CN112100933B - Scr脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法、系统及介质，其中方法包括以下步骤：获取SCR系统的烟气流场特性；根据所述烟气流场特性建立所述SCR系统的CFD模型，对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析；根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，根据所述喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程获得优化喷氨量。本发明提出喷氨影响因子的定义能定量分析不同分区喷氨对催化剂入口氨浓度的影响大小，从而得到不同工况下各分区优化喷氨量，提高了氨氮混合均匀性和出口NOx浓度均匀性，且该方法能适用于不同工况，计算效率高，可广泛应用于SCR脱硝技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及SCR脱硝技术领域，尤其涉及一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法、系统及介质。
背景技术
为降低火电厂烟气NOx排放量，选择性催化还原(selective catalyticreduction，SCR)烟气脱硝系统在国内燃煤电厂得到广泛的应用。根据环保部、发改委、能源局印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求到2020年，全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放，在基准氧含量6％条件下，氮氧化物排放浓度不高于50mg/Nm3。超低排放改造后，喷氨量随之增大，会造成出口NOx浓度偏差大，部分区域氨逃逸超标，加大了空预器堵塞风险，给系统的经济稳定运行带来很大的危害。催化剂层前良好的氨氮比是决定脱硝率及氨逃逸率的主要因素之一，是SCR系统高效运行的关键。因此需要对SCR系统进行喷氨优化调整，CFD数值模拟技术通过计算机数值计算和图像显示，在时间和空间上定量描述流场的数值解，是SCR反应器设计、改造、调整优化的重要工具，为系统的流场优化和喷氨格栅分区喷氨优化提供参考。
目前大部分研究对SCR脱硝系统的流场模拟采取均匀入口边界条件，忽略催化剂层的化学反应，而现场性能试验测得省煤器出口的烟气参数是不均匀分布的。为了使模拟能更真实反映实际的烟气混合流动情况，需考虑实际的非均匀入口烟气分布和SCR的化学反应。通过调整喷氨格栅不同分区的喷氨量是实现催化剂入口氨氮均匀性的重要措施。为提高现场喷氨优化调整试验的效率，往往会进行分区喷氨CFD数值模拟工作，来找到喷氨格栅不同分区的喷氨量对出口NOx浓度的影响范围。但目前大部分分区喷氨模拟优化策略往往根据催化剂入口氨氮摩尔比分布的定性分析来改变分区喷氨量，需要通过多次试算获得最优喷氨策略，花费时间长，不能定量分析不同分区喷氨对催化剂入口氨浓度影响范围。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于影响因子的SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法、系统及介质。
本发明所采用的技术方案是：
一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法，包括以下步骤：
获取SCR系统的烟气流场特性；
根据所述烟气流场特性建立所述SCR系统的CFD模型，对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析；
根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，根据所述喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程获得优化喷氨量。
进一步，所述获取SCR系统的烟气流场特性，包括：
通过现场性能试验获取SCR系统的烟气流场特性；
其中，所述现场性能试验具体为：
对所述SCR系统的入口测量截面的流场特性进行测量，获得所述入口测量截面的速度场、浓度场和温度场，所述速度场、所述浓度场和所述温度场作为所述CFD模型的入口参数。
进一步，所述SCR系统包括进出口烟道、喷氨格栅、导流板、静态混合器、整流格栅和催化剂层，所述喷氨格栅上设有42个喷嘴，分区喷氨改造时将所述喷氨格栅分为5个分区。
进一步，所述对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析，包括：
采用湍流模型计算烟气的湍流流动；
采用组分输运模型模拟烟气和NH3的混合过程，所述混合过程涉及多种组分的混合和输运；
采用有限速率反应模型对所述SCR系统内的化学反应进行计算，根据计算结果对所述CFD模型进行验证后，由验证后的所述CFD模型模拟流场分析。
