格柵型煤粉分配器的分配特性研究

張小林，趙 軍，房云龍

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

在我國火力發(fā)電廠中，大型燃煤鍋爐以四角切圓的燃燒方式最為常見，即燃燒器布置于爐膛四角，同層燃燒器中每個角的燃燒器出口氣流的幾何軸線均切于爐膛中心的假想圓的燃燒方式。保證同層四角燃燒器的風粉分配均勻?qū)τ谔岣呷紵示哂兄匾饬x，大型鍋爐制粉系統(tǒng)常采用中速磨正壓直吹系統(tǒng)。影響煤粉分配均勻性和穩(wěn)定性的因素主要是給煤的穩(wěn)定性和均勻性，以及同層各角送粉管道的阻力特性。在《DL/T 5145—2012 火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)定》第7.10.1條指出：“為保證并列輸粉管道風粉分配均勻，在大容量鍋爐直吹式制粉系統(tǒng)中必須裝置某種類型的煤粉分配器”。格柵型煤粉分配器是在當前運行的600 MW燃煤機組中使用最廣泛、最成熟的一種煤粉分配器，通常布置于磨煤機出口側(cè)的垂直管道上。

目前雖然格柵型煤粉分配器結(jié)構(gòu)成熟，應用廣泛。但仍缺少采用數(shù)值模擬計算方法對其進行研究的文獻。劉富爽等采用數(shù)值模擬方法研究了格柵煤粉分配器的流動和分配效果，但僅限于研究煤粉分配器本身，未考慮整個系統(tǒng)中分配器入口的非均勻條件，以及系統(tǒng)下游管道對分配器的影響。故本文采用氣固兩相流數(shù)值模擬的方法，對某電廠600 MW機組直吹式制粉系統(tǒng)中格柵型煤粉分配器的風粉分配特性進行研究，為送粉管道系統(tǒng)整體的風粉分配提供依據(jù)，并為下游管道的阻力配平提供參考，為今后進行基于數(shù)值模擬方法的鍋爐送粉系統(tǒng)風粉均勻分配調(diào)節(jié)機制的研究奠定基礎(chǔ)。

1 氣固兩相數(shù)值模擬的流動模型

1.1 氣固兩相流的描述方法

目前常見的兩種描述兩相流的方法分別為歐拉?歐拉（Euler?Euler）方法和歐拉?拉格朗日（Euler?Lagrange）方法。歐拉?歐拉方法是把顆粒當作具有連續(xù)介質(zhì)特性的、與氣體相互滲透的擬流體，氣相和固相均在歐拉坐標下建立納維?斯托克斯（N?S）方程進行求解，可以較好地求解顆粒相整體的輸運特性。歐拉?拉格朗日（Euler?Lagrange）方法只把氣相作為連續(xù)的流體，在歐拉坐標系下建立N?S方程求解，顆粒相在拉格朗日坐標下求解，對每一個顆粒進行追蹤，以此了解顆粒的詳細運動信息。由于不涉及換熱，本文為冷態(tài)數(shù)值模擬，不考慮能量方程。假定流動為三維、定常、不可壓的黏性流動；氣相為牛頓流體，顆粒相為密度相等、大小均勻的球體，各相的物理性質(zhì)恒定；由于兩相流動中煤粉顆粒相體積分數(shù)較低，可以忽略顆粒間的碰撞，主要考慮空氣相湍流與顆粒相運動的相互影響。

1.2 計算流體力學數(shù)值模擬的基本方法

針對湍流流動的數(shù)值模擬方法應用最多的是雷諾平均法（Reynolds?Averaged Navier?Stokes，RANS）。控制方程為：

時均形式連續(xù)性方程

時均形式動量方程

標量φ 的時均輸運方程

式中：ρ為密度；t為時間；i、j為直角坐標系的方向；x為長度；u為速度；μ為黏度；p為壓力；為雷諾應力項；S、S為附加的源項；φ為一般標量（它可以是能量、湍動能或者湍流耗散率，代入不同的物理量可以得到不同的輸運方程）。

由雷諾時均N?S方程所得到的κ?ε流體模型已經(jīng)非常成熟，可以用于計算湍流中的強旋流，DPM離散相模型可以追蹤顆粒的軌跡，故本文選用這兩種模型進行兩相模擬。

2 格柵型煤粉分配器分配效果數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

格柵型煤粉分配器是用格柵將磨煤機出口的煤粉氣流分割成若干狹縫氣流，然后將煤粉氣流交替導向兩側(cè)形成兩個較為均勻的支流。本文鍋爐機組采用典型的四角切圓燃燒，故分配器的分支數(shù)為4。煤粉氣流進入分配器時先經(jīng)過下方的一級格柵分成兩個分支，形成“一變二”；兩個分支的煤粉氣流各自經(jīng)過上方的二級格柵再次被一分為二，形成“二變四”。

