CN109579567B - 自适应阻力氟塑料凝水装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应阻力氟塑料凝水装置：包括一个换热管弯头段和两个依次设置在变截面烟道的烟气流向上的换热管直管段，换热管直管段包括呈阵列的换热管束；换热管束以沿着变截面烟道的烟气流向为行方向，以在水平面上与变截面烟道的烟气流向垂直的方向为列方向，换热管直管段中同一行上的相邻换热管束的间距均相等；换热管直管段中列方向上的换热管束的间距从两侧到中间依次减小，换热管弯头段包括与换热管束配合使用的换热管弯头；所述换热管弯头为弧形，换热管弯头两端分别与两个换热管直管段的换热管束连通。

Description

自适应阻力氟塑料凝水装置及设计方法

技术领域

本发明专利属于火力发电行业烟气换热器均流领域，具体涉及一种自适应阻力氟塑料凝水装置及设计方法。

背景技术

针对区域性大气污染的严峻问题，我国加大了大气环境的综合整治力度，强化了对燃煤电厂、燃煤工业锅炉等重点行业对大气污染物的控制，并将烟囱冒白烟列入了治理日程。在电力、石油化工、垃圾焚烧等行业的燃烧工艺后段，烟气经过湿法脱硫装置处理后，烟气湿度达到饱和状态，同时烟气温度降低到50℃附近，这样的湿烟气经传统烟囱直接排放到大气中，在烟囱出口处和环境低温空气相遇，就会迅速降到露点以下冷凝，产生大量雾滴，产生视觉上的烟囱“冒白烟”现象，严重的还会在烟囱周边一定范围内形成“烟囱雨”、“石膏雨”。

上海、浙江、天津、邯郸、唐山等省市相继发布了相关文件，要求消除燃煤电厂等重点工业行业的有色烟雨。目前烟雨消白的主流技术之一是在湿法脱硫装置下游安装烟气凝水装置，降低烟气温度同时回收烟气中的水分，随后将烟气温度升高至70～80℃附近，即可消除白烟现象。湿法脱硫装置出口烟气湿度饱和，金属凝水装置存在腐蚀风险，氟塑料性能稳定，逐渐用于湿法脱硫塔后凝水装置的制造。

为了达到较好的换热效果，通过需要延长烟气通过凝水装置的时间，烟道截面积需要相应增大，烟道变截面会导致烟气分布不均，影响凝水装置换热效果。

目前针对解决这一问题的方案大都基于物理整流的原理，通过在烟道内安装不同形式的阻力件，使烟道截面不同位置的烟气流速接近，这需要对原有烟道进行改造，工程量大且影响企业正常生产。

因此，需要对现有技术进行改进，急需一种自适应阻力的凝水装置，无需额外安装烟气均流设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的自适应阻力氟塑料凝水装置及设计方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种自适应阻力氟塑料凝水装置：包括一个换热管弯头段和两个依次设置在变截面烟道的烟气流向上的换热管直管段；

所述换热管直管段包括呈阵列的换热管束；换热管束以沿着变截面烟道的烟气流向为行方向，以在水平面上与变截面烟道的烟气流向垂直的方向为列方向；所述换热管直管段中同一行上的相邻换热管束的间距均相等；换热管直管段中列方向上的换热管束的间距从两侧到中间依次减小；

所述换热管弯头段包括与换热管束配合使用的换热管弯头；所述换热管弯头为弧形，换热管弯头两端分别与两个换热管直管段的换热管束连通。

作为对本发明自适应阻力氟塑料凝水装置的改进：

还包括横向管束固定件和纵向管束固定件；所述横向管束固定件和纵向管束固定件均包括沿着其自身长度方向交替设置的若干管束限位孔和限位孔连接段，相邻管束限位孔通过限位孔连接段连接；

所述横向管束固定件的相邻管束限位孔之间的间距相同；所述横向管束固定件的管束限位孔沿着行方向套设在换热管直管段的位于同一行的换热管束上；

所述相邻管束限位孔的间距从纵向管束固定件的两侧到中间逐渐降低；所述纵向管束固定件的管束限位孔沿着列方向套设在换热管直管段的位于同一列的换热管束上。

本发明还提供一种自适应阻力氟塑料凝水装置的设计方法，包括以下步骤：

1)、给定变截面烟道和换热管束的几何结构参数；

2)、根据变截面烟道的对称性，在gambit软件中构建烟道三维模型；

3)、调整换热管直管段的换热管束的间距；

4)、在软件Ansys18.0中导入烟道三维模型，计算选定参数条件下的烟气流场，判断入口烟气流速标准偏差σ是否满足限定要求：

v_i为烟气迎流的换热管束1的第i个换热管前方的烟气流速，n为烟气迎流的换热管束的数量，

为烟气迎流的换热管束前方的烟气平均流速；

若步骤4)不满足要求，返回步骤3)；若步骤4)满足要求，则执行步骤5)；

5)、得到换热管直管段的换热管束的间距。

本发明自适应阻力氟塑料凝水装置及设计方法的技术优势为：

本发明无需额外安装烟气均流装置，通过换热管束的结构调整即可实现烟气的均匀分配；

进一步的，本发明专利中采用一种先进的设计方法设计凝水装置的换热管束，可适应不同结构的现场条件；

进一步的，本发明专利中的换热管束、管束固定件均采用氟塑料材质，具有耐腐蚀、不沾灰等优良材料性能，提高了凝水装置运行时的稳定性，降低了运行维护费用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明自适应阻力氟塑料凝水装置的换热管束1的示意图；

