磨煤機(jī)入口一次風(fēng)混流及均流裝置的設(shè)計

王周君，唐立軍，陸永，李清榮，劉又維

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217）

0 前言

大型火電廠燃煤鍋爐普遍采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，磨煤機(jī)入口風(fēng)量的準(zhǔn)確性直接影響到鍋爐制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。由于電廠規(guī)模的擴(kuò)大和場地空間的限制，制粉系統(tǒng)的布置越來越緊湊，一次風(fēng)道越來越短，導(dǎo)致磨煤機(jī)入口冷、熱一次風(fēng)摻混不均，加上管道內(nèi)各種阻流件的擾動作用，使得風(fēng)量測量裝置處的流場紊亂，出現(xiàn)渦流或二次流，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)量測量裝置處的速度和溫度分布極不均勻，從而造成絕大多數(shù)火電廠磨煤機(jī)入口風(fēng)量測量不準(zhǔn)且動態(tài)特性差，有時甚至出現(xiàn)風(fēng)量測量裝置測得的風(fēng)量和風(fēng)門開度變化相反的現(xiàn)象[1-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對火電廠磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量問題進(jìn)行研究時，大多集中在測量元件的改進(jìn)和優(yōu)化，如采用等截面多點式自清灰風(fēng)量測量裝置[5-6]、防堵陣列式風(fēng)量測量裝置[7]以及FDB/SS型風(fēng)量測量裝置[8]等。在磨煤機(jī)入口冷熱一次風(fēng)道布置空間極為緊湊的情況下，風(fēng)量測量裝置處的流場和溫度場均勻性較難保證，準(zhǔn)確測量磨煤機(jī)入口風(fēng)量難度極大。因此，要實現(xiàn)磨煤機(jī)入口風(fēng)量的精確測量，一次風(fēng)道內(nèi)流場和溫度場均勻性的改善顯得尤為重要。

本文以國內(nèi)某600 MW機(jī)組鍋爐中速磨煤機(jī)入口前冷、熱風(fēng)母管后的一次風(fēng)道為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬的方法對磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道內(nèi)的流場和溫度場進(jìn)行研究，并設(shè)計了一套適用于緊湊型磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道的冷熱風(fēng)混流及均流裝置。采用上述設(shè)計方案，使冷、熱一次風(fēng)混合均勻，流場和溫度場均勻性得到大幅度提高，從而使磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性得到大幅度提高。

1 數(shù)學(xué)模型及計算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

圖1為國內(nèi)某600 MW 機(jī)組鍋爐中速磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道的物理模型示意圖。根據(jù)設(shè)計，磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量裝置安裝位置處的管道截面尺寸為1200×1400 mm，冷一次風(fēng)道管徑為600 mm，垂直接入熱一次風(fēng)道，接入位置距離上彎頭進(jìn)口4000 mm。冷熱風(fēng)混合風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量測量裝置前后直管段長度只有2500 mm，達(dá)不到混合管段內(nèi)流體成為充分發(fā)展管流所需要的直管段長度[9]。同時，還可以看出，管道內(nèi)存在各種阻流件，如冷、熱一次風(fēng)調(diào)節(jié)門、彎頭、漸縮管等，加上冷熱風(fēng)交匯處到風(fēng)量測量裝置間的距離較短，導(dǎo)致冷熱風(fēng)不能完全均勻混合，使得風(fēng)量測量裝置處的流場均勻性和溫度場均勻性難以保證。另外，熱風(fēng)調(diào)節(jié)門為百葉窗式，冷風(fēng)調(diào)節(jié)門為蝶閥，由于在不同工況下冷、熱風(fēng)調(diào)節(jié)門的開度會發(fā)生變化，因此也會影響風(fēng)量測量截面處的流場和溫度場，從而影響風(fēng)量測量的準(zhǔn)確度。

圖1物理模型示意圖

1.2 計算方法

選定制粉系統(tǒng)的兩種運行工況作為模擬研究工況，模擬工況的具體參數(shù)如表1所示。

表1數(shù)值模擬工況參數(shù)

采用ICEM CFD前處理軟件對物理模型進(jìn)行三維混合網(wǎng)格劃分。對管道形狀相對規(guī)則的部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，而對于復(fù)雜部位則采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理。圖2為工況1下一次風(fēng)道的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為458851。由于一次風(fēng)道內(nèi)的馬赫數(shù)Ma＜0.3，可認(rèn)為一次風(fēng)道內(nèi)的流動為定常不可壓縮的湍流流動?？紤]到中速磨煤機(jī)一次風(fēng)管道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，湍流模型采用RNG k-e模型[10]，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。邊界條件設(shè)置具體如下：

1）冷、熱一次風(fēng)入口采用流量入口。冷、熱一次風(fēng)壓和風(fēng)溫設(shè)為固定值，分別為8.0 kPa和11.5 kPa，593 K 和293 K。

