火电厂中速磨煤机旋转风环数值模拟研究

闫顺林，滕 龙，刘志巍

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定071003)

0 引言

目前，由于大多电厂实行混煤掺烧，煤质变化较大，需要经常对给煤量及煤粉细度进行调节，因此正压直吹式RP 型中速磨煤机制粉系统以其启停快、调节灵活、占地小等特点在各大型火力发电厂中得到了广泛应用。但是，由于RP 型磨煤机存在着诸如风环石子煤排量过大、刮板及一次风室衬板磨损较严重等问题，严重影响了磨煤机运行的安全性和经济性［1～4］。随后，人们研发出了装配有旋转风环的HP 型磨煤机，使得石子煤排量与RP 型磨煤机相比显著降低，然而由于很难准确地获得磨煤机内部流场数据，因此无法直观地分析内部流场的改善情况。由此，提出了利用数值模拟的方法，对两种磨煤机建立模型并进行数值模拟，研究两者的内部流场数据，分析影响上述问题的关键因素。

1 工作原理

某电厂采用的一次风机正压直吹式制粉系统中配用了6 台带有动态分离器的HP 型中速磨煤机。运行时，5 台投入使用，1 台备用。每台磨煤机配有电子称重式给煤机，它受燃烧控制系统管理，向磨煤机投入所需的燃煤，部分运行参数如表1 所示。

表1 HP 型中速磨煤机性能数据

HP 型磨煤机(如图1)在底部结构上与RP型磨煤机相比增加了旋转式动态风环装置，旋转方向为顺时针方向(由磨盘正上方观测)，可以有效地使风环和分离器体之间形成均匀分布的环形一次风，而且在一次风入口处增设了导流板，使得一次风在进入风室前更加平顺［5～7］。

图1 磨煤机结构示意图

原煤由落煤管落入磨煤室后，在离心力作用下向磨碗边缘方向滚动，在磨碗上形成煤床，原煤经研磨后滚动至风环上方，与一次风混合后形成风粉气流旋转而上，进入顶部分离器中进行粗粉分离。石子煤由于质量较大，一次风无法将其托起，故其受重力作用落入一次风室，随后被刮板刮至排渣口排出。RP 型磨煤机由于石子煤排量较大，加大了排渣工作量，如果排渣不及时，还会造成一次风室入口堵塞，严重时需要停止运行，影响了磨煤机的稳定性和制粉效率［8，9］。

2 模拟过程

2.1 建立模型

利用前处理软件GAMBIT 对两种型号的磨煤机建立模型(如图2)，为了提高模型的网格质量，将模型进行离散化处理，划分网格后再拼接成整体，几何结构规则的部分均采用网格质量较好的六面体网格，个别几何结构较为复杂的部分采用四面体网格。最终，模型网格总数为125．7万，aspect ratio 数最高为3．26 ＜5，equiangle skew数最高为0．82 ＜0．9，网格质量参数符合模型计算收敛的基本要求。

图2 模型示意图

2.2 参数设定

考虑到模型内部的流场存在高曲率流线及漩流的特点，选取Euler 坐标系下的k-epsilon/RNG计算模型，该模型考虑了湍流涡的存在，提高了计算精度，在计算旋转流体时有较好的表现。水力半径选取1．203，湍流强度为10%。

k-epsilon/RNG 模型中主要方程:

连续性方程:

动量方程:

湍动能方程k:

湍动能耗散率方程ε:

