HP中速磨煤机流场数值模拟分析

杜跃斐

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 分析背景

能源在当今社会发展的过程中起着举足轻重的作用,是国民经济发展的基础。进入21世纪后,能源与环境逐渐成为困扰全球可持续性发展的两大主要问题。目前,我国的整体能源格局仍然以传统燃煤火力发电为主,这种情况在相当长的时间内都不会改变。随着节能降耗和环境保护要求的提高,以及国民经济发展对电力需求的增长,燃煤锅炉机组运行的安全性、经济性和低污染问题显得尤为突出。磨煤机是燃煤火电厂的重要辅机之一,其运行状况直接影响锅炉的安全经济运行。长期以来,各电厂广泛存在制粉效率偏低、出粉细度均匀性差、分离阻力大、回粉量偏多等问题。可见,磨煤机的性能提升与改造已经刻不容缓。数值模拟计算作为研究和探索内部气固两相流和分离运动特性的重要手段,对缩短设计周期、降低设计风险、改善气固两相流场具有重要的意义。

近年来,很多科研人员和工程技术人员在磨煤机内部流动特性与气固两相流方面进行了研究、探索。文献[1-3]在中速磨煤机和双进双出磨煤机内部流动特性、温度场数值模拟与试验方面做了大量工作,总结了磨煤机内部的流动特性规律,为磨煤机的结构优化设计和实际控制提供了有益的参考。文献[4-5]在中速磨煤机粗粉分离器分离特性和三维气固两相流方面进行了大量研究工作。文献[6-10]在磨煤机粗粉分离器叶片结构优化方面进行了很多研究,取得了大量研究成果。文献[11]在中速磨煤机的建模与仿真领域进行了相关研究,取得了令人满意的结果。

笔者以现有的HP中速磨煤机为研究对象,对内部流动机理进行数值模拟分析。在分析中,对磨煤机进行建模与模型简化,确定流体域的网格划分方案,并对每个流体域进行网格划分。对计算提取的磨煤机内部流场信息进行分析,并得出了相关结论和结构改进建议。所进行的数值模拟分析工作对了解磨煤机内部流动机理具有重要意义,同时可以为机组运行人员的操作提供更加科学的依据,从而提高机组的安全性和经济性。

2 磨煤机工作原理

磨煤机作为燃煤机组中制粉系统的核心设备,用于将原煤碾磨为煤粉,使煤粉达到能在炉内有效燃烧的细度要求。原煤经给煤管落入旋转的磨碗中,在离心力的作用下沿径向向外移动至研磨环。加载装置产生的力通过磨辊作用在煤上,形成煤床,煤在磨环与磨辊之间研磨为煤粉。研磨后,煤粉在磨煤机内部主要经历了两级分离。一次风从磨碗底部进入,通过一次风室流经磨碗的外径,在磨碗上的风环使气流旋转向上流动,较小、较轻的煤粒被气流携带向上,进入上部空间,重的不易磨碎的外来杂物穿过气流,落入一次风室。此时,较重的煤粒直接返回磨碗,进一步被碾磨为更小的煤粒,较轻的煤粒被气流携带至分离器顶盖,进行第二级分离。经分离器二次分离出的较重煤粒经过内锥体,返回至磨碗的碾磨区域,重新进行碾磨。出口得到符合细度要求的煤粉,并送入锅炉燃烧室进行燃烧。

磨煤机内部视图如图1所示。

图1 磨煤机内部视图

3 磨煤机计算模型

3.1 流体基本方程

磨煤机内部的气体流动满足流体力学基本控制方程,即质量守恒方程和动量守恒方程。

质量守恒方程为:

(1)

式中:ρ为密度;t为时间;u为x方向的速度分量;v为y方向的速度分量;w为z方向的速度分量;Sm为质量源项。

式(1)在可压缩和不可压缩流场中均适用,是质量守恒方程总的形式。

动量守恒方程为:

(2)

(3)

(4)

