风口导流板对磨煤机两相流分布及磨损影响

鲁陈立，王春民

（北京电力设备总厂有限公司，北京 102446）

两相流磨损特别是气固两相流与液固两相流磨损问题普遍存在于冶金装备、能源装备、建材、航空、航天等许多工业领域，并且已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一。磨煤机内部的气固两相流分布是影响磨煤机性能的重要因素，它关系到磨煤机中许多重要零部件的使用寿命，如喷嘴环、磨辊装置、机壳、分离器等。因此预测气固两相流中固粒对磨煤机的重要零部件的磨损是必要的，也是制造商在设计过程中需要面对的一个难点。

在火力发电行业节能环保要求日趋严格的背景下，磨煤机的改造和优化已经成为了许多电厂关注的一个重要课题。对中速磨煤机的改造尝试已有许多，如改造一次风室、喷嘴环结构、旋转分离器等，但是，由于磨煤机内部流场测量手段的缺失，这些改造均是基于现场运行人员的定性经验分析，因此改造的结果也是差强人意。随着数值模拟方法在工程上的广泛应用，对中速磨煤机内部流场的定量仿真成为可能。某火电厂向笔者所在公司反馈ZGM133磨三个磨辊中其中一个磨辊冲刷尤其严重，导致整套磨辊装置寿命减小。本研究针对此现象，对底部风室进行了大量的流体仿真试验，最终提出具体解决方案。

1 有限元仿真建模

ICEM－CFD是专业的前处理软件，能为所有大型CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。

图1 有限元仿真模型建立

目前以计算力学为基础的数值模拟方法，因其成本低，耗时短和可以提供细微的流场信息，从而揭示更多流场（包括多相流）的机制，近年来获得了越来越多的重视，并得到了长足的发展。文章采用数值模拟法，从调整一次风入口角度入手，提出一种全新的控制磨煤机内部气固两相流分布的手段。FLUENT能处理凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。本研究在SolidWorks中建立三维模型，利用ICEM－CFD对三维模型进行网格划分，最终在FLUENT中分析。仿真模型主要考虑了一次风口，底部风室，喷嘴环，机壳结构。

2 一次风室的流速及静压不均匀分布

首先进行不加导流板时仿真试验，测得一次风室的静压分布情况。仿真基础数据：一次风边界条件入口空气密度为0.62 kg/m3，质量流量为29 kg/s，动环转速22.42 r/min，Input类型为mass－ flow，Output类型为pressureoutlet，并且定义出口压强为3000 Pa。由图2可以得出，一次风室内部静压分布不均，其中一次风口对侧由于两股风相遇导致流速下降，风口对侧相应静压增大，这种不均匀现象普遍存在于一次风室内部。

图2 喷嘴环入口的流速及静压分布不均现状

由伯努利原理可知，

式中：p为流体中某点的压强（Pa）；v为流体该点的流速（m/s）；ρ为流体密度（kg/m3）；g为重力加速度（m/s2）；h为该点所在高度（m）；C是一个常量。

由公式（1）可知等高流动时，流速小，静压力就大。一次风从一侧水平进入磨煤机，在风室内化为两股流体在一次风接口的对侧相遇。相遇过程中速度突然减小，同时导致此处静压增加。相遇（撞）的过程导致了一次风室内部的流速与静压的不均匀。其中静压大的地方，携带煤粉的能力强，经过旋转喷嘴环后对磨煤机部件的壁面冲刷作用强。导致了最终磨损的不均匀性。同时，由图2可知喷嘴环入口的流速分布不均匀，而这往往会导致磨辊、机壳的磨损不均匀。

试验尝试采用在一次风口加入导流板的方法，针对此方法提出了四种流体仿真试验方案：采用斜45°，均布导流板。对不同导流板长度进行试验，确定导流板长度；采用“最适角度”，均布导流板，减少湍流回流对不同导流板角度进行试验，确定导流板斜向角度；采用不均布导流板。调整三块导流板的间距，确定合理间距；改进一次风口的流向。

