CN109224796A - 烟道均流器装置及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种烟道均流器装置：包括设置在变截面烟道中的均流器，均流器上设置有由均流孔组成的矩形阵列，均流器上的均流孔的直径从均流器中心位置到边缘位置依次增大；本发明还提供一种烟道均流器装置的设计方法，包括以下步骤：采用烟道三维简化模型，利用CAD流体仿真软件，对变截面烟道烟气均流器的结构参数进行计算寻优；进一步的，本发明专利中采用烟道三维简化模型，大大减少了烟道三维模型网格数量，缩短了CAD流体仿真消耗的时间，加快了整体设计速度；进一步的，本发明专利中的均流器采用氟塑料材质，具有耐腐蚀、不沾灰等优良材料性能，提高了均流器运行时的稳定性，降低了运行维护费用。
Description
技术领域
本发明专利属于火力发电行业低温烟气均流技术领域，即在脱硫塔下游烟气处理设备的入口变截面烟道处的烟道均流器及设计方法，具体涉及一种烟道均流器装置及设计方法。
背景技术
2014年9月，国家***、能源局、环境部联合发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》，对我国火电行业的排放提出了史上最严标准，即在6％O2条件下，烟尘排放浓度不高于10mg/Nm3。全国燃煤电厂开始超低排放改造，全面提升烟气处理设备的性能。
我国燃煤电厂烟气处理***采用的主流技术路线如下：SCR(选择性催化还原)-ESP(静电除尘器)-WFGD(湿法脱硫塔)-WESP(湿式静电除尘器)/WPTA(湿式相变凝聚器)。WFGD出口烟气粉尘浓度一般难以达到最终排放要求，需要依靠WESP或WPTA对低尘烟气进一步净化，所以保证WESP或WPTA的工作性能对保证燃煤电厂烟尘排放长期稳定的达标具有重要意义。
WFGD出口到WESP或WPTA入口之间的烟道通常有一段变截面烟道，烟气经过变截面烟道时，在没有均流装置的情况下，烟气在烟道中的流速分布不均匀，影响烟气在WESP和WPTA中的停留时间，造成WEPS和WPTA工作性能下降。通常烟道中心区域流速快，靠近烟道壁面的烟气流速慢，这种烟气流速分布不均的现象在烟道变截面位置更为明显。因此，开发一种高湿烟气条件下的烟道均流器装置及设计方法具有十分重要的意义。
目前针对脱硫塔下游高湿烟气条件下的烟气均流装置大都基于物理整流的原理，通过在烟道内安装不同形式的阻力件，使烟道截面不同位置的烟气流速接近。这些装置大都采用金属材料制作阻力件，脱硫塔下游烟气湿度饱和，金属阻力件的耐蚀性能有待商榷，防腐处理成本高，同时金属阻力件安装麻烦，不便于检修维护。
公布号为CN 101476736A的专利文件公开了一种急转烟道均流装置。该装利用若干组导流叶栅，将垂直烟道虚拟分为前半部分和后半部分，减小了烟气急转后达到均流状态所需的纵向深度。该装置设备简单、施工方便，适用于烟气流向有明显变化的场所，对于变截面直烟道无法起到较好的烟气均流效果。
授权公布号为CN 204799414U的专利文件公开了一种烟气均布装置。该装置通过整流格栅、支撑环、支撑梁组成一套烟气整流装置，用于WESP入口变截面烟道的烟气均流，采用PP材质制作整流格栅，可以起到良好的防腐蚀效果，但该方法没有提出针对不同烟道结构条件下的整流格栅结构参数的通用设计方法，在实际工程应用场合，通用性差。
授权公布号为CN 205208586U的专利文件公开了一种变截面烟道均流板。该方法通过在变截面烟道安装八字形均流板，实现变截面烟道的烟气均流，该装置简单，均流板采用钢板制作，无法适应脱硫塔下游的高湿烟气，存在腐蚀风险，同时也没有提出一种通用设计方法，在推广使用过程中有较大的局限性。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的烟道均流器装置及设计方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种烟道均流器装置：包括设置在变截面烟道中的均流器；
所述均流器上设置有由均流孔组成的矩形阵列，均流器上的均流孔的直径从均流器中心位置到边缘位置依次增大。
作为对本发明烟道均流器装置的改进：
所述均流孔以均流器的中心均匀分布，其中一个均流孔位于均流器的中心位置。
本发明还提供一种烟道均流器装置的设计方法，包括以下步骤：
1)、设定变截面烟道几何结构参数；
2)、根据变截面烟道的对称性，利用ICEM软件构建三维烟道1/4简化模型；
3)、人为给定均流器初始限定要求，包括设定烟气经过均流器时的压降ΔP0和给定均流器的通流面积St，通流面积St为所有给定均流器的均流孔相加后的面积；
4)、人为调整实际均流器的均流孔的结构参数，均流孔的结构参数包括均流孔组成的矩形阵列的横向间距、纵向间距以及均流孔的直径；
