9F级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用_张弘毅.pdf

第第 44 卷卷 第第 1 期期 2023 年年 2 月月Vol.44 No.1Feb.2023发电技术发电技术Power Generation Technology9F级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用张弘毅1，曲立涛2*（1.中国华电集团有限公司天津分公司，天津市 滨海区 300450；2.华电电力科学研究院有限公司，辽宁省 沈阳市 110180）Research and Application of Numerical Simulation for Selective Catalytic Reduction Denitration of 9F Gas TurbineZHANG Hongyi1,QU Litao2*(1.Tianjin Branch Co.,Ltd.,China Huadian Group Co.,Ltd.,Binhai District,Tianjin 300450,China;2.Huadian Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Shenyang 110180,Liaoning Province,China)摘要摘要：以某9F级燃机余热锅炉为研究对象，对燃机出口烟道至催化剂层烟气流场数值模拟进行研究，得到了单层催化剂、两层催化剂、两层催化剂+均布板3种结构下烟气流场情况。结果表明：原结构第一层换热器前存在的扩张烟道距离短、扩张角度大，燃机出口高速旋流烟气进入大面积静置流域时，短距离内来不及均匀地冲刷整个大截面并消散惯性旋流，导致第一层换热器入口截面烟气流场均匀性较差；新增一层催化剂后，流场分布与单层催化剂时基本相同，且两层催化剂时首层催化剂入口流场分布均匀性略优于单层催化剂，这是因为新增一层催化剂相当于增加了一层流场阻流件，对烟气起到了阻流作用；通过在入口烟道加装导流板，可改善第一层换热器入口流场均匀性，截面流速Cv值下降至21.3%，表明导流板对后续烟道流场分布起到了一定的改善作用。关键词关键词：9F级燃气轮机；选择性催化还原(SCR)；流场；数值模拟；催化剂ABSTRACT:Taking a 9F gas turbine waste heat boiler as the research object,the numerical simulation of gas flow field from gas turbine outlet flue to catalyst layer was carried out,the flue gas flow field of single layer catalyst,two-layer catalyst and two-layer catalyst+uniform plate was obtained.The results show that the expansion flue in front of the first-layer heat exchanger of the original structure has a short distance and a large expansion angle.When the high-speed swirling flue gas at the outlet of the gas turbine enters the large-area static basin within a short distance,it is too late to evenly scour the entire large cross-section and dissipate the inertial swirling flow,resulting in the poor uniformity of flue gas flow field at the inlet section of the first layer of heat exchanger.The flow field distribution after adding one layer of catalyst is basically the same as that of single layer catalyst,and the uniformity of flow field distribution at the inlet of the first layer catalyst is slightly better than that of single layer catalyst when adding two layers of catalyst.This is because adding one layer of catalyst is equivalent to adding one layer of flow blocking element,which has a blocking effect on the flue gas.The flow field uniformity at the inlet of the first layer heat exchanger can be improved by adding a deflector in the inlet flue,and the cross-sectional velocity Cv decreases to 21.3%,which indicates that the deflector can improve the flow field distribution in the subsequent flue.KEY WORDS:9F gas turbine;selective catalytic reduction(SCR);flow field;numerical simulation;catalyst0引言引言近年来，我国大气污染严重，尤其在冬季的京津冀等大气扩散条件差的北方地区，重污染天气严重影响国民身心健康与生活质量1。