辛 力,施鴻飛,呂為智
(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,上海 200240)
對(duì)于中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)來說,同層燃燒器各一次風(fēng)管之間的煤粉和空氣分配均勻性直接關(guān)系著爐內(nèi)煤粉氣流的燃燒特性,分配較為均勻的煤粉可以使各燃燒器燃燒功率、著火條件等近似相同,減少爐內(nèi)不均勻燃燒,防止由于熱偏差和結(jié)渣引起的鍋爐腐蝕及鍋爐爆管[1-2]。反之,當(dāng)煤粉分配不均勻時(shí),容易導(dǎo)致磨煤機(jī)出口支管煤粉濃度偏差嚴(yán)重[3],直接影響鍋爐燃燒工況的優(yōu)劣性。根據(jù)DL/T 5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)定》,對(duì)于中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng),同層燃燒器各一次風(fēng)管之間各并列管道之間的風(fēng)量(質(zhì)量流量,下同)相對(duì)偏差不大于5%,煤粉量(質(zhì)量流量,下同)相對(duì)偏差不大于10%。
從目前的技術(shù)手段來看,可以通過燃燒優(yōu)化調(diào)整的方式來對(duì)風(fēng)量偏差加以約束,而煤粉量偏差主要通過煤粉分配器加以約束和控制。在直吹式送粉管道中,為使煤粉分配均勻,可設(shè)置煤粉分配彎頭或煤粉分配器[4]。對(duì)于大容量鍋爐,優(yōu)先選用煤粉分配器。
我國近幾年比較常用的煤粉分配器主要有格柵型煤粉分配器和雙可調(diào)煤粉分配器等,理論上同層燃燒器各支管之間的煤粉分配相對(duì)偏差可控制在±10%以內(nèi)。但是,由于管道及部件阻力設(shè)計(jì)計(jì)算中存在很多不確定因素,實(shí)際運(yùn)行過程中很難保證煤粉分配器出口至燃燒器的并列輸粉管道阻力的均衡性,運(yùn)行中實(shí)際的煤粉量相對(duì)偏差在±20%以上,且存在運(yùn)行中無法調(diào)節(jié)的問題[5-6]。
某300 MW機(jī)組制粉系統(tǒng)使用MPS212HP-II型中速磨煤機(jī),并采用直吹系統(tǒng)。針對(duì)該機(jī)組煤粉分配不均的問題,筆者設(shè)計(jì)了一種適配的可調(diào)節(jié)式煤粉分配器,該分配器安裝在磨煤機(jī)分離器出口與各送粉管道之間,通過可調(diào)節(jié)手段來解決煤粉分配不均的問題。筆者以該機(jī)組為研究對(duì)象,利用數(shù)值模擬方法對(duì)該制粉系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析,模擬得到該機(jī)組磨煤機(jī)出口煤粉顆粒質(zhì)量濃度分布及該煤粉分配器內(nèi)煤粉顆粒的流動(dòng)數(shù)據(jù),對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù),驗(yàn)證煤粉分配器效果及特點(diǎn),可為該煤粉分配器在同類制粉系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。
煤粉分配器主體裝配結(jié)構(gòu)見圖1,濃相內(nèi)管及淡相圓環(huán)均分為4~6組(筆者以4組為例),與磨煤機(jī)一次風(fēng)管數(shù)目相匹配。在煤粉分配器中,由磨煤機(jī)出口吹出的煤粉通過百葉窗環(huán)進(jìn)行濃縮,在慣性作用下,進(jìn)行內(nèi)濃外淡的分離,分離后的濃、淡相煤粉分別由濃相內(nèi)管及淡相外圓環(huán)輸出。濃、淡相調(diào)節(jié)閥為相應(yīng)管道內(nèi)隔板,調(diào)節(jié)方向?yàn)楦┮曄碌哪鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)方向,通過改變各出口區(qū)域面積比例調(diào)整風(fēng)粉流量。
圖1 煤粉分配器結(jié)構(gòu)示意圖
磨煤機(jī)及煤粉分配器中的流體介質(zhì)均為空氣及煤粉顆粒,由于煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)主要由空氣動(dòng)力所支配,同時(shí)由于煤粉顆粒的體積分?jǐn)?shù)較小,顆粒之間的相互碰撞很少,因此屬于稀相氣固兩相流[7]。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,假定流體等溫不可壓縮,且為定常流動(dòng),兩相均不發(fā)生相變,可得到控制方程[8-9]。
氣相連續(xù)性方程為:
