采用新型弯扭叶片的高效旋转煤粉分离器研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、,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
7、 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
8、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
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