谷俊杰， 王玉坤

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003)

MPS型中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)機(jī)理建模與仿真

谷俊杰， 王玉坤

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003)

為了對(duì)MPS型中速磨煤機(jī)運(yùn)行進(jìn)行快速有效的評(píng)價(jià)與控制，建立了綜合磨煤機(jī)研磨與干燥過(guò)程、煤粉分離過(guò)程以及返料過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，將MPS型中速磨煤機(jī)分為磨盤區(qū)、研磨區(qū)、初步分離區(qū)、分離器和磨煤機(jī)外壁5個(gè)部分，建立了煤粉質(zhì)量平衡、熱量平衡和水平衡方程，并利用Matlab軟件對(duì)該磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算與仿真.結(jié)果表明：在磨煤機(jī)給定運(yùn)行工況下，當(dāng)一次風(fēng)溫、一次風(fēng)量、給煤量階躍擾動(dòng)時(shí)，磨煤機(jī)出力、磨煤機(jī)出口溫度和外壁溫度變化仿真曲線與實(shí)際運(yùn)行相符；在不同干燥劑量和分離器轉(zhuǎn)速下，煤粉細(xì)度變化與實(shí)際運(yùn)行相符.

MPS型中速磨煤機(jī)； 建模； 仿真； 平衡； 煤粉細(xì)度； 參數(shù)擾動(dòng)

隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，MPS型中速磨煤機(jī)被廣泛應(yīng)用于電站原煤碾磨、干燥、選粉和送粉過(guò)程中.MPS型中速磨煤機(jī)采用自動(dòng)化控制，安全性好，對(duì)鍋爐負(fù)荷變化響應(yīng)迅速，具有寬范圍處理調(diào)節(jié)能力和對(duì)高水分煤的干燥能力，出力穩(wěn)定性好，制粉電耗低，研磨部件磨損小，且磨損對(duì)出力影響較小，因而被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大型機(jī)組制粉系統(tǒng)中[1].

近年來(lái)，已有眾多學(xué)者對(duì)MPS型中速磨煤機(jī)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行建模.Bhambare等[2]構(gòu)建了考慮原煤水分蒸發(fā)與原煤粒徑分布的MPS型中速磨煤機(jī)CFD模型；李少華等[3]利用模糊物元理論結(jié)合歐氏貼近原理，建立中速磨煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的模糊物元模型，對(duì)磨煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià)；曾德良等[4]基于歷史數(shù)據(jù)結(jié)合遺傳算法對(duì)MPS型中速磨煤機(jī)模型的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，并通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼濾波方法對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)；魏樂(lè)等[5]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理構(gòu)建了MPS型中速磨煤機(jī)的系統(tǒng)模型.這些研究成果對(duì)MPS型中速磨煤機(jī)的研究與運(yùn)行操作具有指導(dǎo)意義，但是綜合磨煤機(jī)研磨與干燥過(guò)程、煤粉分離過(guò)程以及返料過(guò)程進(jìn)行機(jī)理建模的研究較少.

筆者將MPS型中速磨煤機(jī)分成磨盤區(qū)、研磨區(qū)、初步分離區(qū)、分離器和磨煤機(jī)外壁5個(gè)部分，建立了煤粉質(zhì)量平衡、熱量平衡和水平衡方程，對(duì)原煤研磨和干燥、初步分離區(qū)和分離器對(duì)煤粉的2次分離以及返料過(guò)程進(jìn)行了建模.采用Matlab軟件對(duì)MPS型中速磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真曲線與實(shí)際運(yùn)行情況相符，能正確有效地反映出該磨煤機(jī)的特性，為其運(yùn)行提供了理論支持，對(duì)電站的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義.

1 磨煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)

1.1 基本參數(shù)

某電廠采用MPS190型磨煤機(jī)，其基本運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1，煤種參數(shù)見(jiàn)表2.

