流線型煤粉均衡閥改造分析

鄭國(guó)鋒，馮玉國(guó)

（金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

1 引言

采用直吹式制粉系統(tǒng)的燃煤鍋爐，由于煤粉管道布置受空間的限制，管道的長(zhǎng)度以及彎管的位置布局均不相同，各管道阻力存在較大偏差，即使在一次風(fēng)管上安裝節(jié)流孔板，用于增加管道局部阻力調(diào)平各管道之間的阻力，但是節(jié)流孔板以調(diào)整風(fēng)量分配為主，在帶粉運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，節(jié)流孔板無(wú)法調(diào)節(jié)孔徑大小，管道阻力無(wú)法及時(shí)調(diào)整，對(duì)一次風(fēng)管中空氣和煤粉分配達(dá)不到均衡效果[1]。近年來(lái)，部分燃煤電廠選用可調(diào)式煤粉分配器，用于實(shí)時(shí)調(diào)整一次風(fēng)管煤粉分配，由于可調(diào)式煤粉分配器尺寸較大，受空間限制，且分配偏差較大（最大偏差為10%），該設(shè)備無(wú)法廣泛使用[2][3]。

煤粉分配不均容易造成鍋爐的燃燒效率降低，NOX的生成量增加[4]，同時(shí)引起鍋爐燃燒不穩(wěn)定、爐膛火焰中心偏移、結(jié)焦等不安全隱患，有時(shí)還會(huì)發(fā)生輸煤管道堵塞[5]，嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行與節(jié)能減排效果。可調(diào)式煤粉均衡閥可以解決上述一系列問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作方便，在帶粉運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以及時(shí)調(diào)整閥體角度，有效的調(diào)節(jié)管道阻力，均衡一次風(fēng)管風(fēng)粉分配。由于一次風(fēng)對(duì)閥體的摩擦以及煤粉顆粒對(duì)閥體的碰撞，容易對(duì)閥體造成磨損，影響均衡閥的使用壽命[6]。本文提出了一種閥體采用流線型設(shè)計(jì)的方案，流線型閥體對(duì)風(fēng)粉兩相流有導(dǎo)流作用，可以改善流體的流動(dòng)特性，減小流體局部阻力，降低閥體磨損，對(duì)一次風(fēng)影響較小的情況下，均衡各一次風(fēng)管道中空氣與煤粉的分配。

2 均衡閥改造

2.1 閥體改造原理

一次風(fēng)送粉時(shí)，煤粉流動(dòng)屬于氣固兩相流。流經(jīng)均衡閥的煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜、時(shí)變、無(wú)規(guī)律的過(guò)程，煤粉顆粒主要受流體的曳力（FD）與自身重力（FG）作用，同時(shí)受壁面碰撞以及顆粒之間的碰撞影響，煤粉顆粒所受的力為[7][8]：

其中流體的曳力（FD）方向與煤粉在流體中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，CD為阻力系數(shù)（關(guān)于雷諾數(shù)Re的函數(shù)），vg為空氣流速（m/s），vp為煤粉速度（m/s），ρg為空氣密度（kg/m3），dp為煤粉顆粒直徑（m），煤粉顆粒所受曳力與一次風(fēng)速成二次函數(shù)關(guān)系。

煤粉均衡閥局部阻力可以用管道入口與出口之間的壓力損失表示[9][10]：

其中hf為局部阻力（Pa）；ζ為均衡閥的流阻系數(shù)；ρ為流體密度（kg/m3）；v為流體在管道內(nèi)的平均流速（m/s），改變均衡閥的流阻系數(shù)只會(huì)影響局部阻力，對(duì)一次風(fēng)速幾乎無(wú)影響。

由于煤粉均衡閥安裝于磨煤機(jī)與一次風(fēng)管道連接的出口位置，管道內(nèi)流體流動(dòng)截面以及流動(dòng)方向發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致煤粉在一次風(fēng)中得到均勻分布，在一次風(fēng)的流量均衡分配時(shí)，煤粉也得到均衡分配。因此，在閥體角度與阻擋面積不發(fā)生改變時(shí)，均衡閥閥體采用流線型方案設(shè)計(jì)可以減小流阻系數(shù)，降低局部阻力，在一次風(fēng)粉混合物流經(jīng)閥體時(shí)，不會(huì)造成風(fēng)粉流動(dòng)的急劇變化，風(fēng)粉所受阻力較小，確保煤粉流動(dòng)均衡分配，減小能耗降低閥體磨損。