为改变大气污染现状，我国决心在大气污染物治理、能源结构调整等方面做出努力。燃气蒸汽联合循环机组以清洁高效、负荷适应性好等特点受到青睐2。燃气轮机能够通过低氮燃烧方式稳定控制其出口NOx排放浓度在50 mg/m3(标、干、15%O2，下同)以内3，但在日趋增大的环保压力下，较多DOI：10.12096/j.2096-4528.pgt.21062 中图分类号：TK 09;X 773基金项目：华电国际电力股份有限公司2020年度重点科技项目(CHDKJ20-01-24)。Key Science and Technology Projects of Huadian International Power Co.,Ltd.in 2020(CHDKJ20-01-24).第第 44 卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术省市提出了更为严格的燃气轮机NOx排放限值，鼓励企业按照中华人民共和国环境保护税法要求执行，NOx低于排放标准50%以上，且未超过污染物排放总量控制指标的，环保税减半征收4。在节能减排、总量控制的大背景下，仅依靠燃机现有脱硝技术已经无法满足NOx排放限值要求。因此，通过脱硝增容改造、自动精细优化、精准喷氨控制等手段使燃机NOx达标排放成为选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)脱硝技术的升级方向5-6。与燃煤机组相比，燃机脱硝装置具有以下特点：出口烟气温度、流速较高，且烟气带有一定旋转角度；入口烟道尺寸较大，烟气流速及NOx浓度分布不均匀；氨烟混合距离明显小于煤机，混合反应不充分。上述不利因素导致脱硝出口NOx均匀性差，局部氨逃逸量高7-9。9F级燃机以单机容量大、自身效率高、排气温度高、采用的轴向排气便于余热锅炉布置等特点，成为建设大型联合循环电站的首选机型。本文以某9F级燃机SCR脱硝装置为研究对象，利用仿真技术建立1 1数值模型，研究了燃机出口至催化剂层烟气流场在各主要监测断面的分布情况，以及加装均布装置对各主要监测断面烟气流场的影响，为9F级燃机SCR脱硝装置增容改造工程的开展提供技术支持。1CFD软件与计算模型软件与计算模型针对 SCR 反应器结构，运用标准模型与Realizable模型对其进行数值模拟，对比实测流速数据，分析理论性与论证准确性。结果表明：标准模型与Realizable模型都能准确计算SCR反应器内烟气流场特性10。本次模拟选用Realizable k-湍流模型，壁面附近的区域选用Enhance Wall Treatment壁面函数处理。Realizable k-模型中关于k、的输运方程如下：t(k)+xi(kui)=xj(+tk)kxj+Gk+Gb-YM+Sk(1)t()+xi(ui)=xj(+t)xj+C1k(Gk+C3Gb)-C22k+S(2)式中：Gk为由速度梯度引起的应力源项；t为湍流涡黏系数；Gb为由浮力而引起的湍动能 k的产生项；YM为可压缩湍流中脉动扩张项；C1、C2、C3、k、为经验常量，C1=1.44，C2=1.92，C3=0.09，k=1.0，=1.3；Sk和 S为用户定义源项11。在模拟中，将催化剂层、换热器模块等作为多孔介质处理，多孔介质的动量方程具有附加的动量源项，由黏性损失项和内部损失项两部分组成12：Si=j=13Dijvj+j=13Cij12|vj|vj(3)式中：Si为方向 i(x,y,z)动量源项；Dij和 Cij为规定的矩阵元素；为动力黏度系数；vj为速度分量。采用速度分布不均匀系数(Cv值)对主要截面的流场均匀性进行评价13，计算方法如下：Cv=vv0100%(4)v=(vi-v0)2(n-1)(5)式中：v0为平均速度；vi为局部速度；n为测点数量；v为标准偏差。2边界条件设置与网格划分边界条件设置与网格划分在余热锅炉最大连续出力(boiler maximum continuous rating，BMCR)工况下，烟气流速达到最大，同时SCR脱硝装置达到设计出力，因此本次以余热锅炉BMCR工况作为模拟工况，且优化前后边界条件设置一致：入口边界条件设置为均匀入口，速度值按设计烟气量进行计算；出口边界设置为压力出口，为了便于分析烟气的阻力状况，以模型出口边界静压取0为基准，采用相对压力来表达不同位置处的烟气静压；将催化剂层和换热器层作为多孔介质处理，单层催化剂阻力和换热器烟气侧阻力按设计参数设置。模拟边界条件参数汇总见表1。79Vol.44 No.1张弘毅等张弘毅等：9F级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用网格划分优先使用结构化网格，经过网格无关性验证后，划分网格全部使用结构化网格并进行加密处理，最小网格长度为2.7 mm，最大网格长度为225 mm，整体网格数量为314万，最终网格划分结果如图1所示。3几何模型建立几何模型建立根据烟道设计图纸进行1 1三维建模。由于内部支撑结构尺寸较小，相对于烟道的横截面尺寸可以忽略不计，因此在建模中省略了内部支撑结构。另外，由于喷氨格栅段的管道及其支架的结构尺寸对整个流场方向没有实质性影响，故也可省略14-17。考虑到此次改造内容以及后续优化可行性，本次模拟除对原结构(单层催化剂)流场进行模拟校核外，还对改造后结构(两层催化剂)、流场设想改造结构(两层催化剂+均布板)进行了模拟计算。最终模拟结果如图2所示。4流场模拟结果分析流场模拟结果分析4.1各结构模型模拟结果各结构模型模拟结果经过模型选择、边界条件设置、网格划分、几何模型建立等步骤后，分别对各结构模型在设定工况下的烟气流场进行了模拟计算，模拟结果汇总见表2。将计算结果进行可视化处理后，就仿真结果展开分析讨论。