可調節(jié)煤粉分配器的風粉兩相流動特性數值模擬

石全成, 呂為智, 周文臺, 何 翔, 汪 鑫, 范衛(wèi)東

(1.中電投新疆能源化工集團五彩灣發(fā)電有限責任公司,新疆昌吉 831799; 2.上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司,上海 200240; 3.上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240)

能源是推動社會經濟發(fā)展的物質基礎，是生產力發(fā)展的重要因素。作為世界最大的煤炭生產國和消費國，煤炭在我國的一次能源消費結構中一直占有主導地位。2019年，我國原煤生產總量達79.52 EJ，煤炭消費量為81.67 EJ，煤炭消費量占能源總消費量的57.7%，其中一半以上的煤炭用于火力發(fā)電[1]。

為了加強鍋爐燃燒系統(tǒng)的靈活性，提升鍋爐的低負荷穩(wěn)定燃燒能力，可從一次風速及其偏差、風粉濃度、配風方式、燃燒器旋流強度、煤機投運方式等方面進行調整[2]。

在DL/T 5581—2020 《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設計規(guī)程》[3]中規(guī)定,“氣粉混合物在同一層燃燒器的各路送粉管中的風量允許偏差不應超過5%，粉量允許偏差不應超過10%。各路送粉管道由磨煤機分離器引出時宜利用分離器自身保證粉量分配均勻。”但在機組實際運行過程中，同層燃燒器各一次風管風粉分配偏差達±(20%～40%)的現象普遍存在。當一次風粉分配不均時，進入各燃燒器的煤粉量就會出現較大差異，可能對鍋爐的熱偏差、局部超溫及高溫腐蝕、燃燒不充分、變負荷汽溫汽壓波動、NOx排放增加等造成影響。為解決燃煤機組風粉偏差過大的問題，筆者研發(fā)了一種風粉兩相可調節(jié)新型煤粉分配器，可確保磨煤機出口一次風均勻分配到4根煤粉管道中，并送入切圓燃燒鍋爐同層一次風噴口，最后到達四角噴射。采用數值模擬方法對其性能進行了深入研究，探究該煤粉分配器內氣固兩相流動特性，分析其分離效率、壓損、磨損、速度場、濃度場等的分布情況。

1 氣固兩相流動特性及磨損模型

一次風送粉管道內煤粉氣流的輸送與分配過程屬于典型的氣固兩相流。因氣固兩相的物性(如氣體密度和黏度、顆粒密度、形狀與粒徑分布)、流動(氣體流速、固相濃度、體系溫度和壓力)、過程環(huán)境(流動空間的形狀、大小)等條件的影響，研究難度比單相流動復雜許多?；趦上嗔鲄禍y量的試驗研究方法受上述因素的影響尤為嚴重，且采用試驗方法進行相關研究往往面臨需要大量人力、物力以及研究周期長等因素的限制。隨著計算機技術的發(fā)展和計算流體力學(CFD)數值模擬技術的成熟發(fā)展，基于CFD方法或者采用商用CFD軟件,如Ansys Fluent、CFX等研究氣固兩相流動特性，已越來越顯示出其優(yōu)越性[4-7]。

磨損數值預測是利用多相流計算理論結合壁面磨損模型實現的。經磨損試驗研究發(fā)現，磨損率主要和顆粒與壁面的碰撞速度、碰撞角度等因素有關，磨損預測的關鍵是要得到顆粒與壁面碰撞處的速度和碰撞角度。對多相流、湍流氣固兩相流和氣相場的計算可采用一般的湍流模型，顆粒運動計算通常采用軌道模型。磨損數值預測的準確性依賴于多相流計算的精度和磨損模型的準確性，上述問題的關鍵是顆粒與壁面碰撞關系的處理。磨損模型主要是根據應力、強度、碰撞、能量等的一些理論推導，和由試驗得到的經驗或半經驗公式。采用理論推導的模型較為復雜，其中一些與材料特性有關的模型常數很難確定，往往需要經過相應的試驗確定。而采用由試驗確定的經驗關系式中僅含一些與顆粒運動特性有關的因子，因此相對簡單。由于對磨損問題的預測通常是建立在相對的概念上，例如比較研究對象各部分磨損程度的相對大小及各種因素對磨損程度的影響，得到的絕對磨損量并非最重要。因此，為簡化起見，采用經驗關系式是可取的方法，即使研究條件與此經驗關系式得出的試驗條件不一致也無妨。

