異，可能對(duì)鍋爐的熱偏差、局部超溫及高溫腐蝕、燃燒不充分、變負(fù)荷汽溫汽壓波動(dòng)、NOx排放增加等造成影響。為解決燃煤機(jī)組風(fēng)粉偏差過(guò)大的問(wèn)題，筆者研發(fā)了一種風(fēng)粉兩相可調(diào)節(jié)新型煤粉分配器，可確保磨煤機(jī)出口一次風(fēng)均勻分配到4根煤粉管道中，并送入切圓燃燒鍋爐同層一次風(fēng)噴口，最后到達(dá)四角噴射。采用數(shù)值模擬方法對(duì)其性能進(jìn)行了深入研究，探究該煤粉分配器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)特性，分析其分離效率、壓損、磨損、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等的分布情況。

1 氣固兩相流動(dòng)特性及磨損模型

一次風(fēng)送粉管道內(nèi)煤粉氣流的輸送與分配過(guò)程屬于典型的氣固兩相流。因氣固兩相的物性(如氣體密度和黏度、顆粒密度、形狀與粒徑分布)、流動(dòng)(氣體流速、固相濃度、體系溫度和壓力)、過(guò)程環(huán)境(流動(dòng)空間的形狀、大小)等條件的影響，研究難度比單相流動(dòng)復(fù)雜許多?；趦上嗔鲄?shù)測(cè)量的試驗(yàn)研究方法受上述因素的影響尤為嚴(yán)重，且采用試驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)研究往往面臨需要大量人力、物力以及研究周期長(zhǎng)等因素的限制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬技術(shù)的成熟發(fā)展，基于CFD方法或者采用商用CFD軟件,如Ansys Fluent、CFX等研究氣固兩相流動(dòng)特性，已越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性[4-7]。

磨損數(shù)值預(yù)測(cè)是利用多相流計(jì)算理論結(jié)合壁面磨損模型實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)磨損試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，磨損率主要和顆粒與壁面的碰撞速度、碰撞角度等因素有關(guān)，磨損預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是要得到顆粒與壁面碰撞處的速度和碰撞角度。對(duì)多相流、湍流氣固兩相流和氣相場(chǎng)的計(jì)算可采用一般的湍流模型，顆粒運(yùn)動(dòng)計(jì)算通常采用軌道模型。磨損數(shù)值預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性依賴于多相流計(jì)算的精度和磨損模型的準(zhǔn)確性，上述問(wèn)題的關(guān)鍵是顆粒與壁面碰撞關(guān)系的處理。磨損模型主要是根據(jù)應(yīng)力、強(qiáng)度、碰撞、能量等的一些理論推導(dǎo)，和由試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式。采用理論推導(dǎo)的模型較為復(fù)雜，其中一些與材料特性有關(guān)的模型常數(shù)很難確定，往往需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)確定。而采用由試驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式中僅含一些與顆粒運(yùn)動(dòng)特性有關(guān)的因子，因此相對(duì)簡(jiǎn)單。由于對(duì)磨損問(wèn)題的預(yù)測(cè)通常是建立在相對(duì)的概念上，例如比較研究對(duì)象各部分磨損程度的相對(duì)大小及各種因素對(duì)磨損程度的影響，得到的絕對(duì)磨損量并非最重要。因此，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式是可取的方法，即使研究條件與此經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式得出的試驗(yàn)條件不一致也無(wú)妨。

2 煤粉分配器的工作原理

煤粉分配器由彎管1、異形管2、濃相調(diào)節(jié)閥3、稀相調(diào)節(jié)閥4和擴(kuò)口管5組成，如圖1所示。彎管1包括水平管和垂直管，水平管與垂直管圓滑過(guò)渡連接，異形管2入口位于彎管1水平管與垂直管的轉(zhuǎn)彎處，截面為半圓，靠近垂直管外端，異形管2出口為圓，連接到中心管，與垂直管同心。異形管2出口直徑為垂直管直徑的0.5～0.8倍。垂直管上部連接擴(kuò)口管5進(jìn)行擴(kuò)口，擴(kuò)口后形成稀相外圓環(huán)出口，異形管2上部的中心管形成濃相內(nèi)管出口，濃相內(nèi)管出口和稀相外圓環(huán)出口根據(jù)磨煤機(jī)一次風(fēng)管的數(shù)目均分，形成煤粉濃相內(nèi)管出口管和稀相外圓環(huán)出口管，在煤粉濃相內(nèi)管出口管和稀相外圓環(huán)出口管截面上，分別安裝濃相調(diào)節(jié)閥3和稀相調(diào)節(jié)閥4；通過(guò)調(diào)節(jié)閥后的每一份濃相氣流與稀相氣流進(jìn)行合并，連接磨煤機(jī)的一次風(fēng)管，最后通過(guò)一次風(fēng)管進(jìn)入爐膛燃燒器。

