CN106021820B - 一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法，属于火力发电厂炉内积灰预测领域。该方法包括如下步骤：1)采用计算流体动力学方法计算积灰采样点附近流场；2)将计算得到的流场条件导入颗粒运动方程；3)采用直接模拟蒙特卡洛方法进行飞灰颗粒间碰撞的计算；4)采样枪提供壁面热流，然后求解飞灰粘附率方程计算飞灰颗粒在采样面上的沉积过程。计算结果表明，本发明构建的炉内积灰模型能准确预测炉内飞灰颗粒的沉积速率，并给出详细的积灰内层飞灰颗粒粒径分布，成功实现炉内积灰过程的动态预测。

Description

一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法

技术领域

本发明涉及一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法，属于火力发电厂炉内积灰预测领域。

背景技术

炉膛积灰是电站锅炉运行中常见也是较难解决的问题,它极大地影响了锅炉运行的安全性和经济性。目前电站锅炉设计中针对积灰问题主要采用经验估计的方法，如何准确的预测炉内积灰过程，是实现燃煤火电机组节能减排的关键。

影响积灰的因素有很多。发生炉内积灰的两个关键条件是：第一，飞灰颗粒能够碰撞到壁面上；第二，这些飞灰颗粒具有适当的粘度能够附着在壁面上。显然经验参数模型很难准确的描述积灰沉积过程，现有的离散动力学方法可以求解单颗粒的运动方程，从而跟踪单颗粒的运动轨迹。但当模拟较小颗粒直径，且颗粒数较大的高浓度颗粒物运动时，确定性方法就会因为过高的计算负荷和计算机储存需求而无能为力。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法，准确的描述炉内积灰沉积过程。直接模拟蒙特卡洛方法使用较少的模拟颗粒代表大量的真实颗粒，因而有效地节省了计算时间。为了准确的描述积灰沉积过程，获得积灰沉积速率以及积灰内层的颗粒粒径分布，现提出一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)作为直接模拟蒙特卡洛计算的输入条件，需要先对采样点附近流场进行计算，采用计算流体动力学方法，其主要控制方程是稳态不可压缩流动纳维叶-斯托克斯方程：

式中，ρ为当地流体的密度，U为当地流体的速度，p为当地流体的压力，μ为动力学粘度，S为应变率张量；

2)飞灰颗粒在外力作用下运动满足牛顿第二运动定律，仅考虑飞灰颗粒的重力、气体施加的曳力以及热泳力，颗粒运动方程可表示为：

F_d＝-3πdμ(v-u)f (3)

式中，F_d为流体施加给颗粒的曳力，F_th为热泳力，m为颗粒质量，g为重力加速度，d为颗粒直径，μ为空气动力学粘度系数，v为颗粒运动速度，u为气体速度，f为曳力系数，κ_tr为气体导热系数，r为颗粒半径，为气体分子的平均运动速度，T为温度，k_B为玻尔兹曼常数，m_g为气体分子质量；

3)采用直接模拟蒙特卡洛方法计算飞灰颗粒的碰撞时，在时间步长Δt内求解步骤2)中的颗粒运动方程，首先确定飞灰颗粒的位移且不处理碰撞，接着采用蒙特卡洛方法进行飞灰颗粒碰撞的计算，颗粒i的碰撞概率为P_i：

式中，P_ij为颗粒i与颗粒j的碰撞概率，N为计算网格内的模拟颗粒数，n为网格内真实颗粒数，g₀为径向分布函数，v_ij为颗粒i与颗粒j的相对速度；

通过时间计数器法搜索出飞灰颗粒碰撞对，利用颗粒碰撞动力学方程处理碰撞后颗粒的速度：

m_i(v_i,1-v_i,0)＝J (8)

m_j(v_j,1-v_j,0)＝-J (9)

式中，m_i为颗粒i的质量，m_j为颗粒j的质量，v_i,0和v_j,0表示飞灰颗粒i和颗粒j碰撞前的速度，v_i,1和v_j,1表示飞灰颗粒i和颗粒j碰撞后的速度，J表示碰撞冲量；

4)根据颗粒位移判断颗粒是否与壁面发生碰撞，记录下发生了壁面碰撞的飞灰颗粒，求解飞灰粘附率模型，计算飞灰颗粒在采样面上的沉积；

飞灰颗粒的捕集率f_dep：

式中，p_i(T_ps)是来流飞灰颗粒粘附效率，μ_ref是临界粘度，p_s(T_s)是积灰表面已沉积颗粒的粘附效率；

根据飞灰颗粒的捕集率确定颗粒是粘附在采样面上后，利用采样枪提供的壁面热流q和传热方程就可获得更新后的壁面温度T_s：

T_s＝T₂+q·(δ₂/λ+δ_s/λ_s) (12)

