CN105631214B - 一种烟气scr脱硝流场数值模拟优化方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法和装置，该方法和装置分步骤先后采用二维、三维建模对SCR脱硝反应器二维、三维流场进行数值模拟优化。由于二维建模网格量少，且只涉及气流分布数值模拟，因此，每个算例计算耗时极少，可以在短时间内进行多个算例快速计算，以此对流场调整可以很快确定主流动方向上的导流装置结构。二维流场优化确定了主流动方向上的导流装置结构，可以大大减少三维流场的调整次数。因此，本发明提供的模拟优化方法减少了模拟优化过程中的计算量以及提高了模拟优化工作效率。

Description

一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法和装置

技术领域

本发明涉及烟气SCR脱硝，尤其涉及一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法和装置。

背景技术

SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原)脱硝技术具有占地面积小、脱硝效率高、技术成熟等优点，是当前应用最广泛的烟气脱硝技术，占据了世界80％以上烟气脱硝市场。它的基本原理是稀释后的还原剂氨气喷入到温度为290～430℃的烟气中，烟气与氨气进行均匀混合后，在催化剂的作用下氨气和氮氧化物发生氧化还原反应使氮氧化物被还原成无害的氮气和水。

脱硝效率、氨逃逸率、催化剂使用寿命是评价SCR脱硝性能优劣的主要依据。在工程实践中，除了催化剂自身条件外，流场是影响SCR脱硝性能的关键因素。理想的流场不但可以提高SCR脱硝效率，降低氨逃逸率，而且可以减少催化剂因低速气流积灰堵塞或高速气流冲刷磨损，从而延长催化剂的使用寿命，因此需要对SCR脱硝流场进行优化设计。

目前对SCR脱硝流场设计主要先采用数值模拟方法在SCR脱硝装置内部布置气流和氨浓度均布装置，包括导流板、整流格栅、混合器等，之后再结合冷态物模试验做辅助验证，并最终确定SCR脱硝装置内部具体结构。数值模拟是SCR脱硝流场优化设计的核心，在数值模拟阶段主要是对气流和氨浓度均布装置位置、数量、尺寸进行调整使流场达到相关优化指标。

SCR脱硝流场优化难点在于使首层催化剂前断面烟气速度和氨浓度分布均匀，且使首层催化剂前端面烟气速度和氨浓度分别小于15％和5％。

现有技术采用数值模拟方法对烟气SCR脱硝装置内流场优化主要依据经验在变径烟道、转弯烟道设置导流板、在催化剂前设置整流格栅等，然后对三维流场的气流分布和喷氨过程同时进行数值计算，并不断对导流装置结构、数量、位置、尺寸进行调整直至流场满足SCR脱硝优化设计要求。

由于SCR脱硝流场数值模拟网格数量大(可能多达一千万)，现有技术对三维流场的气流分布和喷氨过程同时进行数值计算，每个算例(每次调整对应于一个算例)计算需要花很长时间；另外，现有技术对SCR脱硝流场调整缺乏有效的指导方法，具有一定盲目性，要使流场达到优化设计要求需要经过很多次调整，因此整个优化工作耗时量相当大。对于一个经验相对丰富的流体仿真工程师，要将结构一般复杂程度的脱硝装置流场调整到符合SCR脱硝优化设计要求，往往需要20～30天时间，这样的数值模拟优化工作效率低下，可能耽误整个SCR脱硝工程建设进度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法和装置，以减少模拟优化过程的计算量以及提高模拟优化工作效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法，包括：

根据SCR脱硝反应器的结构主视图进行二维建模，构建SCR脱硝反应器的二维模型；其中，所述主视图反映出烟气沿主流动方向的流动特性；二维模型中不包括喷氨格栅；

根据所述二维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行二维流场数值模拟优化，以获得达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构；

根据所述气流均布装置结构和SCR脱硝反应器三视图进行三维建模，构建SCR脱硝反应器的三维模型；

根据所述三维模型对SCR脱硝反应器进行三维流场数值模拟优化，以获得流场达到SCR脱硝流场优化指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构。

一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化装置，包括：

二维模型构建单元，用于根据SCR脱硝反应器的结构主视图进行二维建模，构建SCR脱硝反应器的二维模型；其中，所述主视图反映出烟气沿主流动方向的流动特性；二维模型中不包括喷氨格栅；

二维流场模拟优化单元，用于根据所述二维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行二维流场数值模拟优化，以获得达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构；

三维模型构建单元，用于根据所述气流均布装置结构和SCR脱硝反应器三视图进行三维建模，构建SCR脱硝反应器的三维模型；

三维流场模拟优化单元，用于根据所述三维模型对SCR脱硝反应器进行三维流场数值模拟优化，以获得流场达到SCR脱硝流场优化指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

通过以上技术方案可知，本发明提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法，分步骤先后采用二维、三维建模对SCR脱硝反应器二维、三维流场进行数值模拟优化。

