李 娜，盧作基，秦翠娟

(中環(huán)(中國)工程有限公司，江蘇南京 210008)

基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計方法研究

李 娜，盧作基，秦翠娟

(中環(huán)(中國)工程有限公司，江蘇南京 210008)

從噴氨格柵工程設(shè)計要求出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬分析、代理模型技術(shù)以及優(yōu)化設(shè)計方法，提出了一套基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計方法和流程。該方法從工程設(shè)計要求的分析入手，根據(jù)噴氨格柵幾何參數(shù)對噴氨特性的影響特點(diǎn)和規(guī)律，建立參數(shù)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，并通過優(yōu)化計算最終獲得噴氨格柵的最優(yōu)設(shè)計。另外，通過實(shí)例計算驗(yàn)證了該設(shè)計方法在SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵設(shè)計中的適用性。

噴氨格柵;參數(shù)化模型;數(shù)值計算;代理模型;優(yōu)化設(shè)計

0 引言

選擇性催化還原法煙氣脫硝(Selective Catalytic Reduction，SCR)是在催化劑作用下，以氨為還原劑將煙氣中氮氧化物分解成氮?dú)馀c水，其氮氧化物脫除效率高，適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境保護(hù)要求，因而得到了電力行業(yè)高度重視和廣泛應(yīng)用［1－5］。在 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中，氨氣必須與煙氣充分而均勻的混合才能確保其和反應(yīng)物(煙氣中的氮氧化物)充分結(jié)合，而一般國內(nèi)燃煤電廠氨/煙氣的流量比約為 1/1000量級，在如此懸殊的比例和超大煙氣流量下實(shí)現(xiàn)氨/煙氣快速均勻混合是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。對此，優(yōu)良的噴氨系統(tǒng)起到了重要作用。

針對SCR煙氣脫硝系統(tǒng)內(nèi)噴氨強(qiáng)化摻混問題，國外進(jìn)行了大量研究并提出了一些新概念噴氨強(qiáng)化摻混技術(shù)，例如:利用先進(jìn)的整流/導(dǎo)流結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)煙氣速度場分布均勻的同時也完成氨與煙氣摻混均布［6－7］、利用渦街和旋流特征促進(jìn)氣流摻混的新概念噴氨裝置以及多點(diǎn)多角度噴射結(jié)構(gòu)等［8－10］。文獻(xiàn)［11］、［12］還研究應(yīng)用現(xiàn)代控制理論方法來優(yōu)化類似的噴氨控制系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外較多采用噴氨格柵進(jìn)行多點(diǎn)噴射，使氨廣泛分布在整個煙道截面上。噴氨格柵的設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜且困難的工作，其技術(shù)上的困難之一是噴氨格柵的幾何設(shè)計變量較多，包括噴氨管管束布置，噴氨孔排布，噴氨孔孔徑及噴氨角度等，其均對噴氨效果有直接影響，而且這些幾何因素之間也存在一定的相互制約，因此，對于噴氨格柵而言，很難通過對某一個變量的設(shè)計即達(dá)到理想噴氨效果，而需要對若干幾何變量進(jìn)行綜合分析，以期實(shí)現(xiàn)噴氨格柵的最優(yōu)設(shè)計［13－14］;困難之二在于必需根據(jù)實(shí)際煙氣環(huán)境，對煙道及反應(yīng)器內(nèi)的噴氨及其與煙氣摻混過程進(jìn)行反復(fù)計算，計算技術(shù)復(fù)雜、計算量龐大。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，國內(nèi)主要是一些大學(xué)在SCR煙氣脫硝噴氨技術(shù)方面開展了相關(guān)研究工作，但大都是針對噴氨格柵的影響因素及其影響規(guī)律進(jìn)行一定的探討［13－18］，缺少一種系統(tǒng)的噴氨格柵設(shè)計方法。本文即從噴氨格柵工程設(shè)計要求出發(fā)，結(jié)合代理模型技術(shù)和優(yōu)化方法［19－21］，提出了一種基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計方法和流程。并通過實(shí)例計算驗(yàn)證了該設(shè)計方法在SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵設(shè)計中的適用性。

1 基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計

噴氨格柵設(shè)計應(yīng)當(dāng)從工程設(shè)計要求的分析入手，根據(jù)噴氨格柵幾何參數(shù)對噴氨特性的影響特點(diǎn)和規(guī)律，確定初始設(shè)計方案。初步選定對噴氨特性有重要影響的關(guān)鍵幾何參數(shù)，建立噴氨格柵的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型。結(jié)合三維粘性流場數(shù)值分析及優(yōu)化計算，從而得到噴氨格柵的初步設(shè)計結(jié)果。然后，對初步設(shè)計結(jié)果進(jìn)行計算和評估，如果能夠滿足設(shè)計要求，則該噴氨格柵的設(shè)計是成功的，否則修改設(shè)計方案，調(diào)整幾何參數(shù)取值，重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，直至設(shè)計出滿足設(shè)計要求的噴氨格柵。

