摘 要
由于燃气电厂装机容量不断提高。国家对燃气电厂污染物排放要求日益提高。针对东莞某燃气轮机烟气脱硝项目SCR装置进行流场优化设计，采用CFD模拟与物模实验结合的方法对该厂脱硝系统进行了流场优化。通过加装3种不同形式的导流部件，物模与数模结果得到了相互验证，速度分布、NH3/NOx摩尔分布及压降等指标均优于要求。该项目已成功投入运行，运行结果表明系统设计合理。
关键词：燃气轮机、SCR、CFD、物模
0
引言
氮氧化物NOx是燃气轮机发电机组释放的主要污染物之一[1]，严重危害着人类生存环境。目前火力发电是我国的主要发电形式，截止到火力发电仍然占总装机容量的60.2%，发电量占比达到70.4%[1]。燃气电厂与燃煤电厂相比具有发电效率高、污染物排放量少等特点。截止底，我国燃气发电机组装机总容量已达7860kW，沿海经济发达地区燃气装机容量增长迅速[2]，但是国内火力发电企业至开始进行超低排放改造。单位煤电排放中的污染物的量是F级燃气发电的86%[1]。燃气电厂的环保问题已日益凸显，对燃气轮机污染物排放的要求日益提高。深圳于颁布的《深圳市大气环境质量提升计划（-）》，明确规定燃气轮机氮氧化物排放不得超过15mg/Nm3。江苏省印发的《固定式燃气轮机大气污染物排放标准》征求意见稿中规定新建燃气电厂NOX排放小于10mg/Nm3。
燃气轮机污染物排放主要以氮氧化物（NOx）为主。燃气轮机的氮氧化物控制技术主要分为燃烧过程控制与烟气脱硝技术[3]。在F级燃气轮机中应用的燃烧过程控制技术主要为DLN（干式低NOx）燃烧技术，通过该技术能够将NOx控制在9μL/L[4]。仅仅依靠燃烧过程控制技术已经不能满足日益严格的环保标准。燃气轮机脱硝必须结合烟气脱硝技术—主要为SCR（选择性催化还原）技术。两种技术协同工作满足排放要求。
SCR技术在火电超净排放中广泛使用是一种高效、成熟、可靠的工艺。但是燃气电厂的SCR脱硝系统具有其特殊性。与燃煤电厂SCR相比具有负荷变化剧烈、余热锅炉空间有限、流场不均匀性大、加装SCR系统后要求新增阻力小等特点。燃气SCR系统在设计时需要保证流场的均匀、氨氮混合的均匀性的同时兼顾压降小的要求，设计难度极高。
本文以东莞中电新能源F级燃气机组脱硝改造项目为研究对象，使用数值模拟方法进行了SCR系统流场优化，并进行了模化试验验证。东莞中电新能源脱硝改造项目实际运行良好进一步验证了数值模拟及数模试验的准确性。
01
研究对象
东莞中电新能源有限公司燃气发电机组采用三菱M701F4型燃气轮机，配用东方日立生产的三压、再热、无补燃、自然循环卧式余热锅炉。该余热锅炉特点是在烟气入口段设置有一个偏心扩散段，脱硝催化剂安装在高压蒸发器与高压省煤器3之间，预留脱硝系统安装空间为3600mm，空间狭窄很难布设导流装置及喷氨格栅。因此将喷氨格栅设置在进口扩散段。如图1所示。
图1 SCR系统三维模型
首先针对该型余热锅炉进行1:1建模，模型开始于入口烟道终止于催化剂出口高温省煤器3前的截面。烟气由圆形烟道进入一级变径后流经喷氨格栅后再进入二级变径分别流过锅炉受热面后进入催化剂。
02
数值模拟方法
SCR烟气脱硝数值模拟涉及到湍流流动、传热传质、多组分输运等过程。将烟气流动视为三维稳态不可压定常流动。流场的模拟是对N-S方程进行求解，采用标准k-ε双方程模型模拟气体的湍流流动。运用Species transport模型模拟NH3在烟气中的混合与扩散，在模拟中不涉及化学反应。由于锅炉管束以及催化剂部分结构复杂，引入Porous Media Model (多孔介质模型)进行模拟[5][6]。在建模中将换热管束简化为长方体区域，设定内部压力损失情况，还能通过设定多孔性参数来反应管束对烟气流速的影响。
图2 模拟网格划分
网格的划分直接关系到数值模拟的准确性。本次模拟网格划分采用ICEM软件进行。由于模型在物理上存在对称性，为减小网格数量降低模拟时间，以y=0 平面作为对称边界，取模型的一半进行网格划分。采用多重网格分区划分的方法。对于无喷氨格栅、导流板、换热管等规则区域采用结构化网格进行划分，对于喷氨格栅、导流板、换热管等结构复杂、不规则的区域采用非结构化小尺度加密网格进行划分。结构网格与非结构网格交接面采用interface边界进行耦合[7]。
在模拟过程中由于催化剂上游各换热元件多，难以模拟，而温降对速度场及浓度场分布影响较小，本次模拟不考虑换热管排的降温作用。烟气入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，壁面均采用无滑移壁面边界条件。
03
评价指标
本文采用催化剂入口烟气速度分布的相对标准偏差及催化剂入口的NH3/NOx摩尔比分布的相对标准偏差作为衡量催化剂前速度及NH3浓度分布均匀的指标。使用Fluent软件导出催化剂前速度及NH3数据经过数据处理后可以得到催化剂前界面的速度及浓度值即为样本测定值xi，对这些值求算数平均值 `x求取样本标准偏差见式1。
RSD —相对标准偏差；
xi—样本测定值，速度或浓度；
`x —样本测定值的算数平均值。
对于燃气轮机SCR工艺脱硝烟气流速偏差小于15%、NH3/NOx摩尔比偏差小于10%为合格[8]。
04
数值模拟与结果分析
