一次风管道风粉均衡数值模拟研究

吕盛娟，朱曙光，王硕，罗玉康

(南京理工大学能源与动力工程学院，南京 210094)

作为世界最大的煤炭消耗国，我国煤炭主要用于火力发电[1-2]。火力发电厂在运行过程中发现，风粉的均衡分配对电厂运行的经济性、安全性和环保性至关重要。如风粉分配不均匀，局部过量空气系数会偏离正常值的区域，影响煤粉完全燃烧的程度，降低锅炉的运行效率，且更容易产生NOx等污染物，严重时会产生炉内结焦、受热面局部升温、燃烧传热恶化和炉膛爆管等安全事故[3-5]。风粉的流动速度、煤粉颗粒浓度通常被用来衡量风粉是否均衡分配[6-7]。

《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》(DL/T 5145-2012)指出，对于中速磨煤机直吹式制粉系统而言，风粉分配均衡的最优结果应为管道出口风速偏差不大于5%，煤粉浓度偏差不大于10%[8]。

研究表明：支管的固有阻力和煤粉引起的附加流动阻力是导致风粉分配不均匀的重要因素[7]。而在送粉管道内设置节流元件是均衡管道内的风速和煤粉浓度的常用方式。本文在一次风支管中添加均衡调节阀，通过调整均衡调节阀的角度来改变管道内的阻挡面积，可以控制各个并联支管内的阻力，进而调整管道内的一次风速和煤粉浓度。

1 研究对象

以某电厂磨煤机对应的制粉系统作为研究对象，制粉系统包括磨煤机的出口、连接磨煤机出口与炉膛入口处的管道，使用Solidworks软件对制粉系统进行建模，磨煤机送粉管道仿真模型三维图如图1所示。本文研究的制粉系统通过1～4号管，将煤粉送往炉膛四角切圆的A、B、C和D四台燃烧器处。在模拟的过程中将磨煤机的出口面作为入口处，将管道的出口面作为出口处。管道直径均为711 mm。

图1 磨煤机送粉管道仿真模型三维图

均衡调节阀设置在距离磨煤机出口管道300 mm处。均衡调节阀厚度为20 mm，均衡调节阀上设置了矩形导流孔，长和宽分别为60 mm和30 mm。将均衡调节阀角度定义为管道的轴线方向与均衡调节阀所在的平面形成的角度，记为α(0°≤α≤90°)，均衡调节阀结构图如图2所示。

图2 均衡调节阀结构图

将均衡调节阀的节流比定义为通流面积与管道截面积的比值，记为n，均衡调节阀的节流比n与均衡调节阀角度α的关系式为：

n=[0.964 7-0.675 4cos(90-α)]×100%

(1)

式(1)中，当α为 0°时，n为 96.47%；当α为 90°，n为 28.92%。

根据制粉系统运行的实际工况，煤粉的体积分数在10-6至10-3范围内，属于稀相气固两相流范畴。为简化问题做如下假设：1)将一次风作为连续相，且一次风的流动属于不可压缩流体的等温定常流动；2)将煤粉作为颗粒相，煤粉均为粒径相同的球体；3)忽略煤粉间的碰撞；4)一次风与煤粉之间具有双向动量耦合作用。采用Fluent中的Realizablek-ε湍流模型模拟气相湍流，采用离散相模型(DPM)，模拟煤粉颗粒的运动，同时开启随机轨道模型模拟颗粒的湍流耗散。

2 模型的求解

2.1 网格划分

将Solidworks建好的三维模型导入ICEM CFD中，由于均衡调节阀实体结构复杂，采用非结构网格划分生成混合网格，对均衡调节阀处进行网格加密。随着均衡调节阀角度的变化，总网格数目会产生一定的变化，但均在360万至370万范围内，网格质量平均值为0.73，满足模拟的要求。

2.2 物性参数和边界条件

模拟中将热空气作为气相，空气温度为70 ℃，动力粘度为2.048×10-5Pa·s；将低热值煤粉作为离散相，密度为1 400 kg/m3，煤粉粒径取为70 μm。

入口条件取速度入口，对于两相流模拟，入口处煤粉速度与一次风速度均为4 m/s；出口条件取压力出口，相对静压值为-100 Pa。重力加速度取为9.8 m/s2，壁面粗糙度取为0.003 mm，近似为水力光滑管。

3 数值模拟结果及分析

在本文研究的所有工况中，入口处煤粉速度与一次风速度均为4 m/s。入口处风粉条件分为煤粉均匀分布与煤粉非均匀分布。

一次风入口速度为4 m/s，一次风总流量为160 625.67 kg/h，相当于44.618 kg/s；总煤量57 600 kg/h，相当于16 kg/s，煤粉质量浓度为0.358 6 kg/kg。风粉偏差计算公式如下所示：

