風口導流板對磨煤機兩相流分布及磨損影響

魯陳立，王春民

（北京電力設備總廠有限公司，北京 102446）

兩相流磨損特別是氣固兩相流與液固兩相流磨損問題普遍存在于冶金裝備、能源裝備、建材、航空、航天等許多工業領域，并且已成為材料破壞或設備失效的重要原因之一。磨煤機內部的氣固兩相流分布是影響磨煤機性能的重要因素，它關系到磨煤機中許多重要零部件的使用壽命，如噴嘴環、磨輥裝置、機殼、分離器等。因此預測氣固兩相流中固粒對磨煤機的重要零部件的磨損是必要的，也是制造商在設計過程中需要面對的一個難點。

在火力發電行業節能環保要求日趨嚴格的背景下，磨煤機的改造和優化已經成為了許多電廠關注的一個重要課題。對中速磨煤機的改造嘗試已有許多，如改造一次風室、噴嘴環結構、旋轉分離器等，但是，由于磨煤機內部流場測量手段的缺失，這些改造均是基于現場運行人員的定性經驗分析，因此改造的結果也是差強人意。隨著數值模擬方法在工程上的廣泛應用，對中速磨煤機內部流場的定量仿真成為可能。某火電廠向筆者所在公司反饋ZGM133磨三個磨輥中其中一個磨輥沖刷尤其嚴重，導致整套磨輥裝置壽命減小。本研究針對此現象，對底部風室進行了大量的流體仿真試驗，最終提出具體解決方案。

1 有限元仿真建模

ICEM－CFD是專業的前處理軟件，能為所有大型CAE軟件提供高效可靠的分析模型。它擁有強大的CAD模型修復能力、自動中面抽取、獨特的網格“雕塑”技術、網格編輯技術以及廣泛的求解器支持能力。

圖1 有限元仿真模型建立

目前以計算力學為基礎的數值模擬方法，因其成本低，耗時短和可以提供細微的流場信息，從而揭示更多流場（包括多相流）的機制，近年來獲得了越來越多的重視，并得到了長足的發展。文章采用數值模擬法，從調整一次風入口角度入手，提出一種全新的控制磨煤機內部氣固兩相流分布的手段。FLUENT能處理凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能。本研究在SolidWorks中建立三維模型，利用ICEM－CFD對三維模型進行網格劃分，最終在FLUENT中分析。仿真模型主要考慮了一次風口，底部風室，噴嘴環，機殼結構。

2 一次風室的流速及靜壓不均勻分布

首先進行不加導流板時仿真試驗，測得一次風室的靜壓分布情況。仿真基礎數據：一次風邊界條件入口空氣密度為0.62 kg/m3，質量流量為29 kg/s，動環轉速22.42 r/min，Input類型為mass－ flow，Output類型為pressureoutlet，并且定義出口壓強為3000 Pa。由圖2可以得出，一次風室內部靜壓分布不均，其中一次風口對側由于兩股風相遇導致流速下降，風口對側相應靜壓增大，這種不均勻現象普遍存在于一次風室內部。

圖2 噴嘴環入口的流速及靜壓分布不均現狀

由伯努利原理可知，

式中：p為流體中某點的壓強（Pa）；v為流體該點的流速（m/s）；ρ為流體密度（kg/m3）；g為重力加速度（m/s2）；h為該點所在高度（m）；C是一個常量。

由公式（1）可知等高流動時，流速小，靜壓力就大。一次風從一側水平進入磨煤機，在風室內化為兩股流體在一次風接口的對側相遇。相遇過程中速度突然減小，同時導致此處靜壓增加。相遇（撞）的過程導致了一次風室內部的流速與靜壓的不均勻。其中靜壓大的地方，攜帶煤粉的能力強，經過旋轉噴嘴環后對磨煤機部件的壁面沖刷作用強。導致了最終磨損的不均勻性。同時，由圖2可知噴嘴環入口的流速分布不均勻，而這往往會導致磨輥、機殼的磨損不均勻。

試驗嘗試采用在一次風口加入導流板的方法，針對此方法提出了四種流體仿真試驗方案：采用斜45°，均布導流板。對不同導流板長度進行試驗，確定導流板長度；采用“最適角度”，均布導流板，減少湍流回流對不同導流板角度進行試驗，確定導流板斜向角度；采用不均布導流板。調整三塊導流板的間距，確定合理間距；改進一次風口的流向。

