基于多相流仿真技術的火電廠輸煤篩碎轉運點優化設計

夏興丁 孫語濃 張譯丹

1浙江浙能溫州發電有限公司 溫州 325602 2哈爾濱恒宇電力工程有限公司 哈爾濱 150090

0 引言

煤料輸送是燃煤電廠正常運作的必備環節。目前所有輸煤系統轉運燃煤時，燃煤從溜管中下落，壓縮溜管中氣流，產生誘導風，帶來大量粉塵，不僅污染了環境，還造成煤的流失和損耗。目前公司在役的篩碎轉運點，落煤管為傳統900×900方形直通式，其溜管形狀與物料的落料軌跡不匹配，落煤管易堵煤，落煤管和鎖氣器磨損、穿透現場頻繁，維護工作量較大。不規則的落料軌跡與落煤管沖擊，產生大量粉塵顆粒與誘導風，DTⅡ傳統的導料槽密封性差，大量高壓、高速氣流從導料槽的前擋簾處噴出，造成大量粉塵逃逸，碎煤機室內粉塵污染嚴重，影響作業人員的身心健康。

為此，本文針對目前在用的輸煤系統中的篩分-破碎系統下轉運點改造，運用多相流技術分析系統內部氣相流場特性、渦旋結構參數、噴淋液滴及固體顆粒運動情況等，對系統集塵區內多相流動過程進行分析，并基于數值模擬結果對現有篩分-破碎系統下轉運點進行優化設計。

1 篩碎轉運點的優化設計

如圖1所示，針對目前存在的問題，結合多年電廠輸煤系統運行、管理經驗，主要的技術優化措施為：

圖1 優化前后的篩碎轉運點布置圖

1）將直線形方形溜管將直線式溜管改成曲線形槽型溜管。

2）將導料槽改完擴容封閉性導料槽，導料槽的橫斷面積為標準DTⅡ橫斷面積的1.6倍。

3）在封閉導料槽上增加數道阻尼板，減少氣流從導料槽前端擋塵簾處溢出。

4）在封閉導料槽上部增加泄壓倉，氣流從泄壓倉頂部經過濾后泄出，減少導料槽的壓力。

5）改變干霧抑塵的噴淋布置，利用細微液滴凝塵、降塵。

6）增加回風管，連接碎煤機上部溜管和封閉導料槽，平衡上方溜管和導料槽內部氣壓，減少碎煤機鼓風效應。

2 多相流分析

為了分析優化設計效果，采用多相流技術對溜管、導料槽內部氣相流場特性、多相流動過程進行仿真分析，并對改造前后的結構進行對比，從理論上對優化的效果進行驗證。

2.1 多相流分析理論簡介

篩碎轉運點整體涉及空氣、噴淋液滴及固體顆粒物，屬于典型的氣-液-固三相流動。目前，研究連續介質類多相流的理論模型主要有歐拉-拉格朗日模型和歐拉-歐拉模型2大類，二者都是將流體作為連續介質處理，不同之處在于前者是將顆粒群作為離散體系處理，研究顆粒動力學、顆粒軌道等信息，而后者將顆粒群當作擬連續流體介質處理[1]。

在本模型中，將氣相流體視作連續相，把噴淋液滴及固體顆粒相作離散相處理，通過分析單個離散相顆粒的受力情況，運用經典牛頓力學知識，以得到液滴和顆粒物在氣相流場中的運動軌跡及其他運動參數。其中噴淋液滴相的運動特性采用離散相模型（DPM）進行描述，且僅考慮曳力與自身重力的作用，其運動方程為[2]

式中：up為離散相運動速度，u為連續相流體運動速度，fD(u-up)為單位質量的漪力，ρP為離散相密度，ρ為流體密度。

為獲得顆粒-顆粒間、顆粒-流體間及顆粒-壁面間的碰撞等信息，采用CFD-DEM耦合的方法，對顆粒運動情況進行數學描述。該耦合方法優勢在于利用離散元方法（DEM）根據牛頓第二定律求解各離散顆粒的受力、位置及速度變化以獲得顆粒相的運動情況；而通過計算流體力學（CFD）方法求解Navier-Stokes方程來獲得連續相的流場分布規律。其顆粒相的運動方程為[3]

式中：mi、Ii、vi、ωi分別為顆粒的質量、慣性矩、平動速度和轉運速度，fp為顆粒與流體相互作用力，和分別為顆粒i、顆粒j之間的接觸力和阻尼力，和分別為顆粒i、顆粒j之間的軋制力矩和滾動摩擦力矩。

2.2 篩碎轉運點多相流仿真

本文利用流體動力學（CFD）的數值模擬技術進行仿真分析，建立篩碎轉運點三維模型，導入Fluent軟件中，在整體網絡化處理后，細化入噴淋口、阻尼隔柵、泄壓倉出口等處網格，篩碎轉運點優化設計后的有限元模型最終網格化如圖2所示。

圖2 優化設計后的Fluent模型

仿真邊界條件設置：1）包括篩下溜管、碎下溜管入口、噴淋口、和前端擋塵簾出口空氣壓力均為標準大氣壓；2）在空氣阻尼板處設置阻尼氣壓，模擬阻尼板作用；3）篩下溜管處的顆粒流量為108 kg/s，碎下處的顆粒質量流量為190 kg/s，噴淋噴水口水的質量流量為0.56 kg/s。

對該模型進行的多相流仿真結果如圖3所示，其中，圖3a為原有篩碎轉運點落料4.72 s時空氣速度云圖，圖3b為優化設計后篩碎轉運點4.72 s時空氣速度云圖。改變泄壓倉內過濾網和阻尼板上的阻力，從仿真結果上可以明顯看到氣流從緩存倉口上方溢出，見圖3c、圖3d，其為優化設計后篩碎轉運點4 s、7.2 s空氣速度矢量圖。由圖可知：1）料流通過曲線槽型溜管束流、導向后，對溜管內氣流的壓縮、誘導效應明顯減弱；2）從氣流跡線圖上可以清晰看出，在分級阻尼板的作用下，氣流通過泄壓倉溢出，降低了全封閉導料槽內的氣壓，減少了氣流從導料槽的擋塵簾處溢出；3）4 s時氣流速度、氣壓明顯高于7.2 s，顯示第一波料流對溜管內氣流壓縮效應最大，隨著上游料流均勻，氣流趨穩后氣流速度反而有所降低。

圖3 篩碎轉運點空氣速度對比

3 結論

本文針對目前在役的輸煤系統中的篩分-破碎系統下轉運點粉塵污染嚴重的問題，建立篩碎轉運點的有限元模型并進行了多相流仿真，了解篩碎轉運點內氣、液、固相的流動特性，特別是根據轉運段內的氣相流形、速度分布等流動特性對現有篩碎轉運點進行優化設計。

通過改用曲線型槽型溜管、采用擴容封閉性導料槽、在導料槽內增設阻尼板、導料槽上部增設泄壓倉、利用細微液滴凝塵、降塵等一系列改進措施，有效降低了物料對溜管內氣流的誘導效應，同時，泄壓倉降低了全封閉導料槽內部氣壓、氣流速度，多級阻尼板減少了氣流從導料槽的擋塵簾處溢出，達到了降塵抑塵的效果。優化后的篩碎轉運點降塵抑塵的效果還有待在工程實踐中進一步驗證和完善。