CN114970284A - 一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法及系统，评估方法过程包括：通过对燃煤机组的飞灰流动跟踪模型和喷枪表面反弹角模型进行数值计算，得到飞灰颗粒信息；根据飞灰颗粒信息，建立冲蚀磨损模型；判断单颗飞灰颗粒与喷枪碰撞的时间，根据此时的单颗飞灰颗粒信息，利用冲蚀磨损模型计算喷枪在单颗飞灰磨损情况下的磨损量；计算所述单颗飞灰颗粒在下个时间步长的速度方向和位置，直至离开可能参与碰撞的区域；根据喷枪在所有飞灰颗粒磨损情况下的磨损量，将喷枪上同一位置发生碰撞后的磨损量进行求和，得到喷枪上所有位置的总磨损量。本发明适用于燃煤电厂喷枪磨损的磨损模型，并完善了气固两相流计算方法，使得计算结果与实际相符。

Description

一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法及系统

技术领域

本发明属于火力发电环保技术领域，具体涉及一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法及系统。

背景技术

目前对于燃煤电厂脱硝烟道内SNCR尿素溶液喷枪或SCR尿素直喷热解喷枪的磨损研究采用实际运行数据统计的方式，即将喷枪放入烟道内，实际运行一段时间后，将其取出，观察喷枪的磨损部位及磨损大小，通过统计对其易磨损的位置进行评估。该方法，对于每一个电厂都需要花费数月或数年的时间进行研究，并且随着煤质、负荷、风量等因素的变化，其得到的结果也并不能完全与实际磨损率相匹配。现阶段受限于磨损模型，气固两相流计算方法等因素，未提出成熟的喷枪磨损评估方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法及系统，本发明适用于燃煤电厂喷枪(SNCR尿素溶液喷枪或SCR尿素直喷热解喷枪)磨损的磨损模型，并完善了气固两相流计算方法，使得计算结果与实际相符。

本发明采用的技术方案如下：

一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，包括如下过程：

计算飞灰颗粒信息：通过对已预建立的燃煤机组的飞灰流动跟踪模型和喷枪表面反弹角模型进行数值计算，得到飞灰颗粒信息；

建立冲蚀磨损模型：根据飞灰颗粒信息，对飞灰颗粒运动中的冲击角、速度以及颗粒形状建立冲蚀磨损模型；

计算单颗飞灰颗粒磨损量：判断单颗飞灰颗粒与喷枪碰撞的时间，根据此时的单颗飞灰颗粒信息，利用冲蚀磨损模型计算喷枪在单颗飞灰磨损情况下的磨损量；再利用反弹系数方程计算所述单颗飞灰颗粒在下个时间步长的速度方向和位置，直至该飞灰颗粒离开可能参与碰撞的区域；

计算总磨损量：根据喷枪在所有飞灰颗粒磨损情况下的磨损量，将喷枪上同一位置发生碰撞后的磨损量进行求和，得到喷枪上所有位置的总磨损量。

优选的，所述燃煤机组的飞灰流动跟踪模型如下：

式中：m_p为飞灰颗粒质量；x_p为飞灰颗粒位置；ρ_p为飞灰颗粒密度；F_sl为萨夫曼剪切力；F_D为曳力；t为时间，g为重力加速度，ρ为冲蚀磨损的目标材料密度。

优选的，所述飞灰颗粒信息包括飞灰速度、飞灰粒径、飞灰入射角度与密度。

优选的，所述冲蚀磨损模型如下：

式中：E(α)为磨损量，n₁、n₂为指定系数，可通过实验经验系数得出，n₁取值范围一般在1.1～2.2，n₂取值范围一般在0.15～0.85；H_v为喷枪材料维氏硬度；V_p为飞灰颗粒与喷枪表面的相对速度；V_ref为飞灰颗粒参考速度；d_p为飞灰颗粒的粒径；d_ref为飞灰颗粒参考粒径，k₂为速度参考系数，k₃为粒径参考系数，K₁为设置值，k₂、k₃和K₁可通过实验经验系数得出，取值范围在1.2～3.5之间；ρ_w为飞灰颗粒密度；α为飞灰颗粒入射角度。

优选的，所述反弹系数方程如下：

τ_N＝0.95-0.0127α+8.25×10^-4α²-2.21×10^-6α³

τ_T＝0.88-0.021α+5.32×10^-4α²-1.16×10^-6α³

式中：τ_N、τ_T分别为法相反弹系数和切向反弹系数；α为飞灰颗粒入射角度。

优选的，利用磨损量计算磨损时间t：

式中：t为磨损时间；ρ为冲蚀磨损的目标材料密度；S为目标材料磨损区域的表面积；d为目标材料厚度；e_r为目标材料的磨损率，目标材料的磨损率通过单位时间内目标材料的磨损量计算得到。

