采用新型弯扭叶片的高效旋转煤粉分离器研究.pdf

2023.7 下 EPEM 279电力装备Electric Equipment采用新型弯扭叶片的高效旋转煤粉分离器研究国能承德热电有限公司 滕 龙 金雷杨 北京京能高安屯燃气热电有限责任公司 贾朝阳摘要：本文设计一种采用新型弯扭叶片的高效旋转煤粉分离器，并通过数值模拟对其运行特性进行了研究。结果表明，与传统的直叶片旋转煤粉分离器相比，经济性和稳定性均得到了提升。关键词：制粉设备；旋转煤粉分离器；动叶安装角；数值模拟；综合分离效率我国正在全力实施“双碳”战略，未来清洁能源将成为主力能源供应方式，但目前火力发电仍占据较高占比。制粉系统作为火力发电厂运行中的重要组成部分，直接影响机组运行的安全性、稳定性、经济性1。传统的直叶旋转式分离器由于回粉量大、煤粉均匀性较差等因素导致辅机设备耗能较高，效率较低。为此笔者提出一种新型弯扭叶片设计改善上述情况，升级后分离器动叶组内的径向压力梯度减小、径向窜流损失和端部流动损失减小，压力场及速度场分布将更加均匀。笔者利用 CFD 软件对上述分离器进行了多工况数值模拟探究。通过分析数值模拟结果，得出了新型弯扭叶片的最佳结构参数、综合分离效率等，将其与传统直叶片分离器的运行特性相对比，验证了新型弯扭叶片分离器的高效性。1 新型分离器简介近年来，动态分离器在中速磨中得到了广泛应用，相比较于传统手动挡板式分离器，其可根据火力发电厂锅炉内火焰燃烧需要实时调整动叶区旋转速度，从而改变磨煤机出口煤粉细度，满足炉内低氮燃烧以及减缓结焦的目的。其主要由静叶导向装置、动叶旋转分离装置和调速系统组成。静叶组的主要作用是使煤粉颗粒在进入分离区前获得较大的切向初速度，切向速度的增加，可增大煤粉的离心力，使粗粉更容易分离出风粉气流，同时动叶组在旋转过程中可通过实时调节转速改变该区域流通环境，转速越大，风粉气流进入磨煤机出口的阻力越大，大直径颗粒与小直径颗粒相比，因其惯性较大，不容易随气流及时变向，更容易与动叶片发生撞击反弹完成筛选过程，最终在重力的同时作用下落入回粉椎。同时，动叶组鼓风作用的产生可延长大直径颗粒在静叶组和动叶组之间的停留时间，更有利于下落至回粉椎，回到磨煤机中重新研磨。1-电动机；2-过渡下煤斗；3-落煤管；4驱动齿轮箱；5-上部体；6-空心轴；7-动叶组；8-静叶组；9-下部体；10-回粉锥图1 粗粉分离器结构图传统直叶片型式的分离器中，由于中速磨煤机的风粉气流自风环区域形成后自下而上旋转进入静叶区，此过程在分离器顶部需经过由垂直方向向水平方向变向，即使经过静叶片整流，但仍存在气流流向与动叶组通道不吻合的情况，导致气流在动叶区形成涡流，造成风粉气流在该区域停留时间过长，同时叶片在风粉气流反复冲刷下磨损加剧，严重时被迫停运检280 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment修，增加了磨煤机的运行维护成本。与传统的动态分离器相比，新型分离器采用了弯扭动叶，通过优化叶片弯扭角度，寻优最佳参数，可减小气流流入时的阻挡损失，减缓动叶区形成涡流，降低涡流损失，提高分离器筛选作用，提高了分离器的效率。与传统的直叶片相比，弯扭叶片的形成过程较为复杂，具体过程如下：一是如图2所示，传统的直叶片中，叶片高度为 h，宽度为 d，厚度为，取厚度为/2处的叶片截面为 ABCD，中心轴为EE。二是弯曲变形：将叶片做变截面处理后以EE为折转轴，C、D 两点同时向 A、B 靠拢，过程中保证 AB、CD 均为直边，将叶片折转一定角度，使 AEC=BED=，形成弯曲叶片，如图2弯曲叶片所示。三是扭转变形：在弯曲叶片的基础上，进行扭转变形，定义为扭转角，形成最终的弯扭叶片。设计过程中维持了动叶进气边 AB 和静叶出气边的直边结构以及空间平行关系，有效地降低了运行过程中风粉气流的冲击损失。图2 弯扭叶片结构示意图新型叶片叶型由多个参数共同决定，对于已经确定弯扭角度的动叶，其安装角度的不同会直接引起分离器内部流通面积的变化，如果安装角选择不合理将会增大分离器内部阻力损失。如图3所示，定义动叶安装角，静叶安装角为，图中动叶截面为动叶下端面。本文选用一种已确定弯扭角度的新型动叶，针对装有该动叶的分离器进行多工况数值模拟，得出分离器动叶安装角的最优值，并与装有相同安装角传统直叶片分离器模拟数据进行对比。