可調節式煤粉分配器數值模擬研究

辛 力，施鴻飛，呂為智

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

對于中速磨煤機直吹式制粉系統來說，同層燃燒器各一次風管之間的煤粉和空氣分配均勻性直接關系著爐內煤粉氣流的燃燒特性，分配較為均勻的煤粉可以使各燃燒器燃燒功率、著火條件等近似相同，減少爐內不均勻燃燒，防止由于熱偏差和結渣引起的鍋爐腐蝕及鍋爐爆管[1-2]。反之，當煤粉分配不均勻時，容易導致磨煤機出口支管煤粉濃度偏差嚴重[3]，直接影響鍋爐燃燒工況的優劣性。根據DL/T 5145—2012《火力發電廠制粉系統設計計算技術規定》，對于中速磨煤機直吹式制粉系統，同層燃燒器各一次風管之間各并列管道之間的風量(質量流量，下同)相對偏差不大于5%，煤粉量(質量流量，下同)相對偏差不大于10%。

從目前的技術手段來看，可以通過燃燒優化調整的方式來對風量偏差加以約束，而煤粉量偏差主要通過煤粉分配器加以約束和控制。在直吹式送粉管道中，為使煤粉分配均勻，可設置煤粉分配彎頭或煤粉分配器[4]。對于大容量鍋爐，優先選用煤粉分配器。

我國近幾年比較常用的煤粉分配器主要有格柵型煤粉分配器和雙可調煤粉分配器等，理論上同層燃燒器各支管之間的煤粉分配相對偏差可控制在±10%以內。但是，由于管道及部件阻力設計計算中存在很多不確定因素，實際運行過程中很難保證煤粉分配器出口至燃燒器的并列輸粉管道阻力的均衡性，運行中實際的煤粉量相對偏差在±20%以上，且存在運行中無法調節的問題[5-6]。

某300 MW機組制粉系統使用MPS212HP-II型中速磨煤機，并采用直吹系統。針對該機組煤粉分配不均的問題，筆者設計了一種適配的可調節式煤粉分配器，該分配器安裝在磨煤機分離器出口與各送粉管道之間，通過可調節手段來解決煤粉分配不均的問題。筆者以該機組為研究對象，利用數值模擬方法對該制粉系統進行模擬分析，模擬得到該機組磨煤機出口煤粉顆粒質量濃度分布及該煤粉分配器內煤粉顆粒的流動數據，對比實際數據，驗證煤粉分配器效果及特點，可為該煤粉分配器在同類制粉系統中的推廣應用提供參考依據。

1 模型建立

1.1 物理模型

煤粉分配器主體裝配結構見圖1，濃相內管及淡相圓環均分為4～6組(筆者以4組為例)，與磨煤機一次風管數目相匹配。在煤粉分配器中，由磨煤機出口吹出的煤粉通過百葉窗環進行濃縮，在慣性作用下，進行內濃外淡的分離，分離后的濃、淡相煤粉分別由濃相內管及淡相外圓環輸出。濃、淡相調節閥為相應管道內隔板，調節方向為俯視下的逆時針旋轉方向，通過改變各出口區域面積比例調整風粉流量。

圖1 煤粉分配器結構示意圖

1.2 數學模型

磨煤機及煤粉分配器中的流體介質均為空氣及煤粉顆粒，由于煤粉顆粒的運動主要由空氣動力所支配，同時由于煤粉顆粒的體積分數較小，顆粒之間的相互碰撞很少，因此屬于稀相氣固兩相流[7]。

為簡化計算，假定流體等溫不可壓縮，且為定常流動，兩相均不發生相變，可得到控制方程[8-9]。

氣相連續性方程為：

(1)

式中：t為時間，s;ρg為空氣密度，kg/m3；xgj為空氣在j方向的坐標；ugj為空氣在j方向的速度，m/s。

固體相連續方程為：

(2)

式中：nk為第k組顆粒的數密度(顆粒數目除以混合物體積)，m-3；xkj為第k組顆粒在j方向的坐標；mk為第k組顆粒的質量，kg；ukj為第k組煤粉顆粒在j方向的速度，m/s；υk為第k組煤粉顆粒的湍流運動黏度，m2/s；Sck為第k組煤粉顆粒的湍流施密特數；?nk/?t為顆粒凝聚項，m-3·s-1。

氣相動量方程為：

(3)

式中：ugi為空氣在i方向的速度；xgi為空氣在i方向的坐標；pg為空氣壓力，Pa；fgi為空氣在i方向的質量力，N/kg；ηge為空氣的湍流動力黏度，Pa·s；τrk為第k組煤粉顆粒平均運動弛豫時間，s；ρk為第k組煤粉顆粒的密度，kg/m3；uki為第k組煤粉顆粒在i方向的速度，m/s。

固體相動量方程為：

(4)

式中：fki第k組顆粒在i方向的質量力，N/kg；xki為煤粉顆粒在i方向的坐標。

1.3 兩相流描述方法

目前，研究氣固兩相流模型的方法主要是Euler-Lagrange法及Euler-Euler法，其中Euler-Lagrange法適用于固體相顆粒體積分數較小的流動，因此筆者采用該方法進行模擬。