表1 MPS190型磨煤機(jī)基本運(yùn)行參數(shù)

1.2 磨煤機(jī)出力與功率

根據(jù)我國(guó)輪式磨煤機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，MPS型中速磨煤機(jī)研磨出力Bm計(jì)算式如下：

表2 煤種基本參數(shù)

Bm=B0KHKRKMKAKgKeKsi

(1)

式中：B0為磨煤機(jī)磨某種煤時(shí)的出力，t/h，取B0=38 t/h；KH為煤的哈氏可磨性指數(shù)修正系數(shù)；KR為煤粉細(xì)度修正系數(shù)；KM為水分修正系數(shù)；KA為原煤灰分修正系數(shù)；Kg為原煤粒度修正系數(shù)；Ke為運(yùn)行后期研磨部件磨損對(duì)處理的影響系數(shù)；Ksi為分離器形式對(duì)磨煤機(jī)出力的修正系數(shù).

根據(jù)我國(guó)對(duì)輪式磨煤機(jī)研磨出力計(jì)算提出的修正系數(shù)，KH=1.11，KR=0.97，KM=0.969，KA=1.00，Kg=1.0，Ke=0.95，Ksi=1.03.經(jīng)計(jì)算得Bm=38.79 t/h.

MPS型中速磨煤機(jī)的功率為：

Pm=PiBm+P0

(2)

式中：Pi為磨煤的單位電耗，一般取5 kW·h/t；P0為磨煤機(jī)的空載功率，取77 kW.

在確定磨煤機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量時(shí)，需考慮磨煤機(jī)磨損后單位功率消耗的增加，應(yīng)增加約10%的裕量，且電動(dòng)機(jī)本身需要留有約15%的安裝功率裕量，因此MPS型中速磨煤機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為：

Pdj=1.1×1.15Pm

(3)

1.3 磨輥加載力

變加載液壓系統(tǒng)可滿足不同鍋爐負(fù)荷的需求自動(dòng)調(diào)節(jié)加載力，不會(huì)由于磨煤機(jī)額定出力過(guò)低而使碾磨力受到限制，在低負(fù)荷下仍可穩(wěn)定運(yùn)行.當(dāng)煤質(zhì)或鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，加載力快速調(diào)節(jié)，直接影響磨煤機(jī)的出力、制粉電耗、磨輥磨損、石子煤排放量和煤粉細(xì)度等參數(shù)特性，以保障MPS型中速磨煤機(jī)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行.每個(gè)加載液缸可傳遞的加載壓力F1[6]為：

F1=106pSa

(4)

式中：p為液壓系統(tǒng)的加載壓力，MPa；Sa為加載液壓缸有桿腔受力面積，m2.

圖1給出了所研究磨煤機(jī)磨輥液壓加載力與磨煤機(jī)負(fù)荷的關(guān)系[7].曲線擬合公式為：

F1=1.129 7αfh+36.185 0

(5)

式中：αfh為磨煤機(jī)負(fù)荷，%.

磨煤機(jī)所需加載力可表示為：

Fjz=3G+Gy+3F1

(6)

式中：G為單個(gè)磨輥的重量，N；Gy為磨煤機(jī)拉桿和磨輥壓架的總重量，N.

圖1 磨輥液壓加載力與磨煤機(jī)負(fù)荷的關(guān)系

2 磨煤機(jī)的建模

MPS型中速磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 MPS型中速磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

原煤通過(guò)磨煤機(jī)頂部的原煤管落入磨輥和磨盤之間，與初步分離區(qū)和分離器返料混合，在離心力的作用下均勻地向磨盤周邊的磨盤輥道運(yùn)動(dòng)，在磨輥壓緊力的作用下受到碾壓和研磨而變成煤粉[8].冷、熱一次風(fēng)混合后通過(guò)風(fēng)環(huán)進(jìn)入磨煤機(jī)，攜帶煤粉進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)外錐體圍成的環(huán)形通道(即初步分離區(qū))，在重力作用下進(jìn)行初步分離，直徑過(guò)大的粗煤粉返回磨盤區(qū)，合格煤粉進(jìn)入旋轉(zhuǎn)分離器中進(jìn)行二次分離.經(jīng)再分離的合格煤粉進(jìn)入鍋爐爐膛中燃燒，不合格粗煤粉返回磨煤機(jī)的研磨區(qū)重新研磨[9-11].MPS中速磨煤機(jī)的配置模型見(jiàn)圖3.