2 煤粉分配器的工作原理

煤粉分配器由彎管1、異形管2、濃相調節(jié)閥3、稀相調節(jié)閥4和擴口管5組成，如圖1所示。彎管1包括水平管和垂直管，水平管與垂直管圓滑過渡連接，異形管2入口位于彎管1水平管與垂直管的轉彎處，截面為半圓，靠近垂直管外端，異形管2出口為圓，連接到中心管，與垂直管同心。異形管2出口直徑為垂直管直徑的0.5～0.8倍。垂直管上部連接擴口管5進行擴口，擴口后形成稀相外圓環(huán)出口，異形管2上部的中心管形成濃相內管出口，濃相內管出口和稀相外圓環(huán)出口根據磨煤機一次風管的數目均分，形成煤粉濃相內管出口管和稀相外圓環(huán)出口管，在煤粉濃相內管出口管和稀相外圓環(huán)出口管截面上，分別安裝濃相調節(jié)閥3和稀相調節(jié)閥4；通過調節(jié)閥后的每一份濃相氣流與稀相氣流進行合并，連接磨煤機的一次風管，最后通過一次風管進入爐膛燃燒器。

通過煤粉分配器的水平轉垂直彎管后，在慣性作用下，氣流中的大量煤粉甩到彎管外壁，并經異形管輸送至垂直管段的中心管中，形成顆粒濃相；而氣流中的少數煤粉則在異形管外側，形成顆粒稀相。濃、稀相經過垂直管的整流后，進入擴口管，在擴口管出口各等分成一次風管所需的數量，并在每等分的濃相內管截面上及稀相外圓環(huán)截面上分別設置可調節(jié)閥，使得每根混合后的一次風管內顆粒濃度及風速兩相可調節(jié)。

3 分配器的幾何建模和網格劃分

3.1 網格劃分

該煤粉分配器的邊界條件見表1，為了更準確地計算氣固兩相流的運動軌跡，模擬中設置煤粉平均粒徑d=50 mm，顆粒粒徑分布按rosin-rammler確定，范圍為10～200 μm，特征粒徑定為50 μm，均勻性指數定為1.2，分為50種粒徑的球體，再對煤粉分配器進行三維立體建模，如圖2所示。然后導入到ICEM CFD軟件中進行網格劃分，并設置邊界條件及流體區(qū)域。

表1 煤粉分配器邊界條件

圖2 三維模型圖

以實際煤粉分配器為對象，根據其幾何條件和邊界條件開展數值模擬工作。網格劃分情況如圖3所示。

圖3 網格劃分

3.2 模擬過程的主要參數設置

定義入口邊界條件為速度入口，給定垂直于入口的速度值為20 m/s。出口邊界條件為壓力出口，設置出口壓力為環(huán)境大氣壓。

在氣固兩相流的模擬中，如固相粒子的體積密度為0%～12%，多采用離散相模型(DPM)計算。模擬中煤粉顆粒粒徑分布按rosin-rammler確定，范圍為10～200 μm，特征粒徑定為50 μm，均勻性指數定為1.2，分為50種粒徑的球體。兩相計算需考慮流動過程中氣體與煤粉間的相互作用，將顆粒入射速度設置為氣相入口速度的0.9倍，總質量流量為4.64～11.60 kg/s，空氣中煤粉質量濃度為0.2～0.5 kg/m3，換算為空氣中煤粉攜帶量為0.2～0.5 kg(煤粉)/kg(空氣)。因顆粒在氣相環(huán)境中主要受到氣體黏性阻力和慣性力作用，因此不考慮顆粒間的相互作用。