2）出口采用自由流出。在y 軸方向設(shè)置重力加速度為-9.81 m/s2，方向與豎直管段流體流向相同。

4）計算結(jié)果收斂的條件為能量方程的殘差小于10-6，其他方程的殘差小于10-4。

5）流體材料為空氣，壓力速度耦合采用SIMPLE 算法[11]，其中壓力采用二階離散格式，動量、湍動能、湍流耗散率和能量方程的離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。

圖2工況1下的一次風(fēng)道網(wǎng)格劃分

1.3 均勻性評價指標(biāo)[12]

采用速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv和溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CT作為衡量截面上流場均勻性的量化指標(biāo)。

式中：Sv，ST分別表示截面上速度標(biāo)準(zhǔn)偏差和溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差；vi，Ti分別表示第i 個測點的速度值和溫度值；分別表示截面上所有測點的平均速度；n 表示測點個數(shù)。

按照等截面網(wǎng)格法多點測量原理[13]，在上彎頭上游截面和風(fēng)量測量截面上布置25 個測點，溫度測量截面上布置20個測點。

2 模擬結(jié)果與分析

工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標(biāo)如表2所示。由表2可見：隨著工況的提高和調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的增大，冷熱一次風(fēng)混合管段內(nèi)各截面速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差減小而溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差增大，說明混合管段內(nèi)速度和溫度分布均勻性受工況和調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的影響，而這種影響效果是相反的。由表2還可以看出，工況1和工況2下風(fēng)量測量截面上測點速度范圍和溫度范圍相差較大，速度和溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到29.26%、28.53%和2.81%、8.17%，表明風(fēng)量測量截面上速度和溫度分布并不均勻，冷、熱一次風(fēng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)門后相互混合不均勻。

表2工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標(biāo)

圖3為工況1下磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道內(nèi)流線圖?？梢钥闯?，氣流通過冷、熱一次風(fēng)調(diào)節(jié)門后，出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在風(fēng)量測量截面處的速度方向出現(xiàn)很大的偏轉(zhuǎn)，無法正對著風(fēng)量測量元件，從而造成風(fēng)量測量偏差較大、波動劇烈等問題。因此，擬采用加裝冷熱一次風(fēng)混流及均流裝置來提高混合風(fēng)道流場和溫度場的均勻性，調(diào)整氣流偏向，使氣流的來流方向正對著風(fēng)量測量元件，實現(xiàn)磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量的精確測量。

小說的社會背景處在一種中西文化沖突碰撞的“陣痛期”。在五四新文化運動的影響下，傳統(tǒng)的中國女性在思想上已然被西方文化打開了缺口，但是還不徹底，以上所述的“女”的委屈與妥協(xié)與“人”的思考與追求一直處于一種矛盾沖突之中。這一狀態(tài)的產(chǎn)生正是因為當(dāng)時傳統(tǒng)社會與戰(zhàn)爭年代對于“女”與“人”的完美結(jié)合所設(shè)置的一道又一道難以跨越的屏障。

圖3工況1下磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道內(nèi)流線圖

3 冷熱一次風(fēng)混流及均流裝置設(shè)計

本文針對現(xiàn)有磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量不準(zhǔn)、風(fēng)量控制無法自動投入的問題，采用數(shù)值模擬方法設(shè)計了冷熱一次風(fēng)混流及均流裝置，可以使冷、熱一次風(fēng)混合均勻，流場和溫度場均勻性得到大幅度提高，從而實現(xiàn)磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量的精確測量。圖4為磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道優(yōu)化改造后模型圖。

圖4磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道優(yōu)化改造后模型圖

結(jié)合了以往對燃煤電廠磨煤機(jī)入口矩形一次風(fēng)道的改造經(jīng)驗，為了使冷一次風(fēng)與熱一次風(fēng)有更大的接觸面積，對原冷一次風(fēng)道進(jìn)行了優(yōu)化改造，增加了冷一次風(fēng)箱。冷一次風(fēng)箱結(jié)構(gòu)為上端開口小，下端開口大的漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)，冷一次風(fēng)箱上端開口與冷一次風(fēng)道對接，下端開口與熱一次風(fēng)道外壁面連接，熱一次風(fēng)道外壁面被冷一次風(fēng)箱包圍的部分開有引風(fēng)孔，引風(fēng)孔將冷一次風(fēng)分成3股引入混合整流器的內(nèi)部空腔，再通過出風(fēng)孔射入熱一次風(fēng)道內(nèi)。

