（华北电力大学控制与计算机工程学院 北京 102206）
摘要：针对内蒙古华润金能热电有限公司2×350 MW机组磨煤机入口一次风量测量不准确、风量测量截面处流场不均匀的问题，提出在测风装置安装位置前加装整流器，从而改善流场的不均匀性。本文采用CFD数值模拟对整流器的截面形状、单元孔的特征尺寸、长度等因素对风量测量截面的流场速度均匀性及整流器阻力特性进行试验研究。试验结果表明：相同条件下，相比矩形栅格和等距圆孔板，正六边形整流器有着更好的整流效果，整流器单元孔的特征尺寸越小，则其整流效果越好，但是相应的阻力系数也会增加；整流器长度越长，整流效果并不是越好。
关键词：风量测量；整流器；数值模拟；速度均匀性；阻力系数
Experimental Study on Rectifier in the Inlet Air Flow Measurement of the Coal Mill
Duan Quansheng，Li Xinghua
（School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）
Abstract：For the coal mill in a 2×350 MW UNIT of Inner Mongolia Huarun Jinneng Thermal Power Company Limited，the measurements of the flow rate of primary air are usually not accurate and the flow field at the air flow measurement section is not uniform. To solve this problem，it is proposed to install a rectifier in front of the installation position of the air flow measuring device to improve the flow field maldistribution. Test researches on the velocity uniformity of the flow field and the resistance characteristic of the rectifier parameters such as shape，feature size of unit holes and length are carried，by numerical simulations. Test results show that，under the same conditions，the hexagonal rectifier has better rectification effect than the rectangular grid and the isometric hole plate. The smaller the feature size of the rectifier cell hole，the better the rectification effect，but the corresponding resistance coefficient will also increase；the longer the length of the rectifier，the rectifier effec t is not better.
Key words：airflow measurement；rectifier；numerical simulation；velocity uniformity；resistance coefficient
磨煤机入口风量测量的准确性和可靠性对于制粉系统乃至机组的安全稳定、经济运行将产生直接影响[1]。由于流量计的测量精度易受流体速度分布、流体的紊流强度和旋转流的影响。而一般工业管道往往存在各种管配件，包括阀门、弯头和过滤器等。流体流经这些阻流件后，流场分布变得十分复杂，并伴有旋转流及二次流，这不仅影响机组的安全经济运行，而且会缩短流量计的使用寿命，影响流量计的测量精度。通常，流量计的安装规范对前后直管段长度有一定要求，以形成充分发展的流速分布，由于场地空间限制，在许多安装场合不可能提供足够长的直管段，而加装整流器可以有效的消除旋转流和改善管内流体的速度分布畸形[2]。
本文采用CFD数值模拟方法对几种不同结构的整流器进行试验研究，并主要针对正六边形整流器的结构参数进行试验研究，通过对比试验，得出比较优化的结果。
1.试验模型
1.1 一次风道模型
图1为内蒙古华润金能热电有限公司2×350 MW机组磨煤机入口一次风道示意图。磨煤机入口一次风道尺寸为1000×1400×4 mm，垂直管段长度为2144 mm。从图1可以看出，管道内存在多个弯头，且一次风管入口直管段和垂直管段长度较短，流体流经管道入口未充分发展就进入一个弯头，使管内的流动特性发生急剧变化，给风量测量装置带来很大的测量误差。整流器安装位置距离第一个弯头出口400 mm，测风装置安装位置距离第一个弯头出口1700 mm。
图1 一次风管道示意图
1.2 整流器模型
为了试验不同整流器单元孔的特征尺寸[3]、不同截面形状和长度等因素对整流效果的影响。设计了8种整流器：1种矩形栅格、1种等距圆孔板、6种正六边形整流器。所有模型全部采用厚度为2 mm的钢板制作。