由于二维建模网格量少，且只涉及气流分布数值模拟，因此，每个算例计算耗时极少，可以在短时间内进行多个算例快速计算，以此对流场调整可以很快确定主流动方向上的导流装置结构。二维流场优化确定了主流动方向上的导流装置结构，可以大大减少三维流场的调整次数。因此，本发明提供的模拟优化方法减少了模拟优化过程中的计算量以及提高了模拟优化工作效率。

附图说明

为了清楚地理解本发明的具体实施方式，下面将描述本发明的具体实施方式时用到的附图做一简要说明。

图1A至图1C分别为某电厂350MW机组的烟气SCR脱硝反应器的结构主视图、左视图和俯视图；

图2是某电厂350MW机组的烟气SCR脱硝反应器的立体结构示意图；

图3本发明实施例提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法流程示意图；

图4是本发明实施例提供的步骤S32的具体实现方式流程示意图；

图5是本发明实施例提供的步骤S33的具体实现方式流程示意图；

图6是本发明实施例提供的步骤S333的具体实现方式流程示意图；

图7是本发明实施例经过模拟优化后确定的SCR脱硝反应器的整体优化结构示意图；

图8是本发明实施提供的采用分段方法对SCR脱硝反应器进行三维数值模拟优化方法流程示意图；

图9是本发明实施例提供的在烟气入口到喷氨格栅段步骤S103的具体实现方式流程示意图；

图10是本发明实施例提供的在喷氨格栅到首层催化剂段步骤S103的具体实现方式流程示意图；

图11是本发明实施例提供的首层催化剂到烟气出口段步骤S103的具体实现方式流程示意图；

图12是本发明实施例提供的按照分段气流分布优化确定的导流装置建立SCR脱硝反应器的完整三维结构结构示意图；

图13是本发明实施例提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术手段和技术效果更加清楚、完整，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

在介绍本发明实施例之前，首先介绍SCR脱硝流场优化指标。在烟气SCR脱硝技术领域，SCR脱硝流场优化指标主要有两个：

1)首层催化剂前断面速度分布均匀，速度相对标准偏差小于15％；

2)首层催化剂前断面氨浓度分布均匀，浓度相对标准偏差小于5％；

其中，相对标准偏差是定量评价测试断面数据均匀性的依据，其值越小表明数据越均匀，采用Cv表示；

其中，

式中，Cv为相对均方根差；

x_i为测点数据，如速度、浓度；

为测点数据平均值；

n为截面测点数。

下面结合附图对本发明提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法的具体实施方式进行详细描述。

作为示例，本发明实施例以某电厂350MW机组的烟气SCR脱硝反应器的流场数值模拟优化过程为例进行说明。

图1A至图1C分别示出了该某电厂350MW机组的烟气SCR脱硝反应器的结构主视图、左视图和俯视图。

图2示出了该某电厂350MW机组的烟气SCR脱硝反应器的立体结构示意图。如图2所示，烟气从省煤器出口21进入SCR脱硝反应器入口烟道，经过变径烟道22、转弯烟道23到达喷氨区域与从喷氨格栅AIG24喷出的氨气混合，再通过转弯烟道25和斜坡烟道26到达催化剂层27，并最终从反应器出口28流出。图2中箭头的方向表示烟气在烟道内的主流动方向。

图3是本发明实施例提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法流程示意图。如图3所示，该方法包括以下步骤：

S31、根据SCR脱硝反应器的结构主视图进行二维建模，构建SCR脱硝反应器的二维模型：

从上述图1A中可以看出，SCR脱硝反应器的结构主视图能够反映出烟气沿主流动方向的流动特性。需要说明的是，构建的SCR脱硝反应器的二维模型中不包括喷氨格栅AIG。

S32、根据所述二维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行二维流场数值模拟优化，以获得达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构：

需要说明的是，在二维流场数值模拟优化过程中不对喷氨过程模拟，只对烟道内的气流分布进行数值模拟优化。

作为本发明的一个具体实施方式，步骤S32的具体实现过程可以如图4所示，其包括以下步骤：

S321、在二维模型中加装主流动方向的导流装置：

作为示例，在图2所示的示意图中，在转弯烟道23和25设置导流板，在斜坡烟道26设置小挡板，在催化剂层27前设置整流格栅，在烟道出口设置导流板。

S322、对二维流场气流分布进行数值模拟：

在本发明实施例中，对二维流场气流分布进行数值模拟具体包括：对二维模型进行网格划分、设置烟气速度入口、压力出口边界条件，选择k-e湍流模型进行二维流场气流分布数值模拟。其中，烟气速度入口、压力出口边界条件为二维流场气流分布数值模拟过程中需要输入的参数。

其中，作为示例，对二维模型进行网格划分的网格数量为5万左右。在DELL T3600工作站上启用ANSYS FLUENT 13.0进行6线程计算，迭代1000次完成一次算例计算所需时间不到5分钟，因此，在二维流场数值模拟优化过程中，可以很快将主流动方向上的导流装置确定下来。

S323、分别统计喷氨格栅AIG和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差：

在气流数值模拟完毕后，分别统计喷氨格栅AIG和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差Cv。统计结果显示在初步加装的导流装置的流场中，作为示例，喷氨格栅AIG和首层催化剂前的烟气速度Cv分别为19.2％和25.3％。