4.2原结构模拟原结构模拟(单层催化剂单层催化剂)为了定量分析流场优化效果，对第一层换热器入口截面流速进行网格法取点分析，换热器入口烟道尺寸为10 068 mm22 284 mm，划分为1224个网格，每个网格中心取一个点，整个截面共288个点，并根据模拟结果计算该截面流速Cv值，用以评价流速分布情况。图3给出了BMCR工况表表2第一层换热器入口截面流速模拟结果汇总第一层换热器入口截面流速模拟结果汇总Tab.2Summary of the simulation results of the inlet cross-sectional flow velocity of the first layer heat exchangerBMCR工况单层催化剂两层催化剂两层催化剂+均布板最大值/(m/s)19.919.715.7最小值/(m/s)4.04.14.4平均值/(m/s)12.512.311.5Cv值/%27.326.821.3表表1边界条件参数汇总边界条件参数汇总Tab.1Summary of boundary condition parameters项目烟气性质入口边界出口边界参数温度/(kg/m3)CP/J/(kgK)/W/(mK)/(Pas)流量/(kg/s)当量直径/m相对压力/Pa当量直径/m数值3470.5711 1425.24710-23.00610-56815.41907.6图图2 烟道及换热器烟道及换热器、喷氨格栅截面喷氨格栅截面、催化剂层相对催化剂层相对位置图位置图Fig.2 Relative position of the flue and heat exchanger,the cross section of the ammonia injection grid,and the catalyst layer图图1 网格划分图网格划分图Fig.1 Grid division diagram80第第 44 卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术下余热锅炉内流线正视图，图4给出了BMCR工况下余热锅炉内主要截面速度分布云图。由图3、4可知，原结构(单层催化剂)第一层换热器截面流速最大值为19.9 m/s，最小值为4.0 m/s，平均值为12.5 m/s，截面流速Cv值为27.3%。顺时针旋转时，靠左侧贴墙处流速偏高，靠右侧顶部存在明显的低速区。通过图3流线轨迹分析，出现上述问题的主要原因是第一层换热器前存在短距离、大角度的扩张段烟道，且扩张角度超过60，原本在截面积较小的旋流区域高速旋转的烟气突然进入大面积静置流域时，流速骤降，动能减弱，使得烟气在短距离内既来不及均匀冲刷整个大截面，又来不及消散惯性旋流。而在烟气流向下游的喷氨格栅截面和原催化剂入口截面流速Cv值分别为17.9%、11.3%，流场均匀性逐渐改善且明显优于第一层换热器入口截面。分析认为，烟气流场的均匀性在进入催化剂前得到改善，这是由于在喷氨格栅和原催化剂前布置的2组密集换热器模块对烟气起到了有效的均流作用。4.3改造结构模拟改造结构模拟(两层催化剂两层催化剂)为了实现燃气机组10%100%负荷下NOx排放浓度均小于15 mg/m3，且氨逃逸小于3 L/L的改造目标，采用新增低温催化剂层与精细化喷氨控制相结合的技术路线，而新增催化剂层势必会对原结构流场产生影响，为评估流场变化情况，对改造后结构进行了模拟。图5、6分别给出了改造后BMCR工况下余热锅炉内流线正视图、主要截面速度分布云图。从图5、6可以看出，在新增一层催化剂后，第一层换热器入口截面流速最大值为19.7 m/s，最小值为4.1 m/s，平均值为12.3 m/s，截面流速Cv值为26.8%。由此可见，新增一层催化剂后，主要截面的烟气流场基本与单层催化剂时基本一致，图图4 单层催化剂单层催化剂BMCR工况下主要截面速度分布云图工况下主要截面速度分布云图Fig.4 Main section velocity distribution cloud diagram under the single-layer catalyst BMCR working condition图图3 单层催化剂单层催化剂BMCR工况下流线正视图工况下流线正视图Fig.3 Streamline front view under the single-layer catalyst BMCR working condition图图5 两层催化剂两层催化剂BMCR工况下流线正视图工况下流线正视图Fig.5 Front view of streamline under the two-layer catalyst BMCR working condition81Vol.44 No.1张弘毅等张弘毅等：9F级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用即同一截面速度分布走势相近。另外，第一层换热器入口截面流场分布均匀性较差，喷氨格栅截面和新增催化剂入口截面流速Cv值分别为16.5%、11.1%，喷氨格栅截面和新增催化剂入口截面流场均匀性逐渐改善，说明这种变化趋势与单层催化剂时相比未发生明显变化。4.4设想改造结构模拟设想改造结构模拟(两层催化剂两层催化剂+均布板均布板)原结构与改造结构模拟结果显示，在余热锅炉BMCR工况下，同一截面速度分布走势基本一致，第一层换热器入口截面流速分布的均匀性较差。从上文分析可知，这主要是由烟气在入口烟道内短距离急速扩张，旋流烟气不均匀地冲刷在第一层换热器迎风面造成的。为了改善第一层换热器入口截面流速偏差大的问题，在模拟中提出在第一层换热器前设置均布板的改造方案。其设置位置主要考虑两方面：一是越靠近换热器，布置截面越大，材料及施工成本越高；二是越靠近SCR入口，其对下游烟气扩散的影响力就越小。因此，综合考虑将均布板设置在入口烟道的中后区。图7、8分别给出了加装均布板后BMCR工况下余热锅炉内流线正视图、第一层换热器入口截面速度分布云图。