煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)測點氣相流場分析

趙凱，張金柱，楊彭飛，沈煜暉

（1.華電天津軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300300；2.華電鄭州機械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450015）；3.中國華電工程（集團）有限公司環(huán)境保護分公司，北京 100160

1 研究背景

華電天津軍糧城發(fā)電有限公司＃9機組脫硫脫硝除塵改造工程是國家能源局13個環(huán)保重點示范項目之一，2014年11月18日完成煙氣貫通工作。＃9機組出口煙道為煙塔合一，直徑為5.2m。機組運行期間，中國監(jiān)測總站針對＃9機組出口煙道煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）測點位置提出異議：測點前煙道直管段長約12m，不滿足HJ／T 75—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 （試行）》規(guī)定的“對于顆粒物CEMS應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于4倍煙道直徑以及距上述部件上游方向不小于2倍煙道直徑”的要求［1-3］。針對這一情況，本文研究分析如何在有限場地條件下達到環(huán)保監(jiān)測的要求。

2 研究方法及模型

計算流體動力學(xué)（CFD）是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計算機為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進行數(shù)值試驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。數(shù)值模擬作為一種成熟的研究技術(shù)在電站鍋爐流場分析中得到了廣泛應(yīng)用［4-5］。

2.1 系統(tǒng)簡介

凈煙道煙氣系統(tǒng)包括濕式除塵器出口膨脹節(jié)至冷卻塔入口段煙道，包含煙道、導(dǎo)流板及內(nèi)部支撐件。凈煙道入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 凈煙道入口煙氣參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬過程

本次采用CFD軟件模擬研究煙道內(nèi)煙氣的流動特性，研究內(nèi)容主要包括各種工況下測點位置附近的流場分布特性［6-7］。CFD模擬研究的計算程序按以下步驟進行：（1）根據(jù)煙道模型及運行參數(shù)等確定CFD研究的幾何模型；（2）初步設(shè)計煙道內(nèi)的導(dǎo)流板形式及布置方案；（3）確定模型的網(wǎng)格劃分、數(shù)學(xué)模型和邊界條件等；（4）根據(jù)計算所得結(jié)果，分析測點位置的流場分布；（5）重復(fù)以上步驟完成流體模型的方案優(yōu)化設(shè)計。

濕式除塵器出口至冷卻塔入口段煙道三維模型如圖1所示。

圖1 煙道三維模型

2.3 數(shù)學(xué)模型簡化

在進行數(shù)值模擬試驗的過程中，數(shù)學(xué)模型的選取對計算結(jié)果起著至關(guān)重要的影響。該模擬對數(shù)學(xué)模型做出以下假設(shè)：（1）不考慮煙氣中灰分的影響；（2）不考慮流動中的化學(xué)反應(yīng)及影響；（3）流動是定常的；（4）忽略導(dǎo)流板壁厚；（5）流體物性參數(shù)為常數(shù)［8］，涉及的主要計算模型包括氣相湍流模型及組分輸運模型等［9］。

3 解決方案及分析結(jié)果

按照規(guī)范規(guī)定的“前4后2”的測點要求，CEMS測點需安裝在彎頭后的22m處，該測點位于冷卻塔內(nèi)部，濕度大、溫度高、環(huán)境危險，不能滿足環(huán)保測試的環(huán)境要求，現(xiàn)場實際情況是僅能在離彎頭12m處布置環(huán)保監(jiān)測測點。按照100%煙氣量計算，煙道內(nèi)煙氣平均流速為21.2m／s，由于煙氣的慣性作用，實際安裝的CEMS測點前煙道內(nèi)側(cè)的煙氣流速偏低，煙道外側(cè)流速偏高，CEMS測點處截面最大煙氣流速為23～25m／s，最小煙氣流速為16～18m／s，此截面的煙氣流速與標準的偏差約為10%，不滿足環(huán)保測試對流場均布的要求。根據(jù)“前4后2”的流場分布特性指導(dǎo)實際測點流場分布的優(yōu)化，通過優(yōu)選實際測點的流場分布方案，使得實際測點流場分布達到甚至優(yōu)于“前4后2”的流場分布，滿足環(huán)保測試要求。

3.1 “前4后2”條件下測點附近流場特性

圖2所示為“前4后2”條件下直管段的煙道示意圖，取CEMS測點位置處煙道截面進行流場分析。

圖2 出口煙道模型示意

“前4后2”條件下測點附近流場分布如圖3、圖4所示。由于測點截面與彎頭的距離為4倍管道直徑，測點截面流場均勻性較好，截面煙氣流速與標準的偏差約為7%，整個煙道的壓力損失為377Pa。