需要说明的是，上述所述的速度相对标准偏差仅是衡量烟气速度分布均匀度的一个参数，作为本发明实施例的扩展，也可以采用其它参数衡量烟气速度分布均匀度。

S324、分别判断所述喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差是否小于各自对应的预设相对标准偏差，当至少一个判断结果为否时，执行步骤S325：

需要说明的是，由于喷氨格栅前速度分布均匀性影响着催化剂前烟气速度和氨浓度分布，喷氨格栅前速度分布越均匀，首层催化剂前烟气速度和氨浓度分布也越均匀。

在烟气SCR脱硝技术领域，通常用喷氨格栅和首层催化剂前断面速度相对标准偏差来表示喷氨格栅和首层催化器前的烟气速度分布均匀度。SCR脱硝流场优化指标中，喷氨格栅和首层催化剂前速度相对标准偏差上限值通常为15％。当统计得到的喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差不超过上限值15％时，认为喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差达到各自对应的优化指标，此时，即可确定SCR脱硝反应器的导流装置结构。

当统计得到的喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差中至少有一个大于15％时，就需要调整导流装置，重新进行数值模拟优化，直至喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差小于等于15％，才能确定SCR脱硝反应器的导流装置结构。

需要说明的是，喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差越小，表明喷氨格栅前速度分布越均匀，首层催化剂前烟气速度和氨浓度分布也越均匀，SCR脱硝反应器的结构越合理。

因此，在本发明实施例所述的二维流场模拟优化过程中，设置的预设喷氨格栅前烟气速度相对标准偏差和预设首层催化剂前烟气速度相对标准偏差可以分别小于等于表示本领域常用的喷氨格栅前烟气速度的优化指标和催化剂前烟气速度优化指标的速度标准偏差上限值，即预设喷氨格栅前烟气速度相对标准偏差和预设首层催化剂前烟气速度相对标准偏差均为小于等于15％中的一个值。

作为示例，用于表示本领域常用的喷氨格栅前烟气速度优化指标和催化剂前烟气速度优化指标的速度标准偏差上限值为15％，在本发明实施例中，设置的预设喷氨格栅前烟气速度相对标准偏差和预设催化剂前烟气速度相对标准偏差可以为10％，或者更低，从而保证设计出的SCR脱硝反应器的结构更加合理，首层催化剂前烟气速度和氨浓度分布更加均匀。

当设置的预设喷氨格栅前烟气速度标准偏差和预设催化剂前烟气速度相对标准偏差为10％时，步骤S324具体为：

分别判断上述统计得到的喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差是否小于10％，当至少一个判断结果为否时，执行步骤S325。当两个判断结果均为是时，确定SCR脱硝反应器的导流装置结构。

S325、调整加装在主流动方向上的导流装置，返回执行步骤S322，直至所述喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差均小于等于各自对应的预设相对标准偏差，进而得到达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构：

具体地，调整加装在转弯烟道上的导流板、斜坡烟道上的小挡板和/或催化剂前的整流格栅的尺寸、位置和结构。然后返回执行步骤S322，进行另一次数值模拟过程。如此，可以多次调整加装在转弯烟道上的导流板、斜坡烟道上的小挡板和/或催化剂前的整流格栅的尺寸、位置和结构，直至所述喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差均小于各自对应的预设相对标准偏差，进而得到达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构。

作为本发明实施例的示例，经过多次调整后，二维流场喷氨格栅和首层催化剂前速度Cv分别为5.6％和4.5％，均小于各自对应的预设相对标准偏差10％，说明，喷氨格栅AIG和首层催化剂前速度分布已足够均匀，其均达到了SCR脱硝流场优化指标，此时主流动方向上的导流装置即为二维流场优化结构。

由于速度相对标准偏差仅是衡量烟气速度分布均匀度的一个参数，当采用其它参数衡量烟气速度分布均匀度时，步骤S323和步骤S324需要适应性修改，将“速度相对标准偏差”替换为衡量烟气速度分布均匀度的其它参数。

步骤S324的作用实际上是为了判断当前统计到的喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度分布均匀度是否达到了烟气速度分布均匀度指标，只有当两个判断结果均为是时，才表明烟气速度分布均匀性达到了烟气速度分布均匀度指标，能够将当前导流装置结构确定为SCR脱硝反应器的导流装置结构，当至少一个判断结果为否时，就表明烟气速度分布均匀度未达到烟气速度分布均匀度指标。

S33、根据所述气流均布装置结构和SCR脱硝反应器三视图进行三维建模，构建SCR脱硝反应器的三维模型，根据所述三维模型对SCR脱硝反应器进行三维流场数值模拟优化，以得到流场达到SCR脱硝流场优化指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构：

需要说明的是，为了减少计算量，提高模拟优化效率，在本发明实施例提供的三维流场数值模拟优化过程中，先对气流分布进行模拟优化，再对喷氨过程进行模拟优化。作为本发明的一个具体实施例，上述步骤S33的具体实现方式如图5所示，其包括以下步骤：