图3 静叶及动叶水平安装角示意图2 计算模型首先，利用 Gambit 前处理软件对两种分离器进行建模，由于模型内部结构复杂，无法直接划分网格，所以对整个模型做离散化处理，然后分别划分非结构化网格，再拼接成分离器整体并导出网格。最后，将画好的网格导入 Fluent 软件中进行数值模拟。为了验证该网格可以达到网格无关，分别通过简化和加密网格的处理方式，使得模型网格数分别约为90万、160万和220万。后期经分析数值模拟计算结果，分别以磨煤机出口速度和出口煤粉颗粒捕捉数据作为研究参数，模型网格数在160万以上时，上述参数计算结果的偏差值小于5%，认为此时模型数值模拟计算结果已不受网格数量影响，即实现网格无关性。最终本次数值模拟中所有模型经网格划分后，最终网格数均在180万左右，参考 Fluent 典型计算案例，连续相中设定湍流强度为10%，采用 Euler坐标系下的 k-epsilon/RNG 计算模型，其对于强旋流流场及高曲率流线的旋转分离器有着较好的改进效果。离散相中由于煤粉颗粒体积比率小于10%12%，采用离散相模型（DPM）模拟固相煤粉颗粒的运动并追踪其运动轨迹2-3。2.1 连续相方程4-5连续性方程：（1）动量方程：（2）湍动能方程 k：（3）湍动能耗散率方程 ：（4）2.2 离散相方程由于煤粉颗粒运动过程中主要受到气流曳引2023.7 下 EPEM 281电力装备Electric Equipment力 FD、离心力 FC、重力 G 作用，根据牛顿第二定律，得到 Lagrange 坐标系下的颗粒运动方程：、，式中：ug为气体的速度，m/s；up为颗粒的速度，m/s；Ap为颗粒的迎风面积，m2。2.3 边界条件设定分离器动叶转速设置为70r/min，进口风速设为33m/s，单位质量气体中煤粉质量为0.5kg。由于一次风温在入口处可达280，出口处风温在60左右，所以设定连续相密度为0.88kg/m3，湍流粘度为2.22e-5kg/ms，煤粉密度为1400kg/m3。模拟过程中对射入颗粒采取特征粒径分组处理的方法，分别选取30m、80m、90m、120m、150m、200m 六 组，根 据 安 装 角 的 取 值范围为030，分别设置 为10、15、20、25。结果中顶部出口飞出的颗粒定义为逃逸，回粉口飞出的定义为捕捉。3 结果与分析3.1 新型弯扭叶片分离器整理模拟数据，分析分离器综合分离效率、内部流通阻力等参数来评价分离器的分离性能并选择弯扭叶片的最佳安装角。综合分离效率采用3.1.1中分离效率公式来计算，该公式综合考虑了细粉和粗粉的分离情况，可以更准确地反映分离器的分离性能。3.1.1分离效率分析本文为了对比各工况的分离效率，做出如下定义：、=细粉逸出率-粗粉逸出率，其中：mi 为入口中粒径为 i 的质量，mi 为出口中粒径为 i 的质量。通过分析煤粉颗粒轨迹和捕捉情况绘制图4，随着安装角的增大，细粉分离效率和粗粉分离效率均逐渐增大，在=15时最大，分别达到97.6%和25.4%，但是该工况下大粒径煤粉未能高效地从煤粉气流中分离出来，这将导致出口煤粉细度上升，煤粉均匀性变差，随着安装角的继续增大，细粉分离效率和粗粉分离效率逐渐呈下降趋势，根据模拟结果=20时，达到最高值77.6%。使新型分离器达到高效运行的目的。图4 综合分离效率随动叶安装角度的变化3.1.2压力场分析通过分析内部风粉气流压力场，新型旋转分离器内部压力分布均匀，径向压力梯度良好，有利于风粉均匀混合，避免了煤粉管堵塞及炉内结渣。分离器内部越靠近中心管区域，其压力越小，在靠近落煤管附近压力会成为负值，形成低压区。此处流体高速旋转运动，携带细煤粉颗粒进入分离器上部体。对比四个工况，=15时，分离器进出口压差最大，约为528Pa，其他三种工况压差均在280Pa左右，根据伯努利方程可知，=15时，分离器内部风速升幅最大。综上所述，=15时磨煤机出口风粉气流流速最大，有利于维持风粉气流流速，但根据图4可知，=15时大颗粒煤粉受气流影响大量逃出磨煤机，影响了分离器效率。=20时分离器综合分离效率最高，经综合考虑后优先选择=20作为动叶安装角度。3.2 两种分离器运行特性对比为分析新型动叶分离器的改进效果，本文选取相同的边界条件，对传统直叶片动态分离器进行模拟，并与采用新型动叶分离器（=20）的模拟结果进行对比分析。