优选的，所述喷枪为燃煤电厂SNCR尿素溶液喷枪或SCR尿素直喷热解喷枪。

本发明还提供了一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估系统，包括：

飞灰颗粒信息计算模块：用于通过对已预建立的燃煤机组的飞灰流动跟踪模型和喷枪表面反弹角模型进行数值计算，得到飞灰颗粒信息；

冲蚀磨损模型建立模块：用于根据飞灰颗粒信息，对飞灰颗粒运动中的冲击角、速度以及颗粒形状建立冲蚀磨损模型；

单颗飞灰颗粒磨损量计算模块：用于判断单颗飞灰颗粒与喷枪碰撞的时间，根据此时的单颗飞灰颗粒信息，利用冲蚀磨损模型计算喷枪在单颗飞灰磨损情况下的磨损量；再利用反弹系数方程计算所述单颗飞灰颗粒在下个时间步长的速度方向和位置，直至该飞灰颗粒离开可能参与碰撞的区域；

总磨损量计算模块：用于根据喷枪在所有飞灰颗粒磨损情况下的磨损量，将喷枪上同一位置发生碰撞后的磨损量进行求和，得到喷枪上所有位置的总磨损量。

优选的，本发明燃煤电厂用喷枪的磨损评估系统还包括寿命计算模块：用于计算磨损时间t：

式中：t为磨损时间；ρ为冲蚀磨损的目标材料密度；S为目标材料磨损区域的表面积；d为目标材料厚度；e_r为目标材料的磨损率，目标材料的磨损率通过单位时间内目标材料的磨损量计算得到。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法基于燃煤机组实际运行数据，以及飞灰颗粒在烟道内运动时与喷枪撞击的冲击角、速度以及颗粒形状建立冲蚀磨损模型。现有的冲蚀磨损模型都是基于冷态或单一的材料进行的描述，暂无法对喷枪的实际冲蚀磨损进行计算。本发明中，通过冲击角、速度以及颗粒形状修正磨损模型，修正后的模型更加符合燃煤机组内喷枪的冲蚀磨损模型，以便对喷枪磨损进行研究，以达到合理的布置方式和更长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中实际运行尿素直喷喷枪磨损率分布图；

图2(a)为本发明实施例中实际运行尿素直喷喷枪布置图；图2(b)为本发明实施例中实际运行尿素直喷喷枪磨损率分布图；

图3为本发明实施例中实际SCR尿素直喷烟道模型示意图；

图4为本发明实施例中待模拟的飞灰粒径分布图；

图5为本发明实施例中d和Y_d的曲线关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明：

本发明提出了对燃煤电厂脱硝烟道内，含灰烟气的流动对SNCR尿素溶液喷枪或SCR尿素直喷热解喷枪的磨损评估方法，该方法具体包括如下步骤：

1)对燃煤机组的飞灰流动建立跟踪模型，并确定喷枪表面反弹角模型，通过对跟踪模型和喷枪表面反弹角模型进行数值计算，得到飞灰颗粒信息，飞灰颗粒信息包括飞灰颗粒的运行轨迹和参数信息，更进一步的具体包括飞灰速度、飞灰粒径、飞灰入射角度与密度；

2)根据飞灰颗粒的运行轨迹和参数信息，对飞灰颗粒运动中的冲击角、速度以及颗粒形状建立冲蚀磨损模型；

3)判断单颗飞灰颗粒与喷枪碰撞的时间，根据此时的单颗飞灰颗粒信息，利用冲蚀磨损模型计算喷枪在单颗飞灰磨损情况下的磨损量，并估算剩余的喷枪寿命；再利用反弹系数方程计算该单颗飞灰颗粒在下个时间步长的速度方向和位置，直至该飞灰颗粒离开可能参与碰撞的区域；

4)对每个飞灰颗粒重复进行步骤3)，得到每一颗飞灰颗粒发生碰撞后的磨损量，将喷枪上同一位置发生碰撞后的磨损量进行求和，得到喷枪上所有位置的总磨损量，实现对燃煤电厂用喷枪的磨损评估。