式中，T₁和T₂分别是采样枪的内外壁温，δ₁和δ₂是厚度，λ是采样枪的导热系数，λ_s是积灰的导热系数，δ_s是积灰厚度；

5)经过步骤4)后判断累计时间步长与设定时间大小，如果小于设定时间，则更新壁面温度进行下一次时间步长的计算，如果大于设定时间，则流程终止，输出结果，给出炉内飞灰颗粒的沉积速率，并能得到详细的积灰内层飞灰颗粒粒径分布。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：该方法构建的炉内积灰模型能准确预测炉内飞灰颗粒的沉积速率，并给出详细的积灰内层飞灰颗粒粒径分布，成功实现炉内积灰过程的动态预测。

附图说明

图1方法总体流程图。

图2积灰采样枪结构图，图中：1一号热电偶；2-二号热电偶；3-积灰采样面。

图3热电偶读数随时间变化。

图4a、图4b分别为积灰厚度随时间的变化以及粘附颗粒粒径分布随时间的变化。

图5积灰采样面实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。本发明提供的一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法，其具体的实现方法如下：

1)作为直接模拟蒙特卡洛计算的输入条件，需要先对采样点附近流场进行计算，采用计算流体动力学方法，其主要控制方程是稳态不可压缩流动纳维叶-斯托克斯方程：

式中，ρ为当地流体的密度，U为当地流体的速度，p为当地流体的压力，μ为动力学粘度，S为应变率张量；

2)飞灰颗粒在外力作用下运动满足牛顿第二运动定律，仅考虑飞灰颗粒的重力、气体施加的曳力以及热泳力，颗粒运动方程可表示为：

F_d＝-3πdμ(v-u)f (3)

式中，F_d为流体施加给颗粒的曳力，F_th为热泳力，m为颗粒质量，g为重力加速度，d为颗粒直径，μ为空气动力学粘度系数，v为颗粒运动速度，u为气体速度，f为曳力系数，κ_tr为气体导热系数，r为颗粒半径，为气体分子的平均运动速度，T为温度，k_B为玻尔兹曼常数，m_g为气体分子质量；

3)采用直接模拟蒙特卡洛方法计算飞灰颗粒的碰撞时，在时间步长Δt内求解步骤2)中的颗粒运动方程，首先确定飞灰颗粒的位移且不处理碰撞，接着采用蒙特卡洛方法进行飞灰颗粒碰撞的计算，颗粒i的碰撞概率为P_i：

式中，P_ij为颗粒i与颗粒j的碰撞概率，N为计算网格内的模拟颗粒数，n为网格内真实颗粒数，g₀为径向分布函数，v_ij为颗粒i与颗粒j的相对速度。

通过时间计数器法搜索出飞灰颗粒碰撞对，利用颗粒碰撞动力学方程处理碰撞后颗粒的速度：

m_i(v_i,1-v_i,0)＝J (8)

m_j(v_j,1-v_j,0)＝-J (9)

式中，m_i为颗粒i的质量，m_j为颗粒j的质量，v_i,0和v_j,0表示飞灰颗粒i和颗粒j碰撞前的速度，v_i,1和v_j,1表示飞灰颗粒i和颗粒j碰撞后的速度，J表示碰撞冲量；

4)根据颗粒位移判断颗粒是否与壁面发生碰撞，记录下发生了壁面碰撞的飞灰颗粒，求解飞灰粘附率模型，计算飞灰颗粒在采样面上的沉积。

飞灰颗粒的捕集率f_dep：

式中，p_i(T_ps)是来流飞灰颗粒粘附效率，μ_ref是临界粘度，p_s(T_s)是积灰表面已沉积颗粒的粘附效率；

根据飞灰颗粒的捕集率确定颗粒是粘附在采样面上后，利用采样枪提供的壁面热流q和传热方程就可获得更新后的壁面温度T_s：

T_s＝T₂+q·(δ₂/λ+δ_s/λ_s) (12)