(2)

(3)

式(2～3)中，Gave、Gi、ΔGi分别为管间煤粉浓度(风速)平均值、i号管煤粉浓度(风速)值、i号管煤粉浓度(风速)偏差值；j为并联支管的数量，在本文中取为4。

3.1 入口处风粉均匀分布对支管风粉分配结果的影响研究

研究并联支管固有阻力对风粉分配情况的影响时，为了避免入口处风粉分布情况产生影响，将煤粉入射方式设置为按入口面积均匀入射。

3.1.1 均衡调节阀全开时支管风粉分配情况

入口处风粉均匀分布，并联支管中均衡调节阀角度均为0，即均衡调节阀所在平面与管道轴线方向平行，模拟得到四根并联管道中风粉分配结果，入口处风粉均匀分布时管道风粉参数分配结果如表1所示。

表1 入口处风粉均匀分布时管道风粉参数分配结果

根据表1可知，四根支管的风速、煤粉流量大小关系式为：

V3>V4>V2>V1；Q3>Q4>Q2>Q1；μ3>μ4>μ2>μ1

1号管风速和煤粉流量、煤粉质量浓度均最小；3号管风速和煤粉流量最大，且煤粉质量浓度最小。并联支管间风速偏差最大值为6.242%，浓度分配偏差最大值为5.752%，均大于5%，表明四根支管固有阻力特性引起的速度与浓度偏差不可忽略，需要调节均衡调节阀的角度改变管道的阻力。根据表格数据可知，1号管、2号管风速与煤粉流量相近，但风速小；3号管和4号管风速与煤粉流量相近，但风速较大，因此优先调整3号管和4号管均衡调节阀角度。

3.1.2 均衡调节阀调整后支管风粉分配情况

参考均衡调节阀调整前所得的仿真结果，不断调整3号管和4号管均衡调节阀的角度进行模拟，发现当3号和4号管里的均衡调节阀角度分为30°和25°时，可得到风粉均衡的结果，均衡调节阀调整后入口处风粉均匀分布时管道风粉参数分配结果如表2所示。

表2 均衡调节阀调整后入口处风粉均匀分布时管道风粉参数分配结果

根据表2可知，通过调整管道内均衡调节阀的角度，并联支管间风速偏差最大值为1.556%，并联支管间煤粉浓度偏差最大值为1.842%，均小于5%。在均衡风速的同时，达到了煤粉浓度均衡的目的。由此可知，当3号和4号管里的均衡调节阀角度分为30°和25°时，各个管道的阻力近似相等，管道的固有阻力是影响并联支管风速分配的重要影响因素。

3.2 入口处煤粉非均匀分布对支管风粉分配结果的影响研究

通过改变入射面风粉分布的均匀程度，研究入口处风粉不均对支管风粉分配的影响。为了避免管道固有阻力对风粉分配的影响，调整3号和4号管里的均衡调节阀角度分为30°和25°时。将入射面均分为四个部分(根据该部分与管道的对应关系命名为a、b、c、d)，均为四分之一圆，入口面四分之一圆与管道对应关系如图3所示。

图3 入口面四分之一圆与管道对应关系图

入口处煤粉速度与一次风速度均为4 m/s。煤粉在入射面的总质量流量为16 kg/s，设计四种工况，进行模拟，入口处风粉非均匀分布工况表如表3所示。在四分之圆内，煤粉仍按照面积均匀分布。表3中不均匀度数值为入口处煤粉质量流量的相对偏差的最大值。

表3 入口处风粉非均匀分布工况表

通过仿真得到入口处煤粉非均匀分布支管风粉分配结果如图4所示。

由工况1可知，当Qa=5.5，Qb=Qc=Qd=3.5时，煤粉浓度偏差最大值出现在1号管；

由工况2可知，当Qb=5.5，Qa=Qc=Qd=3.5时，煤粉浓度偏差最大值出现在2号管；

由工况3可知，当Qc=5.5，Qa=Qb=Qd=3.5时，煤粉浓度偏差最大值出现在3号管；

由工况4可知，当Qd=5.5，Qa=Qb=Qc=3.5时，煤粉浓度偏差最大值出现在4号管。

由此可知，煤粉浓度偏差最大值出现在入口处煤粉质量流量偏差最大值所对应的并联支管。除此之外，这四种工况下并联支管间风速偏差最大值相对于表2的结果均有略微增加，但均小于5%；煤粉浓度偏差最大值相对于表2的结果均有大幅度增加，煤粉浓度偏差最大值均大于30%。

