CN113648830B - 一种大截面燃煤烟气流速测量及scr系统氨定量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，包括以下步骤：步骤一：在烟道参数输入下，由基于数值模拟方法得到的流速分布图确定烟气流速测点布置方案；步骤二：设计具有尖端主动发电功能的角型烟气流速测量探头并应用于上述布置方案中的各个烟气流速测点，测量得到烟气流速测点布置方案中各分区域烟气流速；步骤三：结合上述两个步骤，引入SCR系统自有的入口NOx浓度测量值，计算得到SCR系统分区域喷氨量和喷氨总量。本发明实现大截面燃煤烟气流速分布特性的精准测量，获得SCR系统烟道截面分区域喷氨量和喷氨总量的准确定量。
Description
技术领域
本发明涉及热能与动力工程技术领域，具体涉及一种大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法。
背景技术
燃煤装备烟气特性参数对于其优化运行具有重要的指导意义。大型燃煤电站烟道结构复杂、烟道截面大，其内部的烟气流动速度体现出了显著的不均匀分布特性，而常规的烟气流速测量方法只能测量获得大截面烟道内某个位置上的烟气流速，以点代面的流速诊断方法显然是极其不合理的。
近年来，有研究者提出要在大截面烟道内进行烟气特征参数的分区测量，但是如何布置烟气特征参数侧测点，尚缺少统一、可行的方法。
当前，选择性催化还原(Selective Catalyst Reduction，SCR)脱硝系统因较优的脱硝性能被广泛应用于燃煤装备烟气脱硝工程中，尤其是针对大型的燃煤发电机组。大型燃煤发电机组烟道截面极大，常规660MW级燃煤发电机组SCR系统反应器烟道截面尺寸可到达15米×12米左右，然而在如此大的烟道截面内常规情况下仅布置3个左右的烟气流速，且烟气流速测点位置的确定是随机的、缺少方法论的。SCR系统的烟气流速特征直接决定了烟气中的NOx流通量，因烟气流动速度测点的不准确性极易导致喷氨的精确、欠合理。
发明内容
为解决燃煤装备大烟道截面内烟气流速测量不准确，进而造成喷氨不精确的共性技术问题，本发明提供一种大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，实现大截面燃煤烟气流速分布特性的精准测量，获得SCR系统烟道截面分区域喷氨量和喷氨总量的准确定量。
本发明是通过如下技术方案实现的：
提供一种大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，包括以下步骤：
步骤一：在烟道参数输入下，由基于数值模拟方法得到的流速分布图确定烟气流速测点布置方案；
步骤二：设计具有尖端主动发电功能的角型烟气流速测量探头并应用于上述布置方案中的各个烟气流速测点，测量得到烟气流速测点布置方案中各分区域烟气流速；
步骤三：结合上述两个步骤，引入SCR系统自有的入口NOx浓度测量值，计算得到SCR系统分区域喷氨量和喷氨总量。
进一步的，在步骤一中，烟道参数包括结构参数和对应尺寸参数，结构参数可为圆形结构烟道或矩形结构烟道中一种，其中：圆形结构烟道对应尺寸参数为烟道截面直径，矩形结构烟道对应尺寸参数为长度和宽度。
进一步的，在步骤一中，流速分布图取自平均负荷工况下的数值模拟计算结果，应至少建立从省煤器出口到SCR系统喷氨格栅前烟道截面的全尺寸几何模型，计算边界为均匀速度入口和自由流出口。
进一步的，在步骤一中，确定烟气流速测点布置方案时，首先对烟道截面进行均匀网格区域划分：
对于圆形结构烟道，被划分的烟道截面为具有代表性的假想矩形结构烟道；
对于矩形结构烟道，被划分的烟道截面为真实矩形结构烟道；
均匀网格区域划分时，假想或真实矩形结构烟道长度方向的网格间距与宽度方向的网格间距满足如下条件：
式中：Lg为长度方向的网格间距，Wg为宽度方向的网格间距，L为假想或真实矩形结构烟道的长度，W为假想或真实矩形结构烟道的宽度；