S331、根据所述气流均布装置结构和SCR脱硝反应器三视图进行三维建模，构建SCR脱硝反应器的三维模型。

S332、根据所述三维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以得到流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构。

S333、在所述流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构中，加入组分输运模型，对气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，以得到氨浓度分布均匀度达到氨浓度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构：

其中，组分输运模型包括喷氨格栅。

以首层催化剂断面氨浓度相对标准偏差作为表示首层催化剂前断面氨浓度均匀度指标的参数作为示例说明步骤S333的具体实施方式。本步骤的具体实施方式如图6所示，其包括以下步骤：

S3331、在所述流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构中，加入组分输运模型：

S3332、对加入组分输运模型的SCR脱销反应器的三维结构的气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，统计得到首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差：

作为示例，对加入组分输运模型的SCR脱硝反应器的三维结构的气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，统计得到首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差Cv为6.9％。

S3333、判断所述首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差是否小于预设首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差，如果是，气流分布和喷氨混合过程的耦合数值模拟结束，如果否，执行步骤S3334：

在SCR脱硝技术领域，SCR脱硝流场优化指标之一为首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差Cv，通常情况下，设定作为SCR脱硝流场优化指标的首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差上限值Cv＝5％。当统计到的首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差小于等于上限值5％，则认为达到SCR脱硝流场优化指标，当统计得到的首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差大于5％时，则认为未达到SCR脱硝流场优化指标，需要调整AIG各喷管的氨流量和/或在AIG后增设静待混合器强化氨气与烟气的混合。

在本发明实施例中，预设首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差可以小于等于首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差上限值5％。而且，预设首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差越小，表示SCR脱硝流场优化指标越高，得到的首层催化剂前端面烟气速度和氨浓度的均匀性越高。作为示例，本发明实施例，设定预设首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差等于5％。

在步骤S3332中统计到的首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差Cv为6.9％，其大于预设首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差5％，所以，需要调整喷氨格栅中的喷管氨流量和/或在喷氨格栅后增设静态混合器以强化氨气与烟气的混合，即执行步骤S3334。

S3334、调整喷氨格栅中的喷管氨流量和/或在喷氨格栅后增设静态混合器以强化氨气与烟气的混合，返回执行步骤S3332。

当调整了喷氨格栅中的喷管氨流量和/或在喷氨格栅后增设静态混合器后，返回执行步骤S3332，进行下一次耦合数值模拟过程。如此经过多次调整后，作为示例，最终得到的首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差Cv为3.5％，其小于预设首层催化剂前断面氨浓度相对标准偏差5％，此时，SCR脱硝反应器的流场已达到SCR脱硝流场优化指标，因此，SCR脱硝反应器的整体优化结构即可确定。该确定的SCR脱硝反应器的整体优化结构如图7所示。图7所示的SCR脱硝反应器的整体结构与图2所示的SCR脱硝反应器的结构基本相似。在图2所示结构的基础上，在烟道入口到AIG段的变径烟道22加装有导流板91，在AIG23至首层催化剂27段之间加装有静态混合器92，在该AIG23至首层催化剂27段之间的转弯烟道加装有导流板93，在斜坡烟道加装有小挡板94，在该段还加装有整流格栅95，此外，在烟道出口段还加装有导流板96。

需要说明的是，当用于衡量首层催化剂前断面氨浓度均匀度指标的参数发生变化后，上述图6示例的实施例中的“氨浓度相对标准偏差”相应地替换为对应的衡量首层催化剂前断面氨浓度均匀度指标的参数。

另外，上述步骤S3333的作用是为了判断首层催化剂前断面氨浓度均匀度是否达到首层催化剂前断面氨浓度均匀度指标，如果是，气流分布和喷氨混合过程的耦合数值模拟结束，如果否，则需要执行步骤S3334，对气流分布和喷氨混合过程进行下一次耦合数值模拟，直至首层催化剂前断面氨浓度均匀度达到首层催化剂前断面氨浓度均匀度指标。

在上述图5所示的三维流场优化数值模拟中，先只对气流分布进行优化，再对喷氨过程进行数值模拟优化。由于气流分布优化后再添加组分输运性对喷氨过程进行数值模拟，计算很快趋于收敛，所以，喷氨过程数值模拟时间大大缩短。

需要说明的是，为了进一步减少计算量，提高模拟优化效率，本发明实施例提供的对SCR脱硝反应器的气流分布的三维流场数值模拟可以采用按照主流动方向将SCR脱硝反应器分为多个分段结构，分段进行数值模拟优化。

当采用分段方法对SCR脱硝反应器进行三维数值模拟优化时，步骤S331和S332的具体实现方式如图8所示，其包括以下步骤：

S101、按照烟气主流动方向将SCR脱硝反应器从烟气入口到烟气出口分为多段结构：

作为本发明的一个具体实施例，为了减少每个分段结构的计算量，将SCR脱硝反应器按照主流动方向从烟气入口到烟气出口分为三段结构，该三段结构分别为：烟气入口到喷氨格栅段、喷氨格栅到首层催化剂段、首层催化剂到烟气出口段。