从图 7、8 可以看出，在两层催化剂并设置均布板后，第一层换热器入口截面流速最大值为15.7 m/s，最小值为 4.4 m/s，平均值为 11.5 m/s，截面流速Cv值为21.3%。模拟结果显示，设置均布板后第一层换热器入口截面Cv值以及最大偏差均有所降低，流场均匀性提高，原先由旋流引起的左、右两侧流速不均问题改善明显。但Cv值仍图图6 两层催化剂两层催化剂BMCR工况下主要截面速度分布云图工况下主要截面速度分布云图Fig.6 Main section velocity distribution cloud diagram under the two-layer catalyst BMCR working condition图图8 两层催化剂两层催化剂+均布板均布板、BMCR工况下第一层换热器工况下第一层换热器入口截面流速分布云图入口截面流速分布云图Fig.8 The cross-sectional flow velocity distribution at the inlet of the first layer heat exchanger cloud diagram under the two-layer catalyst+uniform plate BMCR working condition图图7 两层催化剂两层催化剂+均布板均布板BMCR工况下流线正视图工况下流线正视图Fig.7 Streamline front view under the two-layer catalyst+uniform plate BMCR working condition82第第 44 卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术然较大，这是由于靠近烟道顶部仍存在小范围的低速区，此低速区存在的根本原因是入口烟道设置不合理，扩张角过大，通过常规手段难以在短距离内将烟气引导扩散至大截面烟道顶部。5结论结论通过对燃机出口烟道至催化剂层烟气流场数值模拟研究，得到不同结构下烟气流场的变化情况，具体结论如下：1）流场中最突出的问题是第一层换热器入口存在不均匀旋流，导致其入口截面均匀性差，这主要是由于原结构进口烟道扩张角较大、无导流装置，且烟气旋转进入烟道，造成入口烟道出现大面积涡流和旋流，导致流场紊乱、第一层换热器入口和首层催化剂入口流场均匀性差、脱硝系统阻力大等问题。2）新增一层催化剂与单层催化剂布置的流场分布状况基本一致，且两层催化剂时的首层催化剂入口流场分布均匀性略优于单层催化剂时的分布状况，这是因为新增一层催化剂对烟气起到了阻流作用。3）通过在入口烟道加装导流板可改善第一层换热器入口流场均匀性，说明均布板对后续烟道流场分布起到了一定程度的改善作用，但第一、二层换热器布置位置靠入口扩张烟道太近，烟气在短距离内扩散效果较差，导流板难以起到明显的整流效果。另外，此处为高温涡流区域，对导流板材质和焊接工艺要求高，烟道尺寸大，施工加固困难，故在入口烟道加装导流板的方案造价高、性价比低。参考文献参考文献1孙韧京津冀区域大气污染特征及相互输送影响研究D天津：天津大学，2018SUN RResearch on the characteristics of air pollution and mutual transport effects in the Beijing-Tianjin-Hebei regionDTianjin：Tianjin University，2018.2孙慧我国天然气产业结构分析与优化升级研究D北京：中国地质大学，2018SUN HResearch on structural analysis and optimization and upgrading of my countrys natural gas industryDBeijing：China University of Geosciences，20183董陈，曾洋波，姜建，等燃气蒸汽联合循环机组SCR脱硝技术研究J热力发电，2020，49(11)：40-46DONG C，ZENG Y B，JIANG J，et alResearch on SCR denitration technology of gas-steam combined cycle unitJ Thermal Power Generation，2020，49(11)：40-464毕亚文 中华人民共和国环境保护税法相关问题研究J中国管理信息化，2019，22(11)：117-118BI Y WResearch on related issues of“Environmental Protection Tax Law of the Peoples Republic of China”J China Management Information Technology，2019，22(11)：117-1185朱法华 火电厂污染防治可行技术指南（HJ 23012017）解读J环境影响评价，2018，40(2)：1-4ZHU F HInterpretation of“Guidelines for Pollution Prevention and Control of Thermal Power Plants”（HJ 23012017）J Environmental Impact Assessment，2018，40(2)：1-46刘志坦，舒喜，杨爱勇，等固定式燃气轮机大气污染物排放标准限值的选择J中国电力，2020，53(8)：117-124LIU Z T，SHU X，YANG A Y，et alSelection of air pollutant emission standard limits for stationary gas turbinesJ China Electric Power，2020，53(8)：117-1247刘志坦，赵秀勇，李玉刚，等燃气电厂NOx控制策略研究及大气环境效益分析J中国电力，2019，52(12)：160-164LIU Z T，ZHAO X