流线型煤粉均衡阀改造分析

郑国锋，冯玉国

（金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100）

1 引言

采用直吹式制粉系统的燃煤锅炉，由于煤粉管道布置受空间的限制，管道的长度以及弯管的位置布局均不相同，各管道阻力存在较大偏差，即使在一次风管上安装节流孔板，用于增加管道局部阻力调平各管道之间的阻力，但是节流孔板以调整风量分配为主，在带粉运行状态时，节流孔板无法调节孔径大小，管道阻力无法及时调整，对一次风管中空气和煤粉分配达不到均衡效果[1]。近年来，部分燃煤电厂选用可调式煤粉分配器，用于实时调整一次风管煤粉分配，由于可调式煤粉分配器尺寸较大，受空间限制，且分配偏差较大（最大偏差为10%），该设备无法广泛使用[2][3]。

煤粉分配不均容易造成锅炉的燃烧效率降低，NOX的生成量增加[4]，同时引起锅炉燃烧不稳定、炉膛火焰中心偏移、结焦等不安全隐患，有时还会发生输煤管道堵塞[5]，严重影响锅炉的安全运行与节能减排效果。可调式煤粉均衡阀可以解决上述一系列问题，其结构简单操作方便，在带粉运行状态时，可以及时调整阀体角度，有效的调节管道阻力，均衡一次风管风粉分配。由于一次风对阀体的摩擦以及煤粉颗粒对阀体的碰撞，容易对阀体造成磨损，影响均衡阀的使用寿命[6]。本文提出了一种阀体采用流线型设计的方案，流线型阀体对风粉两相流有导流作用，可以改善流体的流动特性，减小流体局部阻力，降低阀体磨损，对一次风影响较小的情况下，均衡各一次风管道中空气与煤粉的分配。

2 均衡阀改造

2.1 阀体改造原理

一次风送粉时，煤粉流动属于气固两相流。流经均衡阀的煤粉颗粒运动是一个复杂、时变、无规律的过程，煤粉颗粒主要受流体的曳力（FD）与自身重力（FG）作用，同时受壁面碰撞以及颗粒之间的碰撞影响，煤粉颗粒所受的力为[7][8]：

其中流体的曳力（FD）方向与煤粉在流体中的相对运动方向相反，CD为阻力系数（关于雷诺数Re的函数），vg为空气流速（m/s），vp为煤粉速度（m/s），ρg为空气密度（kg/m3），dp为煤粉颗粒直径（m），煤粉颗粒所受曳力与一次风速成二次函数关系。

煤粉均衡阀局部阻力可以用管道入口与出口之间的压力损失表示[9][10]：

其中hf为局部阻力（Pa）；ζ为均衡阀的流阻系数；ρ为流体密度（kg/m3）；v为流体在管道内的平均流速（m/s），改变均衡阀的流阻系数只会影响局部阻力，对一次风速几乎无影响。

由于煤粉均衡阀安装于磨煤机与一次风管道连接的出口位置，管道内流体流动截面以及流动方向发生急剧变化，导致煤粉在一次风中得到均匀分布，在一次风的流量均衡分配时，煤粉也得到均衡分配。因此，在阀体角度与阻挡面积不发生改变时，均衡阀阀体采用流线型方案设计可以减小流阻系数，降低局部阻力，在一次风粉混合物流经阀体时，不会造成风粉流动的急剧变化，风粉所受阻力较小，确保煤粉流动均衡分配，减小能耗降低阀体磨损。

2.2 均衡阀改造方案

图1 均衡阀阀体改造前后简化模型

图1为均衡阀改造前后阀体简化模型，改造后阀体呈现鱼骨状，针对阀体包含的转动轴与叶片进行流线型改造，保持阀体改造前后的最大轴向截面积与最小轴向截面积不变。其中叶片截面为椭圆形两端选用椭球体，转动轴为圆柱体，改造后的均衡阀整体呈流线型，对一次风粉有良好的导流作用。转动旋转轴可以调节阀体在0～90度旋转，设定阀体平行于管道径向方向的转角为0度，阻挡一次风流通面积比最小（阻挡面积比值为25%），阀体垂直于管道径向方向的转角为90度，阻挡一次风流通面积最大（阻挡面积比值为70%）。转动阀体角度可以改变管道内的流通面积，达到均衡各一次风管道内风速的效果。

3 均衡阀仿真分析

仿真模型相关尺寸为：管径530mm，长度2000mm，均衡阀位于管道中部；一次风粉由管道底部入口进入，管道顶部为压力出口，风速22m/s，密度1.205kg/m3，粘度1.81×10Pa·s；煤粉颗粒为R90。选用comsol对包含均衡阀的部分管道数值仿真。

3.1 均衡阀流场仿真

图2与图3分别为流线型阀体转角为60度时，管道垂直轴向截面的平均速度沿轴向变化曲线与阀体流线型改造前后截面速度场分布云对比图，其中图3左侧为均衡阀改造前速度场分布云图，右侧阀体流线型改造后速度场分布云图。由于流体流动面积减小，导致均衡阀附近管道截面平均流速急剧增大，一次风容易对阀体造成磨损，而远离均衡阀管道截面平均后流速逐渐恢复入口速度，煤粉均衡阀对一次风速的影响较小。煤粉均衡阀经过流线型改造后管道一次风速最大值明显减小，阀体导流效果增强，一次风对阀体的磨损减小。

图2 改造后阀体截面平均速度沿轴向分布关系

图3 阀体流线型改造前后均衡阀截面速度云图

图4 煤粉颗粒分布

图5 阀体改造前后阀体转角与阻力关系

图6 流速与阻力关系

3.2 均衡阀煤粉颗粒分布

图4为阀体转角为60度时，管道内煤粉颗粒分布图。其中左侧与右侧入口煤粉颗粒比值为4：1，煤粉以22m/s初速流入管道，一次风粉经过阀体壁面碰撞反弹以及流体曳力与自身重力的作用，管道中集中流动的煤粉绳状流被打散，煤粉的速度与分布在管道中趋于均衡，煤粉均衡阀有调节煤粉均衡分配的作用。

3.2 均衡阀阻力分析

均衡阀入口与出口差值即为均衡阀阻力，仿真阀体改造前后不同转角时的阻力，拟合可得图5所示阀体改造前后阀体转角与阻力关系。改造后的均衡阀阻力明显减小，阻力与转角成线性函数关系，便于通过调节阀体转角调整管道阻力，调平各一次风管道压差，确保管道煤粉分配的均衡。改变入口流速，分析管道风粉流速与阻力的拟合曲线如图6所示，均衡阀阻力与流速成二次函数关系。

4 结论

煤粉均衡阀流线型设计方案是可行的。通过分析均衡阀的速度、煤粉分布以及阻力关系仿真结果，可以得知：

（1）管道在均衡阀附近有最大一次风风速，容易对阀体造成磨损，煤粉均衡阀流线型改造后的导流效果明显增强，一次风最大风速减小，阀体磨损降低；

（2）煤粉均衡阀可以调节煤粉颗粒的均衡，对一次风的影响较小，转动阀体角度，可以配平各一次风管道阻力，均衡风粉分配；

（3）改造后煤粉均衡阀局部阻力明显减小，阻力与转角成线性关系，阻力与流速成二次函数关系。煤粉均衡阀流线型改造后阻力减小能耗低，便于建立控制函数模型，方便对一次风粉混合物均衡实现在线调节。