(1)
式中:t為時(shí)間,s;ρg為空氣密度,kg/m3;xgj為空氣在j方向的坐標(biāo);ugj為空氣在j方向的速度,m/s。
固體相連續(xù)方程為:
(2)
式中:nk為第k組顆粒的數(shù)密度(顆粒數(shù)目除以混合物體積),m-3;xkj為第k組顆粒在j方向的坐標(biāo);mk為第k組顆粒的質(zhì)量,kg;ukj為第k組煤粉顆粒在j方向的速度,m/s;υk為第k組煤粉顆粒的湍流運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;Sck為第k組煤粉顆粒的湍流施密特?cái)?shù);?nk/?t為顆粒凝聚項(xiàng),m-3·s-1。
氣相動(dòng)量方程為:
(3)
式中:ugi為空氣在i方向的速度;xgi為空氣在i方向的坐標(biāo);pg為空氣壓力,Pa;fgi為空氣在i方向的質(zhì)量力,N/kg;ηge為空氣的湍流動(dòng)力黏度,Pa·s;τrk為第k組煤粉顆粒平均運(yùn)動(dòng)弛豫時(shí)間,s;ρk為第k組煤粉顆粒的密度,kg/m3;uki為第k組煤粉顆粒在i方向的速度,m/s。
固體相動(dòng)量方程為:
(4)
式中:fki第k組顆粒在i方向的質(zhì)量力,N/kg;xki為煤粉顆粒在i方向的坐標(biāo)。
目前,研究氣固兩相流模型的方法主要是Euler-Lagrange法及Euler-Euler法,其中Euler-Lagrange法適用于固體相顆粒體積分?jǐn)?shù)較小的流動(dòng),因此筆者采用該方法進(jìn)行模擬。
Euler-Lagrange法是將流體相與固體相分開考慮,用Euler參考系描述流體并將其視為連續(xù)介質(zhì),求解時(shí)均N-S方程得到速度等參量;用Lagrangian參考系描述固體相并將其視為離散相,通過對(duì)大量質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分運(yùn)算得到其運(yùn)動(dòng)軌跡[10]。在FLUENT軟件中,運(yùn)用Euler-Lagrange法的模型為離散模型(DPM),其中離散相與連續(xù)相之間存在質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換,DPM通過積分Lagrangian參考系下的離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡。顆粒運(yùn)動(dòng)方程(以直角坐標(biāo)系x方向?yàn)槔?為:
(5)
式中:ax為附加加速度(包括壓力梯度力、質(zhì)量力、熱泳力、布朗力等多種力的綜合作用),m/s2;u為空氣速度,m/s;up為煤粉顆粒速度,m/s;ρp為煤粉顆粒密度,kg/m3;D為阻力加速度系數(shù),s-1;gx為x方向重力加速度[11],m/s2。
筆者以自主研發(fā)設(shè)計(jì)的煤粉分配器為研究對(duì)象,磨煤機(jī)為MPS212HP-II型中速磨煤機(jī),為盡可能增加結(jié)果的準(zhǔn)確性,尺寸均使用實(shí)際尺寸,在不影響模擬結(jié)果的情況下,簡(jiǎn)化部分結(jié)構(gòu),煤粉分配器和磨煤機(jī)的最終結(jié)構(gòu)圖見圖2、圖3。
圖2 煤粉分配器模型示意圖
圖3 MPS212HP-II型磨煤機(jī)模型示意圖
煤粉分配器尺寸為:總高為6 500 mm,出口半徑為1 020 mm,濃相內(nèi)管半徑為660 mm,內(nèi)部導(dǎo)流管半徑為300 mm,調(diào)節(jié)閥高度為1 500 mm,百葉窗環(huán)斜面長(zhǎng)為431 mm,斜面角度為65o,相鄰兩環(huán)間距為 391 mm,相鄰面半徑差為 52 mm,底部百葉窗環(huán)底徑為 770 mm。
使用ICEM軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于煤粉分配器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而磨煤機(jī)內(nèi)部風(fēng)環(huán)、磨輥等結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,故對(duì)煤粉分配器全部采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,而對(duì)磨煤機(jī)采用混合網(wǎng)格:在風(fēng)環(huán)、分離器、磨輥等位置采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;對(duì)一次風(fēng)入口、煤粉入口、風(fēng)粉混合物出口等位置采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)流動(dòng)條件復(fù)雜的區(qū)域增加網(wǎng)格密度,以提高最終結(jié)果的精確性,并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,最終確認(rèn)煤粉分配器和磨煤機(jī)的網(wǎng)格數(shù)分別為40萬和86萬。
