基于物料測(cè)試和DEM- CFD仿真的輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型方法

摘要：針對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型方法以物料測(cè)試為基礎(chǔ)，通過離散元方法（DEM）仿真模擬以及離散元方法（DEM）——計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦合仿真模擬，在設(shè)備被加工制造之前對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性能分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，以幫助設(shè)計(jì)師尋找設(shè)備的潛在問題，最終確定最佳設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng);溜槽;DEM- CFD仿真;EDEM軟件;Fluent軟件

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）8-0213-05

1 引言

輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中存在的問題基本上是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷造成的。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)備如頭部漏斗、溜槽和導(dǎo)料槽等是根據(jù)《DTⅡ型固定式帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》進(jìn)行選型，除塵器的設(shè)備選型根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確認(rèn)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不考慮輸送介質(zhì)特性、物料拋出軌跡，在皮帶機(jī)卸載點(diǎn)扔出不可控制的物料流并任由其以散開狀落下，空氣穿過物料流時(shí)會(huì)分散并夾帶細(xì)小的粉塵顆粒，形成大量粉塵飛揚(yáng)。溜槽的設(shè)計(jì)基本都是轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)和垂直落料，容易造成物料在溜槽內(nèi)速度過快沖擊力大，使溜槽磨損嚴(yán)重且容易積料甚至堵料。在落料點(diǎn)物料對(duì)受料皮帶沖擊大，容易造成物料落料不正最終導(dǎo)致皮帶跑偏，導(dǎo)料槽粉塵外溢嚴(yán)重，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)環(huán)境粉塵濃度超標(biāo)，嚴(yán)重影響操作人員的身心健康。在輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中80%以上的停機(jī)是由于轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)維護(hù)造成的，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

2 設(shè)計(jì)定型方法

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種針對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型從輸送介質(zhì)開始考慮，并了解物料流和管理物料流，通過科學(xué)管理物料流進(jìn)而影響控制空氣流，基于物料測(cè)試和DEM - CFD仿真對(duì)物料流和空氣流進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行定型的方法。

2.1 設(shè)計(jì)定型方法的步驟

設(shè)計(jì)定型方法包括以下步驟（圖1）。

（1）對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的物料進(jìn)行采集，這里的采集包括物料本性特征測(cè)試、襯板測(cè)試、離散元仿真的材料參數(shù)校驗(yàn)。

（2）采用CAD軟件SolidWorks建立轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)上下轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型——轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)曲線溜槽三維結(jié)構(gòu)模型。

（3）將采集好的物料和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)曲線溜槽三維結(jié)構(gòu)模型輸入EDEM軟件中，根據(jù)物料及襯板測(cè)試校驗(yàn)參數(shù)，建立物料顆粒工廠、物料間參數(shù)關(guān)系、物料與設(shè)備之間的參數(shù)關(guān)系，進(jìn)行基于DEM的離散元方法仿真模擬。

（4）根據(jù)步驟（3）中得到的仿真結(jié)果同時(shí)結(jié)合溜槽設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)曲線溜槽三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的分析判斷.得到轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)曲線溜槽三維結(jié)構(gòu)模型是否符合要求，如果滿足要求則進(jìn)入步驟（5），若轉(zhuǎn)運(yùn)性能差不滿足要求則返回步驟（2）進(jìn)行模型參數(shù)的修改并重新建模。

（5）在轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)上下轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型基礎(chǔ)上采用CAD軟件SolidWorkS建立受料皮帶導(dǎo)料槽和除塵罩幾何模型——轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)塵降和除塵結(jié)構(gòu)三維模型。

（6）采用ANSYS ICEM CFD六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生產(chǎn)軟件對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;

（7）對(duì)離散元軟件EDEM和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent參數(shù)及耦合接口設(shè)置并導(dǎo)入網(wǎng)格模型，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)三維模型進(jìn)行基于離散元方法（DEM）—計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦合仿真模擬。

（8）根據(jù)步驟（7）中得到的仿真結(jié)果結(jié)合控塵設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)塵降和除塵結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行流動(dòng)性分析判斷得到轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)塵降和除塵結(jié)構(gòu)三維模型是否滿足要求，如果轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)塵降和除塵結(jié)構(gòu)三維模型滿足要求，則轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型，如果該三維模型尤法滿足要求，控塵效果差，則返回步驟（5），進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改并重新建立轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)塵降和除塵結(jié)構(gòu)三維模型。

