磨煤机入口一次风管水平段长度改造可行性分析

刘智博,刘维岐,关多娇,代新瑶,周 闯

(1.沈阳工程学院,辽宁 沈阳 110136;2.中电投东北能源科技有限公司,辽宁 沈阳 110179)

0 引言

目前大型燃煤机组普遍采用中速磨煤机制备煤粉,一次风作为煤粉制备过程中重要的干燥剂和输送媒介。在正压直吹式制粉系统中,一次风量的准确测量是制粉系统安全经济运行的必要条件[1-2]。国内火电机组均采用紧凑式布置方式,磨煤机入口通风管道均存在较多弯头或截面突变结构,因此不能保证弯管后有足够长的水平直管段。而弯管后水平直管段的长度对流量系数影响较大[3]。本文利用流体仿真软件对实际电厂中3种工况下不同长度的弯管后水平直管段进行模拟仿真,得到弯管45°处的压强差,再利用强制涡流理论,得出修正后的流量系数及流量,与实际流量进行对比。因此本文主要研究磨煤机前一次风管水平段长度大小对流量的影响,为一次风道的优化改造提供参考[4]。

1 强制涡流理论

当流体流经弯管时,由于弯管的约束作用,迫使流体在弯管内做曲线运动。流体在管道内做曲线运动时必然会产生惯性离心力,其大小与流体的流速、密度及曲率半径等因素都有直接关系。在离心力作用下,在弯管内、外侧将产生压力差,且该压力差与上述影响因素有关。因此,只要测出弯管内、外侧的静压差值,就可以方便算出管道内的流体流量[5-6]。

(1)

式中:Q为流量,m3/s;R为弯管中心曲率半径,m;D为弯管当量直径,m;Δp为弯管截面内、外侧压强差,Pa;ρ为流体密度,kg/m3;C为流量系数。

相关研究表明,强制涡流理论与试验结果较为吻合[7],因此本文以强制涡流理论为研究依据。对于特定的管道尺寸及弯管形状,式(1)中的弯管中心曲率半径、弯管当量直径均为定值,当流体种类及温度压力确定时,流体密度也为定值。因此通过数值计算求得弯管截面内、外侧压强差,即可根据强制涡流理论求得管道中的实际流量大小。

2 研究对象及数值建模

2.1 研究对象

某电厂为2×600 MW的国产超临界燃煤发电机组,锅炉为HG1900/25.4-YM3型,每台锅炉配有6台MPS235HP-Ⅱ型中速磨煤机。在大比例掺烧褐煤后,制粉系统先后出现了煤粉管道漏粉、磨煤机内部构件磨损严重、燃烧器本体磨损严重等问题,严重影响机组安全生产运行,并造成较为严重的经济损失。

2.2 数学模型建立及网格划分

根据相似原理进行数值计算分析,以10∶1比例进行建模。弯管的当量直径为D,前直管段长度为2.5D,后直管段长度分别设为0、0.5D、1D、1.5D、2D、3D、4D、5D。网格为六面体结构化网格,如图1所示。

图1 磨煤机入口数学模型网格划分

2.3 边界条件及模型选择

随着负荷的不同需要,一次风阀门开度也不同,故研究电厂3种工况下模型内部流场的变化。入口设置为速度入口,出口设置为压力出口,其他部分为固体壁面,具体工况及边界条件如表1所示。紊流模型的选择可实现k-ε双方程模型,为了提高计算精度,采用SIMPLEC压力速度耦合方法,对于压力项采用标准格式,对于动能、湍动能和湍流耗散率都选用二阶迎风格式[8]。

表1 数值模拟主要边界条件

3 数值计算结果分析及验证

3.1 数值计算结果分析

通过对上述3种工况进行数值计算,分析弯管后水平段长度变化对流量系数的影响。对弯管45°处取弯管内、外侧静压,应用强制涡流理论,对净压强差进行分析,得到不同工况下弯管45°处内、外侧压强差随弯管后水平段长度变化情况如图2所示。

(a)100%工况

由图2可知,弯管后水平段的长度对于流量系数测量的准确性影响较小。

3.2 准确性验证

现电厂原有直管段长度为3D,分别取3种工况下在0.5D～3D的修正流量系数及修正密度,可以利用流量公式反求得风管入口的进风流量,并与实际流量进行对比,结果如图3所示。

图3 不同工况下后直管段长度与流量差分布

由图3可知,不同工况下后直管段长度在1D～2D时对于流量的测量最为稳定和准确。

3 结论

a. 在3种工况下弯管后直管段0.5D～5D压力差值基本吻合,流量系数变化范围在0.5D～5D时波动不大,较为稳定。

b. 不同工况下后直管段长度在1D～2D对于流量测量的稳定性和准确性均有保证,因此关于磨煤机前一次风管后水平直管段的改造经济可行,可为存在类似情况的电厂提供参考。