新型彎扭葉片旋轉煤粉分離器分離性能的冷態數值研究

閆順林， 魏杰儒， 董 標， 楊玉環

（華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，保定 071003）

中速磨煤機的煤粉分離器是制粉系統的重要設備之一，其運行特性將直接影響制粉系統、鍋爐燃燒效率以及整個機組的安全、經濟和穩定運行.為了提高旋轉煤粉分離器的性能，筆者提出一種新型變截面彎扭動葉旋轉煤粉分離器（簡稱“新型旋轉煤粉分離器”），并應用CFD軟件對傳統直葉式旋轉煤粉分離器和新型旋轉煤粉分離器進行了數值研究，結果表明新型旋轉煤粉分離器性能較直葉式旋轉煤粉分離器各項性能指標有了顯著提升［1］.筆者采用數值模擬的方法來尋找并驗證新型旋轉煤粉分離器彎扭葉片的最佳結構參數，為旋轉煤粉分離器的制造及改造提供理論依據.

1 新型旋轉煤粉分離器彎扭葉片設計原理

新型旋轉煤粉分離器的設計主要是對旋轉煤粉分離器的轉子動葉片進行了變截面的彎扭設計，即在考慮葉片厚度的前提下使葉片具有一定的扭轉角度.動葉結構和靜葉及轉子動葉水平安裝角分別如圖1和圖2所示.

圖1 動葉結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rotor blade

圖2 靜葉及轉子動葉水平安裝角示意圖Fig.2 Horizontal installation angle of both the stator and rotor blade

旋轉煤粉分離器轉子動葉進行彎扭設計的原理為：結合圖1，以直葉片為例，以動葉上下面兩中心組成的中心線為基準，彎曲后（即虛線葉片）的AD邊和BC邊的夾角為彎轉角度.在繼續扭轉后的過程中始終保持AD′邊、B′C邊為直線，動葉（即實線葉片）的內側角B′和外側邊的下部底角D′向轉子動葉中心扭轉的角度即圖2中的α是轉子動葉的水平安裝角.

對比傳統直葉旋轉煤粉分離器，新型旋轉煤粉分離器彎扭葉片處會產生壓力及附面層的徑向遷移，葉片端部的流動損失及徑向竄流損失均減小.與傳統直葉片相比，新型旋轉煤粉分離器彎扭葉片的壓力沿流向發生改變，在相同的轉子轉速下與直葉片保持相同的切向速度，未被分離的粗煤粉顆粒在隨風粉氣流繞過彎扭葉片時會產生回流，提高了旋轉煤粉分離器的分離效率.對轉子葉片進行考慮實際厚度的變截面彎扭設計具有2個作用：一方面進氣側入口段與出氣側出口段的變截面設計不僅減小了煤粉氣流進入時的阻力損失，同時也減小了煤粉氣流流出時的渦流損失，阻力損失大大減小，有助于降低分離器的分離電耗；另一方面轉子動葉彎扭設計產生的鼓風作用能提高旋轉煤粉分離器的分離效率.

2 新型旋轉煤粉分離器的數值計算

2.1 物理模型

所研究的對象為MPS89k中速磨煤機，新型旋轉煤粉分離器與傳統直葉旋轉煤粉分離器物理模型的區別為新型旋轉煤粉分離器物理模型內轉子動葉的結構由傳統直葉變為考慮實際厚度的新型變截面彎扭葉片.在Gambit內的邊界設定過程中，新型旋轉煤粉分離器彎扭葉片設置為具有實際厚度的固體（solid）.新型旋轉煤粉分離器物理模型的網格劃分如圖3所示，整個計算區域被分為90萬個左右非均勻的四面體網格單元.

2.2 數學模型

2.2.1 氣相控制方程

在新型旋轉煤粉分離器內，煤粉顆粒的計算采用離散相模型（DPM），假設旋轉煤粉分離器內的一次風流動為不可壓縮、定常湍流流動，湍流模型采用對近壁區處理更為精確的RNGk－ε模型，近壁區采用壁面函數法進行處理［2-4］.文中的數值模擬計算只進行中速磨煤機內新型旋轉煤粉分離器的流動模擬，不進行傳熱模擬，因此在計算過程中無需考慮能量方程，新型旋轉煤粉分離器的氣相控制方程組如下：

圖3 新型旋轉煤粉分離器物理模型的網格劃分Fig.3 Grid division for physical model of the new rotary coal classifier

連續性方程

動量方程

湍動能k方程

湍動能耗散率ε方程

式中：ρ為氣流密度；u為氣流速度；μ為空氣動力黏性系數；p為壓強；αk和αε為常數，均取1.39；μeff為綜合黏性系數；Gk為速度梯度產生的湍流動能；Gb為浮力引起的湍流動能；YM、Sk、Rε和Sε為影響因子；C1ε、C2ε和C3ε為常數，按照經驗選取.