S102、根据SCR脱硝反应器的三维结构分别建立每一分段结构的三维几何模型，并将二维模拟优化后的气流均布装置结构加装在相应的分段结构中：

根据SCR脱硝反应器三维结构分别建立烟气入口到喷氨格栅段、喷氨格栅到首层催化剂段、首层催化剂到烟气出口段的三维几何模型，并按二维流场优化结果在相应的三维几何模型中的转弯烟道设置导流板，在斜坡烟道上设置小挡板，在催化剂前设置整流格栅。

S103、分别对每一分段结构的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以分别得到达到各自烟气速度分布均匀度指标的分段结构：

具体地，当以速度相对标准偏差作为衡量烟气速度分布均匀度指标的参数，且当SCR脱硝反应器按照主流动方向从烟气入口到烟气出口分为烟气入口到喷氨格栅段、喷氨格栅到首层催化剂段、首层催化剂到烟气出口段三段结构时，其中，对于烟气入口到喷氨格栅段：所述步骤S103的具体实现方式如图9所示，其具体包括：

A1、对烟气入口到喷氨格栅段进行数值模拟，统计得到喷氨格栅前断面速度相对标准偏差。

A2、判断所述喷氨格栅前断面速度相对标准偏差是否小于等于预设喷氨格栅前断面速度相对标准偏差，如果是，烟气入口到喷氨格栅段的模拟优化结束，如果否，执行步骤A3：

作为示例，本发明实施例所述的预设喷氨格栅前断面速度相对标准偏差为10％，其小于SCR脱硝技术领域中通常采用的SCR脱硝流场优化指标中的15％。这是为了使得模拟优化得到的SCR脱硝反应器的速度分布均匀性更好。

当统计到的喷氨格栅前断面速度相对标准偏差小于等于10％时，例如统计到的喷氨格栅前断面速度相对标准偏差为6.5％，则说明AIG前断面的速度分布足够均匀，可以确定烟气入口到AIG段的导流板布置。

需要说明的是，步骤A2的作用实际上是判断喷氨格栅前断面速度均匀性是否达到喷氨格栅前断面速度均匀度指标，如果是，烟气入口到喷氨格栅段的模拟优化结束，如果否，执行步骤A3。

A3、调整设置于所述变径烟道主流动垂直方向的导流板的位置、数量和/或尺寸，返回执行步骤A1；

当统计到的喷氨格栅前断面速度相对标准偏差大于10％时，例如统计到的喷氨格栅前断面速度相对标准偏差为25.2％，则说明AIG前断面的速度分布不够均匀，需要调整设置于所述变径烟道主流动垂直方向的导流板的位置、数量和/或尺寸，继续对烟气入口到喷氨格栅段进行数值模拟，直至统计到的喷氨格栅前断面速度相对标准偏差小于等于10％。

对于喷氨格栅到首层催化剂段：步骤S103的具体实现方式如图10所示，其具体包括：

B1、对喷氨格栅到首层催化剂段进行数值模拟，得到首层催化剂前断面速度相对标准偏差；

B2、判断所述首层催化剂前断面速度相对标准偏差是否达到预设首层催化剂前断面速度相对标准偏差，如果是，喷氨格栅到首层催化剂段的模拟优化结束，如果否，执行步骤B3：

作为示例，本发明实施例所述的预设首层催化剂前断面速度相对标准偏差为10％，其小于SCR脱硝技术领域中通常采用的SCR脱硝流场优化指标中的15％。这是为了使得模拟优化得到的SCR脱硝反应器的速度分布均匀性更好。

本步骤具体为：判断统计得到的首层催化剂前断面速度相对标准偏差为5.0％，小于10％，表明催化剂前断面速度分布足够均匀，可以确定AIG至首层催化剂段的整流格栅布置。

需要说明的是，步骤B2的作用实际上是判断首层催化剂前断面速度均匀性是否达到首层催化剂前断面速度均匀度指标，如果是，喷氨格栅到首层催化剂段的模拟优化结束，如果否，执行步骤B3。

B3、调整所述整流格栅的位置、数量和/或尺寸，返回执行步骤B1；

当统计得到的首层催化剂前断面速度相对标准偏差大于10％时，表明催化剂前断面速度分布不够均匀，需要调整整流格栅的位置、数量和/或尺寸，对氨格栅到首层催化剂段进行下一次数值模拟，直至首层催化剂前断面速度相对标准偏差小于等于10％。

对于首层催化剂到烟气出口段：步骤S103的具体实现方式如图11所示，其具体包括：

C1、对首层催化剂到烟气出口段进行数值模拟，得到烟气出口断面速度相对标准偏差。

C2、判断所述烟气出口断面速度相对标准偏差是否小于等于预设烟气出口断面速度相对标准偏差，如果是，首层催化剂到烟气出口段的模拟优化结束，如果否，执行步骤C3；

作为示例，本发明实施例所述的预设烟气出口断面速度相对标准偏差为15％。

当统计得到的烟气出口断面速度相对标准偏差为12.8％，小于15％时，则说明烟气出口断面的速度分布足够均匀，可以确定首层催化剂到烟气出口段的导流板布置。

需要说明的是，步骤C2的作用实际上是判断烟气出口断面速度均匀性是否达到烟气出口断面速度均匀度指标，如果是，首层催化剂到烟气出口段的模拟优化结束，如果否，执行步骤C3。