筆者使用FLUENT軟件模擬煤粉分配器及磨煤機(jī)的流動(dòng)過程,采用Standardk-ε雙方程湍流模型、穩(wěn)態(tài)3D分離隱式計(jì)算器,壓力速度耦合采用SIMPLEC耦合算法。
將一次風(fēng)空氣視為理想空氣,由于其溫度高于常溫,故空氣黏度使用Sutherland公式進(jìn)行計(jì)算,采用DPM計(jì)算兩相流動(dòng),對(duì)顆粒直徑分布采用Rosin-Rammler分布,使得顆粒直徑分布更加趨于實(shí)際工況[12]。邊界條件設(shè)置見表1。
表1 邊界條件
此次模擬為驗(yàn)證兩相流的流動(dòng)過程,因此去除原煤的破碎過程,視為兩相混合物均由一次風(fēng)入口進(jìn)入。
圖4為磨煤機(jī)中顆粒流動(dòng)軌跡,圖5為未安裝煤粉分配器前磨煤機(jī)出口處(共有4個(gè)出口)的煤粉顆粒質(zhì)量濃度及捕獲顆粒數(shù)。磨煤機(jī)一次風(fēng)入口共射入16 256個(gè)顆粒,其中1 931個(gè)在分離器處產(chǎn)生回流,數(shù)量占比約為11.9%。
引起煤粉量分配不均的原因主要有直吹式磨煤機(jī)出口送往各風(fēng)粉管的煤粉量不均,以及由于輸粉管道長(zhǎng)度、彎頭數(shù)量的不同導(dǎo)致各煤粉管綜合阻力系數(shù)差異較大,在同一壓差并列運(yùn)行下進(jìn)一步擴(kuò)大了這種不均勻性。從圖4、圖5中可以看出:當(dāng)流體流經(jīng)一次風(fēng)室時(shí),由于受到磨輥、磨盤、風(fēng)環(huán)等結(jié)構(gòu)的影響,上升至分離器后,圖5中磨煤機(jī)的4個(gè)出口捕獲的顆粒數(shù)不同且4個(gè)出口的煤粉質(zhì)量濃度分布不均勻,最大相對(duì)偏差達(dá)到24.1%,且距離一次風(fēng)入口較近的出口(圖5中上層2個(gè))質(zhì)量濃度相對(duì)較高,這也符合實(shí)際工況中直吹式系統(tǒng)出口質(zhì)量濃度分布。
圖4 磨煤機(jī)內(nèi)部煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡
圖5 磨煤機(jī)出口煤粉顆粒質(zhì)量濃度及捕獲顆粒數(shù)
張爐香[13]基于望亭電廠燃燒問題,發(fā)現(xiàn)了磨煤機(jī)的4個(gè)出口有很大的煤粉分配相對(duì)偏差,最大相對(duì)偏差在-40%~50%,遠(yuǎn)超許可偏差;劉定坡等[14]從磨煤機(jī)煤粉分配不均這一普遍問題出發(fā),分析研究了煤粉分配不均對(duì)機(jī)組靈活性帶來的影響及不同的煤粉分配器的應(yīng)用現(xiàn)狀及調(diào)節(jié)效果;樊泉桂等[15]通過試驗(yàn)得出了隨著磨煤機(jī)分離器擋板開度減小,輸粉管煤粉均勻性有所提高的結(jié)論,并指明這一結(jié)果同磨煤機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性。
根據(jù)已有的文獻(xiàn)報(bào)道以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,煤粉分配不均是大多電站鍋爐煤粉系統(tǒng)存在的問題,影響鍋爐正常使用。在不改變制粉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,需要對(duì)煤粉分配裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以使得各送粉管道間濃度更加均勻,穩(wěn)定煤粉氣流的燃燒。
圖6為煤粉分配器內(nèi)流線圖。由圖6可看出:煤粉由煤粉分配器入口進(jìn)入,通過4節(jié)百葉窗環(huán)后,主要通過濃相內(nèi)管并由出口流出。煤粉在每一節(jié)百葉窗環(huán)均發(fā)生部分回流,在空氣的帶動(dòng)下沿環(huán)外壁繼續(xù)流動(dòng),由于下一節(jié)百葉窗環(huán)底徑較大,再將這一部分煤粉納入環(huán)內(nèi),僅在最后一節(jié)百葉窗環(huán)的底部產(chǎn)生少部分煤粉逃逸至淡相出口,該設(shè)計(jì)使得絕大多數(shù)的煤粉顆粒分配到濃相管,但造成大量煤粉顆粒對(duì)百葉窗環(huán)壁面的碰撞沖刷,易造成磨損,在實(shí)際使用中需要考慮設(shè)備使用壽命減少及影響機(jī)組運(yùn)行安全。