通過(guò)煤粉分配器的水平轉(zhuǎn)垂直彎管后，在慣性作用下，氣流中的大量煤粉甩到彎管外壁，并經(jīng)異形管輸送至垂直管段的中心管中，形成顆粒濃相；而氣流中的少數(shù)煤粉則在異形管外側(cè)，形成顆粒稀相。濃、稀相經(jīng)過(guò)垂直管的整流后，進(jìn)入擴(kuò)口管，在擴(kuò)口管出口各等分成一次風(fēng)管所需的數(shù)量，并在每等分的濃相內(nèi)管截面上及稀相外圓環(huán)截面上分別設(shè)置可調(diào)節(jié)閥，使得每根混合后的一次風(fēng)管內(nèi)顆粒濃度及風(fēng)速兩相可調(diào)節(jié)。

3 分配器的幾何建模和網(wǎng)格劃分

3.1 網(wǎng)格劃分

該煤粉分配器的邊界條件見(jiàn)表1，為了更準(zhǔn)確地計(jì)算氣固兩相流的運(yùn)動(dòng)軌跡，模擬中設(shè)置煤粉平均粒徑d=50 mm，顆粒粒徑分布按rosin-rammler確定，范圍為10～200 μm，特征粒徑定為50 μm，均勻性指數(shù)定為1.2，分為50種粒徑的球體，再對(duì)煤粉分配器進(jìn)行三維立體建模，如圖2所示。然后導(dǎo)入到ICEM CFD軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置邊界條件及流體區(qū)域。

表1 煤粉分配器邊界條件

圖2 三維模型圖

以實(shí)際煤粉分配器為對(duì)象，根據(jù)其幾何條件和邊界條件開(kāi)展數(shù)值模擬工作。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

3.2 模擬過(guò)程的主要參數(shù)設(shè)置

定義入口邊界條件為速度入口，給定垂直于入口的速度值為20 m/s。出口邊界條件為壓力出口，設(shè)置出口壓力為環(huán)境大氣壓。

在氣固兩相流的模擬中，如固相粒子的體積密度為0%～12%，多采用離散相模型(DPM)計(jì)算。模擬中煤粉顆粒粒徑分布按rosin-rammler確定，范圍為10～200 μm，特征粒徑定為50 μm，均勻性指數(shù)定為1.2，分為50種粒徑的球體。兩相計(jì)算需考慮流動(dòng)過(guò)程中氣體與煤粉間的相互作用，將顆粒入射速度設(shè)置為氣相入口速度的0.9倍，總質(zhì)量流量為4.64～11.60 kg/s，空氣中煤粉質(zhì)量濃度為0.2～0.5 kg/m3，換算為空氣中煤粉攜帶量為0.2～0.5 kg(煤粉)/kg(空氣)。因顆粒在氣相環(huán)境中主要受到氣體黏性阻力和慣性力作用，因此不考慮顆粒間的相互作用。

4 煤粉分配器實(shí)物兩相流動(dòng)特性數(shù)值模擬

4.1 煤粉分配器中煤粉的運(yùn)動(dòng)軌跡

煤粉顆粒在煤粉分配器中的運(yùn)動(dòng)軌跡流線如圖4所示，通過(guò)煤粉分配器的水平轉(zhuǎn)垂直彎管后，在慣性作用下，氣流中的大量煤粉甩到彎管外壁，并經(jīng)異形管輸送至垂直管段的中心管中，形成顆粒的濃相；而氣流中的少數(shù)煤粉在異形管外側(cè)，形成顆粒的稀相，濃、稀相經(jīng)過(guò)垂直管的整流后，進(jìn)入擴(kuò)口管，在擴(kuò)口管出口各等分成一次風(fēng)管所需的數(shù)量，但由于絕大多數(shù)煤粉顆粒會(huì)分配到濃相管，導(dǎo)致濃相管及其分管遭受大量煤粉碰撞沖刷造成磨損，在實(shí)際使用中需要考慮對(duì)設(shè)備使用壽命及機(jī)組運(yùn)行安全的影響，采取合適的防護(hù)措施。