C3、调整所述设置于催化剂下游变径烟道主流动垂直方向的导流板的位置、数量和/或尺寸，返回执行步骤C1。

当统计得到的烟气出口断面速度相对标准偏差大于15％时，则说明烟气出口断面的速度分布不够均匀，需要调整设置与催化剂下游变径烟道主流动垂直方向的导流板的位置、数量和/或尺寸，对首层催化剂到烟气出口段进行下一次数值模拟，直至统计得到的烟气出口断面速度相对标准偏差小于等于15％。

S104、建立SCR脱硝反应器的完整三维结构并按达到各自烟气速度分布均匀度指标的每段分段结构进行数值模拟优化，以得到流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构：

本步骤的具体实施方式具体包括：

S1041、按照分段气流分布优化确定的导流装置建立SCR脱硝反应器的完整三维结构，如图12所示。

S1042、对三维整体结构进行气流分布数值模拟优化，统计三维流场AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差；

S1043、判断统计得到的三维流场AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差是否分别小于等于预设AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差；当两个判断结果均为是时，AIG和首层催化剂前断面速度分布已足够均匀，由分段气流分布优化确定的导流装置无需调整，SCR脱硝反应器的导流装置结构即可确定下来，当至少一个判断结果为否时，执行步骤S1044；

作为示例，预设AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差均为10％，当统计到的AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差分别为8.6％和5.5％，其均小于10％，AIG和首层催化剂前断面速度均匀度达到了SCR脱硝技术领域中的SCR脱硝流场优化指标，说明，AIG和首层催化剂前断面速度分布已足够均匀，由分段气流分布优化确定的导流装置无需调整，当统计得到的AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差均大于10％时，AIG和首层催化剂前断面速度均匀度未达到SCR脱硝技术领域中的SCR脱硝流场优化指标，需要调整导流装置，即执行步骤S1044。

S1044、对导流装置进行微调，返回执行步骤S1042，进行下一次三维整体结构的气流分布数值模拟优化，直至统计得到的三维流场AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差小于等于预设AIG和首层催化剂前断面速度相对标准偏差。

需要说明的是，在上述图8所示的采用分段方法对SCR脱硝反应器进行三维数值模拟优化的过程中，先只对气流分布进行分段优化，再对完整三维结构气流分布进行优化，这样可以减小三维流场气流分布调整次数及每个算例的计算时间，因而有利于提高模拟优化效率。

以上为本发明实施例提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法的具体实施方式。在该实施方式中，先对二维流场的气流分布进行数值模拟优化，能够快速确定主流动方向的导流装置，减少了三维流场调整次数。二维流场气流分布模拟优化后，再对三维流场气流分布分段优化，并与喷氨过程分开数值模拟，使每个算例计算时间减少，通过减少流场调整次数和节省每个算例的计算时间，本发明实施例提供的模拟优化方法能够实现对SCR脱硝流场快速、高效地调整，使流体仿真工程师能够在较短时间内将SCR脱硝流场调整至优化指标。

举例来说，设定SCR脱硝反应器三维网格数量为1000万左右，在DELL T3600工作站上启用ANSYS FLUENT 13.0进行6线程气流分布数值计算，迭代1000次完成一次算例计算所需时间大概为5小时。由于二维流场优化确定了主流动方向的导流装置，只需对变径烟道导流板进行优化布置，这样可以大大减少三维流场调整的计算次数，节省计算时间。接着对三维流场气流分布进行分段优化，当三维流场气流分布优化后，再添加组分输运方程对气流分布和喷氨过程进行耦合数值计算，大致只需半个小时即可完成氨浓度分布计算。采用本发明提供的模拟优化方法完成此SCR脱硝流场优化共用了15天左右时间，而在相同的计算条件下，采用现有技术对此SCR脱硝反应器流场直接进行三维气流分布和喷氨过程耦合计算，每进行一个算例计算需要12个小时左右，在15天时间内是难以完成对此SCR脱硝流场优化工作，因此本发明方法的技术优势是显而易见的。

基于上述实施例提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法，本发明实施例还提供了一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化装置，具体参见以下实施例。

图13是本发明实施例提供的烟气SCR脱硝流场数值模拟优化装置结构示意图。如图13所示，该装置包括以下单元：

二维模型构建单元131，用于根据SCR脱硝反应器的结构主视图进行二维建模，构建SCR脱硝反应器的二维模型；其中，所述主视图反映出烟气沿主流动方向的流动特性；二维模型中不包括喷氨格栅；

二维流场模拟优化单元132，用于根据所述二维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行二维流场数值模拟优化，以得到达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构；