采用Pro/E三維建模軟件對某型號兩級格柵型煤粉分配器建立模型，分配器左右結(jié)構(gòu)對稱，格柵排列順序一致。為得到其分配性能，在煤粉分配器入口段增加一段彎管作為非均勻流動入口。煤粉分配器以及加彎管后的幾何模型如圖1所示。該圖為分配器幾何模型的x、y平面視角圖。同時，對其內(nèi)部格柵數(shù)進行調(diào)整，分別模擬格柵數(shù)為0、4、8、12的分配器的分配效果，得出最佳的分配方案。

圖1 煤粉分配器以及加彎管后的幾何模型Fig.1 Geometric model of the pulverized coal distributor with an elbow

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM?CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，在Fluent軟件中轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格，最終的煤粉分配器的網(wǎng)格劃分如圖2所示，其網(wǎng)格質(zhì)量在0.4以上，可滿足計算需要。

圖2 煤粉分配器的網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of the pulverized coal distributor

2.3 參數(shù)設(shè)置

本文應用Fluent軟件分別對純空氣流以及空氣煤粉氣固兩相流進行數(shù)值模擬，入口和出口的圓管分別對應前面的磨煤機和后面的送粉管道，直徑分別為1 120、580 mm。中速磨煤機出口一次風溫度為77 ℃，直吹式送粉管道的流速約為22～28 m·s，并且該機組鍋爐額定負荷（BRL）工況下的固氣比（煤和空氣的質(zhì)量比）約為0.5 kg·kg。計算主要參數(shù)設(shè)置為：重力加速度為9.81 m·s；氣相為密度1.03 kg·m、黏度2.092 × 10kg·（m·s）、101 325 Pa、80 ℃的空氣，顆粒相為密度1 648 kg·m的平頂山礦煙煤。煤粉直徑33 μm，入口速度25.17 m·s，大氣壓出口邊界條件，顆粒相和氣體相入射速度相同，顆粒所占體積分數(shù)約為3.715 × 10（即0.037 15%）。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 彎管后流體的非均性分析

兩相流經(jīng)過彎管時，由于各處受到的離心力不同而造成速度不均。之后，流體又經(jīng)過由圓變方的漸擴面，速度再次發(fā)生變化，故在第一級格柵進口前速度分布如圖3所示。由圖中可見，截面上速度分布最大差異在10倍以上，且左半邊速度較大；而第一級格柵進口前煤粉體積分數(shù)如圖4所示。由圖中可見，左、右兩側(cè)的體積分數(shù)最大偏差不足5%，且左邊較大。本文將模擬流體經(jīng)過彎管后分配器的均勻分配效果，此截面的速度和煤粉濃度分布符合煤粉分配器進口風粉非均勻流動的工況。

圖3 第一級格柵進口前速度分布Fig.3 Velocity distribution at the inlet of the first grilles

圖4 第一級格柵進口前煤粉體積分數(shù)Fig.4 Volume fraction of pulverized coal at the inlet of the first grilles

3.2 煤粉分配器內(nèi)部的流動特性分析

圖5 ～6分別為8格柵分配器z=93.75（z為垂直于x、y平面的方向）和兩級格柵內(nèi)部的速度圖。由于格柵出口為交錯順序出流，故在格柵內(nèi)主流區(qū)集中在下方入口到出口之間，在主流區(qū)內(nèi)速度較大，而“主流區(qū)”外的邊角位置速度較小。受分配器結(jié)構(gòu)影響，在第一級格柵進口前流動截面擴大，漸擴角落速度較小；在兩級格柵出口處，由于截面均縮小，且流體經(jīng)轉(zhuǎn)彎、分叉，在出口匯合，轉(zhuǎn)角處速度明顯增大，產(chǎn)生磨損的可能性增大（如圖6所示）。圖7為分配器出口速度圖。由圖中可見，支管出口速度分布不均，且由于支管內(nèi)側(cè)存在尖角和外側(cè)壁面的阻擋，導致外側(cè)速度較高，需要經(jīng)過長直管段進行均勻化（為方便比較，規(guī)定從左到右出口編號分別為1、2、3、4）。