Euler-Lagrange法是將流體相與固體相分開考慮，用Euler參考系描述流體并將其視為連續介質，求解時均N-S方程得到速度等參量；用Lagrangian參考系描述固體相并將其視為離散相，通過對大量質點的運動方程進行積分運算得到其運動軌跡[10]。在FLUENT軟件中，運用Euler-Lagrange法的模型為離散模型(DPM)，其中離散相與連續相之間存在質量、動量和能量的交換，DPM通過積分Lagrangian參考系下的離散相顆粒的運動方程計算其運動軌跡。顆粒運動方程(以直角坐標系x方向為例)為：

(5)

式中：ax為附加加速度(包括壓力梯度力、質量力、熱泳力、布朗力等多種力的綜合作用)，m/s2；u為空氣速度,m/s；up為煤粉顆粒速度,m/s；ρp為煤粉顆粒密度,kg/m3；D為阻力加速度系數，s-1；gx為x方向重力加速度[11]，m/s2。

2 數值模擬計算

2.1 幾何模型及網格劃分

筆者以自主研發設計的煤粉分配器為研究對象，磨煤機為MPS212HP-II型中速磨煤機，為盡可能增加結果的準確性，尺寸均使用實際尺寸，在不影響模擬結果的情況下，簡化部分結構，煤粉分配器和磨煤機的最終結構圖見圖2、圖3。

圖2 煤粉分配器模型示意圖

圖3 MPS212HP-II型磨煤機模型示意圖

煤粉分配器尺寸為：總高為6 500 mm，出口半徑為1 020 mm，濃相內管半徑為660 mm，內部導流管半徑為300 mm，調節閥高度為1 500 mm，百葉窗環斜面長為431 mm，斜面角度為65o，相鄰兩環間距為 391 mm，相鄰面半徑差為 52 mm，底部百葉窗環底徑為 770 mm。

使用ICEM軟件對計算區域進行網格劃分。由于煤粉分配器結構簡單，而磨煤機內部風環、磨輥等結構相對復雜，故對煤粉分配器全部采用非結構網格，而對磨煤機采用混合網格：在風環、分離器、磨輥等位置采用非結構化網格；對一次風入口、煤粉入口、風粉混合物出口等位置采用結構化網格。對流動條件復雜的區域增加網格密度，以提高最終結果的精確性，并進行網格無關性驗證，最終確認煤粉分配器和磨煤機的網格數分別為40萬和86萬。

2.2 數值計算方法及邊界條件

筆者使用FLUENT軟件模擬煤粉分配器及磨煤機的流動過程，采用Standardk-ε雙方程湍流模型、穩態3D分離隱式計算器，壓力速度耦合采用SIMPLEC耦合算法。

將一次風空氣視為理想空氣，由于其溫度高于常溫，故空氣黏度使用Sutherland公式進行計算，采用DPM計算兩相流動，對顆粒直徑分布采用Rosin-Rammler分布，使得顆粒直徑分布更加趨于實際工況[12]。邊界條件設置見表1。

表1 邊界條件

3 計算結果與分析

3.1 磨煤機數值計算結果

此次模擬為驗證兩相流的流動過程，因此去除原煤的破碎過程，視為兩相混合物均由一次風入口進入。

圖4為磨煤機中顆粒流動軌跡，圖5為未安裝煤粉分配器前磨煤機出口處(共有4個出口)的煤粉顆粒質量濃度及捕獲顆粒數。磨煤機一次風入口共射入16 256個顆粒，其中1 931個在分離器處產生回流，數量占比約為11.9%。

引起煤粉量分配不均的原因主要有直吹式磨煤機出口送往各風粉管的煤粉量不均，以及由于輸粉管道長度、彎頭數量的不同導致各煤粉管綜合阻力系數差異較大，在同一壓差并列運行下進一步擴大了這種不均勻性。從圖4、圖5中可以看出：當流體流經一次風室時，由于受到磨輥、磨盤、風環等結構的影響，上升至分離器后，圖5中磨煤機的4個出口捕獲的顆粒數不同且4個出口的煤粉質量濃度分布不均勻，最大相對偏差達到24.1%，且距離一次風入口較近的出口(圖5中上層2個)質量濃度相對較高，這也符合實際工況中直吹式系統出口質量濃度分布。

圖4 磨煤機內部煤粉顆粒運動軌跡

圖5 磨煤機出口煤粉顆粒質量濃度及捕獲顆粒數

張爐香[13]基于望亭電廠燃燒問題，發現了磨煤機的4個出口有很大的煤粉分配相對偏差，最大相對偏差在-40%～50%，遠超許可偏差；劉定坡等[14]從磨煤機煤粉分配不均這一普遍問題出發，分析研究了煤粉分配不均對機組靈活性帶來的影響及不同的煤粉分配器的應用現狀及調節效果；樊泉桂等[15]通過試驗得出了隨著磨煤機分離器擋板開度減小，輸粉管煤粉均勻性有所提高的結論，并指明這一結果同磨煤機內部結構的關聯性。

