一种多级惯性煤粉浓缩器的结构优化

张亚青， 李 娜， 周屈兰， 田明泉， 沈吉兆

（1.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，西安710049；2.西安航空学院 动力工程系，西安710077；3.新疆泽普石油基地塔西南电力工程部，喀什844808；4.扬州晨光特种设备有限公司，扬州225800）

煤粉浓淡燃烧技术因具有高效、稳燃和防污染等特点，在电站锅炉中得到了广泛应用.煤粉浓淡燃烧技术的关键是研究和开发合适的煤粉浓缩器［1－3］.目前，对浓缩器的研究主要集中在浓淡比、浓淡风比和阻力系数等方面，针对某一特定的浓缩器结构，有关各个因素在什么位置和尺寸下浓缩器达到的效果最好以及各个影响浓缩效果因素的优劣排序等方面的研究相对偏少［4－6］.由于浓缩器结构中可变化的参数种类很多，若要全面研究各个因素在不同组合下浓淡分离效果的优劣，工作量极大，因此有必要采用一种以简代繁的方法.

正交试验设计是一种针对多因素并按照一定规律分别安排多因素组合的试验，其目的是找到最优水平组合的高效率试验设计方法［7］，其基本特点是：用部分试验代替全面试验，并通过对部分试验结果的分析，了解全面的试验情况.在文献［8］中，笔者在综合考虑各方面因素的基础上，设计了一种新型煤粉浓缩器.这种煤粉浓缩器具有优良的空气动力场特性和较高的浓淡比，同时结合冷态模化试验，研究了浓缩器在不同工况下的工作效果.由于浓缩器各构件的位置和大小均是根据经验确定的，因此有必要系统研究浓缩器结构中各因素的优化组合，以便获得最佳的浓淡比.

笔者以一种多级惯性煤粉浓缩器为研究对象，通过正交试验设计与数值模拟相结合的方法，对浓缩器进行结构优化，并采用数值模拟方法获得了各种组合对应的浓淡比大小，进而由极差分析法确定最终的优化组合以及每个因素重要程度的排序.

1 煤粉浓缩器结构

图1为多级惯性煤粉浓缩器结构示意图.多级惯性煤粉浓缩器以挡块结构为基础，应用的是离心分离和撞击分离原理，其结构主体部分为1个旋转圆筒，主要起离心作用；在旋转圆筒内部安装的主要部件包括2个挡块、1个分流挡板和双齿形环，同时在其主体的四周部分采用了内凹结构设计.2个挡块分为前后2级布置，前级挡块和后级挡块间有一定的遮挡，同时在后级挡块与分流挡板间也设置了遮挡.齿形环安装在浓缩器出口处的分流挡板附近，挡块和挡板的大小和位置均由经验确定（以下简称经验结构）.由于离心力和惯性力的作用，煤粉气流呈现外浓内淡的分离效果［8］.

图1 多级煤粉浓缩器结构示意图Fig.1 Structural diagram of the multistage pulverized coal concentrator

2 浓淡分离试验

在文献［8］中，结合所设计制造的旋流燃烧平台，对煤粉浓缩器经验结构进行了试验研究，包括空气动力场和两相流场测量.对于空气动力场，主要对回流区变化特性进行研究，而对于两相流，则对浓淡比随风速、截面关系以及绝对浓度的变化进行了测量.在试验中，浓缩器的浓淡比由颗粒捕集法确定，把真空泵、流量计、滤筒和取样枪进行连接，并在一定时间内分别在浓缩器出口的内外侧捕集煤粉颗粒，浓缩器的浓淡比等于分别从其出口外侧和内侧搜集到的煤粉颗粒质量之比.

图2为经验结构浓淡比模拟值与试验值的比较.笔者根据RNG k－ε模型，对经验结构的煤粉浓淡比进行数值模拟，并与测量结果进行比较后发现，两者的变化规律一致.在模拟计算中，挡块对气流的阻力小于实际测量值，且浓缩器内壁的阻力也小于试验值，导致浓淡比的模拟值略大于试验值.总之，数值模拟能正确反映煤粉浓淡比的变化规律，可以作为代替试验研究的有效手段.

