CN113204872B - 一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法,该方法包括以下步骤:步骤1,按照喷氨支管的控制区域均分喷氨截面,利用试验计算各分区的流速系数;步骤2,定义喷氨量系数θi,根据流速系数求出各分区入口的氨气的混合气体流速;步骤3,利用数值模拟计算出各种类型喷氨支管的阻力系数kj,得到阻力系数查询表;步骤4,利用每个节点的流动方程组计算得到喷氨支管前的压力p'i;步骤5,计算理论需要的阻力系数Ki;步骤6,得到各分区的阻力系数Ki后,与步骤3计算的阻力系数查询表中进行查询,选取最接近的ki,并在此处设置相对应的喷氨喷嘴。与现有技术相比,本发明具有更为系统、简洁、精确等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷氨分区喷嘴阻力设计方法,尤其是涉及一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法。
背景技术
随着火电厂烟气超净排放和全负荷脱硝政策的实施,NOx排放越发严格,现行的标准是降低至50mg/Nm3以下,部分地区要求更为严格。当下火电厂普遍采用选择性催化还原(SCR)的方法,在脱硝反应器中进行,即在高温烟气中通过喷氨格栅(包括喷氨母管、喷氨支管、喷氨喷嘴)喷入氨气(NH3),在催化剂的作用下与烟气中的NOx反应生成氮气。需要说明的是,火电厂喷入氨气通常是按照1%左右的比例喷入氨气的混合气体,喷氨量即指氨气的混合气体的流量。理想情况下烟气中的NOx浓度均匀、烟气流场均匀,此时喷氨系统只要均匀喷入氨气即可。但现实情况下,烟气流场分布极不均匀,现场试验已经测得,很多电厂脱硝进口烟气流速不均匀系数达到25%以上,远超过行业规定的小于15%。如果仍然采用均匀喷氨的方法,会导致部分区域氨气过量,未能与烟气反应,而部分区域氨气少量,导致脱硝反应器出口仍残留较多的NOx,为降低NOx含量,进一步导致喷氨量增加。而喷氨量增加则会导致后续换热器产生硫酸氢氨型腐蚀和堵塞,造成空预器堵塞和低温腐蚀。目前有很多机组出现空预器烟气侧阻力过大,热一次风风压波动超正常范围等问题,严重影响安全稳定运行。
因此,不均匀喷氨的思想被提出,由于目前火电厂的喷氨格栅几乎采用棋盘式的布置,该布置方案将脱硝进口截面分成了10-30个区域,如图1所示为典型的喷氨格栅结构图,氨气与空气的混合气体到达混合管道入口端即进入喷氨母管,随后分配至阵列布置的21根喷氨支管,经过调节阀进入烟道内的喷氨格栅与烟气混合,发生脱硝还原反应,喷氨格栅数量及布置方式的复杂程度视各机组而异。这也为不均匀的分区喷氨提供了基本设备,即将脱硝进口截面分成若干个区域,每个区域的喷氨量各不相同,由不同的阀门进行控制,与该区域的烟气量进行匹配。
由此产生了几种技术路线:传统喷氨调节方法、基于SCR出口NOx测量的喷氨调节方法、基于SCR进口流速的动态调节方法和基于SCR进口流速的静态调节方法。
前两种方法的原理相同,如图2所示,利用测量设备在SCR出口的NOx测量截面测试SCR出口NOx含量,假定喷氨截面流场的左右、前后方向和SCR出口截面的流场左右、前后方向相对应。比如,试验测得NOx测量截面左上方NOx含量较高,则说明该区域所对应的喷氨区域喷氨量不足,向其上游流场溯源,将控制左上方喷氨阀门开大,增大该区域的喷氨量;反之,如果NOx含量较低,则减小喷氨量,防止氨逃逸率增加。
这两种方法在实际中有一定的效果,但由于调节过程需要假定SCR左右、前后的流场未发生改变,即喷氨截面的各区域和SCR出口截面的各区域流场对应,但该假设已被验证并不完善,实际中SCR的流场有较大的变化,上下游流场并非完全的一一对应,诸多试验均已证明,经过SCR设备后的流场与喷氨截面的流场相对应的假设本身就存在缺陷。此外,喷氨手动调节阀为截止阀,截止阀的调节性能极差,利用该阀门进行调节,调节过程复杂,耗时耗力,无法精确调整,只能调整大概的位置。传统的喷氨调节和基于喷氨出口NOx测量的喷氨调节方法在原理和调节方法上都不能做到精确控制喷氨量的分布,因而有很多电厂进行了多次喷氨调节试验仍然无法实现NOx的精准控制,氨逃逸率依然较高。