步驟（1）中的物料本性特征測(cè)試具體為根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試物料的含水率、堆積密度、真實(shí)密度、安息角、顆粒形狀特征、粒度和顆粒組成。襯板測(cè)試具體為襯板磨損實(shí)驗(yàn)（圖2）和襯板沖擊磨損實(shí)驗(yàn)（圖3），所述襯板磨損實(shí)驗(yàn)是為了評(píng)估不同的內(nèi)襯材料的磨損性能，物料與襯板在水平圓磨損試驗(yàn)機(jī)上可進(jìn)行時(shí)間測(cè)試;為了確定確切的磨損性能，對(duì)每個(gè)磨損襯板樣品的重量損失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可以轉(zhuǎn)化為估計(jì)的預(yù)期壽命。所述襯板沖擊磨損實(shí)驗(yàn)是為了評(píng)估不同的內(nèi)襯材料的抗沖擊磨損性能，物料與襯板在垂直圓磨損試驗(yàn)機(jī)上可進(jìn)行時(shí)間測(cè)試;為了確定確切的磨損性能，每個(gè)磨損襯板樣品的重量損失進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可以轉(zhuǎn)化為估計(jì)的預(yù)期壽命。將襯板磨損實(shí)驗(yàn)和襯板沖擊磨損實(shí)驗(yàn)的結(jié)果結(jié)合EDEM軟件仿真的磨損分析選擇合理的滿足實(shí)際工況的襯板材料。

步驟（1）的離散元仿真的材料參數(shù)校驗(yàn)具體為：包括離散元仿真的材料參數(shù)獲取和參數(shù)校驗(yàn)。所述離散元仿真的材料參數(shù)包括碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)和JKR模型的能量密度，這些參數(shù)主要是在物料與物料之間、物料與設(shè)備之間，通過設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與仿真虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，如：自由下落實(shí)驗(yàn)、滑板實(shí)驗(yàn)、坍塌實(shí)驗(yàn)（圖4）。所述離散元仿真的材料參數(shù)校驗(yàn)保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，確保仿真能夠代表真實(shí)世界的物料流動(dòng)行為。在仿真和真實(shí)世界之間建立聯(lián)系的關(guān)鍵就是離散元仿真的材料參數(shù)校驗(yàn)。

2.2 離散元方法仿真模擬

2.2.1 幾何模型建立

采用CAD軟件SolidWorks建立轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)上下轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型。

2.2.2 設(shè)置材料和定義顆粒

設(shè)置設(shè)備及物料顆粒的材料本征參數(shù)，接觸模型選擇Hertz - Mindlin模型，根據(jù)離散元仿真的材料參數(shù)校驗(yàn)設(shè)置物料之間以及物料與設(shè)備之間的基本接觸參數(shù)和接觸模型參數(shù);定義顆粒的形狀特征及粒度分布。

2.2.3 定義幾何模型運(yùn)動(dòng)特征

導(dǎo)入幾何模型，定義皮帶、滾筒和曲線溜槽的材料及運(yùn)動(dòng)特征。

2.2.4 設(shè)置顆粒工廠

根據(jù)皮帶輸送量、帶速在卸料皮帶頭部設(shè)置顆粒工廠。

2.2.5 對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行離散元仿真求解

設(shè)置仿真時(shí)問及保存時(shí)間問隔，對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)方案幾何模型進(jìn)行離散元仿真求解。

2.2.6 EDEM后處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合EDEM軟件仿真進(jìn)行后處理即結(jié)構(gòu)性能和轉(zhuǎn)運(yùn)性能的分析。2.3離散元方法（DEM） -計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦

合仿真模擬2.3.1 幾何模型建立

在轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)上下轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶、卸料滾筒和曲線溜槽幾何模型基礎(chǔ)卜采用CAD軟件SolidWorks建寺受料皮帶導(dǎo)料槽和除塵罩幾何模型。

2.3.2 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS ICEM CFD六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生產(chǎn)軟件對(duì)輸煤系統(tǒng)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.3.3

EDEM中設(shè)置仿真參數(shù)

參照離散元方法（ DEM）仿真模擬具體步驟;最后打開耦合接口。

2.3.4

Fluent中設(shè)置仿真參數(shù)及邊界條件

湍流模型選用Realizable k- epsilon/Standard wallfunctions;卸料皮帶頭部護(hù)罩設(shè)置為速度入口，導(dǎo)料槽出口和除塵罩設(shè)置為壓力出口;受料皮帶單獨(dú)設(shè)置為WALL邊界條件，并在求解時(shí)設(shè)置其運(yùn)動(dòng)速度。