1.1 噴氨格柵設(shè)計要求分析與初始方案設(shè)計

噴氨格柵作為SCR脫硝系統(tǒng)的重要部件，承擔(dān)著將氨廣泛噴射在煙道中，一方面要讓每個噴氨孔的噴氨能夠在設(shè)計的混合段長度內(nèi)，與該噴氨孔對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的煙氣充分均勻混合;另一方面要使整個煙道內(nèi)的氨濃度與煙氣中氮氧化物濃度分布盡量匹配。因此，SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目標(biāo)是在煙氣設(shè)計點(diǎn)流速條件下，通過對關(guān)鍵幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，使得氨與煙氣能夠在設(shè)計的混合段長度內(nèi)充分均勻混合。另外，在實(shí)際工作過程中，如果煙道內(nèi)煙氣速度場及煙氣中氮氧化物濃度場分布不均，則針對煙氣濃度場分布情況對噴氨管內(nèi)氨流量進(jìn)行分區(qū)域控制，以實(shí)現(xiàn)氨與煙氣中氮氧化物濃度分布的匹配。

圖1給出了典型SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵示意，由圖可見，噴氨格柵由以一定間距布置的噴氨管管束構(gòu)成，噴氨管上排布著若干噴氨孔。一般情況下，為促進(jìn)氨與煙氣的迅速摻混，噴氨管上的噴氨孔對開，且噴氨方向垂直于煙氣流方向。如圖1所示，噴氨格柵的幾何設(shè)計變量主要包括:噴氨截面的寬W與高H，噴氨管間距Ll，噴氨管上噴氨孔間距Lh，以及噴氨孔直徑D。

圖1 噴氨格柵示意

實(shí)際工程中，煙氣流量及氮氧化物含量已知，可推算出所需氨氣流量m，另外，煙道截面是基本確定的，即噴氨截面的寬W與高H已知，那么，噴氨孔數(shù)量N約為:

根據(jù)對噴氨格柵設(shè)計要求的分析，可基本確定其初始設(shè)計方案:

(1)根據(jù)噴氨格柵幾何參數(shù)對噴氨特性的影響特點(diǎn)和規(guī)律，初步選定對噴氨特性有重要影響的關(guān)鍵幾何參數(shù)，建立噴氨格柵的參數(shù)化模型。

(2)確定混合段長度Ld，以及經(jīng)混合段后氨與煙氣的摻混程度，以濃度偏差δ表示。濃度偏差δ的定義為:

式中:Ci是測試點(diǎn)的濃度值，n為測試點(diǎn)的個數(shù)為所有測試點(diǎn)濃度值的數(shù)學(xué)平均值。

(3)煙道幾何尺寸及噴氨射流速度將作為噴氨格柵幾何參數(shù)設(shè)計的約束，根據(jù)工程實(shí)際情況選定。

1.2 噴氨格柵參數(shù)化模型優(yōu)化設(shè)計

對于圖1所示的噴氨格柵，在假設(shè)煙道尺寸及煙氣環(huán)境一定的前提下，噴氨射流經(jīng)混合段長度后，氨氣的濃度偏差主要由噴氨格柵的幾何參數(shù)、氨氣性質(zhì)以及氨氣射流條件等因素共同決定。假設(shè)它們之間存在如下函數(shù)關(guān)系:

式中:C為氨氣濃度，P和T分別為氨氣射流出口壓力及溫度，g1，g2，…，gn為描述噴氨格柵的n個幾何參數(shù)。在設(shè)計點(diǎn)條件下，氨氣性質(zhì)及其射流條件是一定的，則濃度偏差函數(shù)關(guān)系(4)可簡化為:

根據(jù)流體力學(xué)理論，噴氨射流經(jīng)與煙氣混合后，其濃度偏差δ與噴氨格柵幾何參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系(5)應(yīng)當(dāng)為非線性函數(shù)關(guān)系。在給定噴氨格柵幾何參數(shù)的情況下，求解氨氣濃度分布屬于正問題。盡管問題本身為復(fù)雜的非線性問題，但通過數(shù)值方法(Fluent軟件)比較容易求解。而在給定氨氣濃度分布的情況下，確定噴氨格柵幾何參數(shù)，即求解方程(5)，則屬于逆問題。一般來說，逆問題(特別是非線性逆問題)的方程建立和求解，要比正問題更為復(fù)雜和困難。為此，本文這里提出建立代理模型，并結(jié)合優(yōu)化算法對該問題進(jìn)行分析求解。

首先在方程(5)基礎(chǔ)上可構(gòu)建多種代理模型，如多項(xiàng)式代理模型:

式中:g1，g2，…，gn為描述噴氨格柵的 n個幾何參數(shù);a0，a1，a2，a3，… 為議程系數(shù)。

其次，先選用一定的試驗(yàn)設(shè)計方法來選取m個初始樣本點(diǎn)(m組幾何設(shè)計參數(shù))，并對基于該樣本點(diǎn)建立的噴氨格柵參數(shù)化模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算，以獲得不同幾何設(shè)計參數(shù)條件下對應(yīng)的濃度偏差數(shù)值，然后，由該樣本生成上述濃度偏差與噴氨格柵幾何參數(shù)的函數(shù)關(guān)系(即確定上述方程中系數(shù)a0，a1，a2，a3…)。并以此作為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計過程中的代理模型。

在低理模型基礎(chǔ)上，建立優(yōu)化模型:

選用一種優(yōu)化算法對該優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，以獲得氨氣最小濃度偏差時的噴氨格柵的幾何設(shè)計參數(shù)。

1.3 噴氨格柵設(shè)計結(jié)果的性能評估與優(yōu)化

對噴氨格柵進(jìn)行參數(shù)化模型優(yōu)化設(shè)計后，需要對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行計算和評估。由采用代理模型計算獲得的最優(yōu)(g1，g2，…，gn)建立數(shù)值計算模型，通過數(shù)值模擬分析，判斷代理模型最優(yōu)解f(g1，g2，…，gn與數(shù)值計算結(jié)果是否一致(即兩者相差滿足收斂要求)，如果結(jié)果一致則優(yōu)化完成，否則將此次數(shù)值計算結(jié)果添加到上述m個初始樣本點(diǎn)中，即初始樣本點(diǎn)增加為m+1個，重復(fù)步驟1)構(gòu)造代理模型，繼續(xù)優(yōu)化，直至代理模型的優(yōu)化結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果相一致。另外，還需對噴氨格柵和脫硝系統(tǒng)整體性能(如噴氨格柵導(dǎo)致的系統(tǒng)壓降、噴氨截面與催化劑入口之間的預(yù)混空間等)進(jìn)行評估，根據(jù)需求可適當(dāng)修改初始設(shè)計方案重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?？傊?，要獲得滿足設(shè)計要求的SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵，需要經(jīng)過一個“設(shè)計—評估—修改設(shè)計—再評估”的反復(fù)設(shè)計迭代過程。

2 噴氨格柵優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用實(shí)例與效果分析

本文擬為某SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計一個噴氨格柵。該脫硝系統(tǒng)內(nèi)，噴氨格柵位置處煙道截面為10m×5m。煙氣平均流速為5m/s，溫度為600K。為有效脫除煙氣中氮氧化物，所需氨氣(體積分?jǐn)?shù)5%)流量為4000m3/h。

根據(jù)對噴氨格柵設(shè)計要求的分析，制定初始設(shè)計方案:選定以噴氨管間距Ll、噴氨管上噴氨孔間距Ln以及噴氨孔直徑D三個獨(dú)立幾何變量建立參數(shù)化模型;在均勻煙氣流條件下，經(jīng)混合長度Ld=2m，氨濃度偏差δ要求不大于2%;噴氨射流速度U要求不大于70m/s。

根據(jù)本文提出的基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計方法，首先構(gòu)建如方程(6)所示的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面代理模型。

其次，本文選取了32個初始樣本點(diǎn)，即D，Ll，Lh的32組不同取值，并經(jīng)數(shù)值計算獲得32組樣本數(shù)據(jù)(δ，D，Ll，Lh)。由該樣本數(shù)據(jù)生成代理模型:

然后，在代理模型(8)的基礎(chǔ)上建立優(yōu)化計算數(shù)學(xué)模型:

選用模擬退火算法對上述優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化計算，結(jié)果表明當(dāng) D、Ll和Lh分別為6.0mm、365.5mm和326.5mm時，氨氣濃度偏差為2%。

現(xiàn)將 D、Ll和 Lh分別取值為 6.0mm、365.0mm和326.0mm，建立噴氨格柵噴氨射流的數(shù)值計算模型，計算結(jié)果表明:經(jīng)設(shè)計的混合長度后，氨氣濃度偏差為1.4%，滿足其不大于2%的設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文從噴氨格柵工程設(shè)計要求出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬分析、代理模型技術(shù)以及優(yōu)化設(shè)計方法，提出了一套基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計方法和流程，該方法對若干幾何變量進(jìn)行綜合分析，最終可以實(shí)現(xiàn)噴氨格柵的最優(yōu)設(shè)計。本文最后通過實(shí)例計算驗(yàn)證了該設(shè)計方法的適用性。該項(xiàng)研究可為噴氨格柵的工程設(shè)計提供一定的技術(shù)支持和參考。

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Parametric model－based optimization design method for ammonia injection grid

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ammonia injection grid;parametric model;numerical simulation;surrogate model;design optimization

X701.7

B

1674－8069(2012)02－013－04

2011-10-29;

2012-03-16

李娜(1980-)，女，遼寧撫順人，博士，主要從事流體流動傳熱傳質(zhì)研究工作。E－mail:lina@gcleng.com