通过数值模拟数据计算出网格分区域内烟气流速平均值，进而在各区域内初步筛选出与烟气流速平均值数值相同的流速位置点i，
烟气流速测点的布置遵循如下原则：
式中：di为与烟气流速平均值数值相同的流速位置点与网格分区域中心点的距离，Di为与烟气流速平均值数值相同的流速位置点与整个烟道截面区域中心点的距离；
每个网格分区域内，流速位置点i所在的位置布置烟气流速测点。
进一步的，在步骤三中，SCR系统分区域喷氨量和喷氨总量的计算方式如下：
式中：Qi为网格分区域i的喷氨量；vi网格分区域i的烟气流速；cNOx为SCR系统自有的入口NOx浓度测量值；MNOx为氮氧化物的摩尔质量；MNH3为氨的摩尔质量；Q为烟道截面喷氨总量。
具有代表性的假想矩形结构烟道具体为正方形结构烟道，对角线长度等于圆形结构烟道截面直径。
进一步的，在步骤二中，角型烟气流速测量探头包括尖端放电电极，以及由内向外依次设置的等边三角形感应电极、等边三角形绝缘层和等边三角形屏蔽层，其中：等边三角形感应电极包括大小相同且同轴平行放置的两个等边三角形感应电极；等边三角形绝缘层包括绝缘内衬和绝缘外衬，绝缘内衬设置在两个感应电极的内侧，绝缘外衬设置在两个感应电极的外侧；等边三角形屏蔽层设置在绝缘外衬的外侧；尖端放电电极为圆柱形，尖端放电电极设置在面向烟气来流方向的一侧，且固定在烟气来流经过的第一个等边三角形感应电极的前端。
三角形感应电极的尖端更尖、曲率更大、电荷面密度更高，其附近的场强也更强，从而引起的尖端效应就更明显，信号强度更强。此外，等边三角形感应电极与其他三角形相比，感应电极面积相同时，等边三角形的周长更小，符合材料节省的原则。
更进一步的，等边三角形感应电极的边长为5～10cm，等边三角形绝缘层厚度为0.5～1cm，等边三角形屏蔽层厚度为0.5～1cm；等边三角形感应电极的宽度为对应边长的0.05～0.15倍；两个等边三角形感应电极同轴平行放置的间距为对应边长的0.75～1.25倍；等边三角形绝缘层和屏蔽层具有相等宽度且为等边三角形感应电极对应边长的1.5～2.5倍；远离烟气来流方向的感应电极与屏蔽层端面之间的距离不超过5cm。
更进一步的，尖端放电电极与相邻的感应电极的垂直距离为感应电极边长的0.25～0.5倍；尖端放电电极的长度等于等边三角形屏蔽层顶点与两感应电极轴线之间的垂直距离。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，本发明先在烟道参数输入下，基于数值模拟方法得到的流速分布图确定烟气流速测点布置方案，进而基于静电互相关原理设计具有尖端主动发电功能的角型烟气流速测量探头，最后在前述两个步骤的基础上，根据烟道截面分区域特性及其烟气流速特性，引入SCR系统自有的入口NOx浓度测量值，计算得到SCR系统分区域喷氨量和喷氨总量。
本发明方法可实现大截面燃煤烟气流速分布特性的精准测量，进而获得SCR系统烟道截面分区域喷氨量和喷氨总量的准确定量，为后续系统的运行优化调整提供数据基础。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2为本发明实施案例中烟道网格分区及烟气流速测点布置方案；
图3为本发明实施案例中具有尖端主动发电功能的角型烟气流速测量探头结构纵向截面示意图；
图4为图3中A-A方向纵向剖面图；
图5为本发明实施案例中对象机组喷氨总量及分区域1喷氨量特性。
图6为基于角型烟气流速测量探头的网格区域内的烟气流速特性(部分)。
图中所示：
1、尖端放电电极，2、绝缘内衬，3、绝缘外衬，4、三角形感应电极，5、屏蔽层。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
本实施案例在某660MW燃煤发电机组SCR系统实施应用，一种大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法具体的实施过程如下：