式中:P为静压;fx为x方向的外力;fy为y方向的外力;fz为z方向的外力。

式(2)是直角坐标系下的流体动量守恒方程。

3.2 几何模型

HP中速磨煤机的几何模型如图2所示。根据HP中速磨煤机的几何特征,确定模型简化原则:① 保证转子体、叶轮、侧机体进风口的叶片参数不变,对缝隙或待焊处缝隙进行合并;② 对分离器腔体进行等效简化,保留导向衬板装置;③ 忽略磨辊与磨碗的相对运动,简化磨辊与磨碗装置;④ 删除一些不必要的气孔、螺母、孔、倒角、微小台阶特征。

图2 磨煤机几何模型

3.3 网格划分

由于磨煤机内部流场区域比较复杂,难以一次性完整地生成网格,因此需要先确定网格划分策略。笔者采用的方法是将整体流域切分为五个部分,包括入口、叶轮、中间体、分离器体、出口。分别对各流体域进行网格划分,之后再进行合并。HP中速磨煤机的流体网格模型如图3所示,共计有460万个网格。

图3 磨煤机流体网格模型

3.4 计算设置

笔者采用商业流体计算软件Fluent进行模拟,所采用的湍流模型为SSTk-ω模型,动静区域设置交界面处理,转子体采用多重参考系计算。

3.5 边界设置

在Fluent软件中设置各项边界条件,具体参数见表1。

表1 边界条件参数

4 整体流场分析

通过仿真计算,可以得到HP中速磨煤机的流场。在Fluent软件中进行后处理,提取HP中速磨煤机内部流场速度分布,如图4所示。由图4可知HP中速磨煤机的内部流场规律,红色代表速度较高的区域,表明出口区域速度较高,最高风速可达49.3 m/s。为了达到较好的煤粉分离效果,应该保证流场具备足够的向上速度带走煤粉颗粒,同时在二级分离处具有足够的离心力作用。

图4 磨煤机内部流场速度分布

5 叶轮装置流场研究

叶轮装置位于磨碗的外侧,与磨碗一起转动。气流从底部经过叶轮进入磨煤机内腔,然后进行煤粉的一次分离。由此可见,叶轮出口气流的速度和方向对磨煤机煤粉的分离效果起决定性作用。在叶轮结构中,导向板的角度是影响气流的最重要因素,因此笔者分析导向板角度的变化对流场的影响。

导向板角度如图5所示。选取导向板角度θ分别为35°、40°、45°、50°、55°,导向板角度变化的实质是叶片与转动方向夹角的变化。导向板角度越大,对气流方向的改变就越小。

图5 导向板角度

计算和提取不同导向板角度时的叶轮出口平均速度、叶轮出口局部最小速度及叶轮进出口压差,见表2。由表2可知,随着导向板角度的增大,平均速度减慢,局部最小速度减慢。通过深入分析流动变化规律可知,导向板角度越大,对气流的阻碍越小,叶轮进出口压差也越小。导向板角度从35°增大至55°,平均速度减慢16.8%,局部最小速度减慢23.3%,进出口压差减小40.9%。从计算结果综合考虑,速度和压差在导向板角度为40°～45°之间选取较为合理。

表2 叶轮流场随导向板角度变化情况

6 结束语

笔者在深入分析磨煤机工作原理的基础上,采用计算流体动力学方法,对HP中速磨煤机进行建模与网格划分,并对其内部流场进行数值模拟研究,并深入分析了叶轮装置结构变化对气流的影响,得出相关规律。

(1) 完成了HP中速磨煤机内部流场的建模,分析得到了流体网格划分策略,获得了HP中速磨煤机计算流体动力学模型。

(2) 通过分析HP中速磨煤机内部整体流场,获得了气流的速度分布规律,可以帮助工程人员深入认识煤粉分离的机理。

(3) 对叶轮装置进行深入研究,通过改变导向板角度得到结构对流场的影响规律,为叶轮的结构改进提供指导。

采用数值模拟方法来研究磨煤机内部的运动规律,对更加深入了解磨煤机内部的流动特性具有重要意义,同时为磨煤机结构改进提供了理论依据。