本发明的上述方案中，烟气和飞灰颗粒信息采用欧拉和拉格朗日模型进行描述，其中飞灰颗粒流动的跟踪用以下模型(即飞灰流动建立跟踪模型)描述：

式中：m_p为颗粒质量；x_p为颗粒位置；ρ_p为颗粒密度；F_sl为萨夫曼剪切力；F_D为曳力。

本发明的上述方案中，冲蚀磨损模型通过下式计算：

式中：E(α)为磨损量，n₁、n₂为指定系数，可通过实验经验系数得出，n₁取值范围一般在1.1～2.2，n₂取值范围一般在0.15～0.85；H_v为喷枪材料维氏硬度；V_p为飞灰颗粒与喷枪表面的相对速度；V_ref为飞灰颗粒参考速度；d_p为飞灰颗粒的粒径；d_ref为飞灰颗粒参考粒径，k₂为速度参考系数，k₃为粒径参考系数，K₁为设置值，k₂、k₃和K₁可通过实验经验系数得出，取值范围在1.2～3.5之间；ρ_w为飞灰颗粒密度；α为飞灰颗粒入射角度。

冲蚀磨损模型表达式中的系数需要根据电厂实际运行的磨损数据进行数据分析才能确定，具体分析过程：记录已运行6个月及以上时间喷枪上的磨损位置和磨损大小，对每个位置的磨损量代入磨损模型，得到多组系数值，以其平均值为代表值代入磨损模型中，进行数值模拟计算。以符合某600MW燃煤机组SNCR喷枪为例，该喷枪的冲蚀磨损模型磨损模型参数如下：

本发明的上述方案中，反弹系数方程如下：

τ_N＝0.95-0.0127α+8.25×10^-4α²-2.21×10^-6α³

τ_T＝0.88-0.021α+5.32×10^-4α²-1.16×10^-6α³

式中：τ_N、τ_T为法相反弹系数和切向反弹系数；α为飞灰颗粒入射角度。所述反弹系数方程可通过对某实际600MW燃煤机组进行了飞灰冲刷试验，通过高速摄像机拍摄分析得到，属于常规方法。

本发明的技术方案可利用数值计算软件及后处理软件，对采用尿素直喷热解的SCR脱硝系统或采用SNCR脱硝系统进行数值模拟。通过对电厂实际锅炉运行时，喷枪运行的烟道及喷枪上、下游内部的导流板、混合装置、催化剂、格栅进行1:1实际尺寸的建模。并通过现场试验或运行数据，设立与锅炉实际运行参数相符合的包括温度、组分、灰分、速度场这些边界条件，研究喷枪上下游的烟气流场和飞灰分布。通过飞灰分布情况，进行喷枪磨损预测评估计算。通过该预测计算，可以更好的设计烟道结构和喷枪的布置方案，从而达到延长喷枪使用寿命，减少电厂检修、更换喷枪的费用。

实施例

具体的，以某实际电厂为例，本实施例燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，包括以下步骤：

1)某实际电厂脱硝系统超低排放改造后采用尿素直喷热解方案，为避免直喷热解喷枪的快速磨损，现需对其喷枪设备运行的安全时长进行评估。该尿素直喷喷枪布置在SCR脱硝系统的竖直烟道处，标高36.5m，共布置了11根喷枪，分两组在深度方向进行错列布置。根据布置方案，首先收集电厂SCR脱硝系统相关历史运行和现场测试数据情况，然后获取锅炉尾部烟道图纸，及相关边界条件和初始条件，如图3所示，进行1:1实际尺寸的建模。然后需要对实际入炉煤样进行工业分析与元素分析，分析结果参见表1。同时需要对该入炉煤燃烧后的飞灰物理性质进行测试研究，分析结果见表2。

表1

表1

参见图1，即该电厂灰粒径从0.375μm至2000μm的微分体积粒径分布图，该粒径分布平均径为285μm，中位径为240.9μm，峰值为356.1μm。

该电厂灰粒径属于大颗粒灰，磨损性能强。

飞灰的密度为1130kg·m^-3。使用Rosin-Rammler(罗辛-拉姆勒)分布模型对如图4的飞灰粒径进行模拟，该模型需要知道颗粒粒径d与质量分数Y_d对应关系，如表3所示。

表3-4

Rosin-Rammler分布函数假定颗粒粒径d与质量分数Y_d只见存在如下这样一种指数关系：

其中，d_m为平均粒径(Mean Diameter)；n为传播系数(Spread Parameter)。

为了获得上述颗粒粒径d与质量分数Yd，需要找到颗粒粒径d与质量分数Y_d的关系。d和Y_d的曲线关系如图5所示。

Y_d＝e^-1≈0.368所对应的颗粒粒径d值即为平均粒径d_m＝310μm。

得到平均粒径d_m后，根据式

可以得到下式；

n＝ln(-lnY_d)/ln(d/d_m)