Y，LI Y G，et al Research on NOx control strategies of gas-fired power plants and analysis of atmospheric environmental benefitsJChina Electric Power，2019，52(12)：160-1648吴鹏，周锦晖，庄柯，等燃气轮机脱硝技术现状及发展趋势J环境工程，2019，37(1)：103-105WU P，ZHOU J H，ZHUANG K，et alCurrent status and development trend of gas turbine denitration technologyJ Environmental Engineering，2019，37(1)：103-1059董陈，曾洋波，李文杰，等低位布置燃气轮机SCR烟气脱硝数值模拟研究与应用J热力发电，2020，49(12)：140-145DONG C，ZENG Y B，LI W J，et al Numerical simulation research and application of SCR flue gas denitration for low-position gas turbinesJ Thermal Power Generation，2020，49(12)：140-14510 肖育军，邹毅辉，李彩亭，等SCR系统结构模型与数值模型的适用性分析J中国电力，2019，52(3)：83Vol.44 No.1张弘毅等张弘毅等：9F级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用级燃机选择性催化还原脱硝数值模拟研究与应用146-152XIAO Y J，ZOU Y H，LI C T，et alApplicability analysis of SCR system structure model and numerical modelJ China Electric Power，2019，52(3)：146-15211 任志安，郝点，谢红杰几种湍流模型及其在FLUENT中的应用J化工装备技术，2009，30(2)：38-44REN Z A，HAO D，XIE H J Several turbulence models and their applications in FLUENTJChemical Equipment Technology，2009，30(2)：38-4412 孙桐，卢平，蔡杰，等SCR脱硝反应器流场的数值模拟及结构优化J电站系统工程，2015，31(4)：6-8SUN T，LU P，CAI J，et alNumerical simulation of flow field in SCR denitration reactor and its structure optimizationJ Power Station System Engineering，2015，31(4)：6-813 毛剑宏，蒋新伟，钟毅，等变截面倾斜烟道导流板对AIG入口流场的影响J浙江大学学报（工学版），2011，45(8)：1453-1457MAO J H，JIANG X W，ZHONG Y，et alInfluence of variable cross-section inclined flue deflector on the flow field of AIG inletJJournal of Zhejiang University（Engineering Science Edition），2011，45(8)：1453-145714 潘伶，杨沛山，曹友洪SCR脱硝反应器烟道内部流场的数值模拟与优化J环境工程学报，2015，9(6)：2918-2924PAN L，YANG P S，CAO Y H Numerical simulation and optimization of the flow field in the flue of SCR denitration reactorJEnvironmental Engineering Journal，2015，9(6)：2918-292415 邓静杰燃煤电站SCR烟气脱硝催化剂的磨损研究D南京：东南大学，2015DENG J J Study on the attrition of SCR flue gas denitrification catalyst in coal-fired power plantsDNanjing：Southeast University，201516 黄友华，马善为，刘吉，等燃气轮机烟气SCR 脱硝系统优化设计与工程应用J发电技术，2021，42(3)：350-356HUANG Y H，MA S W，LIU J，et alOptimization design and engineering application of gas turbine SCR denitrification systemJPower Generation Technology，2021，42(3)：350-35617 李子尚，朱仁涵，杜振SCR脱硝系统精准喷氨优化技术分析J发电技术，2021，42(5)：630-636LI Z S，ZHU R H，DU Z Analysis on the optimization technology of precise ammonia injection in SCR denitration systemJPower Generation Technology，2021，42(5)：630-636 收稿日期收稿日期：2022-05-24。作者简介作者简介：张弘毅(1979)，男，工程师，主要从 事 火 电 厂 生 产 管 理 工 作，hongyi-；曲立涛(1982)，硕士，高级工程师，主要从事火电厂环保研究工作，本文通信作者，litao-。(责任编辑 杨阳)84