SCR流场模拟的总体思路是先进行空塔模拟得到SCR反应器的原始流场分布，在局部高、低速区和涡流区域增加导流部件，通过调整导流部件的形状来调整烟气流量从而使流场及氨氮分布达标。
不加装任何导流装置的SCR系统的速度及NH3流线图、云图如图3、4、5、6、7所示。
图3 空塔模型流线图 图4 空塔模型X-Z平面速度云图
图5 空塔喷氨格栅入口速度云图
图6 空塔催化剂入口速度云图
图7 空塔催化剂入口氨浓度分布图
通过计算催化剂入口截面速度分布的相对标准偏差为18.1%，氨浓度分布相对标准偏差值为59.2%，装设喷氨格栅及催化剂新增阻力230Pa。可见催化剂入口截面速度与氨浓度偏差很大，均匀性非常差远远超出设计值的要求，将导致大量氨逃逸。
造成上述不均匀性的原因主要是余热锅炉进口设置的偏心变径造成的。在变径段存在大范围的涡流区，变径扩散段下部烟气流速远远高于中上部，烟气主要从中下部流入余热锅炉，造成上部氨气浓度远高于中下部，造成氨逃逸。
针对余热锅炉的结构特点优化了空塔方案，设置了5组导流装置经过若干次调整后再次进行模拟，各项指标均优于设计标准。优化结构见图8所示。共装设5组共3种形式的导流板。
图8 导流板
装设导流装置的模拟速度及NH3流线图及云图如图9、10、11、12所示。
图9 优化后速度流线图
图10 优化后喷氨格栅前速度分布图
图11 优化后催化剂进口速度分布图
图12 优化后催化剂进口氨浓度分布图
优化后余热锅炉入口烟道变径涡流区明显减小，喷氨格栅区域速度场均匀性大为改善，有利于氨浓度的分布均匀。经过统计催化剂入口速度分布相对标准偏差为10.7%，催化剂入口氨浓度分布相对标准偏差为3.42%，加装导流板后与空塔相比新增阻力55Pa，SCR系统总阻力为285Pa，均优于设计指标。
05
物模实验
针对东莞某燃气轮机脱硝项目还开展了物模实验进一步对数模结果进行验证。
在SCR系统中烟气流动主要受粘性力、惯性力、压力的作用，因此起决定性作用的为雷诺准则与欧拉准则。SCR系统中烟气流动呈湍流状态，当Re数大于第二临界值时流体的流动状态及流速分布不再变化，皆彼此相似，与Re数不再有关，流体的流动进入自模状态。此时模型与原型的流动状态可以保持相似[9]。
模型按照1:15的比例进行制作。催化剂层采用多孔板制作。通过合理的开孔率及厚度来替代催化剂产生的阻力。催化剂上游换热管采用亚克力管制作，下游管束对催化剂入口流场影响较小采用多孔板替代。选用示踪气体CH4替代氨气，将CH4气体与压缩空气进行混合，通过支管送至喷氨管路。模型如图13所示。
图13 物模实验模型
速度侧孔与浓度布置在催化剂上游截面，沿反应器纵向布置13个测孔，每个测孔布置8个测点，共108个测点。全压测点分别布置在余热锅炉入口、换热器上游和催化剂上游。根据测试数据绘制催化剂入口速度分布及浓度分布图见图14。催化剂入口截面速度相对标准偏差为10.7%，催化剂入口浓度分布相对标准偏差为6.06%，均匀性良好，并与数值模拟结果一致，优于设计值的要求。
图14 催化剂入口速度分布
图15 催化剂入口浓度分布
06
总结
通过对空塔进行模拟优化了设计方案，设计了5组3种形式的导流装置，经过数值模拟及物模验证，催化剂入口速度分布及氨气浓度分布均优于设计值。该技术已经在东莞某3#、4#燃气轮机联合循环脱硝改造项目中成功应用。该项目已投入运行，实际运行效果良好。由此可见流场的合理设计是保证脱硝系统高效、稳定运行的前提。数值模拟是速度场、浓度场设计的一种强有力的手段。
参考文献：
[1].刘斯颉.坚持底线思维创新管理方式推进协同共享确保电力生产安全、稳定、高效运行——在全国电力行业设备管理工作会议暨中国电力设备管理协会一届五次会员代表大会上的工作报告(摘要)[J].电力设备管理,, (3):18-39；
[2].徐国群.江苏省燃气电厂环保现状及政策趋势[J]燃气轮机技术，,30(04)，9-15；
[3].闫福华，武文杰.燃气轮机电厂氮氧化物排放控制方式的研究[J]燃气轮机技术,32（04）47-51；
[4].黄素华.降低燃气轮机NOx排放技术研究[J]第八届长三角电机、电力科技分论坛论文集60-63
[5].王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社，:120-123
[6].凌忠钱,曾宪阳,胡善涛,等.电站锅炉SCR烟气脱硝系统优化数值模拟[J].动力工程学报，,34(1):50-56;
[7].ICEM Tutorial Manual ,Ansys,Inc USA
[8].中华人民共和国工业和信息化部.JB/T11265-燃气余热锅炉烟气脱硝技术设备[S]北京机械工业出版社
[9].李之光相似与模化（理论及运用）[M]北京：国防工业出版社，1982：37-40
作者简介：
王勇（1975-）男，工学硕士，主要从事烟气脱硝工程设计。wangyong@lk-
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「摘自:龙净科杰脱硝产业微信公众号」
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