三维模型构建单元133，用于根据所述气流均布装置结构和SCR脱硝反应器三视图进行三维建模，构建SCR脱硝反应器的三维模型；

三维流场模拟优化单元134，用于根据所述三维模型对SCR脱硝反应器进行三维流场数值模拟优化，以得到流场达到SCR脱硝流场优化指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构。

为了减少计算量，提高模拟优化效率，上述所述的三维流场模拟优化单元134可以先对气流分布进行模拟优化，再对喷氨过程进行模拟优化。为了达到上述技术效果，上述所述的三维流场模拟优化单元134具体包括：

气流分布流场模拟优化单元1341，用于根据所述三维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以得到流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构；

气流分布和喷氨混合模拟优化单元1342，用于在所述流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构中，加入组分输运模型，对气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，以得到氨浓度分布均匀度达到氨浓度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构，其中，所述组分输运模型包括喷氨格栅。

此外，为了进一步减少计算量，提高模拟优化效率，本发明实施例提供的对SCR脱硝反应器的气流分布的三维流场数值模拟可以采用按照主流动方向将SCR脱硝反应器分为多个分段结构，分段进行数值模拟优化。为了实现上述效果，上述所述的三维模型构建单元133具体包括：

结构分段单元1331，用于按照烟气主流动方向将所述三维模型从烟气入口到烟气出口分为多个分段结构；

分段结构三维模型构建单元1332，用于根据SCR脱硝反应器的三维结构分别建立每一分段结构的三维几何模型，并将二维模拟优化后的气流均布装置结构加装在相应的分段结构中；

所述气流分布流场模拟优化单元1342可以具体包括：

分段结构气流分布流场模拟优化单元13421，用于分别对每一分段结构的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以分别得到达到各自烟气速度分布均匀度指标的分段结构；

SCR脱硝反应器完整三维结构气流分布流场模拟优化单元13422，用于建立SCR脱硝反应器的完整三维结构并按达到各自烟气速度分布均匀度指标的每段分段结构进行数值模拟优化，以得到流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化方法，其特征在于，包括：

根据SCR脱硝反应器的结构主视图进行二维建模，构建SCR脱硝反应器的二维模型；其中，所述主视图反映出烟气沿主流动方向的流动特性；二维模型中不包括喷氨格栅；

根据所述二维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行二维流场数值模拟优化，以获得达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构；

根据所述气流均布装置结构和SCR脱硝反应器三视图进行三维建模，构建SCR脱硝反应器的三维模型；

根据所述三维模型对SCR脱硝反应器进行三维流场数值模拟优化，以获得流场达到SCR脱硝流场优化指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构；

其中，所述根据所述气流均布装置结构和SCR脱硝反应器三视图进行三维建模，构建SCR脱硝反应器的三维模型，具体包括：

按照烟气主流动方向将SCR脱硝反应器三视图从烟气入口到烟气出口分为多段结构；

分别建立每一分段结构的三维几何模型，并将二维模拟优化后的气流均布装置结构加装在相应的分段结构中；

所述根据所述二维模型对SCR脱硝反应器的气流分布进行二维流场数值模拟优化，以获得达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构，具体包括：

在所述二维模型中加装主流动方向的导流装置；

对二维流场气流分布进行数值模拟；

分别统计喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差；

分别判断所述喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差是否达到各自对应的优化指标，当至少一个判断结果为否时，调整加装在主流动方向上的导流装置，返回执行所述对二维流场气流分布进行数值模拟的步骤，直至所述喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差分别达到各自对应的优化指标，进而得到达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构；

所述根据所述三维模型对SCR脱硝反应器进行三维流场数值模拟优化，以得到流场达到SCR脱硝流场优化指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构，具体包括：

分别对每一分段结构的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以分别得到达到各自烟气速度分布均匀度指标的分段结构；

建立SCR脱硝反应器的完整三维结构并按达到各自烟气速度分布均匀度指标的每段分段结构进行数值模拟优化，以获取流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构；

在所述SCR脱硝反应器的三维结构中，加入组分输运模型，对气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，以得到氨浓度分布均匀度达到氨浓度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构；其中，所述组分输运模型包括喷氨格栅。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照烟气主流动方向将所述三维模型从烟气入口到烟气出口分为多段结构，具体包括：

按照烟气主流动方向将所述三维模型从烟气入口到烟气出口分为三段结构，所述三段结构分别为：烟气入口到喷氨格栅段、喷氨格栅到首层催化剂段、首层催化剂到烟气出口段。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当分段结构为烟气入口到喷氨格栅段时，所述分别建立每一分段结构的三维几何模型，并将二维模拟优化后的气流均布装置结构加装在相应的分段结构中，具体包括：

步骤A1：根据SCR脱硝反应器三维结构建立烟气入口到喷氨格栅段的三维几何模型；

步骤A2：按照所述二维模拟优化得到的气流均布装置结构在所述烟气入口到喷氨格栅段的三维几何模型的变径烟道加装主流动垂直方向的导流板；

步骤A3：对烟气入口到喷氨格栅段进行数值模拟，得到喷氨格栅前断面速度分布均匀度；

步骤A4：判断所述喷氨格栅前断面速度分布均匀度是否达到喷氨格栅前断面速度分布均匀度优化指标，如果是，烟气入口到喷氨格栅段的模拟优化结束，如果否，调整设置于所述变径烟道主流动垂直方向的导流板的位置、数量和/或尺寸，返回执行所述步骤A3；

