磨煤机入口一次风混流及均流装置的设计

第35卷第4期2019年4月电力科学与工程Electric Power Science and EngineeringVol.35,No.4Apr.,2019收稿日期:2019-01-14作者简介:王周君(1995 ),男,硕士研究生,主要研究方向为传感器与数据融合;黎星华(1993 ),男,硕士研究生,主要研究方向为流速分布不均匀流场流量测量装置;唐立军(1985 ),男,高级工程师,主要研究方向为多元信息融合;段泉圣(1962 ),男,教授,主要研究方向为先进传感技术与信息处理㊂通信作者:王周君doi:10.3969/j.ISSN.1672-0792.2019.04.011磨煤机入口一次风混流及均流装置的设计王周君1,2,黎星华1,唐立军2,段泉圣1(1.华北电力大学控制与计算机工程学院,北京102206;2.云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明650217)摘㊀要:为了提高燃煤电厂磨煤机入口一次风量测量的准确性,采用CFD 数值模拟方法设计了一套适用于紧凑型磨煤机入口一次风道的冷热风混流及均流装置,并通过数值模拟分析了中速磨煤机入口一次风道优化改造前后不同参考截面的速度和温度分布均匀性㊂结果表明:通过特殊设计的混合整流器㊁导流板和矩形栅格的组合布置,能够很好地满足风量测量元件对测量截面处流场和温度场均匀性的要求,从而使磨煤机入口一次风量测量的准确性和稳定性得到大幅度提高㊂关键词:中速磨煤机;一次风;流场;温度场;均匀性;数值模拟中图分类号:TM743㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1672-0792(2019)04-0069-05Design of primary air flow mixing and equalizingdevice for coal mill inletWANG Zhoujun 1,2,LI Xinghua 1,TANG Lijun 2,DUAN Quansheng 1(1.School of Control and Computer Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.Electric Power Research Institute,Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Kunming 650217,China)Abstract :In order to improve the accuracy of the measurement of inlet primary air flow in a primary air duct,a cold-hot air flow mixing and equalizing device which is suitable for the primary air duct infront of the compact coal mill is designed by CFD numerical simulation,and the uniformity of velocity and temperature distribution in different cross-sections are analyzed by numerical simulation before and after the optimization and retrofit of the primary air duct at the medium speed coal mill inlet.Results indicate that the combined layout of the mixed rectifier,deflector and rectangle gridiron rectifier can well satisfy the requirements