2.2.2 煤粉粒子的受力分析

由于煤粉顆粒在新型旋轉煤粉分離器內部所占的體積比率小于10%，因此選用離散相模型進行求解計算，計算過程中僅考慮了煤粉顆粒的受力情況.新型旋轉煤粉分離器中單個煤粉顆粒所受的各個力（如氣流對顆粒產生的曳力、煤粉顆粒自身的重力以及煤粉顆粒在新型旋轉煤粉分離器內旋轉時所受到的離心力）均極小，可以忽略.

3 新型旋轉煤粉分離器的空氣流場分析

旋轉煤粉分離器內部流場分布的均勻性直接影響其分離性能［5］.以轉速70r／min、磨煤機入口風速33m／s為初始條件，研究新型旋轉煤粉分離器內流場的分布規律.新型旋轉煤粉分離器縱向截面（y＝0）處的速度v和壓力p的分布如圖4所示.

圖4 新型旋轉煤粉分離器縱向截面的流場分布Fig.4 Flow field distribution on logitudinal section of the new rotary coal classifier

由圖4（a）和圖4（b）可知，新型旋轉煤粉分離器的速度和壓力分布更加均勻，其導向靜葉兩端氣流的回流較少，在進入分離器的分離區域時氣流更為均勻，因此氣流對導向靜葉底部兩端的沖刷和磨損程度減小，在一定程度上延長了導向靜葉片的使用壽命.新型旋轉煤粉分離器橫向截面（z＝1）處的速度和壓力分布如圖5所示.由圖5（a）和圖5（b）可知，一次風流經新型旋轉煤粉分離器的導向靜葉時壓降變化較小，氣流受到導向靜葉的阻擋作用較小，導向靜葉的主要作用是獲得具有一定速度、穩定均勻的切向來流.氣流通過轉子動葉時的壓降降低，說明新型旋轉煤粉分離器的內部阻力損失較小，在一定程度上可以減小新型旋轉煤粉分離器的整個通風阻力.

圖5 新型旋轉煤粉分離器橫向截面的流場分布Fig.5 Flow field distribution on transverse section of the new rotary coal classifier

4 新型旋轉煤粉分離器的特性分析

評價煤粉分離器性能的指標參數主要有分離器出口煤粉細度、綜合分離效率和分離器內部通風阻力［6-8］，根據不同結構參數的彎扭葉片，對新型旋轉煤粉分離器的性能指標參數進行分析.

4.1 出口煤粉細度

旋轉煤粉分離器的出口煤粉細度隨轉子轉速的變化特性是分離器的重要特性之一.當轉子轉速為70r／min、系統通風量為60000m3／h、煤粉濃度為0.5kg／kg，且新型旋轉煤粉分離器彎扭動葉的彎度和安裝角度保持不變時，新型旋轉煤粉分離器的出口煤粉細度和綜合分離效率只隨彎扭動葉扭轉角度的變化而變化.采用出口煤粉細度R90作為衡量分離器出口煤粉細度的指標，當轉子彎扭動葉的彎度為15°和安裝角度為10°且設定這2個數值固定不變時，新型旋轉煤粉分離器的出口煤粉細度R90隨彎扭動葉扭轉角度的變化如圖6所示.

圖6 出口煤粉細度隨彎扭動葉扭轉角度的變化Fig.6 Variation tendency of outlet fineness of pulverized coal with twist angle of rotor blade

由圖6可知，隨著彎扭動葉扭轉角度的增大，新型旋轉煤粉分離器的出口煤粉細度先減小后增大.當彎扭動葉的扭轉角度為25°時，新型旋轉煤粉分離器的出口煤粉細度達到最小值1.39%.

4.2 綜合分離效率

綜合分離效率η能夠更加準確地反映旋轉煤粉分離器的分離性能，它是細粉分離效率與粗粉分離效率的差值，體現了旋轉煤粉分離器對細粉和粗粉分離的綜合情況［4，9-10］.細粉分離效率指的是旋轉煤粉分離器出口煤粉中小于R90的煤粉質量與入口煤粉中小于R90的煤粉質量的百分比，表示旋轉煤粉分離器對細粉的分離情況.而粗粉分離效率指的是分離器出口煤粉中大于R90的煤粉質量與入口煤粉中大于R90的煤粉質量的百分比，表示旋轉煤粉分離器對粗粉的分離情況.當轉子彎扭動葉的彎度為15°和安裝角度為10°且設定這2個數值固定不變時，新型旋轉煤粉分離器的綜合分離效率η隨彎扭動葉扭轉角度的變化如圖7所示.

圖7 綜合分離效率隨彎扭動葉扭轉角度的變化Fig.7 Variation tendency of comprehensive separation efficiency with the twist angle of rotor blade

由圖7可知，隨著彎扭動葉扭轉角度的增大，新型旋轉煤粉分離器的綜合分離效率先增大后減小.當彎扭動葉的扭轉角度為25°時，綜合分離效率達到最大值95.83%.