5)、判断实际均流器的通流面积S，是否满足给定均流器的通流面积St的要求：S≥St；若不满足要求，返回步骤4)；若满足要求，执行步骤6)；
实际均流器的通流面积S为所有实际均流器的均流孔相加后的面积；
6)、利用ICEM软件在三维烟道1/4简化模型中构建1/4均流器简化模型；
7)、在软件fluent19.0中导入三维烟道1/4简化模型和1/4均流器简化模型，变截面烟道中，计算选定参数条件下的烟气流场，判断烟道压降ΔP是否满足烟气经过均流器时的压降ΔP0的要求：ΔP≤ΔP0；若不满足要求，返回步骤4)，再次调整均流孔的结构参数；若满足要求，则执行步骤8)；
8)、判断均流器后烟道截面烟气流速标准偏差σ是否满足要求：
其中：vi为以离均流器中心横向或者竖向从近到远同一的第i个均流孔出口烟气流速；经过均流器的烟气的平均流速；n为在同一直线上从均流器中心到边缘的均流孔的总个数；
若不满足要求，返回步骤4)，调整均流孔的结构参数；若满足要求，计算结束，d1、d2、d3……dn；x2、x3……xn为满足设计要求的均流器结构设计参数。
本发明烟道均流器装置及设计方法的技术优势为：
本发明专利提供了一种优化变截面烟道烟气均流器结构参数的设计方法，采用烟道三维简化模型，利用CAD流体仿真软件，对变截面烟道烟气均流器的结构参数进行计算寻优；
进一步的，本发明专利中采用烟道三维简化模型，大大减少了烟道三维模型网格数量，缩短了CAD流体仿真消耗的时间，加快了整体设计速度；
进一步的，本发明专利中的均流器采用氟塑料材质，具有耐腐蚀、不沾灰等优良材料性能，提高了均流器运行时的稳定性，降低了运行维护费用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为现有变截面烟道截面示意图；
图2为本发明烟道均流器装置的变截面烟道界面示意图；
图3为图2中均流器的结构示意图；
图4为图3的局部结构示意图；
图5为本发明烟道均流器设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、烟道均流器装置，如图1-5所示，包括设置在变截面烟道中的均流器3、
变截面烟道包括依次连接的变截面烟道入口段1、变截面烟道放大段2和变截面烟道出口段4，变截面烟道入口段1的直径小于变截面烟道出口段4的直径。
在变截面烟道不装均流器3时，变截面烟道入口段1烟气流速分布均匀，经过变截面烟道放大段2后，烟气流速分布发生较大变化，导致变截面烟道出口段4内烟气流速分布不均，烟道中心的烟气流速快，靠近烟道避免位置的烟气流速慢。
本发明在变截面烟道放大段2与变截面烟道出口段4的交接处放置有烟气经过均流器3，烟气经过均流器3整流后，变截面烟道出口段4截面上的烟气流速分布均匀。
均流器3的形状与安装位置的烟道截面形状匹配，即为均流器3四周均与变截面烟道的内侧壁接触，均流器3采用氟塑料材质。均流器3上设置有若干均流孔5组成的矩形阵列(且均流孔5是以均流器3的中心均匀分布，有一个均流孔5位于均流器3的中心位置)，均流孔5连通变截面烟道出口段4内腔和变截面烟道放大段2内腔，烟气仅能从均流孔5中通过均流器3。
均流器3上的均流孔5的直径从均流器3中心位置到边缘位置依次增大，这样可以确保经过均流孔5后的烟气匀速流动。
本发明专利使用时，均流器3结构的设计方法如图5所示，包括以下步骤：
d1、d2、d3……dn为均流器3中心位置到边缘位置沿线上不同大小均流孔5的直径，x2、x3……xn为不同大小均流孔5中心到均流器3中心的距离。
本发明烟道均流器装置使用时，均流器3结构的设计方法如图5所示，包括以下步骤：
人为设置变截面烟道中各项参数(选定后不再改变)。
1)、初步确定变截面烟道几何结构参数，变截面烟道几何结构参数包括变截面烟道入口段1、变截面烟道放大段2和变截面烟道出口段4的几何结构尺寸；
2)、根据变截面烟道的对称性，构建三维烟道1/4简化模型：利用ICEM软件构建真实尺寸的烟道。构建1/4简化模型可以在保证模拟结果精度的前提下，最大限度的减少计算机的计算量，加快计算速度。
3)、人为给定均流器3初始限定要求，包括设定烟气经过均流器3时的压降ΔP0和给定均流器3的通流面积St(通流面积St为给定均流器3的所有均流孔5相加后的面积)；
4)、人为调整实际均流器3的均流孔5的结构参数，均流孔5的结构参数包括均流孔5组成的矩形阵列的横向间距、纵向间距以及均流孔5的直径；
从给定均流器3的中心位置沿着横向或者竖向到边缘位置上的均流孔5的直径依次调整为d1、d2、d3……dn(给定均流器3中心位置的均流孔5直径为d1)；从给定均流器3的中心位置沿着横向或者竖向到边缘位置上的均流孔5中心的距离依次调整为x2、x3……xn(给定均流器3中心位置的均流孔5与相邻均流孔5的距离为x2)；