步骤一：在烟道参数输入下，由基于数值模拟方法得到的流速分布图确定烟气流速测点布置方案。
其中：该机组SCR系统喷氨格栅前烟道截面为矩形结构烟道，对应尺寸参数为：长度＝14.5米、宽度＝3.5米。
采用Gambit建立从省煤器出口到SCR系统喷氨格栅前烟道截面的全尺寸几何模型，并进行网格划分、网格独立性检验。Fluent计算中使用的入口边界为均匀速度入口，出口边界为自由流出口。经调研历史运行数据，该机组的平均负荷工况约为510MW，故开展510MW负荷工况下基于上述模型与边界条件属性的数值模拟计算。
对烟道截面进行均匀网格区域划分，对于矩形结构烟道长度方向的网格间距与宽度方向的网格间距满足如下条件：
该机组SCR系统喷氨格栅前烟道截面烟道长度方向四等分，网格长度为3.625米；宽度方向二等分，网格长度为1.75米。
通过数值模拟数据计算出网格分区域内烟气流速平均值，进而在各区域内初步筛选出与烟气流速平均值数值相同的流速位置点i，烟气流速测点的布置遵循如下原则：
式中：di为与烟气流速平均值数值相同的流速位置点与网格分区域中心点的距离，Di为与烟气流速平均值数值相同的流速位置点与整个烟道截面区域中心点的距离。
每个网格分区域内，流速位置点i所在的位置布置烟气流速测点。
由此得到的烟道网格分区及烟气流速测点布置方案如附图2所示。
在每个网格分区内布置基于静电互相关原理设计具有尖端主动发电功能的角型烟气流速测量探头。
本实施案例中所使用的具有尖端主动发电功能的角型烟气流速测量探头结构示意图如附图3所示。
角型烟气流速测量探头是由两个等边三角形感应电极4、等边三角形绝缘层、等边三角形屏蔽5层和一个尖端放电电极1组成；三角形感应电极4的边长取8cm，绝缘层厚度取0.1cm，屏蔽层5厚度取0.5cm。
最外层为屏蔽层5，往里依次为绝缘外衬3、感应电极4、绝缘内衬2；等边三角形感应电极4的宽度为1cm；两个等边三角形感应电极4同轴平行放置的间距为8cm；绝缘层和屏蔽层5具有相等宽度，均为17cm；远离烟气来流方向的感应电极4与屏蔽层5端面之间的距离为2cm。
尖端放电电极1面向烟气来流方向，位于等边三角形感应电极4的前端，距离为3cm；尖端放电电极1为圆柱形，其高度为5.33cm。
该机组SCR系统喷氨格栅前烟道截面按照一定规则共计划分为8个均匀网格区域，并按照附图2方案在每个网格区域内布置角型烟气流速测量探头所得到的分区域烟气流速特性。
在前述两个步骤的基础上，根据烟道截面分区域特性及其烟气流速特性，引入SCR系统自有的入口NOx浓度测量值，按照如下公式计算得到SCR系统分区域喷氨量和喷氨总量。
式中：Qi为网格分区域i的喷氨量，kg/s；vi网格分区域i的烟气流速，m/s；cNOx为SCR系统自有的入口NOx浓度测量值，mg/m3；MNOx为氮氧化物的摩尔质量，g/mol；MNH3为氨的摩尔质量，g/mol；Q为烟道截面喷氨总量，kg/s。
由此所得本实施案例对象的喷氨总量及各分区域喷氨量，部分运行数据如附图5所示。
通过本实施案例可以说明，本发明所公开的一种大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，通过代入公式中相应参数的数值，可实现大截面燃煤烟气流速分布特性的精准测量，进而获得SCR系统烟道截面分区域喷氨量和喷氨总量的准确定量，为后续系统的运行优化调整提供数据基础。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (7)
1.一种大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在烟道参数输入下，由基于数值模拟方法得到的流速分布图确定烟气流速测点布置方案，首先对烟道截面进行均匀网格区域划分：
对于圆形结构烟道，被划分的烟道截面为具有代表性的假想矩形结构烟道；
对于矩形结构烟道，被划分的烟道截面为真实矩形结构烟道；
均匀网格区域划分时，假想或真实矩形结构烟道长度方向的网格间距与宽度方向的网格间距满足如下条件：