本模型中將MPS型中速磨煤機(jī)分為磨盤區(qū)、研磨區(qū)、初步分離區(qū)、分離器和磨煤機(jī)外壁.(1)磨盤區(qū)為除與磨輥相接處的整個(gè)磨盤上表面區(qū)域；(2)研磨區(qū)為磨盤上與磨輥相接處的上表面區(qū)域；(3)初步分離區(qū)為位于3個(gè)磨輥上方對(duì)煤粉進(jìn)行初步分離的區(qū)域；(4)分離器用于對(duì)煤粉進(jìn)行二次分離；(5)磨煤機(jī)外壁為磨煤機(jī)機(jī)體的外壁部分.

圖3 MPS型中速磨煤機(jī)配置模型

2.1 磨盤區(qū)

磨煤機(jī)給煤過(guò)程表達(dá)式如下：

qm,f=kgqm,g

(7)

式中：qm,f為實(shí)際給煤量，kg/s；kg為修正系數(shù)；qm,g為給煤機(jī)轉(zhuǎn)速100%時(shí)的給煤量，kg/s.

磨盤區(qū)原煤的質(zhì)量平衡可表示為：

(8)

式中：Mb為磨盤上原煤質(zhì)量，kg；qm,s為初步分離區(qū)返料的質(zhì)量流量，kg/s；qm,c為分離器返料的質(zhì)量流量，kg/s；qm,bg為從磨盤中心進(jìn)入磨盤輥道的原煤質(zhì)量流量，kg/s.

對(duì)原煤向研磨區(qū)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化：(1)磨盤表面是平的，且材質(zhì)均勻；(2)給煤量與磨盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定.

則原煤顆粒所受離心力F為：

(9)

式中：R為磨盤半徑，m；ω1為磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s；n0為磨煤機(jī)磨盤轉(zhuǎn)速，r/min.

由牛頓第二定律可得磨盤上原煤的加速度ab為：

(10)

式中：μa為動(dòng)摩擦因數(shù)，取0.1.

假設(shè)煤粉在磨盤上相對(duì)于磨盤的運(yùn)動(dòng)為勻變速直線運(yùn)動(dòng)，則煤粉從磨盤中心進(jìn)入磨盤輥道的時(shí)間t為：

(11)

則進(jìn)入磨盤輥道的原煤質(zhì)量流量qm,bg為：

qm,bg=Mb/t

(12)

原煤中水分的蒸發(fā)將導(dǎo)致一次風(fēng)溫下降，并改變一次風(fēng)中各成分的比例.Zeng等[12]提出，當(dāng)忽略原煤中水分的影響時(shí)，磨煤機(jī)出口溫度與實(shí)際測(cè)量值平均相差0.009 K，最高達(dá)2.532 K，而考慮原煤濕度時(shí)，該平均誤差只有0.003 K.此外，原煤水分對(duì)制粉系統(tǒng)單位磨煤能耗也有影響.因此模型中考慮了原煤水分對(duì)制粉系統(tǒng)運(yùn)行的影響.

假設(shè)從落煤管進(jìn)入的原煤與從初步分離區(qū)、分離器的回粉落在磨盤區(qū)后迅速均勻混合，則磨盤區(qū)水分的平衡方程為：

(13)

式中：wb、wf、ws和wc分別為磨盤中、落煤管進(jìn)入的、初步分離區(qū)返料和分離器返料的煤的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

磨盤上煤的能量平衡方程為：

cctcqm,c-cbtbqm,bg

(14)

式中：cb、cf、cs、cc為磨盤中、落煤管進(jìn)入的、初步分離區(qū)返料和分離器返料的煤的比熱容，kJ/(kg·K)；tb、tf、ts、tc為磨盤中、落煤管進(jìn)入的、初步分離區(qū)返料和分離器返料的煤的溫度，℃.

根據(jù)張安國(guó)等[13]提出的煤和煤粉比熱容計(jì)算公式，不同來(lái)源的煤中含水量不同，會(huì)導(dǎo)致煤的比熱容發(fā)生變化，故在此加以區(qū)分.

2.2 研磨區(qū)

電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)磨盤旋轉(zhuǎn)，磨盤上相對(duì)固定著相距120°的3個(gè)由耐磨鋼制造的磨輥.磨輥存在著12°～15°的擺動(dòng)量，以適應(yīng)料位高度和研磨部件磨損帶來(lái)的變化，使磨輥能夠充分利用，磨損均勻，延長(zhǎng)使用壽命.