of the air flow measurement element in the uniformity of the flow field and temperature field at the measuring section.Therefore,the accuracy and stability of the primary air flow measurement of the coal mill inlet are greatly improved.Key words :medium speed coal mill;primary air;flow field;temperature field;uniformity;numericalsimulation㊀㊀电力科学与工程㊀2019年0㊀引言㊀㊀大型火电厂燃煤锅炉普遍采用中速磨煤机直吹式制粉系统,磨煤机入口风量的准确性直接影响到锅炉制粉系统㊁燃烧系统的经济性和稳定性㊂由于电厂规模的扩大和场地空间的限制,制粉系统的布置越来越紧凑,一次风道越来越短,导致磨煤机入口冷㊁热一次风掺混不均,加上管道内各种阻流件的扰动作用,使得风量测量装置处的流场紊乱,出现涡流或二次流,进而导致风量测量装置处的速度和温度分布极不均匀,从而造成绝大多数火电厂磨煤机入口风量测量不准且动态特性差,有时甚至出现风量测量装置测得的风量和风门开度变化相反的现象[1-4]㊂国内外学者对火电厂磨煤机入口一次风量测量问题进行研究时,大多集中在测量元件的改进和优化方面,如采用等截面多点式自清灰风量测量装置[5]㊁防堵阵列式风量测量装置[6]以及FDB/ SS型风量测量装置[7]等㊂在磨煤机入口冷㊁热一次风道布置空间极为紧凑的情况下,风量测量装置处的流场和温度场均匀性较难保证,准确测量磨煤机入口一次风量难度极大㊂因此,要实现磨煤机入口风量的精确测量,一次风道内流场和温度场均匀性的改善显得尤为重要㊂本文以国内某600MW机组锅炉中速磨煤机入口前冷㊁热风母管后的一次风道为研究对象,采用CFD数值模拟的方法对磨煤机入口一次风道内的流场和温度场进行研究,并设计了一套适用于紧凑型磨煤机入口一次风道的冷热风混流及均流装置㊂采用上述设计方案,使冷㊁热一次风混合均匀,流场和温度场均匀性得到大幅度提高,从而使磨煤机入口一次风量测量的准确性和稳定性得到大幅度提高㊂1㊀数学模型及计算方法1.1㊀数学模型图1为国内某600MW机组锅炉中速磨煤机入口一次风道的物理模型示意图㊂根据设计,磨煤机入口一次风量测量装置安装位置处的管道截面尺寸为1200mmˑ1400mm,冷一次风道管径为600mm,垂直接入热一次风道,接入位置距离上弯头进口4000mm㊂风量测量装置安装前后直管段长度只有2500mm,达不到管内流体成为充分发展管流所需要的直管段长度[8]㊂同时,还可以看出,管道内存在各种阻流件,如冷㊁热一次风调节阀㊁弯头㊁渐缩管等,加上冷热风交汇处到风量测量装置间的距离较短,导致冷热风不能完全均匀混合,使得风量测量装置处的流场均匀性和温度场均匀性难以保证㊂另外,热一次风调节阀为百叶窗式,冷一次风调节阀为蝶阀,由于在不同工况下冷㊁热一次风调节阀的开度会发生变化,因此也会影响风量测量截面的流场和温度场的均匀性,从而影响风量测量的准确性㊂图1㊀物理模型示意图1.2㊀计算方法选定制粉系统的两种运行工况作为模拟研究工况,模拟工况的具体参数如表1所示㊂表1㊀模拟工况参数项目工况1工况2风门开度/%5580热一次风流量/(t㊃h-1)94.5132.8入口温度/K593593风压/kPa11.511.5风门开度/%6075冷一次风流量/(t㊃h-1)14.616.5入口温度/K293293风压/kPa8.08.0㊀㊀采用ICEM CFD软件对物理模型进行三维混合网格划分㊂对管道形状相对规则的部分进行结构网格划分,而对于复杂部位则采用非结构07㊀第4期㊀王周君,等:磨煤机入口一次风混流及均流装置的设计㊀网格划分,并进行了局部网格加密处理㊂图2为工况1的一次风道的网格划分,网格总数为458851㊂由于一次风道内的马赫数Ma <0.3,可认为其流动为定常不可压缩的湍流流动㊂考虑到管道的复杂结构,湍流模型采用RNG k -ε模型[9],近壁处采用标准壁面函数法处理㊂边界条件设置具体如下:(1)冷㊁热一次风入口采用流量入口条件㊂(2)出口采用自由流出条件㊂在y 轴方向设置重力加速度为-9.81m /s 2,方向与竖直管段流体流向相同㊂(3)壁面处采用无滑移边界条件,壁面粗糙度采用默认值0.5㊂(4)计算结果收敛的条件为能量方程的残差小于10-6,其他方程的残差小于10-4㊂(5)流体材料为空气,压力 速度耦合采用SIMPLE 算法[10],其中压力采用二阶离散格式,动量㊁湍动能㊁湍流耗散率和能量方程的离散格式均采用二阶迎风格式㊂图2㊀工况1下的一次风道网格划分1.3㊀均匀性评价指标选取上弯头上游截面,风量测量和温度测量截面作为参考截面,采用速度相对标准偏差C v 和㊀㊀㊀㊀温度相对标准偏差C T 作为衡量截面上流场均匀性和温度场均匀性的量化指标[11]㊂C v =S v v ˑ100%(1)C T =S T T-ˑ100%(2)S v =1n -1ðni =1v i - v ()2(3)S T =1n -1ðn i =1(T i-T -)2(4)式中:S v ,S T 分别表示截面上速度标准偏差和温度标准偏差;v i ,T i 分别表示第i 个测点的速度值和温度值;v ,T -分别表示截面上所有测点的平均速度㊁平均温度;n 表示测点个数㊂按照等截面网格法多点测量原理,在上弯头上游截面和风量测量截面上布置25个测点,温度测量截面上布置20个测点㊂2㊀模拟结果与分析㊀㊀工况1和工况2的各参考截面速度和温度分布均匀性指标如表2所示㊂由表2可见:随着工况的提高,参考截面速度相对标准偏差减小而温度相对标准偏差增大,说明混合管段内速度和温度分布均匀性受工况的影响,而这种影响效果是相反的㊂由表2还可以看出,工况1和工况2下风量测量截面上测点速度范围和温度范围相差较大,速度相对标准偏差分别为29.26%㊁28.53%,温度相对标准偏差分别为2.81%㊁8.17%,表明风量测量截面上速度和温度分布并不均匀,冷㊁热一次风通过调节风门后相互混合不均匀㊂表2㊀工况1和工况2的各参考截面速度和温度分布均匀性指标工况上弯头上游截面风量测量截面温度测量截面Δv /(m ㊃s -1)C v /%ΔT /KC T /%Δv /(m ㊃s -1)C v /%ΔT /KC T /%ΔT /KC T /%17.37~25.0330.06487~592 5.522.86~22.3329.26520~576 2.81536~565 1.56210.58~24.9818.59427~59310.48 2.51~24.6228.53476~5938.17497~593 5.18㊀㊀图3为工况1的磨煤机入口一次风道内流线图㊂可以看出,气流通过冷㊁热一次风调节阀门后,出现明显的扭转现象,风量测量截面的速度方向出现很大的偏转,无法正对着风量测量元件,从而造成风量测量偏差较大㊁波动剧烈等问题㊂因此,拟采用加装冷热一次风混流及均流装置来提高混合风道流场和温度场的均匀性,调整气流偏向,使气流的来流方向正对着风量测量元件,实现磨煤机入口一次风量的精确测量㊂17㊀㊀电力科学与工程㊀2019年图3㊀工况1下磨煤机入口一次风道内流线图3㊀冷热一次风混流及均流装置设计㊀㊀本文针对现有磨煤机入口一次风量测量不准㊁风量控制无法自动投入的问题,采用数值模拟方法设计了冷热一次风混流及均流装置,可以使冷㊁热一次风混合均匀,流场和温度场均匀性得到大幅度提高,从而实现磨煤机入口一次风量的精确测量㊂图4为磨煤机入口一次风道优化改造后模型图㊂图4㊀磨煤机入口一次风道优化改造后模型图结合了以往对燃煤电厂磨煤机入口矩形一次风道的改造经验,为了使冷一次风与热一次风有更大的接触面积,对原冷一次风道进行了优化改造,增加了冷一次风箱㊂冷一次风箱结构为上端开口小,下端开口大的渐扩结构㊂图5为冷热一次风混流及均流装置㊂其中图5(a)为混合整流器,由3个等间距的混合整流组件构成,混合整流组件由5mm普通钢板制成,呈薄壁空腔结构[12]㊂图5(b)设计的导流板采用5mm普通钢板制成的同心变径弧形板内密外疏布置在上