根据上式，求得的传播系数n值分别为1.45、1.19、1.29、1.34、1.50、1.38、1.39，这7个传播系数n值的平均值为n＝1.36。

使用飞灰的密度作为模拟条件，即取密度1330kg·m^-3。

3)通过飞灰冲刷试验，得到飞灰碰撞角度和飞灰磨损模型，根据飞灰磨损模型得到磨损量。由于飞灰颗粒的形状是不规则的，同时各金属壁面的表明也不是光滑的，因此这种碰撞是不均匀的，需要对飞灰粒子实际的反弹角进行描述，通过使用高速摄像机对颗粒碰撞进行研究得到反弹系数方程，具体如下：

τ_N＝0.95-0.0127α+8.25×10^-4α²-2.21×10^-6α³

τ_T＝0.88-0.021α+5.32×10^-4α²-1.16×10^-6α³

式中：τ_N、τ_T为法相反弹系数和切向反弹系数；α为飞灰颗粒入射角度。

飞灰冲蚀磨损模型如下：

通过对灰粒物理特性及现场试验数据得到适用于本电厂的相关参数，并代入冲蚀磨损模型如下：

式中：E(α)为磨损量；V_p为粒子与喷枪表面的相对速度；d_p为颗粒粒径；α为颗粒入射角度。

本发明中通过建立SCR烟道喷枪布置系统数值模型，并对模型进行有限元网格化处理，设置颗粒进入SCR烟道喷枪布置系统的边界条件，即飞灰速度、飞灰粒径、飞灰入射角度与密度。

计算流程如下：①在数值计算软件中读入喷枪前的每一个有限元内的信息；②在分析计算得到的各喷枪区域的飞灰颗粒信息，包括每个飞灰颗粒的位置、速度、粒径、密度及质量流量；③通过上一个时间步长的飞灰颗粒信息，计算飞灰颗粒的下一个时间步长所在的位置；④判断飞灰颗粒的位置是否与喷枪接触碰撞；⑤若碰撞，使用

计算喷枪磨损的位置及质量，并利用反弹系数方程τ_N＝0.95-0.0127α+8.25×10^-4α²-2.21×10^-6α³、τ_T＝0.88-0.021α+5.32×10^-4α²-1.16×10^-6α³重新计算该飞灰颗粒在下个时间步长的速度和位置，直至该飞灰颗粒通过喷枪布置的这一高度层；⑥若未碰撞，返回步骤③，并继续计算直至该飞灰颗粒通过喷枪布置的这一高度层；⑦为每个飞灰颗粒完成步骤③～⑥的计算过程。

5)参见图1和图2(b)，将预测的磨损率分布与实际喷枪运行一段时间后磨损区域大小进行对比，发现对应性较好，相关参数选择正确。如若发现，对应性较差，需要更换磨损模型或模型参数，重新进行计算，直到预测与实际相符合。

6)对喷枪磨损进行评估，若磨损较为严重，需要进行尾部烟道改造，通过改变喷枪的布置，和增加合适的导流板，从而降低磨损，并再次评估改造后的磨损率分布。该电厂运行的喷枪磨损主要集中在喷枪的根部，磨损率在合理范围内，不需要进行大幅度改动。

7)通过使用磨损时间计算公式，对改造前后喷枪使用时间进行计算，预测喷枪使用寿命，从而改善或解决磨损问题。

磨损时间的计算式如下：

式中：t为磨损时间，s；ρ为冲蚀磨损的目标材料密度，kg/m³；S为目标材料磨损区域的表面积，m²；d为目标材料厚度，m；e_r为目标材料的磨损率，kg/(m²·s)。

经计算，该电厂喷枪磨损时间约为4年，即运行4年后喷枪磨损至漏液。

本发明通过对实际飞灰进行取样，进行了检测化验，并对实际烟道结构进行建模，使用气固两相流，模拟研究了飞灰的整个流动过程，最大程度的反映了实际流动过程，使模拟的磨损结果与实际情况相符。

综上可以看出，本发明燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法能够对不同布置方式的喷枪磨损率进行评估，通过改变布置方式，找到磨损率最小的布置方式，从而延长喷枪的使用时间，减少喷枪磨损带来的喷射不均以及设备检修的次数。此外，本方法使用简便，耗时短，可以通过数值计算研究喷枪长时间运行后的结果，可以从一开始布置喷枪就避免喷枪产生较大的磨损。本方法对磨损模型进行了深入研究，并对气固两相流计算的关键参数进行了详细确认，确保数值模拟的结果与实际完全相符合，从而达到计算的准确性，为实际运行提供准确指导。