3 流體仿真試驗

仿真試驗方案一：加45°斜導流板。分別進行了320 mm、700 mm長度的導流板試驗，導流板長度為320 mm時，圖3左側藍色區域為一次風接口的對稱側，該藍色區域略微向圖3的下側偏移，基本沒有對“交匯點”進行調整。導流板長度為700 mm時，發現“交匯點”明顯下移5格，說明700 mm長時，增強了導流板的導流作用，同時長度適應于此工程。

仿真試驗方案二：根據一次風室圓弧弧線和一次風口采用適應于此工程的40°斜板。由圖5可知，當采用40°導流板時，一次風口對側的靜壓與速度分布更加均勻，說明了采用均布40°導流板，減少了湍流和回流，導流作用得到加強。

圖3 導流板320 mm噴嘴環入口速度

圖4 導流板700 mm噴嘴環入口速度

圖5 40度導流板噴嘴環入口速度

仿真試驗方案三：采用不均布45°斜板。分別采用由左到右間距增大和由左到右間距減小分布的45°斜板。由圖6可知，對側處依然出現很明顯的速度靜壓分布不均勻現象，雖然導流作用繼續加強，但導致“交匯點”不可控，不建議在工程中使用。

圖6 不均布導流板噴嘴環入口速度

仿真試驗方案四：控制流場速度方向。此仿真實驗說明控制一次風流向，改變交匯點位置的有效性，見圖7。但本方案對一次風口改動較大，不建議在工程中使用。

圖7 控制流場速度方向噴嘴環入口速度

4 磨損與煤粉速度及靜壓力之間的關系

進一步研究，磨煤機內部碾磨件的磨損原因主要為碾磨磨損與氣固二相流的沖刷磨損，其中沖刷磨損對磨煤機噴嘴環、磨輥、機殼結構的壽命影響較大，圖8為煤粉沖刷磨損的過程伴隨著壁面裂紋產生的過程。

圖8 壁面磨損示意圖

在這里我們對部件的磨損與我們考量的參數速度與靜壓力之間的關系進行數值模擬。從煤粉速度到零部件材料去除過程數值模擬采用Autodyn軟件。該軟件最早是由Century Dynamics研發的專門用于軍工方面的數值模擬。性能上Autodyn擁有能夠計算結構力學的有限元求解器，能夠用于快速瞬態計算流體動力學的計算力學求解器，能夠用于大變形和碎裂的無網格/粒子方法。多求解器相互耦合，用于多種物理現象耦合情況下的求解。特別適合結構動力學、快速流體流動、材料模型、沖擊、爆炸和沖擊波響應分析，對其進行有限元數值模擬建模，見圖9。

圖9 數值模擬建模

采用Lagrange求解器，所有材料均選用Autodyn自帶的本構模型。模型中煤粉顆粒的直徑設置為15 mm，壁面材料定義為16 Mn，讓煤粉以90°垂直入射。改變噴管中氣流壓力，將數值模擬過程中噴管中的靜壓力也對應設置為0.2～0.6 MPa，設置間隔為0.1 MPa。考察相同入射角度下的材料中的裂紋影響區深度。

從靜壓力從0.2～0.6 MPa增大的過程中，煤粉對機殼壁面造成的表面損傷也逐步遞增，直觀表現為裂紋影響區的深度逐漸遞增，且影響區包絡的區域面積明顯增大。進一步統計了各噴射壓力下沖刷裂紋影響區影響深度，可以定量表達出靜壓力對裂紋深度的影響規律。裂紋影響區深度與煤粉接觸機殼壁面的速度成正相關。這也進一步說明了上節所比較的靜壓力與速度對考量磨損情況的可行性。

5 結語

通過以上仿真試驗得出以下結論：噴嘴環入口流速不均勻是導致磨輥磨損不均的主要原因之一。通過在一次風口加入導流板能夠有效的改變“交匯點”，以達到減少單個磨輥磨損的作用，然而一次風口加入導流板雖然起到了減小單個磨輥磨損的作用，但不能徹底改變噴嘴環入口流速分布不均的現狀。

某工程采用方案一后經過6個月高負荷運行，測得三個磨輥的磨損情況為：15 mm、26 mm、27 mm。而加導流板之前高負荷運行4個月3個磨輥磨損情況為20 mm、25 mm、40 mm效果明顯，運行試驗結果表明導流板起到了改善磨損的作用。