进一步，所述根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，包括：
根据所述CFD模型的流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，将催化剂入口截面划分为18个区域，以及获取喷氨影响因子；
所述喷氨影响因子的公式为：
其中，ai为不同分区的喷氨影响因子，mi为单个分区喷氨影响对应区域的氨浓度，Mi为均匀喷氨时影响对应区域的氨浓度。
进一步，所述矩阵方程为：
对于所述喷氨格栅的5个分区，ai到ei为每个分区喷氨对入口18个区域的影响因子；对于42个喷嘴，ai到ri为每个喷嘴对入口18个区域的影响因子；Yi表示每个分区优化目标量；Xi表示待求的每个分区或喷嘴的喷氨量。
进一步，所述求解所述矩阵方程获得优化喷氨量，包括：
采用matlab软件的梯度下降法求解所述矩阵方程，得到不同工况下分区优化喷氨量。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟系统，包括：
特性获取模块，用于获取SCR系统的烟气流场特性；
模型模拟模块，用于根据所述烟气流场特性建立所述SCR系统的CFD模型，对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析；
矩阵求解模块，拥有过根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，根据所述喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程获得优化喷氨量。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如上所述方法。
本发明的有益效果是：本发明提出喷氨影响因子的定义能定量分析不同分区喷氨对催化剂入口氨浓度的影响大小，从而得到不同工况下各分区优化喷氨量，提高了氨氮混合均匀性和出口NOx浓度均匀性，且该方法能适用于不同工况，计算效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本方明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法的流程图；
图2是本发明实施例中SCR脱硝系统的三维整体示意图；
图3是本发明实施例中660MW电厂喷氨格栅分区示意图；
图4是本发明实施例中5个分区喷氨对催化剂入口氨浓度影响范围的云图；
图5是本发明实施例中42个喷嘴喷氨量优化后催化剂入口氨氮摩尔比和出口NOx浓度分布云图；
图6是本发明实施例中一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟系统的结构框图。
附图标记：1、SCR脱硝系统入口；2、灰斗；3、导流板；4、入口测量截面；5、喷氨格栅；6、静态混合器；7、导流板；8、整流格栅；9、催化剂层；10、出口测量截面；11、SCR系统出口。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
现有技术中，目前大部分研究对SCR脱硝系统的流场模拟采取均匀入口边界条件，忽略催化剂层的化学反应，而现场性能试验测得省煤器出口的烟气参数往往是不均匀分布的。且当锅炉负荷变化时，NOx浓度场发生变化，分区喷氨模拟优化量需重复进行试算，工作量大。
基于上述这些问题及缺陷，参见图1，本实施例提供了一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法，包括但不限于以下步骤：
S1、获取SCR系统的烟气流场特性。
利用测量设备对定负荷下SCR系统(也称为SCR脱硝系统)入口测量截面12×3个网格点的烟气流场特性进行测量，获得入口测量截面的速度场、浓度场和温度场，给CFD数值模拟提供入口参数。SCR系统入口平均速度为2.9m/s，计算得到每个喷嘴的喷氨流量为0.05051kg/s，氨的体积分数为2.35％。
S2、根据烟气流场特性建立SCR系统的CFD模型，对CFD模型进行验证，以及模拟流场分析。
对SCR系统整体结构进行几何建模，如图2所示，5个分区是在原喷氨格栅位置处进行划分，通过增加二级母管将喷氨格栅分成5个分区，本实施例针对的喷氨格栅及分区示意如图3所示。然后进行网格划分，喷氨格栅、导流板和混合器处采用非结构化网格，并对喷嘴位置进行加密；其他规则区域采用结构化网格。
采用Fluent的标准k-ε湍流模型计算烟气的湍流流动；组分输运模型模拟烟气和NH3的混合过程，共涉及NO、NH3、H2O、CO2、O2和N2 6种组分的混合和输运；有限速率反应模型对SCR系统涉及的化学反应进行计算，真实地反映SCR系统实际的烟气流动。将3层催化剂层设置为多孔介质区域，阻力系数由实际的压降计算设置。
根据性能试验入口测量截面的NOx浓度和温度分布，反推模拟入口截面的NOx浓度和温度分布。在Fluent里进行数值计算，计算确定收敛后，将计算结果和试验数据进行对比，验证CFD模型的可靠性。