圖5所示為“前4后2”設(shè)計條件下，測點位置附近的流場矢量分布，由圖5可以看出，由于CEMS測點與彎頭（54.6°）的距離滿足“前4后2”的要求，直管段煙道較長，煙氣的矢量方向分布較好。

3.2 設(shè)置優(yōu)選導(dǎo)流板的流場特性分析

實際測點的流場分布優(yōu)化方案比較均流孔板和導(dǎo)流板的設(shè)計方案。在CEMS測點前彎頭處布置均流孔板，孔徑為100mm，孔間距為130mm，孔隙率約為50%。雖然均布性能好，但是孔板前、后壓力損失約為2200Pa，不利于節(jié)能，因此不選用均流孔板。采取在CEMS測點前彎頭處布置導(dǎo)流板的方案后，CEMS測點附近流場分布如圖6、圖7所示。CEMS測點前0.5m處截面最大煙氣流速約為23m／s，最小煙氣流速約為19m／s，此截面的煙氣流速與標準的偏差約為6.4%，整個煙道的壓力損失為386Pa，阻力增加僅9Pa，節(jié)能效果良好。

圖3 測點位置與彎頭間直管段煙道流場分布（“前4后2”）

圖4 測點位置處煙道截面流場分布（“前4后2”）

圖5 測點位置附近流場矢量分布（“前4后2”）

在測點前彎頭處布置導(dǎo)流板組織流場的條件下，CEMS測點位置附近的流場矢量分布如圖8所示。由圖8可以看出，雖然測點距彎頭較近，但由于導(dǎo)流板組織流場的作用，煙氣矢量方向與測點截面垂直性良好，煙氣能夠垂直通過測點截面，尤其是彎頭處煙氣流動的矢量方向得到了較大改善。

圖6 測點位置前彎頭與測點間煙道流場分布（導(dǎo)流板方案）

圖7 測點位置煙道截面流場分布（導(dǎo)流板方案）

圖8 測點位置附近流場矢量分布（導(dǎo)流板方案）

圖9為測點位置處截面的矢量圖，其中箭頭的長短表示煙氣流速大小，箭頭與數(shù)值方向的夾角表示流場的矢量方向，該截面的箭頭長短基本一致，表示此截面的煙氣流速分布較均勻且煙氣基本垂直通過測點截面。

圖10為測點位置附近的煙氣流線分布，雖然測點位置距離彎頭較近，但測點位置流線的豎直性良好，說明經(jīng)過導(dǎo)流板組織流場，煙氣能夠均勻垂直地通過測點截面。

圖9 測點處煙氣矢量分布

圖10 測點位置附近煙氣流線分布

4 變負荷方案分析

（1）在方案設(shè)計中同時也分析了100%，75%及50%負荷下的流場分布，發(fā)現(xiàn)特性相似，在50%負荷以上的范圍內(nèi)流場分布特性與煙氣流速或煙氣量無關(guān)，遵循相似原則。

（2）在現(xiàn)有運行條件下，測點處截面煙氣流速與標準的偏差約為10.0%，測點截面處煙氣矢量方向偏角約為10°，整個煙道壓力損失約為364Pa。

（3）移動測點位置至冷卻塔內(nèi)，滿足測點“前4后2”的要求，測點處煙氣流速與標準的偏差約為7.0%，測點截面的流場均勻程度及煙氣矢量偏差均有所改善，整個煙道的壓力損失約為377Pa。

（4）在現(xiàn)有CEMS測點位置前的彎頭處布置導(dǎo)流板，CEMS測點處煙氣流速與標準的偏差約為6.4%，測點截面處煙氣矢量方向與截面垂直，整個煙道的壓力損失約為386Pa。

（5）在測點前彎頭處布置均流孔板，孔板前、后壓力損失約為2200Pa。

5 結(jié)論

綜上所述，考慮到系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性、施工成本、施工難易程度、安全性及測點位置流場的均勻性，彎頭處布置優(yōu)選導(dǎo)流板可以滿足環(huán)保測試的要求。方案實施后的實際測試發(fā)現(xiàn)，煙氣流速為20～22m／s，平均煙氣流速為20.8m／s，煙氣流速與標準的偏差約為6.4%，與計算結(jié)果吻合。因此，在工程實踐中如果實際布置條件不滿足環(huán)保測試“前4后2”的要求，可以嘗試采用導(dǎo)流分布的方案加以解決。

［1］王志軒.我國火電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)裝設(shè)及應(yīng)用的若干問題［J］.中國電力，2002，35（11）：74-78.

［2］潘柳青.CEMS比對檢測要求探討［J］.環(huán)境檢測管理與技術(shù)，2008，20（3）：58-59.

［3］HJ／T 75—2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）［S］.

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