而基于喷氨进口流速的方法可以避免这个缺点,主要可以分两类:
1.基于喷氨进口流速的动态调节方法
经过检索,中国专利公开号为CN107252630A、CN 103768940 B、CN 212942218U中所述的即为该方法的代表,该方法抓住了不均匀喷氨的本质,即烟气的流速,由于烟气中NOx浓度偏差很小,因而烟气流速的偏差成为烟气量偏差的主要因素,简言之,烟气流速越高的区域需要喷入的氨气量越大,烟气流速越低的区域需要喷入的氨气量越小。该方法将脱硝进口的喷氨截面按照喷氨格栅的分布,分成大小均匀的10-30个区域,在每个区域都安装一个流速测量元件,在每根喷氨支管(喷氨支管控制一个区域的喷氨量)安装一个电动控制阀门。实施时,根据流速的测量值,实时调整喷氨支管的阀门开度控制喷氨量,以保证喷氨量和流速的匹配。该方案可以解决流速不均、喷氨量控制不精确的问题,但由于电动控制阀门价格昂贵,整个方案的实施投资巨大,并且高温、高尘烟气环境下流速测量元件容易发生故障,该方案的可靠性也面临巨大挑战,因而实际应用效果较差,可实施性较差。
2.基于喷氨进口流速的静态调节方法
由于该方法的核心为烟气中的流速分布,而脱硝进口的流速分布与锅炉的燃烧情况、煤种变化、负荷变化相关性较小,这已经在试验和数值模拟中均得到了证明(论文《基于数值模拟和试验验证的喷氨量与烟气流速匹配方法研究》有详细论述),也就是说在不同的负荷下,燃用不同煤种的情况下,实际中脱硝进口的流速分布基本不变,不同工况下流速高的区域不变,流速低的区域也不变。利用该特性,中国专利公开号为CN 109636048 A中介绍了一种计算分区喷氨喷嘴流速的方法,采用多目标优化的方法得到各分区的最优流速,但只计算流速并没有提出如何实现,在设计上仍然无法实际应用;中国专利公开号为CN108722184A中所述的方法将喷氨进口截面分为21个相同的区域,每个区域有24个喷氨喷嘴,每个区域的喷氨均有一个喷氨调节阀进行调节,通过现场试验和数值模拟共同获得不同负荷下各区域的流速分布,计算流速系数,调节喷氨量。该专利中,调节喷氨量的方法是利用不同的喷氨喷嘴,在流速大的区域采用大孔径的喷氨喷嘴,在流速小的区域采用小孔径的喷氨喷嘴。通过喷氨喷嘴阻力匹配流速的方法可以实现精准喷氨,但喷氨喷嘴的孔径如何设置,如何使喷氨量与烟气流速相匹配,目前仍然采用经验的方法进行设计。如果仅仅依靠经验,不均匀喷氨还不能实现精准、精确,需要一个系统、准确、简洁、可以工程应用的设计和计算方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
根据本发明的一个方面,提供了一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法,该方法包括以下步骤:
步骤1,按照喷氨支管的控制区域均分喷氨截面,利用试验计算各分区的流速系数;
步骤2,定义喷氨量系数θi,根据流速系数求出各分区入口的氨气的混合气体流速;
步骤3,利用数值模拟计算出各种类型喷氨支管的阻力系数kj,得到阻力系数查询表;
步骤4,利用每个节点的流动方程组计算得到喷氨支管前的压力;
步骤5,计算理论需要的阻力系数Ki;
步骤6,得到各分区的阻力系数Ki后,与步骤3计算的阻力系数查询表中进行查询,选取最接近的ki,并在此处设置相对应的喷氨喷嘴。
作为优选的技术方案,所述的步骤1具体为:
对N根喷氨支管所控制的区域按照X×Y的矩阵分割,按照喷氨支管控制区域将烟气分成X×Y个区域,对每个区域选取2-3个点现场试验测量烟气流速,计算每个区域的平均流速,计算每个区域的流速分布系数其中N=X×Y。
作为优选的技术方案,所述的喷氨量系数θi的计算方法为:
其中qi为各分区的氨气的混合气体流量,为各喷氨支管喷入氨气的混合气体的平均流量;此处令而喷氨支管喷入氨气的混合气体的平均流量用总流量除以所控制区域的数量得到,从而计算出每个区域的喷氨量,进一步计算得到控制各区域的喷氨支管的进口理论流速ui,其计算公式为:
ui=qi/A
A为喷氨支管进口的截面积。
作为优选的技术方案,所述的步骤3具体为:
设置喷氨支管进口速度,利用数值模拟计算不同类型喷嘴组合的喷氨支管阻力,进而求出阻力系数kj,其计算方法为:
作为优选的技术方案,所述的步骤4中的流动方程组具体为:
如图6所示,i表示每根喷氨支管前的节点,其中A0和A分别为主管和支管的截面积,λ和ξ分别为沿程阻力系数和局部阻力系数,vi-1、vi为喷氨母管中对应区域的流速,ρ为氨气的混合气体的密度,ui为对应区域的喷氨支管的进口理论流速,Ki为理论需要的阻力系数,pi、pi'分别为喷氨支管进口处母管的压力和进入喷氨支管后的压力,由于从母管进入支管有局部损失,因而两者存在差异,方程中i从1变化到N,N为支管的数量。
作为优选的技术方案,所述的步骤5中的阻力系数Ki计算如下:
作为优选的技术方案,所述的每根喷氨支管需要32个喷氨喷嘴。
作为优选的技术方案,所述的喷氨喷嘴类型取三种固定喉部直径。
作为优选的技术方案,三种喷氨喷嘴的喉部直径依次减小,阻力依次增大。
与现有根据经验法设置喷氨喷嘴喉部直径大小的方法,本发明更为系统、精确、成熟、简洁,并具有以下优点:
第一、在不均匀喷氨分区设置喷氨喷嘴阻力方面提出了较为精确的计算方法,可以改善还原剂氨气的混合气体和烟气混合的均匀性,做到氨气和NOx的精确匹配,实现不同负荷下SCR脱硝系统安全、高效、经济运行。
第二、通过数值模拟建立阻力系数查询表,通过压力和流速的多元方程计算阻力系数,直接查询设计喷氨喷嘴不同孔径的组合,使得喷嘴的设计更为简洁明了,大幅提升可操作性。
附图说明
图1为典型的喷氨格栅结构图;
图2为传统喷氨调节方法示意图;
图3为喷嘴阻力设计流程图;
图4为喷氨支管示意图;
图5(a)、图5(b)和图5(c)为3种类型喷氨喷嘴切面示意图;
图6为喷氨母管内部流动原理图;
图7为21个分区的流速系数和喷氨量系数的示意图。
图8为应用实例中实际阻力系数和目标阻力系数的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都应属于本发明保护的范围。
本发明为基于喷氨进口流速的静态调节提供一种通过数值模拟和阻力系数多元方程的喷氨喷嘴孔径设计方法,通过喷氨喷嘴不同孔径的变化,消除原有结构缺陷,大幅改善还原剂氨气混合的均匀性,为不均匀喷氨的设计提供一种新的思路和方法。
本发明技术涉及喷氨母管、喷氨支管、喷氨截止阀、喷氨喷嘴,氨气的混合气体进入喷氨母管,通过喷氨母管分配到棋盘式布置的喷氨支管,喷氨支管截止阀可以关断该支管,喷氨支管连接若干喷嘴,氨气的混合气体通过多个喷氨喷嘴喷入,每个喷氨支管控制喷氨量的区域大小相同。
如图3所示,本发明基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法,该方法包括以下步骤:
1.按照喷氨支管的控制区域均分喷氨截面,如有21根喷氨支管,喷氨支管所控制的区域按照3×7的矩阵分割,按照喷氨支管控制区域将烟气分成3×7个区域,对每个区域选取2-3个点测量烟气流速,计算每个区域的平均流速,计算每个区域的流速分布系数其计算方法为:
2.由于本专利的核心在于喷氨量与流速系数的精确匹配,此处定义一个喷氨量系数θ,其计算方法为:
其中qi为各分区的氨气的混合气体流量,为各喷氨支管喷入氨气的混合气体的平均流量。此处令而喷氨支管的平均流量可以用总流量除以所控制区域的数量得到,如此可以计算出每个区域的喷氨量,也就可以计算得到控制各区域的喷氨支管的进口理论流速ui,其计算公式为:
ui=qi/A
A为喷氨支管进口的截面积。
3.利用数值模拟计算出各种类型喷氨支管的阻力系数k,图4为典型的喷氨支管结构图,其底部有螺纹,固定在喷氨支管的末梢,图5中的每根喷氨支管需要32个喷氨喷嘴。喷氨喷嘴的喉部直径决定了其阻力的大小,喷氨喷嘴的类型建议取3种固定喉部直径的,需要设置三种喷氨喷嘴,喉部直径依次减小,阻力依次增大。设置喷氨支管进口速度,利用数值模拟计算不同类型喷嘴组合的喷氨支管阻力,进而求出阻力系数,其计算方法为:
其中,j表示不同类型的喷氨支管,ρ为氨气的混合气体的密度,可取定值。按照32个喷嘴可以设置不同的喷氨喷嘴组合,这种组合方式有多种,实际中可以根据情况选择,进而可以求出各种组合方式下喷氨支管阻力系数查询表。