5)、判断实际均流器3的通流面积S(通流面积S为所有实际均流器3的均流孔5相加后的面积)是否满足给定均流器3的通流面积St：S≥St；若不满足要求，返回步骤4)，再次人为调整实际均流孔3的结构参数，从而调整均流器3上的均流孔5的数量和直径，改变实际均流器3的通流面积S；若满足要求，执行步骤6)。
6)、利用ICEM软件在三维烟道1/4简化模型中构建1/4均流器3简化模型，模拟安装了实际均流器3的烟道；
7)、在商用软件fluent19.0中导入三维烟道1/4简化模型和1/4均流器简化模型，在人为设置的变截面烟道中，计算选定参数条件下的烟气流场，判断烟道压降ΔP是否满足烟气经过均流器3时的压降ΔP0：ΔP≤ΔP0；若不满足要求，返回步骤4)，再次调整均流孔3的结构参数；若满足要求，则执行步骤8)；
8)、判断均流器3后烟道截面烟气流速标准偏差σ是否满足要求：σ/v≤0.05；
其中：vi为图4中第i个均流孔5(以离均流器3中心横向或者竖向从近到远同一的第i个均流孔5)出口烟气流速，n为在同一直线上，从均流器3中心到边缘的均流孔5的总个数。
若不满足要求，返回步骤4)，调整均流孔3的结构参数；若满足要求，计算结束，d1、d2、d3……dn；x2、x3……xn为满足设计要求的均流器结构设计参数。
采用本设计方法得到的均流器具有质量轻、均流效果好、寿命长的优点。相比传统金属材质均流器，氟塑料均流器寿命平均为40年，是金属均流器寿命的10倍；氟塑料均流器质量轻，不到金属均流器质量的1/20；采用本发明的均流孔3结构，可使均流器后烟气流速的标准偏差小于5％。
本发明使用的商用计算软件为fluent19.0系列，相比于低版本fluent软件，该版本在多相流模拟和多面体网格划分功能方面有优势，能够生成质量更好的网格，加快模型计算速度；同时，烟气中含有气液固三相，fluent19.0在多相流模拟方面的优势能够进一步提高本发明的计算精度。Icem是专业的CFD前处理软件，包括CAD、SolidWorks、Pro/ENGINEER等主流设计软件的几何接口，能够利用拓扑分块技术提高结构化网格质量，提高模型的前处理速度。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.烟道均流器装置，其特征在于：包括设置在变截面烟道中的均流器(3)；
所述均流器(3)上设置有由均流孔(5)组成的矩形阵列，均流器(3)上的均流孔(5)的直径从均流器(3)中心位置到边缘位置依次增大。
2.根据权利要求1所述的烟道均流器装置，其特征在于：
所述均流孔(5)以均流器(3)的中心均匀分布，其中一个均流孔(5)位于均流器(3)的中心位置。
3.权利要求1或2所述烟道均流器装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、设定变截面烟道几何结构参数；
2)、根据变截面烟道的对称性，利用ICEM软件构建三维烟道1/4简化模型；
3)、人为给定均流器(3)初始限定要求，包括设定烟气经过均流器(3)时的压降ΔP0和给定均流器(3)的通流面积St，通流面积St为所有给定均流器(3)的均流孔(5)相加后的面积；
4)、人为调整实际均流器(3)的均流孔(5)的结构参数，均流孔(5)的结构参数包括均流孔(5)组成的矩形阵列的横向间距、纵向间距以及均流孔(5)的直径；
5)、判断实际均流器(3)的通流面积S，是否满足给定均流器(3)的通流面积St的要求：S≥St；若不满足要求，返回步骤4)；若满足要求，执行步骤6)；
实际均流器(3)的通流面积S为所有实际均流器(3)的均流孔(5)相加后的面积；
6)、利用ICEM软件在三维烟道1/4简化模型中构建1/4均流器(3)简化模型；
7)、在软件fluent19.0中导入三维烟道1/4简化模型和1/4均流器简化模型，变截面烟道中，计算选定参数条件下的烟气流场，判断烟道压降ΔP是否满足烟气经过均流器(3)时的压降ΔP0的要求：ΔP≤ΔP0；若不满足要求，返回步骤4)，再次调整均流孔(5)的结构参数；若满足要求，则执行步骤8)；
8)、判断均流器(3)后烟道截面烟气流速标准偏差σ是否满足要求：
其中：vi为以离均流器(3)中心横向或者竖向从近到远同一的第i个均流孔(5)出口烟气流速；经过均流器(3)的烟气的平均流速；n为在同一直线上从均流器(3)中心到边缘的均流孔(5)的总个数；
若不满足要求，返回步骤4)，调整均流孔(3)的结构参数；若满足要求，计算结束，d1、d2、d3……dn；x2、x3……xn为满足设计要求的均流器结构设计参数。
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