4.3 通風阻力

當轉子彎扭動葉的彎度為15°和安裝角度為10°且設定這2個數值固定不變時，新型旋轉煤粉分離器氣固兩相流場的內部通風阻力隨彎扭動葉扭轉角度的變化如圖8所示.

圖8 內部通風阻力隨彎扭動葉扭轉角度的變化Fig.8 Variation tendency of air resistance with the twist angle

由圖8可知，隨著彎扭動葉扭轉角度的增大，新型旋轉煤粉分離器的內部通風阻力先減小后增大.當彎扭動葉扭轉角度為30°時，新型旋轉煤粉分離器的內部通風阻力達到最小值1137Pa.

綜上所述，當新型旋轉煤粉分離器的綜合分離效率達到最大值和出口煤粉細度達到最小值時，對應扭轉角度的葉片結構下新型旋轉煤粉分離器的內部通風阻力為1174Pa，與內部通風阻力最小值的相對誤差為3.25%（低于5%），滿足工程要求，因此當轉子轉速為70r／min時，新型旋轉煤粉分離器轉子動葉的最佳扭轉角度為25°.

5 結 論

（1）新型旋轉煤粉分離器轉子動葉最佳結構下的流場分布較為均勻，靜葉兩端氣流回流減少，氣流進入分離區時更均勻，靜葉底部沖刷和磨損程度減小，使用壽命延長；動葉的彎扭設計增大了與煤粉粒子的碰撞幾率并產生鼓風作用，提高了分離效率；動葉的變截面設計可減小氣流進入時的阻力損失和流出時的渦流損失，同時降低通風電耗.

（2）新型旋轉煤粉分離器轉子動葉的最佳扭轉角度為25°，最佳扭轉角度下的出口煤粉細度R90為1.39%，綜合分離效率η為95.83%.煤粉較細，一定條件下可滿足無煙煤的燃燒要求，分離效率的提高降低了循環倍率，從而降低了分離電耗和磨煤電耗.

（3）新型旋轉煤粉分離器在轉子動葉最佳結構下氣固兩相流場的內部通風阻力為1174Pa，轉子動葉的最佳變截面彎扭設計大大減小了分離器內部的通風阻力，可以明顯降低通風電耗.

［1］閆順林，楊玉環.新型高性能彎扭動葉旋轉煤粉分離器特性研究［J］.動力工程學報，2012，32（2）：140－146.YAN Shunlin，YANG Yuhuan.Characteristic study on high－performance rotary type pulverized coal classifier with bowed－twisted moving blades ［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32（2）：140－146.

［2］任志安，郝點，謝紅杰.幾種湍流模型及其在Fluent中的應用［J］.化工裝備技術，2009，30（2）：38－40，44.REN Zhian，HAO Dian，XIE Hongjie.Several turbulent model and its application in Fluent［J］.Chemical Equipment Technology，2009，30（2）：38－40，44.

［3］周力行.湍流氣粒兩相流動和燃燒的理論與數值模擬［M］.北京：科學出版社，1994.

［4］趙學斌.國產中速磨煤機制造技術的演變及結構特點分析［J］.電力建設，2012，33（1）：76－79.ZHAO Xuebin.Manufacturing technology evolution and structure features analysis for domestic medium speed coal mill［J］.Electric Power Construction，2012，33（1）：76－79.

［5］徐榮田，何翔，程智海，等.MPS型中速磨煤機對不同煤種煤粉細度的影響［J］.發電設備，2012，26（2）：80－83.XU Rongtian，HE Xiang，CHENG Zhihai，et al.Effect of pulverizing parameters on fineness of coal powder from medium－speed mill［J］.Power Equipment，2012，26（2）：80－83.

［6］劉鋒，郭娟.超超臨界機組中速磨煤機性能分析及其運行優化［J］.電力建設，2011，32（7）：79－83.LIU Feng，GUO Juan.Performance analysis and optimization of medium－speed coal pulverizers of ultra supercritical units［J］.Electric Power Construction，2011，32（7）：79－83.

［7］朱憲然，趙振寧，張清峰.中速磨煤機的石子煤特性研究［J］.中國電機工程學報，2010，30（23）：67－72.ZHU Xianran，ZHAO Zhenning，ZHANG Qingfeng.Middle speed coal mill stones coal characteristic research［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（23）：67－72.

［8］劉一凡.中速磨煤機粗粉分離器分離特性數值模擬［D］.長春：吉林大學汽車工程學院，2008.

［9］何亞群，周念鑫，左蔚然，等.不同磨煤粒度條件下煤粉分離器分離特性研究［J］.中國粉體技術，2012，18（1）：61－65.HE Yaqun，ZHOU Nianxin，ZUO Weiran，et al.Study on separating characteristics of pulverized fuel classifier under different ground coal size［J］.China Powder Science and Technology，2012，18（1）：61－65.

［10］徐天猛.旋風分離器性能優化的研究［D］.上海：華東理工大學機械與動力工程學院，2011.