中速磨煤机喷嘴环的优化及分析

天津大唐国际盘山发电有限公司 李志强 赵坤杰

制粉系统是电厂重要的组成部分，也是电厂能源消耗的大户，制粉系统的安全、稳定直接影响到锅炉运行的安全性和经济性，所以制粉系统的升级对电厂而言其意义重大[1-2]。中速磨煤机是制粉系统的核心设备，而喷嘴环是中速磨煤机的重要组件，日常运行时，喷嘴环处的风速较高且同时经受了物料和石子煤的冲击，造成了喷嘴环较大的损耗率，所以喷嘴环的优化设计具有重要意义。

国内外学者对中速磨煤机喷嘴环的研究较多，但大多研究都集中在改善喷嘴环的运行条件，通过解决产生问题的原因来解决问题[3-5]。在喷嘴环结构改进方面，袁敏[6]发现传统喷嘴环的热一次风流通面积小、通风阻力大、磨损严重等问题，而改进后的喷嘴环可以大大降低维修成本，从而降低电厂的发电成本。刘润华[7]将整体式静环改为分体式静环，即将静环改为上、下两个部分的静环，改造后的静环具有缩短维修时间、降低维修费用、延长使用寿命等优点。此次研究的喷嘴环正常运作时，时常因为喷嘴环的流通面积设计不合理，导致喷嘴环出力不足，可采取对喷嘴环通风口进行部分封堵来修正喷嘴环的出力。

喷嘴环对中速磨煤机的流场影响很大，上述直接更换喷嘴环的实验过程成本较大，通过数值模拟的方法来指导喷嘴环的优化设计是一种高效而简便的手段[8]。本文采用数值模拟的手段开展喷嘴环优化的研究，以探究不同喷嘴环结构对中速磨煤机的影响。

1 研究对象

本文探讨喷嘴环对中速磨煤机流场的影响，喷嘴环影响的流场集中在喷嘴环上部的流动空间，所以截取中速磨煤机下部分模型。

图1是喷嘴环的计算模型，其中图1（a）中速磨煤机下部分模型，装配有不同的喷嘴环，图1（b）是中速磨煤机最初的喷嘴环，为方便记为喷嘴环A，图1（c）是新设计的一种喷嘴环，记为喷嘴环B。对不同喷嘴环进行数值模拟，分析喷嘴环对中速磨煤机的影响，从而确立最佳的喷嘴环模型。

图1 喷嘴环模型图

2 数值模拟方法

2.1 网格划分

根据中速磨煤机喷嘴环结构的特殊性，网格划分类型选择非结构化网格，并对喷嘴环部分网格进行适当加密，网格总数量为33万，如图2所示，经网格无关性验证，此时不同网格的计算结果已与数量无关。

图2 喷嘴环网格图

2.2 计算模型与方法

针对不同的工程问题需要选择合适的湍流模型，在保证精度的情况下又要节省计算时间，标准k-ε 模型对于喷嘴环的流场计算较为适应，而RSM 模型会大幅增加计算资源且收敛性较低，综合考虑下选用标准k-ε 模型，具体方程可见文献[9]。计算设立的边界条件为：入口设为质量流量入口，大小为24kg/s；出口为压力出口；其余面设为壁面。

3 结果与分析

3.1 流场分析

为了解喷嘴环模型流场的情况，取喷嘴环A中心截面的速度云图和压力云图进行分析，图3是喷嘴环A 中心截面的速度云图及局部矢量图。由图3可知，气流从入口进入后，沿通道流动至喷嘴环处，此时由于流通面积大幅减小，从而使气流速度增大，喷嘴环处的速度大小为56.71m/s。气流通过喷嘴环后，此处流场较为简单，没有阻碍气流的物件，且喷嘴环呈环形，气流是竖直向上喷射而出，所以气流沿着外壁面往上流至出口，中间部分的气流较少。另外，由图3右下的矢量图可知，此处存在一个速度“死区”，可增加引流板进行优化。

图3 喷嘴环A 中心截面速度云图及局部矢量图

图4是喷嘴环模型中心截面的压力云图，可见压力分布呈两部分，喷嘴环模型下端压力远大于上端，以喷嘴环为分割点。喷嘴环作为压力分布的转折位置，受到的力远大于模型其他位置，若设计不合理，会增大喷嘴环的磨损率。

图4 喷嘴环A 中心截面压力云图

3.2 喷嘴环通风面积的影响

喷嘴环出口风速的大小由喷嘴环的通风面积决定，缩小喷嘴环的通风面积可提高喷嘴环处的风速，从而增强气流携带煤粉的能力，但喷嘴环的通风面积不能过小，制粉过程中碾磨和烘干是同时进行的，通风面积过小会降低干燥风量从而降低制粉产量。

为分析通风面积对喷嘴环模型的影响，将喷嘴环A 的通风口进行堵塞从而达到降低通风面积的目的，堵住4、6个通风口的喷嘴环A 分别记为喷嘴环A（堵4）和喷嘴环A（堵6），并将其与喷嘴环B 进行对比，得到不同喷嘴环的出口面积和出口风速见表1。由表1可知，对于喷嘴环A，出口面积越小，喷嘴环处风速越大，而喷嘴环B 的出口面积为0.773m2，与喷嘴环A（堵4）的出口面积相近，但速度却略小于喷嘴环A（堵4），这是因为喷嘴环A、B 两者结构不同，使得气流的流通通道也就不同，从而使气流的流通阻力不同。为了进一步区分各个喷嘴环模型的合适程度，可对比各个喷嘴环的压降大小。

表1 不同喷嘴环的出口面积及风速

压降的大小作为判断喷嘴环优劣的指标之一，表2是不同喷嘴环的压降，为详细判断喷嘴环对整体压降的影响，将压降类型分为入口-喷嘴环压降和入口-出口压降。对于入口-喷嘴环处的压降，喷嘴环A 的压降随着通风面积的减小而增大，说明喷嘴环面积过小会增加喷嘴环的损耗率，从而降低喷嘴环的使用寿命，喷嘴环B 通风面积与喷嘴环A（堵4）的出口面积相近，但压降降低了293.65Pa，幅度达16.57%，说明了喷嘴环B 的优势。对于入口-出口的压降，可以发现两款喷嘴环的不同，喷嘴环A 的入口-出口压降小于入口-喷嘴环压降，而喷嘴环B 的压降却反过来了，说明喷嘴环A 压降大小随气流流动过程的变化趋势是先降低后增加，而喷嘴环B 大小的变化趋势则是平缓下降。

表2 不同喷嘴环的压降大小

总的来说，在实际应用过程中，堵塞喷嘴环A的出口可以提高喷嘴环模型的风速，但需要结合喷嘴环通风口处的速度矢量图做进一步分析。图5是喷嘴环通风口处的矢量图，由图5可知，堵塞出风口会使气流在中速磨煤机中分布不均，喷嘴环A 的通风口堵塞后会影响该位置的气流情况，从而影响制粉产量，而喷嘴环B 不仅提升喷嘴环处的风速，还避免了压降的提升。

图5 不同喷嘴环通风口处速度矢量图

4 结语

本文主要分析了不同喷嘴环的流场和压降，表明喷嘴环通风面积是影响喷嘴环出口风速和压降的关键。同时，新设计了一种喷嘴环模型，在增加喷嘴环出口风速的同时，避免了压降的增加。