根据磨煤机运行参数，入口风速设为23．14 m/s，旋转风环的转速为2．9 rad/s，一次风密度设定为1．072 kg/m3［10，11］。

2.3 网格无关性验证

为排除由于网格因素导致的结果误差，以HP型磨煤机模型为例，对模型进行网格加密处理，取风环出口平均风速作为对比数据，进行网格无关性验证。

网格加密后，网格数分别为125．7 万、204．5万、346．9 万。由图3 可知，3 种网格的出口平均速度之间的差值均在5% 内，模型达到了网格无关。

3 结果及分析

3.1 风室内部流线分析

通过观测内部流线图可以直观地查看磨煤机内部的流场状态。如图4(a)中，可以清晰地看到风环内部存在漩涡，磨煤机运行时，漩涡的存在会造成漩涡损失，而且漩涡气流中会夹杂一些颗粒，加速风环叶片的磨损，严重时会出现叶片磨穿现象，缩短了风环的使用寿命。而图4(b)中，由于采用了旋转风环，风环内的一次风变得更加均匀，漩涡区减少，一次风可以更平顺地从风环喷嘴中喷出。同时，加强了气流与煤粉的混合强度，有利于一次风对煤粉的干燥。

图3 网格无关性验证图

图4 内部流线图

3.2 风环风速分析

在一次风室中风环内截面积最小，所以风室内的最大风速度处在风环内。由于各风环口面积相等，所以各出口风量与各风环口风速成正比。

图5 中，由于各风环喷嘴口与一次风入口距离各不相同，所以远离一次风入口位置的风环喷嘴风速低，风量小;靠近一次风入口位置的风环喷嘴风速高，风量大，由此造成了各风环喷嘴口风量不均匀，这是导致石子煤排量过大的主要因素。如果风环处喷嘴口风量小，流速低，则一次风不能携带较大颗粒煤粉向上进入分离器，导致该区域石子煤排量较大。

图5 RP 磨煤机风环出口速度矢量图

图6 中，各风环出口风速受旋转风环的影响，出口风速趋于均匀，而且最大风速由RP 型磨煤机的36．2 m/s 提升到了42．5 m/s，升幅达到17．4%，验证了旋转风环对一次风有加强作用的结论。实际运行中，在给煤量为46．8 t/h 的工况下，RP 型磨煤机石子煤排量为198．4 kg/h，而HP 型磨煤机石子煤排量仅为21．8 kg/h，有效地改善了石子煤排量较大的问题。

图6 HP 磨煤机风环出口速度矢量图

3.3 流通阻力分析

为了探究旋转风环对流通阻力的影响，利用fluent 导出模型一次风入口总压、风环出口截面总压，两者之差即为流通阻力。由于风环旋转过程中对一次风起到推动的作用，等同于对模型内一次风做功，且流场均匀也有助于降低阻力损失。RP 磨煤机中进出口压差为435．7 Pa，HP 磨煤机中进出口压差为414．3 Pa，流通阻力降低了4．9%，故选用旋转风环有利于降低风机功耗，所以采用旋转风环对降低磨煤机单耗具有一定的现实意义。

4 结论

(1)磨煤机采用旋转风环后，内部流场流线更加规整，风环内的漩涡区减少，降低了风室内的漩涡损失，而且各喷嘴风速趋于均匀。根据实际运行数据，在相同给煤量的情况下，RP 型磨煤机石子煤排量为198．4 kg/h，HP 型磨煤机石子煤排量为21．8 kg/h，有效地改善了石子煤排量较大的问题，验证了部分喷嘴口风速较低是磨煤机石子煤增大的主要因素，为以后的磨煤机风环设计提供了结构优化方向。

(2)磨煤机采用旋转风环后，风环喷嘴风速升幅达到17．4%，流通阻力由435．7 Pa 降为414．3 Pa，降幅为4．9%，说明了HP 型磨煤机旋转风环可以有效地降低流通阻力，提高风环喷嘴风速，改善磨煤机的风粉混合情况;同时，提高了对煤粉的干燥效率。因此磨煤机的效率得到了进一步的提升。

(3)通过上述分析，HP 型磨煤机由于采用了旋转风环设计，石子煤排量大大降低，风环喷嘴及一次风室内部的磨损情况得到改善，提高了磨煤机的工作效率及设备的稳定性。

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