Research on Pipe Diameter Selection of Dense Phase Positive Pressure Pneumatic Fly Ash Handling System

正压浓相气力输送系统的输送过程是呈一个非常复杂的气固两相流的状态，能够影响管道管径选择的边界条件非常多。为简化模型，先对所有边界条件进行分析、处理，忽略影响较小的，假定可为常量的，合并共同作用的，最终确定影响输灰管径选择的关键因素为：输送当量长度、输送出力、初始压力、初始速度、末端速度。

式中：L_eq为输送当量长度，m；L为输送水平距离，m；H为垂直提升高度，m；N为各类管道附件数量，个；L_r为各类管道附件的当量长度，m。

对于某一个具体工程来说，输送当量长度为已知条件。

输送出力是指单根输灰管道的出力，该数值应根据具体工程的实际情况确定。对于某一个具体工程来说，输送出力为已知条件。

飞灰输送的动力来自于输灰管道入口和出口的压差，而初始压力值越大，平均速度就越大^[2-3]，沿程阻力值就越大。这就要求初始压力必须选择一个适中的值，既不能太低而导致动力不足，也不能太高而导致磨损太大、能耗太高^[4-5]。笔者采用60个燃煤电厂的实际工程统计数据来对初始压力的取值公式进行拟合，具体如下图1：

Figure 1.  Initial Pressure Data of Running Projects

式中：P₁为初始压力，MPa，绝对压力；P_e为末端压力，MPa，绝对压力，取多年平均大气压力。

与初始压力的取值类似，初始速度的取值也必须选择一个适中的值，既不能太低而导致小于临界速度(保证安全稳定输送的最小表观气速)，也不能太高而导致磨损太大、能耗太高^[5-6]。同样采用60个燃煤电厂的实际工程统计数据来对初始速度的取值公式进行拟合，具体如图2：

Figure 2.  Initial Velocity Data of Running Projects

式中：v₁为初始速度，m/s。

从图3中可以看出，所有工程的末端速度均在7～15 m/s的范围内，其中在10～14 m/s区间内的占据了85%以上，等于12 m/s的达到了60%。且末端速度不随当量输送长度的变化而变化，而是一直在12 m/s上下波动。

Figure 3.  Terminal Velocity Data of Running Projects

这是因为在实际的工程应用当中，通常都会采用管道变径的方法来将流速控制在一定的区间范围内^[7-11]。所以才会出现不同工程的末端速度都大致相同，在某一个数值上下波动的情况。

根据图3的数据，可以将末端速度的初始假定值设为12 m/s。

1)根据初始速度、初始压力、初始端管径、初始端空气密度计算初始端空气质量流量：

其中ρ₁的计算公式为：

式中：m₁为初始端空气质量流量，kg/s；T₁为输灰管道进口处的空气温度，K，取多年平均气温；ρ₁为输灰管道进口处的空气密度，kg/m³；ρ₀为标准状态下的空气密度，1.293 kg/m³；T₀为标准状态下的空气温度，273.15 K；P₀为标准状态下的空气压力，0.101 MPa，绝对压力。

2)根据输送出力、灰气比计算初始端空气质量流量：

其中μ的计算公式为：

式中：Q为输送出力，t/h；μ为灰气比，kg/kg。

3)合并公式(4)和公式(6)，可以得到：

从而得到D₁的计算公式为：

当L_eq<400 m时，不考虑变径，此时D_e＝D₁；当L_eq≥400 m时，需要变径，此时末端管径由气体状态方程可得：

式中：D_e为末端管径，m；v_e为末端速度，m/s。

输送出力Q＝50 t/h。

输送当量长度L_eq＝500 m。

厂址多年平均大气压力：0.098 MPa。

厂址多年平均气温：20℃。

选择初始端管径为Φ219×7，D₁＝0.205 m。代入公式(8)重新计算得：v₁＝3.96 m/s。

L_eq＝500 m>400 m，需要变径。

选择末端管径为Φ245×7，D_e＝0.231 m。代入公式(10)重新计算得：v_e＝12.68 m/s。

初始压力为0.399 MPa，绝对压力。

初始速度和末端速度分别为3.96 m/s，12.68 m/s。

初始端管径为Φ219×7，末端管径为Φ245×7，需要进行一次变径。

本文对正压浓相气力输灰系统的输灰管道的管径选择进行了研究，确定了关键参数的计算方法，建立了相关的数学模型，并最终得出了可用于指导工程设计的管径计算经验公式，为以后燃煤电厂正压浓相气力输灰系统的输灰管道管径选择提供了设计选型依据。