S3、根据CFD模型获取喷氨影响因子，根据喷氨影响因子建立矩阵方程，求解矩阵方程获得优化喷氨量。
本实施例以100％负荷下一种SCR脱硝系统喷氨模拟优化方法进行说明，但该方法同样适用于其他工况(如75％和50％负荷工况都是适用的)。100％负荷下催化剂入口速度相对偏差在6.5％左右，说明整个SCR系统的流场比较均匀，内部导流装置设置合理，满足流场设计要求。入口氨氮摩尔比相对偏差为6.5％，大于5％，导致出口NOx浓度相对偏差较大，这说明采取均匀喷氨方式时存在氨氮混合均匀性较差、出口NOx浓度相对偏差大、局部氨逃逸超标等问题，因此需要对喷氨格栅进行分区喷氨优化来提高出口NOx浓度均匀性。
借助Fluent流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨氮摩尔比的影响，将首层催化剂入口截面划分为6×3＝18个区，命名为C11、C12......C62、C63，对应出口NOx网格化取样的18个区。由影响因子的定义为：计算单个分区喷氨影响某个区域的氨浓度mi，均匀喷氨时影响某个区域的氨浓度Mi。其中，本实施例以某电厂SCR喷氨优化改造为背景提出，出口NOx网格化取样的18个区是指在SCR出口测量截面装有6×3＝18个NOx测量设备，为了与出口的18个分区对应，在求催化剂入口喷氨影响因子时，将入口截面也划分为18个区，这样当催化剂入口截面的氨氮比分布均匀时，出口测量截面18个区的NOx浓度分布对应均匀。
5个分区单独喷氨时对催化剂入口氨浓度影响如图4所示，每个分区影响的氨浓度分布在一定的范围内，由影响因子的定义可对分区喷氨对催化剂入口氨浓度的影响进行定量分析。5个分区喷氨对催化剂入口氨浓度影响因子如表1所示。由影响因子定义求解优化喷氨量的18×5矩阵方程，在matlab里采用梯度下降法求解该方程。
表1：5个分区的影响因子
将优化喷氨量在Fluent里进行模拟计算，本实施案例中催化剂入口氨氮摩尔比的相对偏差由6.5％减小到5.2％，出口NOx浓度相对偏差得到由41.5％减小到29.8％，均匀性相对于优化前提高了28％。
为进一步提高出口NOx分布均匀性，对42个喷嘴喷氨量进行优化，采取和5个分区优化喷氨量相同的方法求解，建立了18×42的矩阵方程。对求解得到的42个喷嘴优化喷氨量进行模拟计算，100％负荷的催化剂入口氨氮比分布和出口NOx浓度分布如图5所示。催化剂入口氨氮比相对偏差降低到2.4％，优化后出口均匀性明显提高，出口NOx浓度的相对偏差降低到13.7％，大部分NOx浓度分布在40-50mg/Nm3之间，达到了提高出口NOx浓度分布均匀性的目的。
综上所述，本实施例的一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法相对于现有技术，具有如下有益效果：
(1)、采用基于试验实测值的模拟入口边界条件能更真实地反映SCR系统整体烟气流动，能对烟气流动和氨氮混合特性进行可视化分析，且模拟中考虑SCR化学反应，能对模拟出口NOx浓度值进行分析。
(2)、本实施例提出喷氨影响因子的定义能定量分析不同分区喷氨对催化剂入口氨浓度的影响大小，从而得到不同工况下各分区优化喷氨量。由影响因子建立求解优化喷氨量的矩阵方程得到不同工况下分区优化喷氨量，提高了氨氮混合均匀性和出口NOx浓度均匀性，且该方法能适用于不同工况，计算效率高，为实际喷氨优化调整试验和运行提供理论参考。
如图6所示，本实施例还提供了一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟系统，包括：
特性获取模块，用于获取SCR系统的烟气流场特性；
模型模拟模块，用于根据所述烟气流场特性建立所述SCR系统的CFD模型，对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析；
矩阵求解模块，拥有过根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，根据所述喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程获得优化喷氨量。
本实施例的一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
本实施例还提供了一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
本实施例的一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟系统，可执行本发明方法实施例所提供的一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
本实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如上所述方法。
本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种SCR脱硝系统喷氨格栅定量优化模拟方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