图2为图1中换热管束1采用等间距布置方式的结构示意图(垂直烟气方向截面视图)；

图3为图1中换热管束1采用等间距布置方式的俯视结构示意图(垂直管束截面视图)；

图4为图1中换热管束1采用变间距布置方式的结构示意图(垂直烟气方向截面视图)；

图5为图1中换热管束1采用变间距布置方式的俯视结构示意图(垂直管束截面视图)；

图6为图5中纵向管束固定件3的结构示意图；

图7为图5中横向管束固定件4的结构示意图；

图8为本发明自适应阻力氟塑料凝水方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、自适应阻力氟塑料凝水装置，如图1-8所示，包括两个换热管直管段和一个换热管弯头段；

两个换热管直管段依次从近到远设置在变截面烟道的烟气流向上。

换热管直管段包括若干变间距布置成阵列的换热管束1，换热管束1为直线型；换热管弯头段包括若干个与换热管束1配合使用的换热管弯头2，换热管弯头2为开口朝上的半圆弧形，两个换热管直管段对称设置，换热管弯头2两端(两个均竖直朝上的开口)分别与两个换热管直管段中对称的换热管束1连接。

两个换热管直管段均为若干换热管束1组成的阵列，换热管束1为竖直设置，阵列以沿着烟气流向为行方向，以在水平面上与烟气流向垂直的方向为列方向。

换热管束1的分布方式采用变间距布置。换热管直管段中同一行上的相邻换热管束1的间距均相等；换热管直管段中列方向上的换热管束1的间距从两侧(换热管直管段列方向上的两侧)到中间依次减小，即为换热管束1中间密两侧疏。

现有的换热管束1一般采用等间距布置：

等间距布置为一种常用的换热管束1布置方式，在这里作为对比对象讨论。换热管直管段中行方向上的换热管束1的间距均相等，换热管直管段中列方向上的换热管束1的间距均相等。换热管束1以列方向上的中心线(烟道中心线)对称设置。

换热管束1前方的变截面烟道上，烟气分布不均匀(中间的烟气浓度比两侧的烟气浓度高)，换热管束1采用等间距布置方式不能改善烟气流场，导致换热性能不佳；换热管束1在换热管束1变间距布置方式下，烟道阻力被均匀分配，换热管束1入口处来流烟气流速分布均匀，凝水装置换热性能最佳。

为防止换热管束1在烟气扰动下晃动，在换热管直管段上套设有管束固定件，管束固定件包括横向管束固定件4和纵向管束固定件3。管束固定件为直线型，管束固定件包括若干限位孔连接段5以及与换热管束1配合使用的管束限位孔6，管束限位孔6和限位孔连接段5交替连接，管束限位孔6能套设在换热管束1上。

横向管束固定件4和纵向管束固定件3均包括沿着其自身长度方向交替设置的若干管束限位孔6和限位孔连接段5，相邻管束限位孔6通过限位孔连接段5连接。横向管束固定件4的长度方向与烟气来流方向垂直，纵向管束固定件3的长度方向与烟气来流方向相同。

横向管束固定件4的管束限位孔6沿着烟气流向(行方向)套设在换热管直管段的位于同一行的换热管束1上，横向管束固定件4的相邻管束限位孔6之间的间距相同。横向管束固定件4能防止换热管束1在烟气扰动下晃动，增加换热管束1的结构稳定性。

纵向管束固定件3的管束限位孔6沿着在水平面上与烟气流向垂直的方向(列方向)套设在换热管直管段的位于同一列的换热管束1上，从纵向管束固定件3的两侧到中间，相邻管束限位孔6的间距逐渐降低(与列方向上的相邻换热管束1之间的间距相对应)。纵向管束固定件3能防止换热管束1在烟气扰动下晃动，增加换热管束1的结构稳定性。

首先，在换热管直管段的每一行的换热管束1上均套设一层横向管束固定件4；接着，再在换热管直管段的每一列的换热管束1上均套设一层纵向管束固定件3。相邻横向管束固定件4的间距控制在10cm-100cm。