4 煤粉分配器實物兩相流動特性數值模擬

4.1 煤粉分配器中煤粉的運動軌跡

煤粉顆粒在煤粉分配器中的運動軌跡流線如圖4所示，通過煤粉分配器的水平轉垂直彎管后，在慣性作用下，氣流中的大量煤粉甩到彎管外壁，并經異形管輸送至垂直管段的中心管中，形成顆粒的濃相；而氣流中的少數煤粉在異形管外側，形成顆粒的稀相，濃、稀相經過垂直管的整流后，進入擴口管，在擴口管出口各等分成一次風管所需的數量，但由于絕大多數煤粉顆粒會分配到濃相管，導致濃相管及其分管遭受大量煤粉碰撞沖刷造成磨損，在實際使用中需要考慮對設備使用壽命及機組運行安全的影響，采取合適的防護措施。

(a) 停留時間

4.2 管內顆粒濃度與速度分布

入口顆粒濃度分布如圖5所示，顆粒均勻散布在煤粉分配器的整個入口，表明煤粉顆粒發(fā)射具有代表性。

圖5 入口顆粒質量濃度分布

垂直中心剖面顆粒質量濃度分布如圖6(a)所示，絕大多數煤粉顆粒在慣性作用下被甩到彎管外壁，進而進入異形管形成煤粉濃相，少數煤粉在異形管外側形成稀相。同時，濃相與稀相各自內部也分別存在濃相與稀相。

顆粒速度分布如圖6(b)所示，因擴口管頂部對流體的阻擋作用，稀相區(qū)的流速較慢，流體主要從濃相管流出，有利于煤粉顆粒集中在濃相管內，使后面煤粉分配更加均勻。

(a) 顆粒質量濃度分布

4.3 異形管對煤粉分配器性能的影響

為了對比分析異形管的存在對煤粉分配器性能的影響，建立無異形管的模型，如圖7所示，分析了無異形管存在時，煤粉分配器的流場特性。該模型除無異形管外其他條件盡可能與有異形管的模型一致，網格數為226萬。

圖7 煤粉分配器模型

為便于描述，對各出口進行編號，1、2號管為內側2管，3、4號管為外側2管，如圖8所示。有異形管和無異形管的煤粉分配器出口煤粉質量濃度分布如圖9所示，無異形管煤粉分配器的煤粉多集中于外側管道，4個出口質量濃度分別為0.17 kg/m3、0.19 kg/m3、0.86 kg/m3和0.72 kg/m3；而有異形管煤粉分配器4個出口煤粉質量濃度較為均勻，分別為0.49 kg/m3、0.48 kg/m3、0.45 kg/m3和0.47kg/m3。這說明異形管是煤粉分配器實現煤粉均勻分配的關鍵，有異形管煤粉分配器可有效將煤粉均勻分配到各個出口。

圖8 分配器各出口編號

(a) 無異形管

為進一步分析異形管的作用，對有異形管煤粉分配器和無異形管煤粉分配器在不同給粉量下，各出口粉量風量及其偏差率進行統(tǒng)計,如圖10和圖11所示。由圖10可知，有異形管在給粉量4.64～11.60 kg/min范圍內，各出口顆粒質量濃度大致在0.2～0.5 kg/m3，粉量偏差率基本維持在5%以下，只有在粉量為4.64 kg/min時存在偏差高于5%的情況。從風量來看，外側的2管風速略高于內側2管，但是偏差率均維持在5%以下。綜上可得，有異形管的煤粉分配器可以實現粉量、風量的均勻分配。

如圖11所示，粉量偏差率為40%～64%，與有異形管的煤粉分配器相比高了10倍，粉量呈明顯的兩極分化趨勢，煤粉多集中于外側2管出口，內側2管出口煤粉質量濃度非常低。風量也呈明顯的分化趨勢，外側2管風速28～29 m/s，而內側管在24～26 m/s，風量偏差也多在5%以上，表明異形管的存在對風量和粉量都有均勻分配的作用。

(a) 出口煤粉質量濃度

4.4 煤粉顆粒粒徑對煤粉分配器性能的影響

為了反映煤粉分配器對不同顆粒粒徑煤粉均勻分配的能力，對表2所示的顆粒粒徑分布顆粒進行數值模擬，并計算出煤粉分配器在各工況下的出口粉量及偏差率的變化結果，如圖12所示。

表2 顆粒粒徑分布

由圖12可知，隨著平均粒徑Dm的增大，分配器出口顆粒質量濃度呈降低趨勢，而偏差率呈增大趨勢，這表明平均粒徑越小，該煤粉分配器出口粉量越均衡。雖然分配器對小粒徑煤粉的分配效果更佳，但是對于大粒徑煤粉，該分配器依舊可以將粉量偏差控制在5%左右，擁有較好的分配性能。