MPS型中速磨煤機(jī)靠彈簧、液壓缸提供的加載力以及磨輥?zhàn)陨碜灾?，使原煤在磨輥和旋轉(zhuǎn)磨盤的擠壓下被碾壓成煤粉.且其磨煤施力以壓碎為主，剪切和磨剝?yōu)檩o，故粉碎效率較高.一次風(fēng)將制成的煤粉吹起，對(duì)其進(jìn)行干燥，并攜帶煤粉進(jìn)入磨盤上方的初步分離區(qū)進(jìn)行一次分離，難以破碎的石子煤等異物落入磨煤機(jī)下部的熱空氣室中排出.因此，原煤在研磨區(qū)發(fā)生了研磨和干燥2個(gè)過(guò)程.

2.2.1 煤粉質(zhì)量平衡

MPS型中速磨煤機(jī)多用于直吹式制粉系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中，磨煤機(jī)的制粉量隨鍋爐負(fù)荷的變化而變化.磨煤機(jī)研磨區(qū)存煤量為：

Mg(t)=Mg(t-1)+(min-mout)

(15)

式中：Mg(t)為某時(shí)刻研磨區(qū)存煤量，kg；Mg(t-1)為上一時(shí)刻研磨區(qū)存煤量，kg；min和mout分別為進(jìn)入和離開(kāi)研磨區(qū)煤的質(zhì)量，kg.

石子煤排放率是影響MPS型中速磨煤機(jī)經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的重要參數(shù).通過(guò)煤灰成分化驗(yàn)可知，石子煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3含量很高，是石子煤密度和硬度都較高、低位發(fā)熱量很低的主要原因[14].石子煤的排放率與噴嘴環(huán)處風(fēng)速、風(fēng)環(huán)動(dòng)靜間隙、磨輥加載力、石子煤的密度及粒徑有關(guān)[15].石子煤排放率過(guò)高，則部分煤粉被作為石子煤排出，造成能源浪費(fèi)；石子煤排放率過(guò)低，則無(wú)法分離出來(lái)的石子煤都被磨成煤粉進(jìn)入爐膛燃燒，對(duì)鍋爐的燃燒、煙氣除塵造成不良影響.石子煤的質(zhì)量流量為：

qm,sz=kszqm,bg

(16)

式中：ksz為石子煤排放率，取0.05%.

MPS型中速磨煤機(jī)內(nèi)部一次風(fēng)與煤粉的換熱集中在風(fēng)煤混合接觸后很小的一塊區(qū)域內(nèi)，反應(yīng)過(guò)程非常激烈而迅速.在換熱過(guò)程中，煤粉中的部分水分迅速蒸發(fā)[16]，當(dāng)?shù)竭_(dá)磨煤機(jī)出口時(shí)，磨煤機(jī)的溫度場(chǎng)已經(jīng)非常均勻，由于煤粉出口平面濃度不均勻?qū)е碌募?xì)微差異可忽略.

綜上所述，研磨區(qū)質(zhì)量平衡可表示為：

(17)

(18)

式中：wg為研磨區(qū)煤粉的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；qm,gs為從研磨區(qū)進(jìn)入初步分離區(qū)的煤粉質(zhì)量流量，kg/s；ΔM為單位質(zhì)量煤的水分蒸發(fā)量，kg/kg.

2.2.2 煤粉能量平衡

煤的能量平衡：

(19)

式中：tout為磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混合物溫度，℃；cg為研磨區(qū)煤粉的比熱容，kJ/(kg·K)；Qc為研磨的煤粉熱量，kJ；Qst為蒸發(fā)水熱量，kJ.

煤粉熱量分為干燥煤粉熱量Qdc和煤粉中所含水分的熱量Qwet2部分：

Qc=Qdc+Qwet

(20)

Qdc=cdcqm,bg(1-wb)(tout-tb)

(21)

Qwet=4.187wgqm,bg(1-ΔM)(tout-tb)

(22)

式中：cdc為干燥煤的比熱容，kJ/(kg·K).