(a) 停留時(shí)間

4.2 管內(nèi)顆粒濃度與速度分布

入口顆粒濃度分布如圖5所示，顆粒均勻散布在煤粉分配器的整個(gè)入口，表明煤粉顆粒發(fā)射具有代表性。

圖5 入口顆粒質(zhì)量濃度分布

垂直中心剖面顆粒質(zhì)量濃度分布如圖6(a)所示，絕大多數(shù)煤粉顆粒在慣性作用下被甩到彎管外壁，進(jìn)而進(jìn)入異形管形成煤粉濃相，少數(shù)煤粉在異形管外側(cè)形成稀相。同時(shí)，濃相與稀相各自內(nèi)部也分別存在濃相與稀相。

顆粒速度分布如圖6(b)所示，因擴(kuò)口管頂部對(duì)流體的阻擋作用，稀相區(qū)的流速較慢，流體主要從濃相管流出，有利于煤粉顆粒集中在濃相管內(nèi)，使后面煤粉分配更加均勻。

(a) 顆粒質(zhì)量濃度分布

4.3 異形管對(duì)煤粉分配器性能的影響

為了對(duì)比分析異形管的存在對(duì)煤粉分配器性能的影響，建立無(wú)異形管的模型，如圖7所示，分析了無(wú)異形管存在時(shí)，煤粉分配器的流場(chǎng)特性。該模型除無(wú)異形管外其他條件盡可能與有異形管的模型一致，網(wǎng)格數(shù)為226萬(wàn)。

圖7 煤粉分配器模型

為便于描述，對(duì)各出口進(jìn)行編號(hào)，1、2號(hào)管為內(nèi)側(cè)2管，3、4號(hào)管為外側(cè)2管，如圖8所示。有異形管和無(wú)異形管的煤粉分配器出口煤粉質(zhì)量濃度分布如圖9所示，無(wú)異形管煤粉分配器的煤粉多集中于外側(cè)管道，4個(gè)出口質(zhì)量濃度分別為0.17 kg/m3、0.19 kg/m3、0.86 kg/m3和0.72 kg/m3；而有異形管煤粉分配器4個(gè)出口煤粉質(zhì)量濃度較為均勻，分別為0.49 kg/m3、0.48 kg/m3、0.45 kg/m3和0.47kg/m3。這說(shuō)明異形管是煤粉分配器實(shí)現(xiàn)煤粉均勻分配的關(guān)鍵，有異形管煤粉分配器可有效將煤粉均勻分配到各個(gè)出口。

圖8 分配器各出口編號(hào)

(a) 無(wú)異形管

為進(jìn)一步分析異形管的作用，對(duì)有異形管煤粉分配器和無(wú)異形管煤粉分配器在不同給粉量下，各出口粉量風(fēng)量及其偏差率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖10和圖11所示。由圖10可知，有異形管在給粉量4.64～11.60 kg/min范圍內(nèi)，各出口顆粒質(zhì)量濃度大致在0.2～0.5 kg/m3，粉量偏差率基本維持在5%以下，只有在粉量為4.64 kg/min時(shí)存在偏差高于5%的情況。從風(fēng)量來(lái)看，外側(cè)的2管風(fēng)速略高于內(nèi)側(cè)2管，但是偏差率均維持在5%以下。綜上可得，有異形管的煤粉分配器可以實(shí)現(xiàn)粉量、風(fēng)量的均勻分配。

如圖11所示，粉量偏差率為40%～64%，與有異形管的煤粉分配器相比高了10倍，粉量呈明顯的兩極分化趨勢(shì)，煤粉多集中于外側(cè)2管出口，內(nèi)側(cè)2管出口煤粉質(zhì)量濃度非常低。風(fēng)量也呈明顯的分化趨勢(shì)，外側(cè)2管風(fēng)速28～29 m/s，而內(nèi)側(cè)管在24～26 m/s，風(fēng)量偏差也多在5%以上，表明異形管的存在對(duì)風(fēng)量和粉量都有均勻分配的作用。

(a) 出口煤粉質(zhì)量濃度

4.4 煤粉顆粒粒徑對(duì)煤粉分配器性能的影響

為了反映煤粉分配器對(duì)不同顆粒粒徑煤粉均勻分配的能力，對(duì)表2所示的顆粒粒徑分布顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬，并計(jì)算出煤粉分配器在各工況下的出口粉量及偏差率的變化結(jié)果，如圖12所示。

表2 顆粒粒徑分布

由圖12可知，隨著平均粒徑Dm的增大，分配器出口顆粒質(zhì)量濃度呈降低趨勢(shì)，而偏差率呈增大趨勢(shì)，這表明平均粒徑越小，該煤粉分配器出口粉量越均衡。雖然分配器對(duì)小粒徑煤粉的分配效果更佳，但是對(duì)于大粒徑煤粉，該分配器依舊可以將粉量偏差控制在5%左右，擁有較好的分配性能。

(a) 顆粒質(zhì)量濃度

4.5 煤粉分配器磨損趨勢(shì)