4.由于喷氨母管具有随流动进行沿程静压逐渐增加的趋势,静压越大,此处喷氨支管的流量越大,同时,从喷氨母管到喷氨支管有一定的压力损失,该压力损失和支管流速的平方成正比关系,利用每个节点的流动方程可以计算得到喷氨支管前的压力,具体方程组为:
其中,A0和A分别为主管和支管的截面积,可以利用直径求得,而λ和ξ分别为沿程阻力系数和局部阻力系数,可以采用数值模拟确定或取定值,密度为氨气的混合气体的密度,可以取定值,p0为喷氨母管的进口压力,ui为对应区域的喷氨支管的进口理论流速,Ki为理论需要的阻力系数,pi、pi'分别为喷氨支管进口处母管的压力和进入喷氨支管后的压力,由于从母管进入支管有局部损失,因而两者存在差异,一般对于喷氨系统可取1000Pa,N为支管的数量,方程中i从1变化到N。
5.计算理论需要的阻力系数K,其计算方法为
得到各分区的阻力系数K后,与第4步计算的阻力系数查询表中进行查询,选取最接近的ki,并在此处设置相对应的喷氨喷嘴。
6.对于1000MW火力发电机组,首先按照上述方法计算出每个分区的喷氨喷嘴设置。可以将每根喷氨支管所控制的区域进行细分,如21根喷氨支管所控制的区域已经按照3×7进行矩阵分割,可将每个分区再分成2个区域,对连在同一支管的两个区域进行更为精确的喷氨喷嘴设置,其设置方法更为简单,只需按照该两个区域的流速系数进行匹配。
具体实施以300MW、600MW、1000MW3个主要类型的火力发电机组喷氨分区喷嘴设计为例
一、300MW
1.由于喷氨格栅按照2×6进行分区,因而测量喷氨截面流速时也按照相应的分区进行测量,得到各分区的平均流速,计算得到流速系数、喷氨量系数
2.根据喷氨母管流量计算得到喷氨支管的平均流速为9.2m/s,从而可以计算各分区目标流速,利用方程组计算各区域的阻力系数,其中,沿程阻力系数和局部阻力系数分别取0.4和0.2,计算得到表1,首先利用理论流速计算主管压力,再利用主管压力计算支管前压力,最后计算阻力系数。
表1
3.通过数值模拟计算得到不同喷嘴组合下阻力系数,共设置3种喷嘴,分别为HV、MV、LV,每个分区的喷嘴总数为18,设置每种喷嘴数量为偶数,共有18种组合方式,得到如表2所示的阻力查询系数:
表2
HV数量 | MV数量 | 阻力系数 | MV数量 | LV数量 | 阻力系数 |
18 | 0 | 10.59 | 18 | 0 | 21.37 |
16 | 2 | 10.72 | 16 | 2 | 21.73 |
14 | 4 | 11.12 | 14 | 4 | 22.84 |
12 | 6 | 11.79 | 12 | 6 | 24.69 |
10 | 8 | 12.72 | 10 | 8 | 27.28 |
8 | 10 | 13.92 | 8 | 10 | 30.61 |
6 | 12 | 15.38 | 6 | 12 | 34.68 |
4 | 14 | 17.11 | 4 | 14 | 39.48 |
2 | 16 | 19.10 | 2 | 16 | 45.03 |
0 | 18 | 21.37 | 0 | 18 | 51.32 |
6.根据表1的阻力系数在表2中进行查找,找到最接近的喷嘴组合方式。例如分区1应该采用的时4个HV和14个MV的组合喷嘴布置,分区10应该采用6个MV型喷嘴和12个LV型喷嘴,以此类推。
7.对于该方式的结果可以利用数值模拟进一步优化,对于某个区域可以进行详细划分,再进行喷嘴设置。
二、600MW
1.由于喷氨格栅按照3×7进行分区,因而测量喷氨截面流速时也按照相应的分区进行测量,得到各分区的平均流速,计算得到流速系数、喷氨量系数。
2.根据喷氨母管流量计算得到喷氨支管的平均流速为16.4m/s,从而可以计算各分区目标流速,利用方程组计算各区域的阻力系数,其中,沿程阻力系数和局部阻力系数分别取0.15和0.2,计算得到表3,首先利用理论流速计算主管压力,再利用主管压力计算支管前压力,最后计算阻力系数。
表3
3.通过数值模拟计算得到不同喷嘴组合下阻力系数,共设置2种喷嘴,分别为HV、MV,每个分区的喷嘴总数为24,设置每种喷嘴数量为偶数,共有24种组合方式,得到如表4所示的阻力查询系数:
表4
6.根据表3的阻力系数在表4中进行查找,找到最接近的喷嘴组合方式。例如分区1应该采用的时14个MV和10个LV的组合喷嘴布置,分区2应该采用18个MV和6个LV型喷嘴,以此类推。
7.对于该方式的结果可以利用数值模拟进一步优化,对于某个区域可以进行详细划分,再进行喷嘴设置。
三、1000MW
1.由于喷氨格栅按照3×7进行分区,因而测量喷氨截面流速时也按照相应的分区进行测量,得到各分区的平均流速,计算得到流速系数、喷氨量系数,图7为21个分区的流速系数。
2.根据喷氨母管流量计算得到喷氨支管的平均流速为16.1m/s,从而可以计算各分区目标流速,利用方程组计算各区域的阻力系数,其中,沿程阻力系数和局部阻力系数分别取0.07和0.2,计算得到表5,首先利用理论流速计算主管压力,再利用主管压力计算支管前压力,最后计算阻力系数。
表5
3.通过数值模拟计算得到不同喷嘴组合下阻力系数,共设置2种喷嘴,分别为HV、MV,每个分区的喷嘴总数为32,设置每种喷嘴数量为偶数,共有16种组合方式,得到如表6所示的阻力查询系数:
表6
HV数量 | MV数量 | 阻力系数 |
32 | 0 | 5.51 |
30 | 2 | 5.53 |
28 | 4 | 5.60 |
26 | 6 | 5.72 |
24 | 8 | 5.88 |
22 | 10 | 6.08 |
20 | 12 | 6.33 |
18 | 14 | 6.63 |
16 | 16 | 6.97 |
14 | 18 | 7.35 |
12 | 20 | 7.79 |
10 | 22 | 8.26 |
8 | 24 | 8.79 |
6 | 26 | 9.36 |
4 | 28 | 9.97 |
2 | 30 | 10.63 |
0 | 32 | 11.33 |
6.根据表5的阻力系数在表6中进行查找,找到最接近的喷嘴组合方式。图8为实际阻力系数和目标阻力系数的对比图,各分区阻力系数非常接近,误差很小,满足工程要求。例如分区1应该采用的时22个HV和10个MV的组合喷嘴布置,分区2应该采用24个HV型喷嘴和8个MV型喷嘴,以此类推。
7.对于该方式的结果可以利用数值模拟进一步优化,对于某个区域可以进行详细划分,再进行喷嘴设置。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1,按照喷氨支管的控制区域均分喷氨截面,利用试验计算各分区的流速分布系数;
步骤2,定义喷氨量系数θi,根据流速分布系数求出各分区入口的氨气的进口理论流速;
步骤3,利用数值模拟计算出各种类型喷氨支管的阻力系数kj,得到阻力系数查询表;
步骤4,利用每个节点的流动方程组计算得到喷氨支管前的压力pi';
步骤5,计算理论需要的阻力系数Ki;
步骤6,得到各分区的阻力系数Ki后,与步骤3计算的阻力系数查询表中进行查询,选取最接近的ki,并在此处设置相对应的喷氨喷嘴;
所述的步骤4中的流动方程组具体为:
i表示每根喷氨支管前的节点,其中A0和A分别为主管和支管的截面积,λ和ξ分别为沿程阻力系数和局部阻力系数,vi-1、vi为喷氨母管中对应区域的流速,ρ为氨气的混合气体的密度,u i为对应区域的喷氨支管的进口理论流速,Ki为理论需要的阻力系数,pi、pi'分别为喷氨支管进口处母管的压力和进入喷氨支管后的压力,方程中i从1变化到N,N为支管的数量。
7.根据权利要求5所述的一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法,其特征在于,所述的每根喷氨支管需要12-32个喷氨喷嘴,不同机组数量不尽相同。
8.根据权利要求7所述的一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法,其特征在于,所述的喷氨喷嘴类型取三种固定喉部直径。
9.根据权利要求8所述的一种基于数值模拟的不均匀喷氨分区喷嘴阻力设计方法,其特征在于,三种不同喷氨喷嘴的喉部直径依次减小,阻力依次增大。
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