换热管束1、换热管弯头2、横向管束固定件4和纵向管束固定件3的材质均为氟塑料，在高湿烟气条件下有优良的防腐和防沾污性能。现有的绝大多数换热器均为金属材质的换热器，在高湿烟气条件下，腐蚀速率快，需定期更换已腐蚀的部件或更新防腐层，运行费用昂贵，同时会造成非计划停产，影响企业正常生产。

本发明专利自适应阻力氟塑料凝水装置使用时，换热管束1的间距参数的设计方法如图8所示，包括以下步骤：

预先设定烟气流场的参数。

1)、给定烟道几何结构参数、换热管束1的外径d，迎流根数2n；迎流根数2n即为两个换热管直管段同一列方向上的换热管束1数量(每个换热管直管段同一列方向上的换热管束1的数量为n)；

2)、根据烟道的对称性，在gambit软件中构建烟道三维模型；

3)、选取换热管束1间距参数：a₁,a₂,a₃……a_n-1,a_n(a₁≤a₂≤a₃……a_4n-1≤a_n)；其中：a₁,a₂,a₃……a_n-1,a_n表示同一列方向上的换热管束1与烟道中心线(列方向上的中心线)的距离；

4)、在商用软件Ansys18.0中导入烟道三维模型，计算选定参数条件(给定烟道几何结构参数、换热管束1的外径d，迎流根数2n)下的烟气流场，判断氟塑料凝水装置入口烟气流速标准偏差σ是否满足限定要求

v_i为图5中烟气迎流的第一列换热管束1的第i个换热管前方烟气流速。

若步骤4)不满足要求，返回步骤3)，调整换热管束1间距参数；若步骤4)满足要求，则执行步骤5)；

5)、得到满足设计要求的换热管束1间距参数。

计算结束，a₁,a₂,a₃……a_n-1,a_n为满足设计要求的换热管束1间距参数。

该设计方法能够针对具体烟道结构给出用户需求条件下的理论上最优的换热管束1间距参数，具有较好的应用发展前景。

该最优的换热管束1间距参数可以使均流器烟气侧压降不超过400Pa，换热管束前烟气流速的标准偏差小于5％。采用本设计方法得到的自适应氟塑料凝水装置具有均流效果好、烟气侧阻力低的优点。

本发明使用的商用计算软件为Ansys18.0系列，该软件集几何模型构建、网格划分、流域求解功能于一身，简化了不同软件之间文件对接的过程，提高了本发明设计方法的计算速度。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.自适应阻力氟塑料凝水装置，其特征在于：包括一个换热管弯头段、两个依次设置在变截面烟道的烟气流向上的换热管直管段、横向管束固定件（4）和纵向管束固定件（3）；

所述换热管直管段包括呈阵列的换热管束（1）；换热管束（1）以沿着变截面烟道的烟气流向为行方向，以在水平面上与变截面烟道的烟气流向垂直的方向为列方向；所述换热管直管段中同一行上的相邻换热管束（1）的间距均相等；换热管直管段中列方向上的换热管束（1）的间距从两侧到中间依次减小；

所述换热管弯头段包括与换热管束（1）配合使用的换热管弯头（2）；所述换热管弯头（2）为弧形，换热管弯头（2）两端分别与两个换热管直管段的换热管束（1）连通；

所述换热管束（1）、换热管弯头（2）、横向管束固定件（4）和纵向管束固定件（3）的材质均为氟塑料。

2.根据权利要求1所述的自适应阻力氟塑料凝水装置，其特征在于：

所述横向管束固定件（4）和纵向管束固定件（3）均包括沿着其自身长度方向交替设置的若干管束限位孔（6）和限位孔连接段（5），相邻管束限位孔（6）通过限位孔连接段（5）连接；

所述横向管束固定件（4）的相邻管束限位孔（6）之间的间距相同；所述横向管束固定件（4）的管束限位孔（6）沿着行方向套设在换热管直管段的位于同一行的换热管束（1）上；

所述相邻管束限位孔（6）的间距从纵向管束固定件（3）的两侧到中间逐渐降低；所述纵向管束固定件（3）的管束限位孔（6）沿着列方向套设在换热管直管段的位于同一列的换热管束（1）上。

3.如权利要求1或2所述的自适应阻力氟塑料凝水装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、给定变截面烟道和换热管束（1）的几何结构参数；

2）、根据变截面烟道的对称性，在gambit软件中构建烟道三维模型；

3）、调整换热管直管段的换热管束（1）的间距；

4）、在软件Ansys18.0中导入烟道三维模型，计算选定参数条件下的烟气流场，判断入口烟气流速标准偏差σ是否满足限定要求：

≤0.10；

v_i为烟气迎流的换热管束（1）的第i个换热管前方的烟气流速，n为烟气迎流的换热管束（1）的数量，

为烟气迎流的换热管束（1）前方的烟气平均流速；

若步骤4）不满足要求，返回步骤3）；若步骤4）满足要求，则执行步骤5）；

5）、得到换热管直管段的换热管束（1）的间距。

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