根據已有的文獻報道以及現場試驗結果，煤粉分配不均是大多電站鍋爐煤粉系統存在的問題，影響鍋爐正常使用。在不改變制粉系統的基礎上，需要對煤粉分配裝置進行優化設計，以使得各送粉管道間濃度更加均勻，穩定煤粉氣流的燃燒。

3.2 分配器數值計算結果

圖6為煤粉分配器內流線圖。由圖6可看出：煤粉由煤粉分配器入口進入，通過4節百葉窗環后，主要通過濃相內管并由出口流出。煤粉在每一節百葉窗環均發生部分回流，在空氣的帶動下沿環外壁繼續流動，由于下一節百葉窗環底徑較大，再將這一部分煤粉納入環內，僅在最后一節百葉窗環的底部產生少部分煤粉逃逸至淡相出口，該設計使得絕大多數的煤粉顆粒分配到濃相管，但造成大量煤粉顆粒對百葉窗環壁面的碰撞沖刷，易造成磨損，在實際使用中需要考慮設備使用壽命減少及影響機組運行安全。

圖6 煤粉分配器內煤粉顆粒運行軌跡

圖7為煤粉分配器出口煤粉顆粒質量濃度及速度分布圖。共模擬了6 730個顆粒由磨煤機入口射入，顆粒隨動性良好，無明顯下落跡象、無回流，在煤粉分配器出口可被全部捕獲。

圖7 煤粉分配器出口煤粉顆粒質量濃度及速度分布

由于模擬時設置為入口射入顆粒隨機分布，因此在出口處，濃相顆粒的分布不是足夠均勻的，但由于所設計的煤粉分配器具有調節作用，在實際使用過程中可根據出口煤粉顆粒的分布情況調節濃相調節閥，使得濃相內管的4個區域出粉量更加均勻。

由圖7可知：出口處的濃相流速并不高且不均勻，這是由于流體通過百葉窗環進入濃相內管后，在錐形內管的作用下，流體發生偏轉，向遠離中心的方向運動，同時變徑管是一個漸擴管，使得高速流體的速度下降至符合電廠實際運行需求，減小由于風速過快而產生的設備侵蝕，也保證了進入鍋爐后更好地充分燃燒。

圖8為煤粉分配器XOY平面(縱向剖面)的煤粉顆粒速度分布。由圖8可知：流體經過百葉窗環后，速度逐漸增大，這驗證了百葉窗環對流體的壓縮作用。每節百葉窗環底部都會出現碰撞后的流體溢出，會出現一個環形的高流速區，這一部分高速氣流攜帶回流的少量煤粉經淡相外圓環出口流出。

圖8 煤粉分配器XOY截面煤粉速度分布

在流體流至濃相內管后，流速達到最高，之后在水平面0°和90°方向由于調節閥的存在，流體被阻隔，大部分流體由調節閥兩側流向出口，剩余部分產生回流與來流互相碰撞，造成流速的迅速減小(見圖8)，在該截面越接近調節閥位置，流速減小越多。

除此之外，為了反映煤粉分配器對不同顆粒直徑煤粉顆粒均勻分配的能力，對表2所示的顆粒直徑分布顆粒進行數值模擬，并計算濃相出口處捕獲顆粒數占總射入顆粒數的比，繪制濃相顆粒數占比見圖9。

表2 顆粒直徑分布 μm

圖9 濃相顆粒數占比

由圖9可得：該煤粉分配器對煤粉顆粒具有較強的集中分配能力，入口處的煤粉顆粒大多由濃相內管出口流出，經過煤粉分配器后的濃相顆粒數占比基本處于較為接近的范圍，但隨著煤粉顆粒直徑的逐漸增大，出口處濃相顆粒數占比會有少量提升。在同等風速下，氣動的牽引力起到決定性作用，使過細的顆粒更易被吹至遠離中心的區域，因此在最后一節百葉窗環產生較多的回流顆粒。

4 結語

煤粉在磨煤機中的流動是復雜且隨機的，磨煤機腔室內復雜的機械結構使煤粉顆粒流動產生偏離，在出口和分離器的部分區域發生回流，最終導致出口處煤粉顆粒濃度分布不均，影響燃燒效果及鍋爐運行安全。基于對設計的可調式煤粉分配器開展數值模擬研究，主要結論如下：

(1) 可調節式煤粉分配器具有良好的再分配能力，百葉窗環的設計將煤粉分級收集，并最大限度地減少了回流產生的損失；且在這個過程中，兩相混合流體由于經過逐漸變窄的流道，流速變快、壓強增大。

(2) 可調節式煤粉分配器調節閥對于流體會造成阻隔作用，影響流體的順利流出并減弱部分區域流速，在實際使用中，在保證使用壽命及安全的基礎上應使調節閥厚度盡量小。

(3) 可調節式煤粉分配器具有較強的適用性，對于不同顆粒直徑的煤粉，其分配后濃相顆粒數占比均在90%以上，隨著顆粒直徑的增大，該占比逐漸增大。