图4 入口处风粉非均匀分布支管风粉分配结果图

模拟多种均衡调节阀角度组合下的风粉分配情况，发现无法得到风速和浓度偏差最大值同时满足风粉均衡要求的角度组合。在模拟中发现，浓度偏差最大值减小时，风速偏差最大值增加。将速度偏差最大值小于10%，浓度偏差最大值最小时的结果作为最优风粉分配结果。图5为入口处风粉非均匀分布支管风粉分配偏差结果图。

图5 入口处风粉非均匀分布支管风粉分配偏差结果图

由图5(a)可知，调整均衡调节阀可让风速偏差最大值最小达到1.869%，但此时浓度偏差最大值为31.325%；由图5(b)可知，调整均衡调节阀可得到的相对较优的风粉分配结果是风速偏差最大值为8.028%，浓度偏差最大值为19.491%。由此可知，当入口处煤粉分布不均匀度较大时，均衡调节阀难以实现风粉均衡分配的目的。

3.3 入口处煤粉分布不均匀度较小时风粉均衡模拟

3.3.1 均衡调节阀全开时入口处煤粉非均匀分布支管风粉分配结果

入口处煤粉速度与一次风速度均为4 m/s，入口处风粉非均匀分布工况如表4所示。表4中不均匀度数值为入口处煤粉质量流量的相对偏差的最大值。

表4 入口处风粉非均匀分布工况表 kg·s-1

四根并联管道均衡调节阀全开管道风粉参数分配结果如表5所示。

表5 四根并联管道均衡调节阀全开管道风粉参数分配结果

根据表5可知，四根支管的风速和煤粉流量大小关系式为：

V3>V4>V2>V1；Q1>Q3>Q4>Q2；μ1>μ3>μ4>μ2

1号管风速最小，但煤粉质量浓度最大；2号管风速与1号管风速接近，且煤粉浓度最小；3号管风速与4号管风速接近，煤粉浓度也接近。由2号管风速与质量浓度可知，2号管支管阻力最大，风速较低且粉相对于风较少，因此可以通过调整1号、3号和4号管均衡调节阀角度，达到风粉均衡的目的。

3.3.2 均衡调节阀调整后入口处煤粉非均匀分布支管风粉分配结果

通过不断调整1号、3号和4号管均衡调节阀角度，通过模拟发现当1号管里的均衡调节阀角度为18°，2号管里的均衡调节阀角度为0°，3号管里的均衡调节阀角度为25°，4号管里的均衡调节阀角度为20°时，得到较为理想的结果。均衡调节阀调整后入口处风粉非均匀分布时管道风粉参数分配结果如表6所示。

管道出口风速偏差最大值为4.827%，小于5%，浓度分配偏差最大值为8.356%，小于10%，满足风粉均衡模拟的要求。

表6 均衡调节阀调整后入口处风粉非均匀分布时管道风粉参数分配结果

4 结语

本文使用Fluent软件对电厂某制粉系统进行仿真模拟，模拟了不同工况下的风粉分配情况，探究了均衡调节阀的调节性能。

当入口处风粉分布均匀，各支管内均衡调节阀全开时，并联支管间风速偏差最大值大于5%，表明四根并联支管内阻力特性引起的速度偏差不可忽略。通过调节四个均衡调节阀开度依次为0°、0°、30°和25°时，满足风粉均衡要求。

在4个并联支管内均衡调节阀的角度分别为0°、0°、30°和25°时，模拟了入口处煤粉速度与一次风速度均为4 m/s、煤粉分布不均匀度为37.5%时的风粉分配情况，此时并联支管间风速偏差最大值小于5%，但浓度分配偏差最大值大于30%，不满足风粉均衡分配的要求。经过多次改变均衡调节阀角度，调整均衡调节阀可让风速偏差最小达到1.869%，但此时浓度偏差最大值为31.325%；调整均衡调节阀可得到的相对较优风粉分配结果是风速偏差最大值为8.028%，浓度偏差最大值为19.491%。说明入口处煤粉分布不均匀度较大时，通过调整均衡调节阀的角度无法达到煤粉均匀分配的目的。

当入口处煤粉速度与一次风速度均为4 m/s、煤粉分布不均匀度为15%时，均衡调节阀全开，并联支管间风速偏差最大值为8.581%，浓度分配偏差最大值为13.779%，不满足风粉均衡分配的要求，调整各个并联支管均衡调节阀角度为18°、0°、25°和20°时，风速和浓度偏差最大值均小于5%，满足风粉均衡分配的要求。说明在入口处风粉分布不均匀度不大时，均衡调节阀可满足风粉均衡要求，有利于提高锅炉的运行效率。