2.3.5 設(shè)置耦合參數(shù)

耦合模型采用Eulerian - Eulerian，曳力模型采用Ergun and VVen&，Yu.定義材料物性為空氣，設(shè)置松弛因子。

2.3.6 設(shè)置時(shí)間

Fluent的時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)該為EDEM的時(shí)間步長(zhǎng)的整數(shù)倍。

2.3.7 求解

對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行離散元方法（ DEM） -計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦合仿真模擬求解。

2.3.8

Fluent后處理

過程中EDEM軟件負(fù)責(zé)顆粒的運(yùn)行軌跡計(jì)算，F(xiàn)LUENT軟件負(fù)責(zé)計(jì)算流體流場(chǎng)，兩者在耦合模型中進(jìn)行質(zhì)量、動(dòng)量和能量等信息的雙向傳遞，從而實(shí)現(xiàn)耦合。

2.4 溜槽設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.4.1 管理物料流

關(guān)鍵步驟是通過溜槽管理物料流。盡量減小物料流對(duì)曲線溜槽壁沖擊的角度和力量，減少?zèng)_擊產(chǎn)生的粉塵，同時(shí)盡可能保持動(dòng)量。理論上，沖擊角度不能超過15°～20°（圖 5） 。

2.4.2 控制物料速度

如果物料的速度太高意味著更高的磨損;如果物料的速度太低，粘性物料可能積料并堵塞。因此，針對(duì)所處理的物料合理控制物料速度是關(guān)鍵。理論上·速度控制在5m/s～lOm/s，根據(jù)實(shí)際物料特性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整（圖6）。

2.4.3 確保足夠的橫截面面積

根據(jù)輸送帶的設(shè)計(jì)能力和物料在溜槽內(nèi)的速度，過流系數(shù)即曲線溜槽的截面積S至少是物料流截面積s1的2.5～4倍（圖7）。

物料流截面積：

Q為皮帶機(jī)輸送運(yùn)量t/h;

p為被輸送散裝物料的堆積密度kg/m3;v為溜槽橫截面處的平均物料速度m/s。過流系數(shù)為：x=S/S1=2.5～4

2.4.4 物料獲得與下游皮帶運(yùn)行方向基本相同的分速度并集中加栽到下游皮帶

物料在重力的作用下集中于槽型溜槽底板，物料加載到下游皮帶前后具有相同或相似截面形狀，物料與受料皮帶重心重合并集中加載避免落料不居中造成受料皮帶跑偏;物料同時(shí)獲得與下游皮帶運(yùn)行方向相同的分速度，減少物料與受料皮帶之間的帶速差，降低對(duì)受料皮帶的沖擊，提高皮帶運(yùn)行效率，成為節(jié)能轉(zhuǎn)運(yùn)的設(shè)計(jì)因素，并最大程度減少了物料與皮帶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，減輕皮帶的磨損，提高了皮帶的使用壽命。

物料在卸料口處的水平分速度：Vex=Ve×cosθ°）

其中：Ve為物料卸料速度（m/s）;θ°為物料沖擊皮帶的速度方向與水平方向的夾角（°）。

物料在卸料幾處的水平分速度基本滿足在受料皮帶速度Vb（1±10%）的范圍（如圖8）。

2.5 控塵設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.5.1 管理物料流最大程度地減少物料流所攜帶的混入空氣

轉(zhuǎn)運(yùn)曲線溜槽將物料以緊密而連貫的物料流形式采用非常小的沖擊角度在槽型溜槽內(nèi)滑動(dòng)，物料流隔斷了沖擊點(diǎn)上方的氣流，通過控制物料的流動(dòng)有效的控制了誘導(dǎo)風(fēng)，使溜槽內(nèi)形成較穩(wěn)定且較小的氣壓，源頭上最大程度地減少物料流所攜帶的混入空氣（圖6）。