蒸發(fā)水熱量的表達(dá)式為：

Qst=cstΔMqm,bg(tout-tb)

(23)

式中：cst為水蒸氣的比熱容，kJ/(kg·K).

磨制的煤粉中石子煤帶走的熱量為：

Qsz=kszQc

(24)

2.2.3 水平衡

研磨區(qū)水平衡可表示為：

(25)

2.2.4 干燥劑熱量平衡

冷、熱一次風(fēng)混合后從磨盤下部的一次風(fēng)入口進(jìn)入磨盤輥道，忽略空氣溫度變化造成的比熱容的變化，風(fēng)的混合過(guò)程為：

(26)

式中：tin為入口一次風(fēng)混合風(fēng)溫，℃；tha為熱一次風(fēng)溫度，℃；tca為冷一次風(fēng)溫度，℃；qm,ha為熱一次風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；qm,ca為冷一次風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s.

研磨區(qū)干燥劑熱平衡示意圖見(jiàn)圖4.

圖4 研磨區(qū)干燥劑熱量平衡示意圖

根據(jù)能量守恒定律，制粉系統(tǒng)初始斷面的輸入熱量與終端斷面帶出的輸出熱量相同，即：

Qin=Qout

(27)

(1) 輸入熱量

該磨煤機(jī)干燥劑僅為空氣，則進(jìn)入磨煤機(jī)的一次風(fēng)熱量為：

Q1=cinting1

(28)

式中：cin為進(jìn)入磨煤機(jī)的空氣的比熱容，kJ/(kg·K)；g1為磨煤機(jī)入口干燥劑量，kg/kg.

為了防止制粉系統(tǒng)內(nèi)的煤粉向外泄露，磨煤機(jī)正壓系統(tǒng)中采用空氣密封.密封風(fēng)量物理熱可表示為：

(29)

式中：qm,mf為密封風(fēng)風(fēng)量，kg/s；tmf為密封風(fēng)溫度，℃；cmf為溫度tmf時(shí)刻的空氣比熱容，kJ/(kg·K).

在煤粉的碾磨過(guò)程中，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，這部分熱量為：

(30)

式中：Kmac為機(jī)械能轉(zhuǎn)化系數(shù)，中速磨煤機(jī)取Kmac=0.6；e為磨煤機(jī)磨煤的單位電耗，(kW·h)/t.

因此磨煤機(jī)研磨區(qū)磨1 kg煤所輸入的熱量為：

Qin=Q1+Qmf+Qg

(31)

(2) 輸出熱量

原煤在被研磨成煤粉的過(guò)程中，被一次風(fēng)干燥失去了部分水分，煤粉中剩余水分與風(fēng)粉混合物達(dá)到相同溫度.加熱燃料消耗的能量為：

(32)

一次風(fēng)和密封風(fēng)在磨煤機(jī)內(nèi)完成換熱和干燥過(guò)程后統(tǒng)稱為乏氣，乏氣攜帶一部分熱量Q2離開(kāi)磨煤機(jī).

(33)

式中：cout為磨煤機(jī)出口空氣比熱容，kJ/(kg·K).

單位質(zhì)量煤粉中水分蒸發(fā)過(guò)程散失的熱量為：

(34)

磨煤機(jī)內(nèi)工質(zhì)向磨煤機(jī)金屬外壁的傳熱量可表示為：

(35)

式中：Kj為煤粉氣流向金屬外壁的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；Aj為磨煤機(jī)金屬外壁面積，m2；tj為金屬外壁的溫度，℃.

綜上所述，磨煤機(jī)研磨區(qū)研磨1 kg煤輸出的熱量可表示為：

Qout=Qjr+Q2+Qev+Qj

(36)

出口溫度是磨煤機(jī)控制系統(tǒng)的重要參數(shù)，對(duì)煤粉含水量和燃燒效率影響極大[17].提升出口溫度可以提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，但同時(shí)可能會(huì)增加磨煤機(jī)著火和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，降低運(yùn)行安全性.磨煤機(jī)出口溫度可表示為：

(37)

式中：Mst為磨煤機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的煤粉質(zhì)量，kg；mst為磨煤機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的空氣質(zhì)量，kg.

