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