1）矩形栅格。矩形栅格的单元孔为边长100 mm的正方形，长度为200 mm。矩形栅格模型如图2所示。
2）等距圆孔板。各个单元圆孔直径为100 mm，均匀分布在板面上，整流器的长度为200 mm。等距圆孔板模型如图3所示。
3）正六边形整流器。正六边形单元孔的特征尺寸（对边距离）为100 mm，整流器的长度为200 mm。正六边形整流器模型如图4所示。
图2 矩形栅格
图3 等距圆孔板
图4 正六边形整流器
2.流场评价指标
2.1 均匀性指数[4]
均匀性评价指标是Weltens等人[5]基于统计偏差定义而提出的一种流场速度均匀性评价标准，能够全面反映整个通流截面的流体速度分布特性。它的表达式为：
（1）
式中：gv取[0，1]，gv的值越大则表示流动均匀性越好，1表示理想状态下均匀流动，0表示流体仅从1个测点通过，这2种情况均为假设工况，实际并不存在；vj和 分别为测点速度和测量截面上的平均速度。
2.2 阻力系数[6]
流动阻力是衡量整流器性能的另外一个重要方面，流动阻力越小表明安装整流器后造成管道压力损失也就越小。阻力系数z表达式为：
（2）
式中：Δp为压力损失，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；v为流体速度，m/s。
3 数值模拟结果及分析
3.1 网格划分及数值方法
本文中试验是在ANSYS Workbench平台上行数值模拟计算。计算中，选择MESH模块对物理模型进行网格划分，采用四面体非结构化网格划分技术，对整流器位置自动进行网格加密处理。利用FLUENT模块对一次风管道内的流场进行数值模拟，模拟时进口采用速度入口，进口速度设置为18 m/s，出口采用自由流出。流体材料为空气，采用SIMPLE算法。湍流模型采用RNG k-e模型，近壁处采用标准壁面函数处理。
3.2 不同结构整流器的整流效果
在相同条件下，通过对矩形栅格、等距圆孔板和正六边形整流器进行数值模拟计算，模拟结果如表1所示。可见，加装整流器后，一次风管道进出口平均压降和阻力均比没有安装整流器时有所增加，但是测量截面的流动均匀性更好。等距圆孔板
对一次风管道造成的压损相比矩形栅格和正六边形整流器要更大，但是均匀性指数更高。正六边形整流器对一次风管道造成的压损最小，均匀性指数比等距圆孔板略小。通过对试验结果的分析，正六边形整流器的整流效果相对较好。
表1 不同结构整流器的整流效果
3.3 正六边形整流器参数优化试验
通过对以上不同结构整流器的整流效果分析，正六边形整流器的整流效果要好于矩形栅格和等距圆孔板。因此对正六边形整流器单元孔的特征尺寸及整流器的长度进行参数优化试验。
3.3.1 整流器单元孔的特征尺寸的影响
对正六边形整流器长度为200 mm，单元孔的特征尺寸分别为40 mm、100 mm、160 mm三种模型进行数值模拟计算，计算结果如表2所示。可以看出，单元孔的特征尺寸越小，平均压降和阻力越大，但是测量截面的均匀性指数越高。
表2 不同单元孔的特征尺寸的整流效果
3.3.2 整流器长度的影响
对正六边形整流器单元孔的特征尺寸为100 mm，长度分别为100 mm、200 mm、400 mm、800 mm四种模型进行数值模拟计算，计算结果如表3所示。可以看出，整流器长度越长，对一次风管道造成的压损和阻力也越大，均匀性指数并没有得到有效提高。
表3 不同整流器长度的整流效果
4 结论
1）磨煤机一次风道内存在多个弯头，气流流经后易发生扭转，由于没有足够长的直管段来改善流场分布的不均匀性，从而对测量结果产生附加误差。加装整流器可以有效的消除气流中的漩涡、减小紊流度，使气流形成均匀流场，但是相应会增大流体的流动阻力，增加管内的压力损耗。
2）在相同条件下，正六边形整流器的整流效果要优于矩形栅格和等距圆孔板；整流器单元孔的特征尺寸越小，整流效果越好，但是相应阻力也会越大；整流器长度越长，整流效果并不是越好。
3）在本文数值模拟计算条件下，正六边形整流器长度为200 mm，单元孔的特征尺寸为100 mm时整流效果相对较好，而且阻力相对较小。
参考文献：
［1］陈飞. 磨煤机的风量测量和改进方案[J]. 电站辅机，2017，38（2）：27-32.
［2］孟浩龙，王菊芬，薛水发，等. 流量测量中整流器的研究现状[J]. 计量技术，2011，2：15-18.
［3］毛新业，张晋宾，孙立军，等. 流量测量实用手册[M].1版. 北京：中国电力出版社，2017：206.
［4］李坦，靳世平，黄素逸. 流体速度分布均匀性评价指标比较与应用研究[J]. 热力发电，2013，42（11）：60-63，92.
［5］Weltens H，Bressier H，Terres F. Optimization of Catalytic of Converter Gas Flow distribution by CFD Prediction. SAE Paper 930780，1993.
［6］刘建忠，周俊虎，曹欣玉，等. 水平直圆环管内惯性煤粉浓淡分离器气固两相流阻力特性研究[J]. 中国电机工程学报，2001，21（2）：108-113.
作者简介：黎星华，男，江西抚州，1993年6月，在读硕士研究生，工作单位：华北电力大学。
论文作者:段泉圣,黎星华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/17
标签：整流器论文; 圆孔论文; 栅格论文; 风管论文; 测量论文; 阻力论文; 均匀论文; 《电力设备》2018年第17期论文;