圖5為冷熱一次風(fēng)混流及均流裝置。其中圖5(a)為混合整流器，由3個等間距的混合整流組件構(gòu)成，混合整流組件由5 mm 普通鋼板制成，呈薄壁空腔結(jié)構(gòu)。每個混合整流組件包括兩個相對平行設(shè)置的矩形壁面，壁面與熱一次風(fēng)道的水平壁面平行，這種設(shè)置可以調(diào)整熱一次風(fēng)的流動方向，消除部分由熱風(fēng)調(diào)節(jié)門引起的漩渦，起到部分整流作用。為減小風(fēng)阻，將混合整流組件的迎流和背流位置設(shè)計成三角形?；旌险鹘M件內(nèi)部空腔還設(shè)置了水平分隔片和豎直分隔片，把空腔分隔成幾個獨立的通風(fēng)區(qū)域，每個通風(fēng)區(qū)域都有獨立的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口都單獨和冷一次風(fēng)箱相通。進(jìn)風(fēng)口的流通面積是按總流通面積均勻劃分，使得每個通風(fēng)區(qū)域的進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量大致相等。為減小混合整流組件對冷一次風(fēng)造成的壓力損失，每個混合整流組件的所有出風(fēng)孔的總面積大于進(jìn)風(fēng)口的總面積。每個通風(fēng)區(qū)域等間距設(shè)置了一定數(shù)量的長條狀出風(fēng)孔，保證了冷一次風(fēng)能較為均勻地混入熱一次風(fēng)中。上述的水平和豎直分隔片除了能夠均勻劃分每個獨立的流通區(qū)域，還能夠起到固定矩形壁面、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。

圖5(b)設(shè)計的導(dǎo)流板采用5 mm 普通鋼板制成的同心變徑弧形板內(nèi)密外疏布置在上彎頭處，可以有效緩解氣流在彎頭處因慣性而出現(xiàn)偏向。

表3優(yōu)化改造后工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標(biāo)

圖5(c)設(shè)計的矩形柵格整流器采用壁厚2 mm 普通鋼板制成，單元孔為邊長40 mm 的正方形，長度為200 mm。矩形柵格布置在豎直管段內(nèi)風(fēng)量測量裝置上游。矩形柵格能夠調(diào)整氣流的偏向，消除風(fēng)道內(nèi)形成的漩渦，減小矩形風(fēng)道內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)對風(fēng)速測量的影響。

圖5冷熱一次風(fēng)混流及均流裝置

圖6為優(yōu)化改造后工況1下磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道內(nèi)流線圖?？梢钥闯觯瑲饬鹘?jīng)混合整流器、導(dǎo)流板和矩形柵格整流后，混合風(fēng)道內(nèi)氣流的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到有效的改善，風(fēng)量測量截面處來流方向正對測風(fēng)元件，大大提高了風(fēng)量測量的準(zhǔn)確度。

優(yōu)化改造后工況1和工況2下各測量截面速度和溫度分布均勻性指標(biāo)如表3所示。由表3可見：增加冷熱一次風(fēng)混流及均流裝置后風(fēng)道內(nèi)各測量截面速度和溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差都有所減小，測點速度范圍和溫度范圍進(jìn)一步縮??；上彎頭上游截面速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由優(yōu)化改造前的18.59%～30.06%減小至16.40%～22.12%，相應(yīng)溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由優(yōu)化改造前的5.52%～10.48%減小至2.42%～2.53%，說明混合整流器確實能夠?qū)崿F(xiàn)冷熱風(fēng)均勻混合，還能夠?qū)饬髌鸬秸鞯淖饔茫伙L(fēng)量測量截面速度相對偏差由優(yōu)化改造前的28.53%～29.26%減小至3.56%～7.03%，相應(yīng)溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由優(yōu)化改造前的2.81%～8.17%減小至1.50%～1.56%，測點速度范圍和溫度范圍大幅度縮小，提高了風(fēng)量測量截面處流場和溫度場的均勻性，完全能夠滿足風(fēng)量測量元件對流場和溫度場均勻性的要求；此外，工況2下溫度測量截面溫度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差由優(yōu)化改造前的5.18%減小至1.24%，測點溫度范圍由優(yōu)化改造前的497～593 K 縮小為547～571。與優(yōu)化改造前相比，工況1下一次風(fēng)總壓損增大了148 Pa，工況2下一次風(fēng)總壓損增大了434 Pa。

圖6優(yōu)化改造后工況1下磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道內(nèi)流線圖

4 結(jié)束語

1）中速磨煤機(jī)入口一次風(fēng)道內(nèi)由于各種阻流件的擾動，氣流易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在風(fēng)量測量截面處的速度方向出現(xiàn)很大的偏轉(zhuǎn)，無法正對著風(fēng)量測量元件，從而導(dǎo)致磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量不準(zhǔn)及動態(tài)特性差等問題。另外冷、熱風(fēng)摻混不均也是絕大多數(shù)火電廠磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量不準(zhǔn)的另一個重要原因。

2）通過對特殊設(shè)計的混合整流器、導(dǎo)流板和矩形柵格的組合布置，能夠?qū)崿F(xiàn)磨煤機(jī)入口冷、熱一次風(fēng)完全充分混合，還能調(diào)整氣流的偏向，使得氣流的來流方向正對風(fēng)量測量元件；使風(fēng)量測量截面速度相對偏差降低在7%以內(nèi)，溫度相對偏差降低為2%以內(nèi)，完全能夠滿足風(fēng)量測量元件對測量截面處流場和溫度場均勻性的要求，從而使磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性得到大幅度提高。與優(yōu)化改造前相比，一次風(fēng)總壓損增大了148Pa 和434 Pa。