2.3 初步分離區(qū)

為降低鍋爐不完全燃燒的損失，需將研磨煤粉中的粗煤粉分離出來(lái)，因而需對(duì)煤粉按照顆粒大小進(jìn)行分離，將小于某一尺寸的顆粒作為產(chǎn)品隨著一次風(fēng)進(jìn)入爐膛，而大于這一尺寸的粗煤粉從氣流中分離出來(lái)落回磨盤重新研磨.

在初步分離區(qū)，一次風(fēng)曳力、重力共同作用于煤粉顆粒，粒徑較小的煤粉顆粒進(jìn)入分離器進(jìn)行二次分離；粒徑較大的煤粉顆粒則被分離出來(lái)落回磨煤機(jī)磨盤.煤粉顆粒所受曳力[18]為：

(38)

式中：va、vsi分別表示一次風(fēng)和煤粉顆粒的速度，m/s；μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；ρc為煤粉顆粒的密度，kg/m3；di為煤粉粒徑，i=1～n，m；Cd為曳力系數(shù)，與煤粉顆粒形狀和雷諾數(shù)有關(guān)；Re為雷諾數(shù).

(39)

式中：ρa(bǔ)為一次風(fēng)密度，kg/m3.

煤粉運(yùn)動(dòng)過(guò)程表示如下：

(40)

該磨煤機(jī)初步分離區(qū)橫截面積S與煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)高度y的關(guān)系可表示為：

S=-1.299 7y2+5.795 0

(41)

設(shè)風(fēng)粉混合物在初步分離區(qū)的運(yùn)動(dòng)為定常流動(dòng)，則任意兩截面間關(guān)系為：

(42)

因此，理論上存在一個(gè)臨界直徑D1，即煤粉顆粒達(dá)到初步分離區(qū)頂部進(jìn)入旋轉(zhuǎn)分離器的最大直徑，則初步分離區(qū)返料量為：

(43)

(44)

式中：a為判斷煤粉顆粒能否通過(guò)初步分離區(qū)的系數(shù).

2.4 分離器

以旋轉(zhuǎn)煤粉分離器為例進(jìn)行研究，粗煤粉在分離器中的分離原理包括2方面[19]：一方面粗煤粉顆粒與動(dòng)葉片發(fā)生碰撞，逃逸出分離器；另一方面粗煤粉顆粒受到氣流曳力和動(dòng)葉片產(chǎn)生的離心力的作用，當(dāng)離心力大于曳力時(shí)，粗煤粉顆粒從氣粉混合物中分離出來(lái).

旋轉(zhuǎn)煤粉分離器主要靠離心力對(duì)粗煤粉進(jìn)行分離，其分離原理見(jiàn)圖5.圖中，F(xiàn)d為煤粉所受氣流曳力，N；Fn為煤粉所受離心力，N；α為靜葉安裝角；β為轉(zhuǎn)子安裝角.

圖5 旋轉(zhuǎn)煤粉分離器示意圖

分離器中，氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度約為重力加速度的8～10倍，最高可達(dá)23倍[20]，故忽略重力對(duì)煤粉分離的作用，只考慮曳力和離心力的作用.煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)可表示為：

(45)

式中：r為煤粉距分離器中心的距離，m；vra為一次風(fēng)的法向線速度，m/s；ω為旋轉(zhuǎn)分離器旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s.

(46)

式中：H為分離器的離度，m.

由式(45)和式(46)可知，煤粉受到的曳力與風(fēng)粉氣流速度和煤粉粒徑的平方成正比，離心力與一次風(fēng)角速度的平方和煤粉粒徑的三次方成正比.隨著煤粉粒徑的增大，顆粒所受離心力相對(duì)曳力越大，越容易發(fā)生分離.煤粉粒徑分布呈連續(xù)分布，不同粒級(jí)的煤粉顆粒按照一定概率發(fā)生分離.其分離強(qiáng)度為：

(47)

細(xì)煤粉被分離出來(lái)的概率越大，風(fēng)粉氣流中所含粗煤粉越少，煤粉細(xì)度R90越小，煤粉的均勻性得以改善，分離器的循環(huán)倍率下降，增加了磨煤機(jī)出力[20].

