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    煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)測點氣相流場分析

    2015-04-24 07:15:18趙凱張金柱楊彭飛沈煜暉
    綜合智慧能源 2015年10期
    關(guān)鍵詞:孔板煙道導(dǎo)流

    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].

    [4]張振義,鄒磊.火電廠凈煙氣煙道流場特性分析及流量測點選擇[J].江蘇機電工程,2014,33(4):75-77.

    [5]CHEN M,ALEIXO J,WILLIAMSS,et al.CFD modelling of 3-way catalytic converters with detailed catalytic surface reactionmechanism[J].SAE Paper,2004(1):25-28.

    [6]CHEN M.Modelling and optimization of SCR-exhaust aftertreatment systems[J].SAE Paper,2005(1):37-41.

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