HP型中速磨煤機(jī)氣-固2相流動(dòng)數(shù)值模擬研究

常毅君 陶克軒 張光學(xué) 熊加林 蔣金忠 唐鵬飛

（1華能玉環(huán)電廠 浙江玉環(huán) 317604 2中國計(jì)量大學(xué)能源工程研究所 浙江杭州 310018）

0 引言

制粉系統(tǒng)不僅直接影響鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，煤粉細(xì)度及均勻性也是鍋爐高效、低污染燃燒的重要保障［1，2］。由于啟動(dòng)迅速、調(diào)節(jié)靈活、煤質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，HP型中速磨煤機(jī)在我國大型火力發(fā)電廠中得到廣泛應(yīng)用［3］。

為了降低磨煤機(jī)能耗、提高煤粉細(xì)度及均勻性、優(yōu)化變工況情況下的磨煤機(jī)性能，亟需深入和全面地了解磨煤機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流流場。然而，中速磨內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)緊湊，空間狹小，難以布置測點(diǎn)及觀察孔，加上環(huán)境惡劣，通過實(shí)際測試的手段得到磨煤機(jī)流場及顆粒運(yùn)動(dòng)情況的可行性非常低［4，5］。因此，基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)基本上成了掌握磨煤機(jī)內(nèi)部工作過程的唯一方法。

不少學(xué)者開展了磨煤機(jī)流場的數(shù)值模擬工作。田小偉等［6］對(duì)1臺(tái)EM型磨煤機(jī)流場及煤粉顆粒的分離效率進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)分離器對(duì)50～150μm的顆粒具有很好的分級(jí)效率，但是計(jì)算域僅為磨煤機(jī)上部區(qū)域。李小燕等［7］模擬了EM125型磨煤機(jī)的磨腔內(nèi)部流場，發(fā)現(xiàn)風(fēng)環(huán)處壓力損失最大，然而計(jì)算域只是磨煤機(jī)中下部。朱憲然［8］和閆順林［9］等模擬了HP型中速磨煤機(jī)下部一次風(fēng)的流場，發(fā)現(xiàn)風(fēng)環(huán)處容易出現(xiàn)流速分布不均等問題。董素艷等［10］建立了較完整的中速磨煤機(jī)幾何模型，對(duì)內(nèi)部流場和多種典型粒徑的煤粉顆粒進(jìn)行模擬，得到了分離器轉(zhuǎn)速與出口煤粉粒徑的關(guān)系。毛永清等［11］以ZGM113G型中速磨煤機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)增加切斷分離器前后的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，為項(xiàng)目改造提供理論依據(jù)。綜上，由于中速磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程非常復(fù)雜，現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究中絕大多數(shù)只針對(duì)局部區(qū)域的流場進(jìn)行模擬，會(huì)帶來進(jìn)出口邊界條件與實(shí)際工況差異過大的問題。

本文以1臺(tái)HP1163型中速磨煤機(jī)為研究對(duì)象，建立從一次風(fēng)入口到磨煤機(jī)出口的完整幾何模型，采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，并對(duì)煤粉顆粒的運(yùn)行軌跡及分離特性進(jìn)行了計(jì)算，掌握了各工況下磨煤機(jī)阻力，并得到了不同轉(zhuǎn)速下的煤粉顆粒分離效率曲線，為磨煤機(jī)變工況運(yùn)行及技術(shù)改造提供有力的理論支撐。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 模擬對(duì)象介紹

浙江某電廠1000MW煤粉鍋爐采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)。每臺(tái)鍋爐配6臺(tái)HP1163型中速磨煤機(jī)，正常工作時(shí)5臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用。設(shè)計(jì)200目、100目和50目的煤粉篩通過率分別為78%、96.2%和99.9%。

磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。破碎后的原煤由上部中心給煤管落到磨碗上，在離心力和重力的作用下逐步鋪展，形成一層煤床。塊煤在磨輥與磨碗之間受到擠壓破碎，被研磨成粉。熱一次風(fēng)由下部送入，通過安裝在磨碗外側(cè)的風(fēng)環(huán)自下而上進(jìn)入磨煤機(jī)空間。磨碗外側(cè)粒徑較小的煤粉顆粒被氣流攜帶向上運(yùn)動(dòng)，而大顆粒煤粉則由于重力及導(dǎo)向襯板的作用留在磨碗上繼續(xù)研磨，這是一次分離過程［12］。帶粉氣流到達(dá)磨煤機(jī)上部時(shí)，由動(dòng)態(tài)分離器進(jìn)行煤粉的二次分離，粒徑不合格的煤粉在離心力的作用下被甩到磨煤機(jī)內(nèi)壁面附近，然后下落到磨碗上，重新進(jìn)行研磨［13］。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格

幾何模型如圖2所示。由于幾何模型復(fù)雜、各部件尺寸跨度范圍大，采用非結(jié)構(gòu)化的多面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以大幅減少網(wǎng)格數(shù)量。同時(shí)，對(duì)分離器葉片、磨碗與磨輥間隙等流動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。完成后，網(wǎng)格總數(shù)為468萬個(gè)，質(zhì)量均優(yōu)于 0.45μm，并且通過了網(wǎng)格無相關(guān)性驗(yàn)證。

