基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計(jì)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)

基于參數(shù)化模型優(yōu)化的噴氨格柵設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)方法和流程。該方法從工程設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)學(xué)模型，并通過優(yōu)化計(jì)算最終獲得噴氨格柵的最優(yōu)設(shè)計(jì)。另外，通過實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法在SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵設(shè)計(jì)中的適用性。

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

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(jì)實(shí)現(xiàn)煙氣速度場分布均勻的同時(shí)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(gè)煙道截面上。噴氨格柵的設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)變量的設(shè)計(jì)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(jì)［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(jì)算，計(jì)算技術(shù)復(fù)雜、計(jì)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(jì)方法。本文即從噴氨格柵工程設(shè)計(jì)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(jì)方法和流程。并通過實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法在SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵設(shè)計(jì)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(jì)

噴氨格柵設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)從工程設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算，從而得到噴氨格柵的初步設(shè)計(jì)結(jié)果。然后，對初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和評估，如果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，則該噴氨格柵的設(shè)計(jì)是成功的，否則修改設(shè)計(jì)方案，調(diào)整幾何參數(shù)取值，重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直至設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)要求的噴氨格柵。

1.1 噴氨格柵設(shè)計(jì)要求分析與初始方案設(shè)計(jì)

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(gè)噴氨孔的噴氨能夠在設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)的主要目標(biāo)是在煙氣設(shè)計(jì)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(jì)，使得氨與煙氣能夠在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)要求的分析，可基本確定其初始設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(jì)

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(gè)幾何參數(shù)。在設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)方法來選取m個(gè)初始樣本點(diǎn)(m組幾何設(shè)計(jì)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(jì)算，以獲得不同幾何設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算，以獲得氨氣最小濃度偏差時(shí)的噴氨格柵的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.3 噴氨格柵設(shè)計(jì)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(jì)后，需要對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和評估。由采用代理模型計(jì)算獲得的最優(yōu)(g1，g2，…，gn)建立數(shù)值計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果添加到上述m個(gè)初始樣本點(diǎn)中，即初始樣本點(diǎn)增加為m+1個(gè)，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(jì)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(jì)方案重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？傊?，要獲得滿足設(shè)計(jì)要求的SCR脫硝系統(tǒng)噴氨格柵，需要經(jīng)過一個(gè)“設(shè)計(jì)—評估—修改設(shè)計(jì)—再評估”的反復(fù)設(shè)計(jì)迭代過程。

2 噴氨格柵優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)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(jì)要求的分析，制定初始設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(gè)初始樣本點(diǎn)，即D，Ll，Lh的32組不同取值，并經(jīng)數(shù)值計(jì)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(jì)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(jì)算，結(jié)果表明當(dāng) D、Ll和Lh分別為6.0mm、365.5mm和326.5mm時(shí)，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(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果表明:經(jīng)設(shè)計(jì)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(jì)要求。

3 結(jié)語

本文從噴氨格柵工程設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)。本文最后通過實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的適用性。該項(xiàng)研究可為噴氨格柵的工程設(shè)計(jì)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

Combining numerical simulation，surrogate model and design optimization，ammonia injection grid design methods based on parametric model optimization of Selective Catalytic Reduction system were developed.First，parametric model is built according to the effect of geometric parameters of ammonia injection grid on ammonia diffusion.The design of ammonia injection grid is obtained by optimization.The feasibility of the design procedures is evaluated and verified by numerical simulation.

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