可以理解的是，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种SCR系统喷氨模拟优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取SCR系统的烟气流场特性；
根据所述烟气流场特性建立所述SCR系统的CFD模型，对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析；
根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，根据所述喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程获得优化喷氨量；
所述SCR系统包括进出口烟道、喷氨格栅、导流板、静态混合器、整流格栅和催化剂层，所述喷氨格栅上设有42个喷嘴，分区喷氨改造时将所述喷氨格栅分为5个分区；
所述根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，包括：
根据所述CFD模型的流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，将催化剂入口截面划分为18个区域，以及获取喷氨影响因子；其中，催化剂入口截面划分的18个区域，与出口NOx网格化取样的18个区对应；
所述喷氨影响因子的公式为：
其中，ai为不同分区的喷氨影响因子，mi为单个分区喷氨影响对应区域的氨浓度，Mi为均匀喷氨时影响对应区域的氨浓度；
所述矩阵方程为：
对于所述喷氨格栅的5个分区，ai到ei为每个分区喷氨对入口18个区域的影响因子；对于42个喷嘴，ai到ri为每个喷嘴对入口18个区域的影响因子；Yi表示每个分区优化目标量；Xi表示待求的每个分区或喷嘴的喷氨量。
2.根据权利要求1所述的一种SCR系统喷氨模拟优化方法，其特征在于，所述获取SCR系统的烟气流场特性，包括：
通过现场性能试验获取SCR系统的烟气流场特性；
其中，所述现场性能试验具体为：
对所述SCR系统的入口测量截面的流场特性进行测量，获得所述入口测量截面的速度场、浓度场和温度场，所述速度场、所述浓度场和所述温度场作为所述CFD模型的入口参数。
3.根据权利要求1所述的一种SCR系统喷氨模拟优化方法，其特征在于，所述对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析，包括：
采用湍流模型计算烟气的湍流流动；
采用组分输运模型模拟烟气和NH3的混合过程，所述混合过程涉及多种组分的混合和输运；
采用有限速率反应模型对所述SCR系统内的化学反应进行计算，根据计算结果对所述CFD模型进行验证后，由验证后的所述CFD模型模拟流场分析。
4.根据权利要求1所述的一种SCR系统喷氨模拟优化方法，其特征在于，所述求解所述矩阵方程获得优化喷氨量，包括：
采用matlab软件的梯度下降法求解所述矩阵方程，得到不同工况下分区优化喷氨量。
5.一种SCR系统喷氨模拟优化系统，其特征在于，包括：
特性获取模块，用于获取SCR系统的烟气流场特性；
模型模拟模块，用于根据所述烟气流场特性建立所述SCR系统的CFD模型，对所述CFD模型进行验证，以及模拟流场分析；
矩阵求解模块，拥有过根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，根据所述喷氨影响因子建立矩阵方程，求解所述矩阵方程获得优化喷氨量；
所述SCR系统包括进出口烟道、喷氨格栅、导流板、静态混合器、整流格栅和催化剂层，所述喷氨格栅上设有42个喷嘴，分区喷氨改造时将所述喷氨格栅分为5个分区；
所述根据所述CFD模型获取喷氨影响因子，包括：
根据所述CFD模型的流场模拟定量分析入口喷氨量对首层催化剂入口氨浓度的影响，将催化剂入口截面划分为18个区域，以及获取喷氨影响因子；其中，催化剂入口截面划分的18个区域，与出口NOx网格化取样的18个区对应；
所述喷氨影响因子的公式为：
其中，ai为不同分区的喷氨影响因子，mi为单个分区喷氨影响对应区域的氨浓度，Mi为均匀喷氨时影响对应区域的氨浓度；
所述矩阵方程为：
对于所述喷氨格栅的5个分区，ai到ei为每个分区喷氨对入口18个区域的影响因子；对于42个喷嘴，ai到ri为每个喷嘴对入口18个区域的影响因子；Yi表示每个分区优化目标量；Xi表示待求的每个分区或喷嘴的喷氨量。
6.一种SCR系统喷氨模拟优化装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-4任一项所述的一种SCR系统喷氨模拟优化方法。
7.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-4任一项所述方法。
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