圖5 z=93.75平面速度圖Fig.5 Velocity at the plane of z=93.75

圖6 第一級、第二級格柵速度Fig.6 Velocity of the first and second grilles

圖7 分配器出口速度Fig.7 Outlet velocity of the distributor

3.3 煤粉顆粒的運動軌跡

圖8 為8格柵的顆粒運動軌跡時間云圖。為方便查看只顯示了102個煤粉顆粒的軌跡。由圖中可知，在入口段顆粒軌跡較為一致，經(jīng)過彎管后由于慣性顆粒軌跡出現(xiàn)差別，少數(shù)顆粒在截面變化處運動出現(xiàn)一定的隨機性，并且在截面擴大處產(chǎn)生渦旋；大多數(shù)顆粒運動集中在 “主流區(qū)”內(nèi)，隨動性良好，在出口處被捕獲。

圖8 顆粒運動軌跡時間云圖Fig.8 Particle trajectory colored by particle residence time

3.4 各出口支管的流動情況

本文對不同格柵數(shù)時的風粉流動與分配進行了數(shù)值模擬。表1為0格柵兩相流動情況。表2～5給出了純空氣相和兩相流動時，不同格柵數(shù)的分配器各出流支管出口的流動偏差，其中包括速度、質(zhì)量流量和兩相流中煤粉的體積分數(shù)（煤粉體積占兩相流總體積的比值）。

表1 0格柵流動情況
Tab.1 Flow without the grilles

0格柵 出口1 出口2 出口3 出口4氣相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1） 8.15 7.21 8.63 8.56氣相出口速度/（m·s?1） 25.51 22.61 27.24 27.21單相全壓降/Pa 314.6 383.33 259.73 276.07兩相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1） 12.49 10.46 13.09 12.78兩相出口速度/（m·s?1） 26.13 21.89 27.54 27.05煤粉體積分數(shù)/% 0.036 91 0.037 07 0.037 19 0.037 36兩相全壓降/Pa 636.68 802.53 575.26 569.56

表2 4格柵流動情況
Tab.2 Flow with 4 grilles

4格柵 出口1 出口2 出口3 出口4氣相出口質(zhì)量流量/（kg ·s?1） 8.38 7.87 8.16 8.15氣相出口速度/（m·s?1） 26.65 24.89 25.89 25.70單相全壓降/Pa 424.61 526.33 482.73 504.07兩相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1） 12.78 11.78 12.02 12.78兩相出口速度/（m·s?1） 27.03 24.85 25.39 25.75煤粉體積分數(shù)/% 0.037 26 0.037 09 0.037 27 0.037 34兩相全壓降/Pa 768.04 936.11 873.91 841.36

由表中數(shù)據(jù)可知，由于彎管入口向左造成出口2的速度和流量總是偏小；若彎管入口向右則出口3的速度和流量會偏小。表5中給出了8格柵彎管向右時的速度和質(zhì)量流量，表明煤粉分配器入口處的風粉分布會對分配效果產(chǎn)生影響。理論上隨著格柵數(shù)的增加，出口2與其他支管的偏差會逐漸減小。考慮到格柵數(shù)過多時，雖然分配均勻性會進一步得到改善，但阻力也會明顯增加，阻力越大，對一次風機壓力的要求就越高，從而影響風機的運行效率；而且風機壓力過大，漏風量會增大，尤其是對于三分倉空氣預熱器，煙氣會泄漏在一、二次風中，煙氣中的固體顆粒會對燃燒產(chǎn)生一定的影響，這樣整個系統(tǒng)的能耗就會增大，并且8格柵煤粉分配器的初始分配效果已經(jīng)達到均勻送粉的要求，所以推薦采用8格柵結(jié)構(gòu)的煤粉分配器。

表5 8格柵彎管向右流動情況
Tab.5 Flow with right elbow of 8 grilles

8格柵 出口1 出口2 出口3 出口4氣相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1）8.72 8.33 7.75 8.20氣相出口速度/（m·s?1） 25.71 25.87 24.19 25.50兩相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1） 12.43 12.31 11.67 12.41兩相出口速度/（m·s?1）25.68 25.45 24.15 25.68煤粉體積分數(shù)/% 0.037 01 0.037 02 0.037 12 0.037 24

3.5 格柵分叉順序?qū)α鲃悠畹挠绊?/h3>

表6給出了8格柵不同分叉出流順序（即格柵先向左分叉或先向右分叉）的兩相流動情況，包括出口速度和質(zhì)量流量。結(jié)果表明，由于分配器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和格柵數(shù)不變，兩者偏差相差不大，格柵出口的分叉順序?qū)ζ钣绊懖淮蟆?/p>