3 流体仿真试验

仿真试验方案一：加45°斜导流板。分别进行了320 mm、700 mm长度的导流板试验，导流板长度为320 mm时，图3左侧蓝色区域为一次风接口的对称侧，该蓝色区域略微向图3的下侧偏移，基本没有对“交汇点”进行调整。导流板长度为700 mm时，发现“交汇点”明显下移5格，说明700 mm长时，增强了导流板的导流作用，同时长度适应于此工程。

仿真试验方案二：根据一次风室圆弧弧线和一次风口采用适应于此工程的40°斜板。由图5可知，当采用40°导流板时，一次风口对侧的静压与速度分布更加均匀，说明了采用均布40°导流板，减少了湍流和回流，导流作用得到加强。

图3 导流板320 mm喷嘴环入口速度

图4 导流板700 mm喷嘴环入口速度

图5 40度导流板喷嘴环入口速度

仿真试验方案三：采用不均布45°斜板。分别采用由左到右间距增大和由左到右间距减小分布的45°斜板。由图6可知，对侧处依然出现很明显的速度静压分布不均匀现象，虽然导流作用继续加强，但导致“交汇点”不可控，不建议在工程中使用。

图6 不均布导流板喷嘴环入口速度

仿真试验方案四：控制流场速度方向。此仿真实验说明控制一次风流向，改变交汇点位置的有效性，见图7。但本方案对一次风口改动较大，不建议在工程中使用。

图7 控制流场速度方向喷嘴环入口速度

4 磨损与煤粉速度及静压力之间的关系

进一步研究，磨煤机内部碾磨件的磨损原因主要为碾磨磨损与气固二相流的冲刷磨损，其中冲刷磨损对磨煤机喷嘴环、磨辊、机壳结构的寿命影响较大，图8为煤粉冲刷磨损的过程伴随着壁面裂纹产生的过程。

图8 壁面磨损示意图

在这里我们对部件的磨损与我们考量的参数速度与静压力之间的关系进行数值模拟。从煤粉速度到零部件材料去除过程数值模拟采用Autodyn软件。该软件最早是由Century Dynamics研发的专门用于军工方面的数值模拟。性能上Autodyn拥有能够计算结构力学的有限元求解器，能够用于快速瞬态计算流体动力学的计算力学求解器，能够用于大变形和碎裂的无网格/粒子方法。多求解器相互耦合，用于多种物理现象耦合情况下的求解。特别适合结构动力学、快速流体流动、材料模型、冲击、爆炸和冲击波响应分析，对其进行有限元数值模拟建模，见图9。

图9 数值模拟建模

采用Lagrange求解器，所有材料均选用Autodyn自带的本构模型。模型中煤粉颗粒的直径设置为15 mm，壁面材料定义为16 Mn，让煤粉以90°垂直入射。改变喷管中气流压力，将数值模拟过程中喷管中的静压力也对应设置为0.2～0.6 MPa，设置间隔为0.1 MPa。考察相同入射角度下的材料中的裂纹影响区深度。

从静压力从0.2～0.6 MPa增大的过程中，煤粉对机壳壁面造成的表面损伤也逐步递增，直观表现为裂纹影响区的深度逐渐递增，且影响区包络的区域面积明显增大。进一步统计了各喷射压力下冲刷裂纹影响区影响深度，可以定量表达出静压力对裂纹深度的影响规律。裂纹影响区深度与煤粉接触机壳壁面的速度成正相关。这也进一步说明了上节所比较的静压力与速度对考量磨损情况的可行性。

5 结语

通过以上仿真试验得出以下结论：喷嘴环入口流速不均匀是导致磨辊磨损不均的主要原因之一。通过在一次风口加入导流板能够有效的改变“交汇点”，以达到减少单个磨辊磨损的作用，然而一次风口加入导流板虽然起到了减小单个磨辊磨损的作用，但不能彻底改变喷嘴环入口流速分布不均的现状。

某工程采用方案一后经过6个月高负荷运行，测得三个磨辊的磨损情况为：15 mm、26 mm、27 mm。而加导流板之前高负荷运行4个月3个磨辊磨损情况为20 mm、25 mm、40 mm效果明显，运行试验结果表明导流板起到了改善磨损的作用。