弯头处,可以有效缓解气流在弯头处因惯性而出现偏向㊂图5(c)设计的矩形栅格整流器采用壁厚2mm普通钢板制成,单元孔为边长40mm的正方形,长度为200mm㊂矩形栅格布置在竖直管段内图5㊀冷热一次风混流及均流装置风量测量装置上游㊂矩形栅格能够调整气流的偏向,消除风道内形成的漩涡,减小矩形风道内气流的旋转对风速测量的影响㊂图6㊀优化改造后工况1的磨煤机入口一次风道内流线图图6为优化改造后工况1的磨煤机入口一次风道内流线图㊂可以看出,气流经混合整流器㊁导流板和矩形栅格整流后,混合风道内气流的扭转现象得到有效的改善,风量测量截面的来流方向正对测风元件,大大提高了风量测量的准确性㊂27㊀第4期㊀王周君,等:磨煤机入口一次风混流及均流装置的设计㊀优化改造后工况1和工况2的各参考截面速度和温度分布均匀性指标如表3所示㊂由表3可见:增加冷热一次风混流及均流装置后风道内各测量截面速度和温度相对标准偏差都有所减小,测点速度范围和温度范围进一步缩小;上弯头上游截面速度相对标准偏差由优化改造前的18.59%~30.06%减小至16.40%~22.12%,温度相对标准偏差由优化改造前的5.52%~10.48%减小至2.42%~2.53%,说明混合整流器确实能够实现冷热风均匀混合,还能够对气流起到整流的作用;风量测量截面速度相对偏差由优化改造前的28.53%~29.26%减小至3.56%~7.03%,相应温度相对标准偏差由优化改造前的2.81%~8.17%减小至1.50%~1.56%,测点速度范围和温度范围大幅度缩小,提高了风量测量截面处流场和温度场的均匀性,完全能够满足风量测量元件对流场和温度场均匀性的要求;此外,工况2的温度测量截面温度相对标准偏差由优化改造前的5.18%减小至1.24%,测点温度范围由优化改造前的497~ 593K缩小为547~571K㊂与优化改造前相比,工况1和工况2的一次风总压损分别增大了148Pa 和434Pa㊂表3㊀优化改造后工况1和工况2的各参考截面速度和温度分布均匀性指标工况上弯头上游截面风量测量截面温度测量截面Δv/(m㊃s-1)C v/%ΔT/K C T/%Δv/(m㊃s-1)C v/%ΔT/K C T/%ΔT/K C T/%19.16~20.2122.12526~576 2.5313.99~17.607.03536~567 1.56538~568 1.54 212.05~24.8616.40529~578 2.4219.50~21.94 3.56543~573 1.50547~571 1.244㊀结论㊀㊀(1)中速磨煤机入口一次风道内由于各种阻流件的扰动,气流易发生扭转,在风量测量截面处的速度方向出现很大的偏转,无法正对着风量测量元件,从而导致磨煤机入口一次风量测量不准及动态特性差等问题㊂另外冷㊁热风掺混不均也是绝大多数火电厂磨煤机入口一次风量测量不准的另一个重要原因㊂(2)通过对特殊设计的混合整流器㊁导流板和矩形栅格的组合布置,能够实现磨煤机入口冷㊁热一次风充分混合,调整气流的偏向,使得气流的来流方向正对风量测量元件;风量测量截面速度相对标准偏差降低在7%以内,温度相对标准偏差降低在2%以内,完全能够满足风量测量元件对测量截面流场和温度场均匀性的要求,从而使磨煤机入口一次风量测量的准确性和稳定性得到大幅度提高㊂与优化改造前相比,工况1和工况2的一次风总压损分别增大了148Pa和434Pa㊂参考文献:[1]常毅君,王晓冰,张波,等.磨煤机入口一次风量测量数值模拟研究[J].热力发电,2012,41(12):48-50.[2]朱宪然,赵振宁,张清峰.数值模拟方法测量和标定中速磨煤机直吹式制粉系统一次风量[J].华北电力技术,2011(4):1-4.[3]梅振锋,陈敏,徐妙锋,等.中速磨煤机前圆形一次风道流场模拟及优化设计[J].热力发电,2016,45(11):99-105.[4]彭小敏,胡亮,徐亚峰,等.大型燃煤电厂中速磨煤机入口圆形一次风道均流技术研究[J].中国科技论文,2017,12(11):1309-1314. 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