新型彎扭葉片旋轉(zhuǎn)煤粉分離器分離性能的冷態(tài)數(shù)值研究

閆順林， 魏杰儒， 董 標， 楊玉環(huán)

（華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)的重要設(shè)備之一，其運行特性將直接影響制粉系統(tǒng)、鍋爐燃燒效率以及整個機組的安全、經(jīng)濟和穩(wěn)定運行.為了提高旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)煤粉分離器（簡稱“新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器”），并應(yīng)用CFD軟件對傳統(tǒng)直葉式旋轉(zhuǎn)煤粉分離器和新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器進行了數(shù)值研究，結(jié)果表明新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器性能較直葉式旋轉(zhuǎn)煤粉分離器各項性能指標有了顯著提升［1］.筆者采用數(shù)值模擬的方法來尋找并驗證新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器彎扭葉片的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的制造及改造提供理論依據(jù).

1 新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器彎扭葉片設(shè)計原理

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

圖1 動葉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rotor blade

圖2 靜葉及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子動葉進行彎扭設(shè)計的原理為：結(jié)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(zhuǎn)角度.在繼續(xù)扭轉(zhuǎn)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(nèi)側(cè)角B′和外側(cè)邊的下部底角D′向轉(zhuǎn)子動葉中心扭轉(zhuǎn)的角度即圖2中的α是轉(zhuǎn)子動葉的水平安裝角.

對比傳統(tǒng)直葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器彎扭葉片處會產(chǎn)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(tǒng)直葉片相比，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器彎扭葉片的壓力沿流向發(fā)生改變，在相同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(chǎn)生回流，提高了旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的分離效率.對轉(zhuǎn)子葉片進行考慮實際厚度的變截面彎扭設(shè)計具有2個作用：一方面進氣側(cè)入口段與出氣側(cè)出口段的變截面設(shè)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(zhuǎn)子動葉彎扭設(shè)計產(chǎn)生的鼓風作用能提高旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的分離效率.

2 新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的數(shù)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(zhuǎn)煤粉分離器與傳統(tǒng)直葉旋轉(zhuǎn)煤粉分離器物理模型的區(qū)別為新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器物理模型內(nèi)轉(zhuǎn)子動葉的結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)直葉變?yōu)榭紤]實際厚度的新型變截面彎扭葉片.在Gambit內(nèi)的邊界設(shè)定過程中，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器彎扭葉片設(shè)置為具有實際厚度的固體（solid）.新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器物理模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示，整個計算區(qū)域被分為90萬個左右非均勻的四面體網(wǎng)格單元.

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 氣相控制方程

在新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)，煤粉顆粒的計算采用離散相模型（DPM），假設(shè)旋轉(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)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(qū)處理更為精確的RNGk－ε模型，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法進行處理［2-4］.文中的數(shù)值模擬計算只進行中速磨煤機內(nèi)新型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)煤粉分離器的氣相控制方程組如下：

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

連續(xù)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(shù)；p為壓強；αk和αε為常數(shù)，均取1.39；μeff為綜合黏性系數(shù)；Gk為速度梯度產(chǎn)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(shù)，按照經(jīng)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(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)生的曳力、煤粉顆粒自身的重力以及煤粉顆粒在新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)時所受到的離心力）均極小，可以忽略.

3 新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的空氣流場分析

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)部流場分布的均勻性直接影響其分離性能［5］.以轉(zhuǎn)速70r／min、磨煤機入口風速33m／s為初始條件，研究新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器內(nèi)流場的分布規(guī)律.新型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)煤粉分離器的速度和壓力分布更加均勻，其導(dǎo)向靜葉兩端氣流的回流較少，在進入分離器的分離區(qū)域時氣流更為均勻，因此氣流對導(dǎo)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(dǎo)向靜葉片的使用壽命.新型旋轉(zhuǎn)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(jīng)新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的導(dǎo)向靜葉時壓降變化較小，氣流受到導(dǎo)向靜葉的阻擋作用較小，導(dǎo)向靜葉的主要作用是獲得具有一定速度、穩(wěn)定均勻的切向來流.氣流通過轉(zhuǎn)子動葉時的壓降降低，說明新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的內(nèi)部阻力損失較小，在一定程度上可以減小新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的整個通風阻力.

圖5 新型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)煤粉分離器的特性分析

評價煤粉分離器性能的指標參數(shù)主要有分離器出口煤粉細度、綜合分離效率和分離器內(nèi)部通風阻力［6-8］，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的彎扭葉片，對新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的性能指標參數(shù)進行分析.

4.1 出口煤粉細度

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的出口煤粉細度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化特性是分離器的重要特性之一.當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為70r／min、系統(tǒng)通風量為60000m3／h、煤粉濃度為0.5kg／kg，且新型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子彎扭動葉的彎度為15°和安裝角度為10°且設(shè)定這2個數(shù)值固定不變時，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的出口煤粉細度R90隨彎扭動葉扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角度的增大，新型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度為25°時，新型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)了旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)煤粉分離器出口煤粉中小于R90的煤粉質(zhì)量與入口煤粉中小于R90的煤粉質(zhì)量的百分比，表示旋轉(zhuǎn)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(zhì)量與入口煤粉中大于R90的煤粉質(zhì)量的百分比，表示旋轉(zhuǎn)煤粉分離器對粗粉的分離情況.當轉(zhuǎn)子彎扭動葉的彎度為15°和安裝角度為10°且設(shè)定這2個數(shù)值固定不變時，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的綜合分離效率η隨彎扭動葉扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角度的增大，新型旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子彎扭動葉的彎度為15°和安裝角度為10°且設(shè)定這2個數(shù)值固定不變時，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器氣固兩相流場的內(nèi)部通風阻力隨彎扭動葉扭轉(zhuǎn)角度的變化如圖8所示.

圖8 內(nèi)部通風阻力隨彎扭動葉扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度的增大，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的內(nèi)部通風阻力先減小后增大.當彎扭動葉扭轉(zhuǎn)角度為30°時，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的內(nèi)部通風阻力達到最小值1137Pa.

綜上所述，當新型旋轉(zhuǎn)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(yīng)扭轉(zhuǎn)角度的葉片結(jié)構(gòu)下新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器的內(nèi)部通風阻力為1174Pa，與內(nèi)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為70r／min時，新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子動葉的最佳扭轉(zhuǎn)角度為25°.

5 結(jié) 論

（1）新型旋轉(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子動葉最佳結(jié)構(gòu)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(qū)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(shè)計增大了與煤粉粒子的碰撞幾率并產(chǎn)生鼓風作用，提高了分離效率；動葉的變截面設(shè)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(zhuǎn)煤粉分離器轉(zhuǎn)子動葉的最佳扭轉(zhuǎn)角度為25°，最佳扭轉(zhuǎn)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(huán)倍率，從而降低了分離電耗和磨煤電耗.

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

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