1.3 理論模型及計(jì)算條件

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Ansys Fluent進(jìn)行流場數(shù)值模擬，其中氣相流動(dòng)的計(jì)算采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型（Realizable k-ε Model）； 煤粉顆粒軌跡跟蹤采用離散相模型（Discrete Phase Model），氣固雙向耦合，顆粒源位置是磨輥與磨碗之間的空隙。另外，磨碗、磨輥和動(dòng)態(tài)分離器的葉片均為運(yùn)動(dòng)部件，采用多重參考坐標(biāo)系方法 （Multiple moving reference frame）進(jìn)行模擬。

流體介質(zhì)為空氣，近似為不可壓縮理想氣體。煤粉粒徑采用Rosin-Rammler分布描述，范圍為10～500μm，比熱容為1550J/（kg·K）［14，15］。一次風(fēng)量為 157t/h，風(fēng)溫為 311℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 速度分布

圖3為動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速為80r/min時(shí)的磨煤機(jī)內(nèi)部截面速度分布。結(jié)果表明，一次風(fēng)切向進(jìn)入風(fēng)室，在風(fēng)環(huán)葉片的作用下強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，同時(shí)往上運(yùn)動(dòng)，撞擊導(dǎo)向襯板，完成一次分離；然后繼續(xù)往上，穿過動(dòng)態(tài)分離器，完成二次分離，離開磨煤機(jī)。最高風(fēng)速出現(xiàn)在風(fēng)環(huán)處，可達(dá)70m/s左右。

2.2 壓力分布

圖4為磨煤機(jī)內(nèi)壁面壓力分布情況，計(jì)算結(jié)果表明，磨煤機(jī)的阻力約為3.7kPa，與設(shè)計(jì)值接近。阻力主要產(chǎn)生于風(fēng)環(huán)的導(dǎo)向葉片，因此該葉片角度在設(shè)計(jì)及改造中需要特別重視。另外，動(dòng)態(tài)分離器出口至煤粉管道也有一定阻力，在磨煤機(jī)內(nèi)部研磨空間，由于氣流速度較低，阻力較小。

圖5揭示了磨煤機(jī)阻力的變化規(guī)律。分離器轉(zhuǎn)速越高，磨煤機(jī)通風(fēng)阻力越大，但是變化幅度不大，如90r時(shí)阻力比60r時(shí)增加了約100Pa。這表明通過改變動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速來調(diào)整煤粉細(xì)度時(shí)，磨煤機(jī)通風(fēng)阻力不會(huì)發(fā)生明顯變化，對(duì)制粉系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是有利的。另外，一次風(fēng)流量的變化對(duì)磨煤機(jī)阻力影響非常大。

2.3 煤粉顆粒軌跡及分離效率

不同大小顆粒軌跡如圖6所示。計(jì)算表明，對(duì)于較粗煤粉顆粒（＞200μm），動(dòng)態(tài)分離器幾乎可以完全將其分離下來，回到研磨空間，最終達(dá)到磨碗；對(duì)于較細(xì)的合格煤粉（如＜50μm），則可以一次性通過動(dòng)態(tài)分離器，離開磨煤機(jī)。

為了進(jìn)一步得到定量數(shù)據(jù)，對(duì)10～500μm的煤粉顆粒軌跡進(jìn)行跟蹤分析，得到磨煤機(jī)的煤粉顆粒分離效率曲線，并在圖中以離散點(diǎn)的方式給出設(shè)計(jì)值。由圖7可見，計(jì)算得到的分離效率曲線與設(shè)計(jì)值非常接近，這表明數(shù)值模擬幾何及理論模型基本正確、結(jié)果可靠。根據(jù)計(jì)算，動(dòng)態(tài)分離器的轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率有較大影響，轉(zhuǎn)速越高，對(duì)細(xì)顆粒煤粉的分離效率越高，煤粉越細(xì)。轉(zhuǎn)速為70rpm時(shí)，50%分離效率對(duì)應(yīng)的粒徑為85μm；而轉(zhuǎn)速為90rpm時(shí)，該粒徑減小為60μm。

3 結(jié)論

本文對(duì)1臺(tái)典型的HP1163型中速磨煤機(jī)建立了完整的幾何模型，模擬了內(nèi)部流場及煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)情況。結(jié)果表明，磨煤機(jī)內(nèi)最高風(fēng)速和最大阻力均出現(xiàn)在風(fēng)環(huán)葉片區(qū)域，因此該葉片角度通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以較大幅度地影響通風(fēng)阻力；磨煤機(jī)的通風(fēng)阻力與動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速的相關(guān)性不大，而與一次風(fēng)量的相關(guān)性更大；煤粉的分離效率主要受動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速影響，轉(zhuǎn)速越高，磨煤機(jī)出口的煤粉粒徑越小。以上流場模擬結(jié)論為HP型中速磨煤機(jī)的性能參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化技改提供了可信的依據(jù)。