当分段结构为喷氨格栅到首层催化剂段时，所述分别建立每一分段结构的三维几何模型，并将二维模拟优化后的气流均布装置结构加装在相应的分段结构中，具体包括：

步骤B1：根据SCR脱硝反应器三维结构建立喷氨格栅到首层催化剂段的三维几何模型；

步骤B2：按照所述二维模拟优化得到的气流均布装置结构在所述喷氨格栅到首层催化剂段的三维几何模型的催化剂上游设置主流动垂直方向的整流格栅；

步骤B3：对喷氨格栅到首层催化剂段进行数值模拟，得到首层催化剂前断面速度分布均匀度；

步骤B4：判断所述首层催化剂前断面速度分布均匀度是否达到首层催化剂前断面速度分布均匀度优化指标，如果是，喷氨格栅到首层催化剂段的模拟优化结束，如果否，调整所述整流格栅的位置、数量和/或尺寸，返回执行所述步骤B3；

当分段结构为首层催化剂到烟气出口段时，所述分别建立每一分段结构的三维几何模型，并将二维模拟优化后的气流均布装置结构加装在相应的分段结构中，具体包括：

步骤C1：根据SCR脱硝反应器三维结构建立首层催化剂到烟气出口段的三维几何模型；

步骤C2：按照所述二维模拟优化得到的气流均布装置结构在所述首层催化剂到烟气出口段的三维几何模型的催化剂下游变径烟道设置主流动垂直方向的导流板；

步骤C3：对首层催化剂到烟气出口段进行数值模拟，得到烟气出口断面速度分布均匀度；

步骤C4：判断所述烟气出口断面速度分布均匀度是否达到烟气出口断面速度分布均匀度优化指标，如果是，首层催化剂到烟气出口段的模拟优化结束，如果否，调整所述设置于催化剂下游变径烟道主流动垂直方向的导流板的位置、数量和/或尺寸，返回执行所述步骤C3。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构中，加入组分输运模型，对气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，以得到氨浓度分布均匀度达到氨浓度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构，具体包括：

对加入组分输运模型的SCR脱硝反应器的三维结构的气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，得到首层催化剂前断面氨浓度分布均匀度；

判断所述首层催化剂前断面氨浓度分布均匀度是否达到首层催化剂前断面氨浓度分布均匀度优化指标，如果是，气流分布和喷氨混合过程的耦合数值模拟结束，如果否，调整喷氨格栅中的喷管氨流量和/或在喷氨格栅后增设静态混合器以强化氨气与烟气的混合，返回执行所述对气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，得到首层催化剂前断面氨浓度分布均匀度的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述二维模型中加装主流动方向的导流装置，具体包括：

在转弯烟道设置导流板、在斜坡烟道设置小挡板和在催化剂前设置整流格栅。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对二维流场气流分布进行数值模拟，具体包括：

对二维模型进行网格划分，设置烟气速度入口、压力出口边界条件，选择k-e湍流模型进行气流分布数值模拟。

7.一种烟气SCR脱硝流场数值模拟优化装置，其特征在于，包括：

二维模型构建单元，用于根据SCR脱硝反应器的结构主视图进行二维建模，构建SCR脱硝反应器的二维模型；其中，所述主视图反映出烟气沿主流动方向的流动特性；二维模型中不包括喷氨格栅；

二维流场模拟优化单元，用于在所述二维模型中加装主流动方向的导流装置；对二维流场气流分布进行数值模拟；分别统计喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差；分别判断所述喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差是否达到各自对应的优化指标，当至少一个判断结果为否时，调整加装在主流动方向上的导流装置，返回执行所述对二维流场气流分布进行数值模拟的步骤，直至所述喷氨格栅和首层催化剂前的烟气速度相对标准偏差分别达到各自对应的优化指标，进而得到达到烟气速度分布均匀度指标的烟气SCR脱硝反应器主流动方向上的气流均布装置结构；

三维模型构建单元，用于按照烟气主流动方向将SCR脱硝反应器三视图从烟气入口到烟气出口分为多段结构；分别建立每一分段结构的三维几何模型，并将二维模拟优化后的气流均布装置结构加装在相应的分段结构中；

三维流场模拟优化单元，用于分别对每一分段结构的气流分布进行三维流场数值模拟优化，以分别得到达到各自烟气速度分布均匀度指标的分段结构；建立SCR脱硝反应器的完整三维结构并按达到各自烟气速度分布均匀度指标的每段分段结构进行数值模拟优化，以获取流场气流分布达到烟气速度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的三维结构；在所述SCR脱硝反应器的三维结构中，加入组分输运模型，对气流分布和喷氨混合过程进行耦合数值模拟，以得到氨浓度分布均匀度达到氨浓度分布均匀度指标的SCR脱硝反应器的整体优化结构；其中，所述组分输运模型包括喷氨格栅。