图2 经验结构浓淡比模拟值与试验结果的比较Fig.2 Comparison of rich／lean ratio between simulated results and experimental data

3 浓缩器优化

3.1 试验设计

为了深入研究浓缩器内部结构对煤粉浓淡比的影响，采用正交试验进一步研究了不同因素组合变化时浓缩器工作性能的变化.在正交试验中，需要确定试验具体因素，所采用的煤粉浓缩器正交试验的结构参数见图3.在图3中，h1为初级挡块高度，h2为次级挡块高度，h3为外凸结构高度，l为次级挡块到分流挡板前端的距离，α为初级和次级挡块倾角，2级挡块角度相同.在确定各个因素之后，需要选取每个因素的水平，即确定特定因素的具体取值.表1为煤粉浓缩器因素水平表.在表1中，每个因素均包含了4种取值.根据五因素四水平正交表，可以获得需要计算的16种组合，然后根据正交试验数值模拟不同结构参数下浓缩器的浓淡比，结果见表2.

图3 煤粉浓缩器正交试验的结构参数Fig.3 Structural parameters of the coal concentrator for orthogonal experiment

表1 正交试验中结构参数的设置Tab.1 Settings of structural parameters in orthogonal experiment

表2 煤粉浓缩器浓淡比的模拟结果Tab.2 Simulated results of the rich／lean ratio for pulverized coal concentrator

3.2 试验结果

根据煤粉浓缩器16种组合的模拟结果，采用极差分析法获得了煤粉浓缩器的最终正交试验结果（表3）.在表3中，Ki（i＝1，2，3，4）为各因素i水平所对应的浓淡比之和，ki（i＝1，2，3，4）为Ki的平均值，min ki和max ki分别为各因素ki的最小值和最大值.最终得到的优化组合为A1B1C1D2E1，因素主次顺序为B＞D＞C＞E＞A，各因素对浓淡比影响大小的排序依次为：次级挡块高度＞次级挡块到分流挡板距离＞外凸结构高度＞挡块倾角＞初级挡块高度.因此，对于煤粉浓缩器，次级挡块高度的影响最大.

表3 煤粉浓缩器的正交试验结果Tab.3 Results of the orthogonal experiment

3.3 优化结构

正交试验得到的浓缩器优化结构（优化组合A1B1C1D2E1所对应的结构）并不包含在所涉及的16种方案中.为了检验正交设计的结果，再次用数值模拟方法计算优化结构的浓淡比大小.图4为经验结构与优化结构的浓淡比结果比较.在常见的风速范围内，与经验结构的浓淡比相比，优化结构的浓淡比均明显提高.当风速为20m／s时，优化结构的浓淡比可以达到5以上.

图4 经验结构与优化结构的浓淡比结果比较Fig.4 Comparison of the rich／lean ratio between empirical and optimized structure

笔者主要研究浓淡比对煤粉浓缩器工作效果的影响.除此之外，在设计煤粉浓缩器时，也考虑了进出口压降、挡块和分流挡板磨损以及浓淡风比等因素.在一次风速为20m／s时，16种煤粉浓缩器正交结构方案的进出口压降见表4.从表4可知：不同结构间的差异较小，不会给煤粉浓缩器浓淡分离产生较大的影响，但是挡块和分流挡板的磨损会降低浓淡分离的效果.通过采用“分级抗磨”或复合材料等方法能够提高挡块和分流挡板的耐磨性，从而延长煤粉浓缩器的使用寿命.浓淡风比越均匀，对浓缩器出口处的燃烧越有益.今后应继续深入研究上述因素对煤粉浓缩器结构和工作性能的综合影响.

表4 16种正交结构煤粉浓缩器的进出口压降Tab.4 Pressure drop of sixteen different coal concentrators Pa

4 结 论

采用数值模拟方法对一种多级惯性煤粉浓缩器的浓淡比进行了模拟，模拟值与冷态试验测量数据基本一致，验证了模拟结果的正确性和可靠性.利用正交试验的方法对煤粉浓缩器结构进行了优化设计，获得了煤粉浓缩器的最优组合以及不同因素对煤粉浓缩器工作效果影响的优劣排序.多级惯性煤粉浓缩器的结构优化结果表明，优化结构浓淡比的模拟值好于经验结构.正交设计提供了煤粉浓缩器结构优化的有效方法，有效补充了试验数据，为采用试验方法对煤粉浓缩器的结构进行深入研究奠定了基础.致谢：本文的试验和研究还得到了江苏省扬州特种设备有限公司和江苏省“双创”人才计划项目以及扬州市“绿杨金凤”人才计划项目的资助，特此致谢.

［1］周俊虎，赵玉晓，刘建忠，等.浓淡燃烧器两相流的分离特性和阻力特性的试验研究［J］.动力工程，2003，23（5）：2643－2645.ZHOU Junhu，ZHAO Yuxiao，LIU Jianzhong，et al.Research on separation characteristics and resistance characteristics of two－phase flow in rich lean burner［J］.Journal of Power Engineering，2003，23（5）：2643－2645.

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［7］陈魁.试验设计与分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

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