式中，T₁和T₂分别是采样枪的内外壁温，δ₁和δ₂是厚度，λ是采样枪的导热系数，λ_s是积灰的导热系数，δ_s是积灰厚度；

5)经过步骤4)后判断累计时间步长与设定时间大小，如果小于设定时间，则更新壁面温度进行以一次时间步长的计算，如果大于设定时间，则流程终止，输出结果，给出炉内飞灰颗粒的沉积速率，并能得到详细的积灰内层飞灰颗粒粒径分布；

实施例：

本发明具体的实现方法如下：

以某660MW超临界煤粉锅炉为研究对象，将积灰采样枪伸入炉膛某一层看火孔内，如图2所示。其中采样枪由3个部分组成，枪头是一个12CrMoV材料的圆柱形合金钢，直径D1＝90mm，D2＝3mm厚度L1＝30mm，两个K型热电偶分别埋在厚度L2＝28mm以及外表面处，通过两个温度显示器分别记录热电偶读数。实验持续30分钟，图3为两个热电偶记录下的读数，再根据公式(13)获得热流。

采用计算流体动力学方法对采样点附近流场进行计算，获得采样点附近的速度场，然后将图3的热流数据作为直接模拟蒙特卡洛计算的边界条件输入模型，由步骤2)和步骤3)计算飞灰颗粒的碰撞和运动。图4a为模拟计算的积灰厚度随时间变化过程，图4b为粘附在采样面上的飞灰颗粒粒径分布。模拟计算时间为0.01s，积灰形状呈现中间高两边低，积灰厚度最大值4.84×10^-8mm出现在长度27.78mm处，平均积灰速率为2.16×10^-6m/s，以实验时间30分钟为例，则模拟计算的积灰厚度应该为3.89mm。

图5为积灰采样枪在实验结束后表面所沉积的灰样，通过投影积灰轮廓线可以计算出平均积灰厚度为3.69mm，模拟计算的结果与实验测量值误差为5.14％。实验证明了这种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法的准确性。

Claims (1)

1.一种基于直接模拟蒙特卡洛的炉内积灰模型的建模方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)采用计算流体动力学方法计算采样点附近流场，获得采样点附近的速度场；

2)采用颗粒运动方程计算飞灰颗粒的重力、气体施加的曳力以及热泳力，其颗粒运动方程表达式为：

F_d＝-3πdμ(v-u)f (2)

式中，F_d为流体施加给颗粒的曳力，F_th为热泳力，m为颗粒质量，g为重力加速度，d为颗粒直径，μ为空气动力学粘度系数，v为颗粒运动速度，u为气体速度，f为曳力系数，κ_tr为气体导热系数，r为颗粒半径，为气体分子的平均运动速度，T为温度，k_B为玻尔兹曼常数，m_g为气体分子质量；

3)在时间步长Δt内求解步骤2)中的颗粒运动方程获得颗粒位移，然后采用蒙特卡洛方法进行飞灰颗粒碰撞的计算，颗粒i的碰撞概率为P_i：

式中，P_ij为颗粒i与颗粒j的碰撞概率，N为计算网格内的模拟颗粒数，n为网格内真实颗粒数，g₀为径向分布函数，v_ij为颗粒i与颗粒j的相对速度；

利用颗粒碰撞动力学方程计算碰撞后颗粒的速度：

m_i(v_i,1-v_i,0)＝J (7)

m_j(v_j,1-v_j,0)＝-J (8)

式中，m_i为颗粒i的质量，m_j为颗粒j的质量，v_i,0和v_j,0表示飞灰颗粒i和颗粒j碰撞前的速度，v_i,1和v_j,1表示飞灰颗粒i和颗粒j碰撞后的速度，J表示碰撞冲量；

4)根据颗粒位移判断颗粒是否与壁面发生碰撞，记录下发生了壁面碰撞的飞灰颗粒，求解飞灰粘附率模型，计算飞灰颗粒在采样面上的沉积；

飞灰颗粒的捕集率f_dep：

式中，p_i(T_ps)是来流飞灰颗粒粘附效率，μ_ref是临界粘度，p_s(T_s)是积灰表面已沉积颗粒的粘附效率；

利用采样枪提供的壁面热流q和传热方程获得更新后的壁面温度T_s：

T_s＝T₂+q·(δ₂/λ+δ_s/λ_s) (11)

式中，T₁和T₂分别是采样枪的内外壁温，δ₁和δ₂是厚度，λ是采样枪的导热系数，λ_s是积灰的导热系数，δ_s是积灰厚度；

5)经过步骤4)后判断累计时间步长与设定时间大小，如果小于设定时间，则更新壁面温度进行下一次时间步长的计算，如果大于设定时间，则流程终止，输出结果。