2.2 均衡閥改造方案

圖1 均衡閥閥體改造前后簡(jiǎn)化模型

圖1為均衡閥改造前后閥體簡(jiǎn)化模型，改造后閥體呈現(xiàn)魚(yú)骨狀，針對(duì)閥體包含的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與葉片進(jìn)行流線型改造，保持閥體改造前后的最大軸向截面積與最小軸向截面積不變。其中葉片截面為橢圓形兩端選用橢球體，轉(zhuǎn)動(dòng)軸為圓柱體，改造后的均衡閥整體呈流線型，對(duì)一次風(fēng)粉有良好的導(dǎo)流作用。轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸可以調(diào)節(jié)閥體在0～90度旋轉(zhuǎn)，設(shè)定閥體平行于管道徑向方向的轉(zhuǎn)角為0度，阻擋一次風(fēng)流通面積比最?。ㄗ钃趺娣e比值為25%），閥體垂直于管道徑向方向的轉(zhuǎn)角為90度，阻擋一次風(fēng)流通面積最大（阻擋面積比值為70%）。轉(zhuǎn)動(dòng)閥體角度可以改變管道內(nèi)的流通面積，達(dá)到均衡各一次風(fēng)管道內(nèi)風(fēng)速的效果。

3 均衡閥仿真分析

仿真模型相關(guān)尺寸為：管徑530mm，長(zhǎng)度2000mm，均衡閥位于管道中部；一次風(fēng)粉由管道底部入口進(jìn)入，管道頂部為壓力出口，風(fēng)速22m/s，密度1.205kg/m3，粘度1.81×10Pa·s；煤粉顆粒為R90。選用comsol對(duì)包含均衡閥的部分管道數(shù)值仿真。

3.1 均衡閥流場(chǎng)仿真

圖2與圖3分別為流線型閥體轉(zhuǎn)角為60度時(shí)，管道垂直軸向截面的平均速度沿軸向變化曲線與閥體流線型改造前后截面速度場(chǎng)分布云對(duì)比圖，其中圖3左側(cè)為均衡閥改造前速度場(chǎng)分布云圖，右側(cè)閥體流線型改造后速度場(chǎng)分布云圖。由于流體流動(dòng)面積減小，導(dǎo)致均衡閥附近管道截面平均流速急劇增大，一次風(fēng)容易對(duì)閥體造成磨損，而遠(yuǎn)離均衡閥管道截面平均后流速逐漸恢復(fù)入口速度，煤粉均衡閥對(duì)一次風(fēng)速的影響較小。煤粉均衡閥經(jīng)過(guò)流線型改造后管道一次風(fēng)速最大值明顯減小，閥體導(dǎo)流效果增強(qiáng)，一次風(fēng)對(duì)閥體的磨損減小。

圖2 改造后閥體截面平均速度沿軸向分布關(guān)系

圖3 閥體流線型改造前后均衡閥截面速度云圖

圖4 煤粉顆粒分布

圖5 閥體改造前后閥體轉(zhuǎn)角與阻力關(guān)系

圖6 流速與阻力關(guān)系

3.2 均衡閥煤粉顆粒分布

圖4為閥體轉(zhuǎn)角為60度時(shí)，管道內(nèi)煤粉顆粒分布圖。其中左側(cè)與右側(cè)入口煤粉顆粒比值為4：1，煤粉以22m/s初速流入管道，一次風(fēng)粉經(jīng)過(guò)閥體壁面碰撞反彈以及流體曳力與自身重力的作用，管道中集中流動(dòng)的煤粉繩狀流被打散，煤粉的速度與分布在管道中趨于均衡，煤粉均衡閥有調(diào)節(jié)煤粉均衡分配的作用。

3.2 均衡閥阻力分析

均衡閥入口與出口差值即為均衡閥阻力，仿真閥體改造前后不同轉(zhuǎn)角時(shí)的阻力，擬合可得圖5所示閥體改造前后閥體轉(zhuǎn)角與阻力關(guān)系。改造后的均衡閥阻力明顯減小，阻力與轉(zhuǎn)角成線性函數(shù)關(guān)系，便于通過(guò)調(diào)節(jié)閥體轉(zhuǎn)角調(diào)整管道阻力，調(diào)平各一次風(fēng)管道壓差，確保管道煤粉分配的均衡。改變?nèi)肟诹魉?，分析管道風(fēng)粉流速與阻力的擬合曲線如圖6所示，均衡閥阻力與流速成二次函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)論

煤粉均衡閥流線型設(shè)計(jì)方案是可行的。通過(guò)分析均衡閥的速度、煤粉分布以及阻力關(guān)系仿真結(jié)果，可以得知：

（1）管道在均衡閥附近有最大一次風(fēng)風(fēng)速，容易對(duì)閥體造成磨損，煤粉均衡閥流線型改造后的導(dǎo)流效果明顯增強(qiáng)，一次風(fēng)最大風(fēng)速減小，閥體磨損降低；

（2）煤粉均衡閥可以調(diào)節(jié)煤粉顆粒的均衡，對(duì)一次風(fēng)的影響較小，轉(zhuǎn)動(dòng)閥體角度，可以配平各一次風(fēng)管道阻力，均衡風(fēng)粉分配；

（3）改造后煤粉均衡閥局部阻力明顯減小，阻力與轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系，阻力與流速成二次函數(shù)關(guān)系。煤粉均衡閥流線型改造后阻力減小能耗低，便于建立控制函數(shù)模型，方便對(duì)一次風(fēng)粉混合物均衡實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)。