圖6 煤粉分配器內(nèi)煤粉顆粒運(yùn)行軌跡
圖7為煤粉分配器出口煤粉顆粒質(zhì)量濃度及速度分布圖。共模擬了6 730個(gè)顆粒由磨煤機(jī)入口射入,顆粒隨動(dòng)性良好,無明顯下落跡象、無回流,在煤粉分配器出口可被全部捕獲。
圖7 煤粉分配器出口煤粉顆粒質(zhì)量濃度及速度分布
由于模擬時(shí)設(shè)置為入口射入顆粒隨機(jī)分布,因此在出口處,濃相顆粒的分布不是足夠均勻的,但由于所設(shè)計(jì)的煤粉分配器具有調(diào)節(jié)作用,在實(shí)際使用過程中可根據(jù)出口煤粉顆粒的分布情況調(diào)節(jié)濃相調(diào)節(jié)閥,使得濃相內(nèi)管的4個(gè)區(qū)域出粉量更加均勻。
由圖7可知:出口處的濃相流速并不高且不均勻,這是由于流體通過百葉窗環(huán)進(jìn)入濃相內(nèi)管后,在錐形內(nèi)管的作用下,流體發(fā)生偏轉(zhuǎn),向遠(yuǎn)離中心的方向運(yùn)動(dòng),同時(shí)變徑管是一個(gè)漸擴(kuò)管,使得高速流體的速度下降至符合電廠實(shí)際運(yùn)行需求,減小由于風(fēng)速過快而產(chǎn)生的設(shè)備侵蝕,也保證了進(jìn)入鍋爐后更好地充分燃燒。
圖8為煤粉分配器XOY平面(縱向剖面)的煤粉顆粒速度分布。由圖8可知:流體經(jīng)過百葉窗環(huán)后,速度逐漸增大,這驗(yàn)證了百葉窗環(huán)對(duì)流體的壓縮作用。每節(jié)百葉窗環(huán)底部都會(huì)出現(xiàn)碰撞后的流體溢出,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)環(huán)形的高流速區(qū),這一部分高速氣流攜帶回流的少量煤粉經(jīng)淡相外圓環(huán)出口流出。
圖8 煤粉分配器XOY截面煤粉速度分布
在流體流至濃相內(nèi)管后,流速達(dá)到最高,之后在水平面0°和90°方向由于調(diào)節(jié)閥的存在,流體被阻隔,大部分流體由調(diào)節(jié)閥兩側(cè)流向出口,剩余部分產(chǎn)生回流與來流互相碰撞,造成流速的迅速減小(見圖8),在該截面越接近調(diào)節(jié)閥位置,流速減小越多。
除此之外,為了反映煤粉分配器對(duì)不同顆粒直徑煤粉顆粒均勻分配的能力,對(duì)表2所示的顆粒直徑分布顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬,并計(jì)算濃相出口處捕獲顆粒數(shù)占總射入顆粒數(shù)的比,繪制濃相顆粒數(shù)占比見圖9。
表2 顆粒直徑分布 μm
圖9 濃相顆粒數(shù)占比
由圖9可得:該煤粉分配器對(duì)煤粉顆粒具有較強(qiáng)的集中分配能力,入口處的煤粉顆粒大多由濃相內(nèi)管出口流出,經(jīng)過煤粉分配器后的濃相顆粒數(shù)占比基本處于較為接近的范圍,但隨著煤粉顆粒直徑的逐漸增大,出口處濃相顆粒數(shù)占比會(huì)有少量提升。在同等風(fēng)速下,氣動(dòng)的牽引力起到?jīng)Q定性作用,使過細(xì)的顆粒更易被吹至遠(yuǎn)離中心的區(qū)域,因此在最后一節(jié)百葉窗環(huán)產(chǎn)生較多的回流顆粒。
煤粉在磨煤機(jī)中的流動(dòng)是復(fù)雜且隨機(jī)的,磨煤機(jī)腔室內(nèi)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)使煤粉顆粒流動(dòng)產(chǎn)生偏離,在出口和分離器的部分區(qū)域發(fā)生回流,最終導(dǎo)致出口處煤粉顆粒濃度分布不均,影響燃燒效果及鍋爐運(yùn)行安全?;趯?duì)設(shè)計(jì)的可調(diào)式煤粉分配器開展數(shù)值模擬研究,主要結(jié)論如下:
(1) 可調(diào)節(jié)式煤粉分配器具有良好的再分配能力,百葉窗環(huán)的設(shè)計(jì)將煤粉分級(jí)收集,并最大限度地減少了回流產(chǎn)生的損失;且在這個(gè)過程中,兩相混合流體由于經(jīng)過逐漸變窄的流道,流速變快、壓強(qiáng)增大。
(2) 可調(diào)節(jié)式煤粉分配器調(diào)節(jié)閥對(duì)于流體會(huì)造成阻隔作用,影響流體的順利流出并減弱部分區(qū)域流速,在實(shí)際使用中,在保證使用壽命及安全的基礎(chǔ)上應(yīng)使調(diào)節(jié)閥厚度盡量小。
(3) 可調(diào)節(jié)式煤粉分配器具有較強(qiáng)的適用性,對(duì)于不同顆粒直徑的煤粉,其分配后濃相顆粒數(shù)占比均在90%以上,隨著顆粒直徑的增大,該占比逐漸增大。