HP型中速磨煤机气-固2相流动数值模拟研究

常毅君 陶克轩 张光学 熊加林 蒋金忠 唐鹏飞

（1华能玉环电厂 浙江玉环 317604 2中国计量大学能源工程研究所 浙江杭州 310018）

0 引言

制粉系统不仅直接影响锅炉的安全经济运行，煤粉细度及均匀性也是锅炉高效、低污染燃烧的重要保障［1，2］。由于启动迅速、调节灵活、煤质适应能力强及结构紧凑等优点，HP型中速磨煤机在我国大型火力发电厂中得到广泛应用［3］。

为了降低磨煤机能耗、提高煤粉细度及均匀性、优化变工况情况下的磨煤机性能，亟需深入和全面地了解磨煤机内部的气固两相流流场。然而，中速磨内部结构复杂，结构紧凑，空间狭小，难以布置测点及观察孔，加上环境恶劣，通过实际测试的手段得到磨煤机流场及颗粒运动情况的可行性非常低［4，5］。因此，基于计算流体力学的数值模拟技术基本上成了掌握磨煤机内部工作过程的唯一方法。

不少学者开展了磨煤机流场的数值模拟工作。田小伟等［6］对1台EM型磨煤机流场及煤粉颗粒的分离效率进行了数值模拟，发现分离器对50～150μm的颗粒具有很好的分级效率，但是计算域仅为磨煤机上部区域。李小燕等［7］模拟了EM125型磨煤机的磨腔内部流场，发现风环处压力损失最大，然而计算域只是磨煤机中下部。朱宪然［8］和闫顺林［9］等模拟了HP型中速磨煤机下部一次风的流场，发现风环处容易出现流速分布不均等问题。董素艳等［10］建立了较完整的中速磨煤机几何模型，对内部流场和多种典型粒径的煤粉颗粒进行模拟，得到了分离器转速与出口煤粉粒径的关系。毛永清等［11］以ZGM113G型中速磨煤机为研究对象，对增加切断分离器前后的内部流场进行了数值模拟，为项目改造提供理论依据。综上，由于中速磨煤机内部结构和运行过程非常复杂，现有的数值模拟研究中绝大多数只针对局部区域的流场进行模拟，会带来进出口边界条件与实际工况差异过大的问题。

本文以1台HP1163型中速磨煤机为研究对象，建立从一次风入口到磨煤机出口的完整几何模型，采用计算流体力学数值模拟技术，对内部流场进行模拟，并对煤粉颗粒的运行轨迹及分离特性进行了计算，掌握了各工况下磨煤机阻力，并得到了不同转速下的煤粉颗粒分离效率曲线，为磨煤机变工况运行及技术改造提供有力的理论支撑。

1 数值模拟模型

1.1 模拟对象介绍

浙江某电厂1000MW煤粉锅炉采用正压直吹式制粉系统。每台锅炉配6台HP1163型中速磨煤机，正常工作时5台运行、1台备用。设计200目、100目和50目的煤粉筛通过率分别为78%、96.2%和99.9%。

磨煤机结构如图1所示。破碎后的原煤由上部中心给煤管落到磨碗上，在离心力和重力的作用下逐步铺展，形成一层煤床。块煤在磨辊与磨碗之间受到挤压破碎，被研磨成粉。热一次风由下部送入，通过安装在磨碗外侧的风环自下而上进入磨煤机空间。磨碗外侧粒径较小的煤粉颗粒被气流携带向上运动，而大颗粒煤粉则由于重力及导向衬板的作用留在磨碗上继续研磨，这是一次分离过程［12］。带粉气流到达磨煤机上部时，由动态分离器进行煤粉的二次分离，粒径不合格的煤粉在离心力的作用下被甩到磨煤机内壁面附近，然后下落到磨碗上，重新进行研磨［13］。

1.2 几何模型及网格

几何模型如图2所示。由于几何模型复杂、各部件尺寸跨度范围大，采用非结构化的多面体单元进行网格划分，以大幅减少网格数量。同时，对分离器叶片、磨碗与磨辊间隙等流动关键区域进行网格局部加密。完成后，网格总数为468万个，质量均优于 0.45μm，并且通过了网格无相关性验证。

1.3 理论模型及计算条件

采用计算流体力学软件Ansys Fluent进行流场数值模拟，其中气相流动的计算采用可实现的k-ε湍流模型（Realizable k-ε Model）； 煤粉颗粒轨迹跟踪采用离散相模型（Discrete Phase Model），气固双向耦合，颗粒源位置是磨辊与磨碗之间的空隙。另外，磨碗、磨辊和动态分离器的叶片均为运动部件，采用多重参考坐标系方法 （Multiple moving reference frame）进行模拟。

流体介质为空气，近似为不可压缩理想气体。煤粉粒径采用Rosin-Rammler分布描述，范围为10～500μm，比热容为1550J/（kg·K）［14，15］。一次风量为 157t/h，风温为 311℃。

2 结果与讨论

2.1 速度分布

图3为动态分离器转速为80r/min时的磨煤机内部截面速度分布。结果表明，一次风切向进入风室，在风环叶片的作用下强烈旋转，同时往上运动，撞击导向衬板，完成一次分离；然后继续往上，穿过动态分离器，完成二次分离，离开磨煤机。最高风速出现在风环处，可达70m/s左右。

2.2 压力分布

图4为磨煤机内壁面压力分布情况，计算结果表明，磨煤机的阻力约为3.7kPa，与设计值接近。阻力主要产生于风环的导向叶片，因此该叶片角度在设计及改造中需要特别重视。另外，动态分离器出口至煤粉管道也有一定阻力，在磨煤机内部研磨空间，由于气流速度较低，阻力较小。

图5揭示了磨煤机阻力的变化规律。分离器转速越高，磨煤机通风阻力越大，但是变化幅度不大，如90r时阻力比60r时增加了约100Pa。这表明通过改变动态分离器转速来调整煤粉细度时，磨煤机通风阻力不会发生明显变化，对制粉系统的稳定运行是有利的。另外，一次风流量的变化对磨煤机阻力影响非常大。

2.3 煤粉颗粒轨迹及分离效率

不同大小颗粒轨迹如图6所示。计算表明，对于较粗煤粉颗粒（＞200μm），动态分离器几乎可以完全将其分离下来，回到研磨空间，最终达到磨碗；对于较细的合格煤粉（如＜50μm），则可以一次性通过动态分离器，离开磨煤机。

为了进一步得到定量数据，对10～500μm的煤粉颗粒轨迹进行跟踪分析，得到磨煤机的煤粉颗粒分离效率曲线，并在图中以离散点的方式给出设计值。由图7可见，计算得到的分离效率曲线与设计值非常接近，这表明数值模拟几何及理论模型基本正确、结果可靠。根据计算，动态分离器的转速对分离效率有较大影响，转速越高，对细颗粒煤粉的分离效率越高，煤粉越细。转速为70rpm时，50%分离效率对应的粒径为85μm；而转速为90rpm时，该粒径减小为60μm。

3 结论

本文对1台典型的HP1163型中速磨煤机建立了完整的几何模型，模拟了内部流场及煤粉颗粒运动情况。结果表明，磨煤机内最高风速和最大阻力均出现在风环叶片区域，因此该叶片角度通过优化设计可以较大幅度地影响通风阻力；磨煤机的通风阻力与动态分离器转速的相关性不大，而与一次风量的相关性更大；煤粉的分离效率主要受动态分离器转速影响，转速越高，磨煤机出口的煤粉粒径越小。以上流场模拟结论为HP型中速磨煤机的性能参数调整和优化技改提供了可信的依据。