(a) 顆粒質量濃度

4.5 煤粉分配器磨損趨勢

煤粉分配器壁面磨損率計算結果如圖13所示，從磨損率分布情況來看，最大磨損位置在異形管及各濃相和稀相分管，其次在彎管處。這主要與煤粉顆粒運動軌跡有關，在煤粉分配器內大量煤粉經由異形管進入濃相分管，然后與各稀相煤粉混合后進入爐膛。而濃相分管粉量、風量遠高于其他位置，因此磨損最為嚴重；在彎頭、擴口管壁面處，由于煤粉的沖撞也存在少許磨損。在實際使用中，為保證機組的運行安全，首先需要考慮磨損最嚴重的部位，采取合適的防護措施，延長設備使用壽命。

(a) 有異形管

4.6 煤粉分配器管內阻力損失系數

阻力損失系數ζ(以下簡稱阻力系數)是工程上的重要性能指標，ζ太大會對一次風管道中的給粉、輸粉帶來不利影響，阻礙制粉系統(tǒng)出力，造成燃燒不穩(wěn)定。因而研究阻力損失具有重要意義。選取煤粉分配器入口到分管一段，研究煤粉分配器阻力系數隨給粉量大小的變化關系，如圖14所示。當給粉量從4.64 kg/min增長到11.6 kg/min，阻力系數值在1.1～1.6范圍內變化，隨著給粉量的增加，阻力系數逐漸增加。

(a) 壓損

(b) 阻力系數

4.7 小型煤粉分配器試驗臺

為了驗證該數值模擬建模的準確性，搭建小型試驗臺，如圖15所示。該試驗臺將實物煤粉分配器按相似準則1∶8縮小，選用試驗介質為玻璃微珠，根據?；嬎愕贸雒悍鄯峙淦髟囼炁_邊界條件見表3。

圖15 煤粉分配器試驗臺

表3 煤粉分配器試驗臺邊界條件

將數值模擬和試驗得出的不同入口風速下，各出口風量和粉量的偏差率進行對比，結果如圖16和圖17所示。由圖16可知，煤粉分配器4個出口風量和粉量分配偏差均能保持在10%以下，且大部分情況下偏差在5%以下；與圖17數值模擬得出的風量和粉量偏差率相比，可以發(fā)現模擬結果相對更低且更均勻，這是因為試驗臺中各類阻力損失相對更大且各管之間的差異難以控制，但總體上看兩者之間差異較小，基本滿足制粉系統(tǒng)設計規(guī)程中提到的“粉量分配偏差不超過10%、風量分配偏差不超過5%”的要求。這也表明數值模擬可以較為準確地計算出煤粉在煤粉分配器中的運動，增加了模擬結果的可信度。

5 結 論

(1) 本文利用Ansys Fluent軟件對煤粉與氣體的兩相流動進行數值計算，所建立的煤粉分配器模型計算得出的顆粒運動軌跡、管內顆粒分布及風粉偏差率與試驗結果較吻合。

(2) 數值模擬計算中采用了有、無異形管2種結構的煤粉分配器，結果發(fā)現無異形管煤粉分配器各出口風、粉偏差率高達60%，內外兩側出口煤粉質量濃度呈現明顯的兩極分化；有異形管存在的煤粉分配器風、粉偏差率基本維持在5%以下，滿足各項規(guī)程規(guī)劃的要求。

(3) 有異形管煤粉分配器隨風粉分配較為均勻，但異形管及其后續(xù)的濃、稀相分管由于管徑小、流速高、管內顆粒濃度高、受到顆粒碰撞次數多，導致磨損較為嚴重。實際使用中，為保證機組運行安全，首先需要考慮這些磨損最嚴重的部位，采取合適的防護措施，延長設備的使用壽命。

(4) 搭建小型試驗臺進行煤粉分配試驗并與模擬結果進行對比，得出模擬結果更為理想，可信度較高，且兩者粉量、風量分配偏差率均滿足制粉系統(tǒng)設計規(guī)程的要求。