煤粉分配器壁面磨損率計(jì)算結(jié)果如圖13所示，從磨損率分布情況來(lái)看，最大磨損位置在異形管及各濃相和稀相分管，其次在彎管處。這主要與煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)，在煤粉分配器內(nèi)大量煤粉經(jīng)由異形管進(jìn)入濃相分管，然后與各稀相煤粉混合后進(jìn)入爐膛。而濃相分管粉量、風(fēng)量遠(yuǎn)高于其他位置，因此磨損最為嚴(yán)重；在彎頭、擴(kuò)口管壁面處，由于煤粉的沖撞也存在少許磨損。在實(shí)際使用中，為保證機(jī)組的運(yùn)行安全，首先需要考慮磨損最嚴(yán)重的部位，采取合適的防護(hù)措施，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

(a) 有異形管

4.6 煤粉分配器管內(nèi)阻力損失系數(shù)

阻力損失系數(shù)ζ(以下簡(jiǎn)稱阻力系數(shù))是工程上的重要性能指標(biāo)，ζ太大會(huì)對(duì)一次風(fēng)管道中的給粉、輸粉帶來(lái)不利影響，阻礙制粉系統(tǒng)出力，造成燃燒不穩(wěn)定。因而研究阻力損失具有重要意義。選取煤粉分配器入口到分管一段，研究煤粉分配器阻力系數(shù)隨給粉量大小的變化關(guān)系，如圖14所示。當(dāng)給粉量從4.64 kg/min增長(zhǎng)到11.6 kg/min，阻力系數(shù)值在1.1～1.6范圍內(nèi)變化，隨著給粉量的增加，阻力系數(shù)逐漸增加。

(a) 壓損

(b) 阻力系數(shù)

4.7 小型煤粉分配器試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證該數(shù)值模擬建模的準(zhǔn)確性，搭建小型試驗(yàn)臺(tái)，如圖15所示。該試驗(yàn)臺(tái)將實(shí)物煤粉分配器按相似準(zhǔn)則1∶8縮小，選用試驗(yàn)介質(zhì)為玻璃微珠，根據(jù)?；?jì)算得出煤粉分配器試驗(yàn)臺(tái)邊界條件見(jiàn)表3。

圖15 煤粉分配器試驗(yàn)臺(tái)

表3 煤粉分配器試驗(yàn)臺(tái)邊界條件

將數(shù)值模擬和試驗(yàn)得出的不同入口風(fēng)速下，各出口風(fēng)量和粉量的偏差率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖16和圖17所示。由圖16可知，煤粉分配器4個(gè)出口風(fēng)量和粉量分配偏差均能保持在10%以下，且大部分情況下偏差在5%以下；與圖17數(shù)值模擬得出的風(fēng)量和粉量偏差率相比，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果相對(duì)更低且更均勻，這是因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)中各類阻力損失相對(duì)更大且各管之間的差異難以控制，但總體上看兩者之間差異較小，基本滿足制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程中提到的“粉量分配偏差不超過(guò)10%、風(fēng)量分配偏差不超過(guò)5%”的要求。這也表明數(shù)值模擬可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出煤粉在煤粉分配器中的運(yùn)動(dòng)，增加了模擬結(jié)果的可信度。

5 結(jié) 論

(1) 本文利用Ansys Fluent軟件對(duì)煤粉與氣體的兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，所建立的煤粉分配器模型計(jì)算得出的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、管內(nèi)顆粒分布及風(fēng)粉偏差率與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

(2) 數(shù)值模擬計(jì)算中采用了有、無(wú)異形管2種結(jié)構(gòu)的煤粉分配器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)異形管煤粉分配器各出口風(fēng)、粉偏差率高達(dá)60%，內(nèi)外兩側(cè)出口煤粉質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯的兩極分化；有異形管存在的煤粉分配器風(fēng)、粉偏差率基本維持在5%以下，滿足各項(xiàng)規(guī)程規(guī)劃的要求。

(3) 有異形管煤粉分配器隨風(fēng)粉分配較為均勻，但異形管及其后續(xù)的濃、稀相分管由于管徑小、流速高、管內(nèi)顆粒濃度高、受到顆粒碰撞次數(shù)多，導(dǎo)致磨損較為嚴(yán)重。實(shí)際使用中，為保證機(jī)組運(yùn)行安全，首先需要考慮這些磨損最嚴(yán)重的部位，采取合適的防護(hù)措施，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

(4) 搭建小型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行煤粉分配試驗(yàn)并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出模擬結(jié)果更為理想，可信度較高，且兩者粉量、風(fēng)量分配偏差率均滿足制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程的要求。