式中：Lg为长度方向的网格间距，
为宽度方向的网格间距，
为假想或真实矩形结构烟道的长度，W为假想或真实矩形结构烟道的宽度；
通过数值模拟数据计算出网格分区域内烟气流速平均值，进而在各区域内初步筛选出与烟气流速平均值数值相同的流速位置点i，
烟气流速测点的布置遵循如下原则：
式中：
为与烟气流速平均值数值相同的流速位置点与网格分区域中心点的距离，Di为与烟气流速平均值数值相同的流速位置点与整个烟道截面区域中心点的距离；
每个网格分区域内，流速位置点i所在的位置布置烟气流速测点；
步骤二：设计具有尖端主动发电功能的角型烟气流速测量探头并应用于上述布置方案中的各个烟气流速测点，测量得到烟气流速测点布置方案中各分区域烟气流速；其中：角型烟气流速测量探头包括尖端放电电极，以及由内向外依次设置的等边三角形感应电极、等边三角形绝缘层和等边三角形屏蔽层，其中：等边三角形感应电极包括大小相同且同轴平行放置的两个等边三角形感应电极；等边三角形绝缘层包括绝缘内衬和绝缘外衬，绝缘内衬设置在两个感应电极的内侧，绝缘外衬设置在两个感应电极的外侧；等边三角形屏蔽层设置在绝缘外衬的外侧；尖端放电电极为圆柱形，尖端放电电极设置在面向烟气来流方向的一侧，且固定在烟气来流经过的第一个等边三角形感应电极的前端；
步骤三：结合上述两个步骤，引入SCR系统自有的入口NOx浓度测量值，计算得到SCR系统分区域喷氨量和喷氨总量。
2.根据权利要求1所述的大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，其特征在于：在步骤一中，烟道参数包括结构参数和对应尺寸参数，结构参数为圆形结构烟道或矩形结构烟道，其中：圆形结构烟道对应尺寸参数为烟道截面直径，矩形结构烟道对应尺寸参数为长度和宽度。
3.根据权利要求1所述的大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，其特征在于：在步骤一中，流速分布图取自平均负荷工况下的数值模拟计算结果，应至少建立从省煤器出口到SCR系统喷氨格栅前烟道截面的全尺寸几何模型，计算边界为均匀速度入口和自由流出口。
4.根据权利要求1所述的大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，其特征在于：在步骤三中，SCR系统分区域喷氨量和喷氨总量的计算方式如下：
式中：Q i 为网格分区域i的喷氨量；𝑣 i 网格分区域i的烟气流速；cNOx为SCR系统自有的入口NOx浓度测量值；MNOx为氮氧化物的摩尔质量；MNH3为氨的摩尔质量；Q为烟道截面喷氨总量。
5.根据权利要求1所述的大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，其特征在于：具有代表性的假想矩形结构烟道具体为正方形结构烟道，对角线长度等于圆形结构烟道截面直径。
6.根据权利要求1所述的大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，其特征在于：等边三角形感应电极的边长为5~10cm，等边三角形绝缘层厚度为0.5~1cm，等边三角形屏蔽层厚度为0.5~1cm；等边三角形感应电极的宽度为对应边长的0.05~0.15倍；两个等边三角形感应电极同轴平行放置的间距为对应边长的0.75~1.25倍；等边三角形绝缘层和屏蔽层具有相等宽度且为等边三角形感应电极对应边长的1.5~2.5倍；远离烟气来流方向的感应电极与屏蔽层端面之间的距离不超过5cm。
7.根据权利要求6所述的大截面燃煤烟气流速测量及SCR系统氨定量方法，其特征在于：尖端放电电极与相邻的感应电极的垂直距离为感应电极边长的0.25~0.5倍；尖端放电电极的长度等于等边三角形屏蔽层顶点与两感应电极轴线之间的垂直距离。
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