Claims (9)

1.一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，其特征在于，包括如下过程：

计算飞灰颗粒信息：通过对已预建立的燃煤机组的飞灰流动跟踪模型和喷枪表面反弹角模型进行数值计算，得到飞灰颗粒信息；

建立冲蚀磨损模型：根据飞灰颗粒信息，对飞灰颗粒运动中的冲击角、速度以及颗粒形状建立冲蚀磨损模型；

计算单颗飞灰颗粒磨损量：判断单颗飞灰颗粒与喷枪碰撞的时间，根据此时的单颗飞灰颗粒信息，利用冲蚀磨损模型计算喷枪在单颗飞灰磨损情况下的磨损量；再利用反弹系数方程计算所述单颗飞灰颗粒在下个时间步长的速度方向和位置，直至该飞灰颗粒离开可能参与碰撞的区域；

计算总磨损量：根据喷枪在所有飞灰颗粒磨损情况下的磨损量，将喷枪上同一位置发生碰撞后的磨损量进行求和，得到喷枪上所有位置的总磨损量。

2.根据权利要求1所述的一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，其特征在于，所述燃煤机组的飞灰流动跟踪模型如下：

式中：m_p为飞灰颗粒质量；x_p为飞灰颗粒位置；ρ_p为飞灰颗粒密度；F_sl为萨夫曼剪切力；F_D为曳力；t为时间，g为重力加速度，ρ为冲蚀磨损的目标材料密度。

3.根据权利要求1所述的一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，其特征在于，所述飞灰颗粒信息包括飞灰速度、飞灰粒径、飞灰入射角度与密度。

4.根据权利要求1所述的一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，其特征在于，所述冲蚀磨损模型如下：

式中：E(α)为磨损量，n₁、n₂为指定系数；H_v为喷枪材料维氏硬度；V_p为飞灰颗粒与喷枪表面的相对速度；V_ref为飞灰颗粒参考速度；d_p为飞灰颗粒的粒径；d_ref为飞灰颗粒参考粒径，k₂为速度参考系数，k₃为粒径参考系数，K₁为设置值，ρ_w为飞灰颗粒密度；α为飞灰颗粒入射角度。

5.根据权利要求1所述的一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，其特征在于，所述反弹系数方程如下：

τ_N＝0.95-0.0127α+8.25×10^-4α²-2.21×10^-6α³

τ_T＝0.88-0.021α+5.32×10^-4α²-1.16×10^-6α³

式中：τ_N、τ_T分别为法相反弹系数和切向反弹系数；α为飞灰颗粒入射角度。

6.根据权利要求1所述的一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，其特征在于，利用磨损量计算磨损时间t：

式中：t为磨损时间；ρ为冲蚀磨损的目标材料密度；S为目标材料磨损区域的表面积；d为目标材料厚度；e_r为目标材料的磨损率，目标材料的磨损率通过单位时间内目标材料的磨损量计算得到。

7.根据权利要求1所述的一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估方法，其特征在于，所述喷枪为燃煤电厂SNCR尿素溶液喷枪或SCR尿素直喷热解喷枪。

8.一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估系统，其特征在于，包括：

飞灰颗粒信息计算模块：用于通过对已预建立的燃煤机组的飞灰流动跟踪模型和喷枪表面反弹角模型进行数值计算，得到飞灰颗粒信息；

冲蚀磨损模型建立模块：用于根据飞灰颗粒信息，对飞灰颗粒运动中的冲击角、速度以及颗粒形状建立冲蚀磨损模型；

单颗飞灰颗粒磨损量计算模块：用于判断单颗飞灰颗粒与喷枪碰撞的时间，根据此时的单颗飞灰颗粒信息，利用冲蚀磨损模型计算喷枪在单颗飞灰磨损情况下的磨损量；再利用反弹系数方程计算所述单颗飞灰颗粒在下个时间步长的速度方向和位置，直至该飞灰颗粒离开可能参与碰撞的区域；

总磨损量计算模块：用于根据喷枪在所有飞灰颗粒磨损情况下的磨损量，将喷枪上同一位置发生碰撞后的磨损量进行求和，得到喷枪上所有位置的总磨损量。

9.根据权利要求8所述的一种燃煤电厂用喷枪的磨损评估系统，其特征在于，还包括寿命计算模块：用于计算磨损时间t：

式中：t为磨损时间；ρ为冲蚀磨损的目标材料密度；S为目标材料磨损区域的表面积；d为目标材料厚度；e_r为目标材料的磨损率，目标材料的磨损率通过单位时间内目标材料的磨损量计算得到。

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