通過(guò)式(45)～式(47)可以確定煤粉顆粒通過(guò)分離器并進(jìn)入爐膛的臨界直徑D2，即煤粉顆粒通過(guò)分離器并進(jìn)入爐膛的最大直徑，則分離器返料量為：

(48)

(49)

式中：qm,sc為從初步分離區(qū)進(jìn)入分離器的煤粉質(zhì)量流量，kg/s；b為判斷煤粉顆粒能否通過(guò)分離器的系數(shù).

2.5 磨煤機(jī)外壁

磨煤機(jī)金屬外壁熱量平衡表達(dá)式為：

(50)

式中：cj為金屬比熱容，kJ/(kg·K)；Mj為磨煤機(jī)金屬外壁質(zhì)量，kg；Qs為磨煤機(jī)外壁向環(huán)境的散熱量，kJ；Ks為外壁向外界的散熱系數(shù)，kW/(m2·K)；ta為外界空氣的溫度，℃.

3 建模與仿真

根據(jù)前文給出的數(shù)學(xué)模型，采用Matlab軟件對(duì)MPS型中速磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真.

3.1 一次風(fēng)擾動(dòng)

假定磨煤機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，將一次風(fēng)溫tin由260 ℃階躍至280 ℃，一次風(fēng)量不變，忽略一次風(fēng)溫對(duì)煤粉水分的影響，則磨煤機(jī)出口溫度和外壁溫度變化的仿真曲線如圖6所示.

假定MPS型中速磨煤機(jī)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行一段時(shí)間后，給煤量和一次風(fēng)溫不變，將一次風(fēng)量增加10%，則磨煤機(jī)出口溫度、外壁溫度、磨煤機(jī)出力的仿真曲線如圖7所示.

(a) 磨煤機(jī)出口溫度

(b) 磨煤機(jī)外壁溫度

(a) 磨煤機(jī)出口溫度

(b) 磨煤機(jī)外壁溫度

(c) 磨煤機(jī)出力

3.2 磨煤機(jī)給煤量擾動(dòng)仿真

假定磨煤機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，一次風(fēng)溫和一次風(fēng)量均不變，忽略給煤量變化對(duì)煤粉水分的影響，給煤量增加10%條件下磨煤機(jī)出力、磨煤機(jī)出口溫度和外壁溫度變化的仿真曲線如圖8所示.

(a) 磨煤機(jī)出力

(b) 磨煤機(jī)出口溫度

(c) 磨煤機(jī)外壁溫度

由圖8可知，當(dāng)給煤量增加時(shí)，磨煤機(jī)內(nèi)存煤量改變，破壞了磨煤機(jī)內(nèi)的質(zhì)量平衡，出力隨之增大.風(fēng)粉混合物帶出磨煤機(jī)的熱量增加，同時(shí)干燥煤粉消耗的熱量增加，故磨煤機(jī)出口溫度降低.運(yùn)行一段時(shí)間以后，磨煤機(jī)出力等于給煤量，存煤量不再發(fā)生變化，磨煤機(jī)內(nèi)再次實(shí)現(xiàn)質(zhì)量平衡.

3.3 分離與返料過(guò)程仿真

3.3.1 初步分離區(qū)分離與返料

對(duì)于直徑較小的煤粉，氣體的曳力起到?jīng)Q定性作用，重力影響可忽略不計(jì).隨著煤粉粒徑的增大，曳力和重力共同作用于煤粉，此時(shí)煤粉顆粒受力復(fù)雜，部分顆粒隨一次風(fēng)進(jìn)入分離器，部分顆粒返料.當(dāng)煤粉粒徑進(jìn)一步增大，重力的影響作用大于曳力時(shí)，大部分煤粉顆粒將發(fā)生返料.

理想狀態(tài)下，煤粉粒徑等于臨界直徑的煤粉進(jìn)入分離器和返料的概率各為50%，大于臨界直徑的顆粒全部返料，小于臨界直徑的顆粒全部進(jìn)入分離器.但實(shí)際分離過(guò)程中，部分粗煤粉可能出現(xiàn)黏附結(jié)團(tuán)現(xiàn)象混入細(xì)煤粉，同時(shí)返料粗煤粉中攜帶部分細(xì)煤粉，影響分離器入料均勻性.臨界直徑隨干燥劑量的變化規(guī)律如圖9所示.