由图5可以看出，采用弯扭叶片的新型分离器内部流场速度分布更加均匀，且静叶组部位回流区明显要小于传统分离器，有利于缓解由于煤粉气流连续冲刷造成的静叶磨损。通过对颗粒轨迹数据进行统计，传统直叶片分离器出口 R90为22.1%，而新型弯扭叶片分离器出口 R90降至11.4%，新型分离器在降低出口煤粉细度方面具有明显优势。图5 切面风粉气流速度分布图282 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment综上所述，新型弯扭叶片旋转煤粉分离器的动叶安装角度对其运行特性影响较大，经过对比分析，综合分离效率在=20时达到最大值，随后逐渐下降，所以选择20为新型分离器的动叶安装角度较为合适；新型分离器在=20时的经济性和稳定性最好，与传统的直叶片旋转煤粉分离器相比，其出口煤粉细度降低了48.4%，大颗粒煤粉的减少，有助于减少飞灰含碳量及 NOx 等污染物的生成；新型弯扭叶片旋转煤粉分离器与传统的直叶片旋转煤粉分离器相比，内部流场分布更加均匀，静叶区回流减少，降低了煤粉对分离器内部的磨损，延长了分离器的使用寿命，而且新型分离器的流通阻力更小，出口煤粉细度更低，是一种新型高效煤粉分离器的研究方向。参考文献1闫顺林,魏杰儒,等.新型弯扭动叶旋转煤粉分离器分离性能的冷态数值研究J.动力工程学报,2012,1.2朱彤,野崎勉,等.旋转型分离器流场中粒子运动的数值解析 J.化学工程,2007,8.3肖杰,邹锡南.旋转式粗粉分离器细度调节特性的实验研究 J.中国电机工程学报,2002,9.4朱宪然,赵振宁,等.中速磨煤机的石子煤特性研究 J.中国电机工程学报,2010,23.5 刘志勇.粗粉分离器的数值模拟研究与实验验证D.华中科技大学能源与动力工程学院,2006.（上接239页）维度的洞察分析，尽早安排合理的资金日排程时间，避免大型节假日不能付款导致的逾期结算事件发生。4 结论本文将 BN 理论应用于电力物资采购合同逾期结算风险管理研究中，结合 FTA 分析方法，建立了电力物资采购合同逾期结算 BN 风险模型；基于 BN风险模型，通过正向推理得到了电力物资采购合同款项的逾期结算风险发生概率；通过反向推理找到了影响电力物资采购合同按期支付的薄弱环节；最后结合研究成果，给出了有效防范电力物资采购合同逾期结算风险的建议和措施，对合同款项逾期结算风险的管理控制具有一定的指导意义。参考文献1张静.试析电力物资合同结算管理新思路 J.行业动态,2021,31.2 杨海燕.电力企业物资合同结算管理的研究 J.物流与供应链,2021,15.3 刘振元.数据驱动的水电工程物资供应链风险控制与决策 M.北京:中国电力出版社,2021.4高晓光.离散贝叶斯网络推理及应用M.国防工业出版社,2016.5University of Pittsburgh.GeNIe and Smile-homeEB/OL.2017.（上接251页）加制造系统的柔性。生产设备、试验检测设备的选型以高效、先进为原则，信息化系统的扩展与搭建以兼容现有平台为原则，既满足项目的投资力度要求，又充分考虑与现有信息化平台的统一性、协调性。4.4 在兼顾企业现状和未来发展前景的前提下，大力发展智能技术变压器智能化制造改造过程中，既要充分考虑到企业的现状，同时也要为企业的未来发展提供足够的发展空间，企业的管理层要依据市场和技术数据，在兼顾企业现状和未来发展前景的前提下，大力发展智能技术，为企业的可持续发展奠定基础。5 结语变压器制造企业的智能化制造是企业发展的必经之路，智能化制造不但可使制造水平得到显著提升，提高材料利用率、劳动生产率，而且减少了能源消耗，缩短了研制周期，提升了生产与物流系统的柔性，而且通过安全可控的先进制造装备、检测设备、控制系统，极大改善了生产现场的工作环境、降低了生产过程中的安全隐患，有效提升了企业的综合实力，促进了企业的高速和可持续发展。参考文献1王军奎,王凯,等.电力装备制造业智能工厂规划与实践 J.智能制造,2022,4.2 蔡子祥,王向阳,等.变压器叠铁心智能制造技术研究 J.电工钢,2022,2.3 刘盛.白云电器在电力装备制造行业智能制造实践和推广J.电气时代,2022,1.