表6 8格柵不同分叉順序的流動情況
Tab.6 Flow with 8 grilles under different bifurcation

分叉順序 8格柵 出口1 出口2 出口3 出口4質(zhì)量流量/（kg·s?1） 12.32 11.74 12.26 12.48左出口速度/（m·s?1） 25.49 24.29 25.37 25.79煤粉體積分數(shù)/% 0.037 00 0.037 03 0.037 11 0.037 24質(zhì)量流量/（kg·s?1） 12.41 11.64 12.33 12.44右出口速度/（m·s?1） 25.67 24.10 25.49 25.69煤粉體積分數(shù)/% 0.037 03 0.036 97 0.037 15 0.037 22

3.6 送粉管道對分配效果的影響

由于連接分配器的下游送粉管道布置不盡相同，所以由于下游管道阻力不均，造成分配器出口背壓不同。令速度和煤粉體積分數(shù)最大出口4的背壓明顯高于其他出口，結(jié)果表明出口參數(shù)原本分配偏大的出口4，其速度等指標值明顯減小，其結(jié)果如表7所示。這說明在實際運行中下游管道的布置會影響分配器的分配效果。

表3 8格柵流動情況
Tab.3 Flow with 8 grilles

8格柵 出口1 出口2 出口3 出口4氣相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1） 8.26 7.96 8.10 8.24氣相出口速度/（m·s?1） 26.22 25.16 25.66 25.99單相全壓降/Pa 614.48 686.29 637.79 623.31兩相出口質(zhì)量流量/（kg s?1） 12.32 11.74 12.26 12.48兩相出口速度/（m·s?1） 25.49 24.29 25.37 25.79煤粉體積分數(shù)/% 0.037 00 0.037 03 0.037 11 0.037 24兩相全壓降/Pa 950.05 1 006.25 962.37 987.37

表4 12格柵流動情況
Tab.4 Flow with 12 grilles

12格柵 出口1 出口2 出口3 出口4氣相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1） 8.23 7.75 8.21 8.36氣相出口速度/（m·s?1） 25.55 24.07 25.53 25.97單相全壓降/Pa 740.48 806.29 748.79 755.31兩相出口質(zhì)量流量/（kg·s?1） 12.32 11.74 12.26 12.48兩相出口速度/（m·s?1） 25.67 24.16 25.36 25.71煤粉體積分數(shù)/% 0.037 02 0.037 00 0.037 11 0.037 23兩相全壓降/Pa 1 178.18 1 267.10 1 206.45 1 190.89

表7 8格柵在不同背壓下的流動情況
Tab.7 Flow with 8 grilles under different backpressure

8格柵 出口1 出口2 出口3 出口4氣相質(zhì)量流量/（kg·s?1） 8.78 8.53 8.77 6.89氣相出口速度/（m·s?1） 26.27 26.03 26.26 21.33兩相質(zhì)量流量/（kg·s?1） 12.79 12.61 12.79 10.59兩相出口速度/（m·s?1） 26.46 26.08 26.47 21.89煤粉體積分數(shù)/% 0.373 2 0.372 7 0.373 3 0.357 9

4 結(jié) 論

（1）本文采用數(shù)值模擬方法對格柵型煤粉分配器風粉分配特性進行研究，結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法較好地表示出煤粉顆粒和空氣流經(jīng)分配器的運動軌跡和流動特性，對于鍋爐送粉系統(tǒng)風粉分配和調(diào)節(jié)機理的研究具有較好的指導意義。

（2）流體在分配器截面變化處速度會突變，比如在第一級格柵后的截面擴大處速度減小，而每一級格柵出口的轉(zhuǎn)角處速度會增大；由于第二級格柵出口處支管外壁的阻擋作用，支管外側(cè)的速度偏高。

（3）顆粒的運動在“主流區(qū)”與空氣較為一致，而在此“主流區(qū)”外的運動則會出現(xiàn)一定的隨機性。

（4）格柵數(shù)從0到8，各支管出口的速度以及體積分數(shù)偏差逐漸減小；8格柵以上的分配器分配效果改善不大，但阻力會增加。

（5）格柵左右分叉的順序?qū)Ψ峙淦鞯牧鲃悠钣绊懖淮螅淞鲃悠钪饕Q于分配器的結(jié)構(gòu)和格柵數(shù)。

（6）煤粉分配器入口處的風粉分布，以及出口處的不同背壓會對分配器的分配效果產(chǎn)生不同程度的影響，在實際調(diào)節(jié)中需要盡可能地將分配器后送粉管道的阻力配平，有利于提高煤粉分配器的初始均勻分配性能。使用數(shù)值模擬方法為送粉系統(tǒng)進行風粉均勻分配計算時，宜將煤粉分配器和下游送粉管道一起計算。