圖9 初步分離區(qū)臨界直徑隨干燥劑量的變化

通過(guò)曲線擬合方程為：

D1=0.253 3g12+0.148 6g1+0.022 7

(51)

由圖9可知，干燥劑量的增大提高了一次風(fēng)攜帶煤粉的能力，故通過(guò)初步分離區(qū)的煤粉的臨界直徑隨著干燥劑量的增大而增大，可間接反映分離器入料粒徑隨一次風(fēng)量增大而增大.

3.3.2 分離器分離與返料

分離器理論上同樣存在著臨界直徑的概念，故臨界直徑變化可以間接反映煤粉細(xì)度的變化.當(dāng)α=45°，β=30°，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為75 r/min時(shí)，臨界直徑D2隨干燥劑量g1的變化曲線如圖10所示.

通過(guò)曲線擬合方程為：

(52)

由圖10可知，干燥劑量增大提高了一次風(fēng)曳力，故通過(guò)分離器的煤粉的臨界直徑隨著干燥劑量的增大而增大，證明煤粉細(xì)度隨干燥劑量的增大而增大.

分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速直接影響著煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)出力和循環(huán)倍率，對(duì)于磨煤機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義.當(dāng)α=45°，β=30°，g1=1.81 kg/kg時(shí)，通過(guò)分離器的煤粉的臨界直徑隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化如圖11所示.

圖10 分離器臨界直徑隨干燥劑量的變化

圖11 分離器臨界直徑隨轉(zhuǎn)速變化的仿真曲線

通過(guò)曲線擬合方程為：

D2=0.000 1ω2-0.015 9ω+0.790 5

(53)

由圖11可知，臨界直徑隨分離器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高變化明顯，可證明煤粉細(xì)度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高而降低.

4 結(jié) 論

構(gòu)建了綜合考慮MPS型中速磨煤機(jī)原煤研磨、干燥、煤粉分離以及返料過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，將MPS型中速磨煤機(jī)分為磨盤區(qū)、研磨區(qū)、初步分離區(qū)、分離器以及磨煤機(jī)外壁5個(gè)部分，建立質(zhì)量平衡、能量平衡和水平衡方程.利用Matlab軟件對(duì)該磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，在加入一次風(fēng)擾動(dòng)、給煤量擾動(dòng)后，得到磨煤機(jī)出力、磨煤機(jī)出口溫度和外壁溫度的仿真曲線，改變一次風(fēng)量、分離器轉(zhuǎn)速時(shí)，煤粉細(xì)度的變化曲線均與實(shí)際運(yùn)行變化相符.所建立的模型能夠有效預(yù)測(cè)參數(shù)變動(dòng)對(duì)磨煤機(jī)運(yùn)行的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)磨煤機(jī)運(yùn)行狀況的快速有效評(píng)價(jià)，對(duì)MPS型中速磨煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行操作具有指導(dǎo)意義.

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MechanismModelingandSimulationforCoalPulverizingSystemofMPSMediumSpeedMills

GUJunjie,WANGYukun
(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

To realize rapid and effective evaluation and control on the performance of an MPS medium speed coal mill, a mathematical model was built up for the grinding, drying, separation and circulation process, where the MPS medium speed mill was divided into following five parts, such as the bowl zone, grinding zone, initial separation area, classifier and the tank, etc., for which coal quality balance, heat balance and moisture balance formulas were established, and subsequently Matlab software was used to calculate and simulate the dynamic process of the MPS coal mill. Results show that under a given condition of coal mill, the simulation curves of mill output, outlet temperature and outer wall temperature agree well with actual operation conditions under the disturbance of primary air temperature, primary air flow and coal feed rate; the simulated fineness of pulverized coal corresponds with the data of actual operation for different amount of the desiccant and at different rotating speeds of the separator.

MPS medium speed mill; modeling; simulation; balance; fineness of pulverized coal; parameter disturbance

2016-11-13

谷俊杰(1959-)，男，河北定州人，教授，碩導(dǎo)，主要從事電站熱工控制與運(yùn)行優(yōu)化方面的研究.

王玉坤(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel.):18330299287；E-mail：1052345446@qq.com.

1674-7607(2017)12-0983-09

TM621.2

A

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