2.5.2 消減導(dǎo)料槽落料點(diǎn)處產(chǎn)生的正壓控制粉塵外溢

通過落料點(diǎn)前方設(shè)置除塵器，消減導(dǎo)料槽落料點(diǎn)處產(chǎn)生的正壓，保證大粒徑粉塵在導(dǎo)料槽內(nèi)沉降、小粒徑粉塵顆粒被吸入到除塵器，粉塵顆粒在導(dǎo)料槽出口處無擴(kuò)散;除塵器的負(fù)壓不可太大，以能夠消除導(dǎo)料槽落料點(diǎn)處產(chǎn)生的正壓為原則，為除塵器風(fēng)量選擇提供依據(jù)（圖9）。

2.5.3合理設(shè)計(jì)沉降區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化舍塵空氣的穩(wěn)定以及浮塵的沉積

合理設(shè)計(jì)導(dǎo)料槽長(zhǎng)度和高度以及內(nèi)部迷宮式擋簾，來穩(wěn)定氣流并降低氣流速度，控制導(dǎo)料槽出口風(fēng)速在1m/s以內(nèi);并使氣流在導(dǎo)料槽內(nèi)形成旋渦，具有更多的時(shí)間在導(dǎo)料槽腔體內(nèi)停留，從而使浮塵脫離空氣沉積下來，大部分粉塵將返回至主要物料層上（圖10）。

2.5.4 控制導(dǎo)料槽出口粉塵濃度

最終把導(dǎo)料槽出口處煤塵中游離二氧化硅含量控制在10%以下，工作地點(diǎn)空氣中總含塵濃度為：時(shí)間加權(quán)平均容許濃度不大于4 mg/m3，短時(shí)間接觸容許濃度不大于6 mg/m3，以達(dá)到國(guó)家環(huán)保要求。

3 應(yīng)用案例

本工程由中電投河南電力有限公司投資建設(shè)，中電投河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司建設(shè)。工程本期建設(shè)2×1000 MW超超臨界燃煤機(jī)組。燃煤采用河南、山西、和陜西的原煤;燃煤運(yùn)輸采用鐵路和公路聯(lián)合運(yùn)輸?shù)牧κ健?/p>

4號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站具體工況如下：①帶寬：B=1600 mm，帶速：3.15m/s，最大出力：2800t/h;②帶寬：B=14 00mm，帶速：2.5m/s，最大出力：1500 t/h;③落料點(diǎn)：6個(gè)，落料高度：15 m。

溜槽外殼采用8 mm厚Q235B鋼板制作，溜槽沖擊面內(nèi)襯采用高鉻雙金屬耐磨復(fù)合鋼板總厚度不低于24 mm（12 mm+12 mm），基體為12 mm厚Q235B鋼板，堆焊厚度不小于12 mm;表面硬度為HRC58 - 60，含碳量（C）不低于4%～5%，含鉻（Cr）量不低于30%;溜槽磨損面內(nèi)襯采用不小于25 mm厚純陶瓷，AL20。含量：92%以上;莫氏硬度：8以上;比重：3.5 g/cm3以上。溜槽采用六邊形結(jié)構(gòu)，溜槽中段規(guī)格尺寸1100 mm×1100 mm，通過使用離散元方法仿真模擬以及溜槽設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的分析判斷得知該轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)符合要求，經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)亦符合實(shí)際的要求。導(dǎo)判槽最小截面積1.3 m2.導(dǎo)料槽長(zhǎng)度14 m。微型布袋除塵器：過濾面積30 m2，處理風(fēng)量4000 m3/h。通過離散元方法（ DEM）—計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）耦合仿真模擬并結(jié)合控塵設(shè)計(jì)準(zhǔn)則分析判斷得知該轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)符合要求，在導(dǎo)料槽出口處煤塵中游離二氧化硅含量控制在10%以下，工作地點(diǎn)空氣中總含塵濃度為：時(shí)間加權(quán)平均容許濃度不大于4 mg/m3，短時(shí)間接觸容許濃度不大于6mg/m3，達(dá)到國(guó)家環(huán)保要求，經(jīng)實(shí)踐證實(shí)了本結(jié)論。4號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖和現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖11。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)定型方法在設(shè)備被加工制造之前對(duì)輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析，對(duì)沒計(jì)方案的性能進(jìn)行驗(yàn)證，幫助設(shè)計(jì)師尋找設(shè)備的潛在問題，最終確定最佳設(shè)計(jì)方案;從而解決輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中工作環(huán)境粉塵濃度超標(biāo)，降低系統(tǒng)的故障率和維護(hù)量，提高設(shè)備的使用壽命和安全性能。

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