基于正交實(shí)驗(yàn)法提高省煤器灰斗飛灰捕集性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 千， 許文良， 楊 新

(1. 神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100016；2. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北 保定 071003)

基于正交實(shí)驗(yàn)法提高省煤器灰斗飛灰捕集性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 千1， 許文良2， 楊 新2

(1. 神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100016；2. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北 保定 071003)

為研究在省煤器灰斗內(nèi)加裝撞擊分離器和隔艙對(duì)>90 μm飛灰的捕集性能，采用正交試驗(yàn)法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究不同的參數(shù)組合的飛灰捕集效能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：方案7能夠有效提升省煤器灰斗的飛灰捕集效率，對(duì)原灰的捕集效率約能提高2.29倍，對(duì)>90 μm的飛灰顆粒捕集效率約能提高2.45倍；采用正交實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬的分析結(jié)果，最優(yōu)的隔艙和撞擊分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A1B3C1D2；角度α是對(duì)飛灰捕集效率影響顯著的因素，長(zhǎng)度L也起到了重要作用，這說(shuō)明了撞擊分離器是提高飛灰捕集效率的關(guān)鍵部件，能夠決定氣流在灰斗中的流向及流程。

正交試驗(yàn)； 省煤器灰斗； 飛灰捕集

0 引言

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)對(duì)于能源消耗量不斷增加，隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重[1]。選擇性催化還原技術(shù)(SCR)是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的脫硝技術(shù)[2-4]。長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究表明，影響SCR脫硝技術(shù)脫硝效果的物理因素主要為飛灰對(duì)催化劑的堵塞和磨損[5]。因此，提高省煤器灰斗對(duì)煙氣中飛灰的捕集效率能夠從根本上減輕SCR催化劑的堵塞和磨損。

文獻(xiàn)[6]提出了一種省煤器煙道在靠向脫硝反應(yīng)器一側(cè)向內(nèi)收口、省煤器煙道底部遠(yuǎn)離脫硝反應(yīng)器入口煙道處設(shè)置向下收口灰斗的技術(shù)方案，同時(shí)在水平煙道入口處設(shè)置大顆粒灰攔截網(wǎng)，該方案具有較好的除灰效果。文獻(xiàn)[7]從攔截爆米花灰的角度分別闡述了省煤器灰斗優(yōu)化、加裝攔截網(wǎng)2種方式的攔截效果，認(rèn)為灰斗優(yōu)化和攔截網(wǎng)并行的方案對(duì)攔截爆米花灰有較好的效果。正交實(shí)驗(yàn)法是目前常用的用于分析了不同因素對(duì)實(shí)驗(yàn)效果影響主次順序并優(yōu)化出最優(yōu)參數(shù)組合的實(shí)驗(yàn)方法。文獻(xiàn)[8]研究了省煤器灰斗加裝導(dǎo)流折擋板對(duì)煙氣中大顆?；液图?xì)灰的捕集效果，認(rèn)為加裝擋板對(duì)細(xì)顆?；业姆蛛x捕集是有利的，但不能有效地提高灰斗對(duì)大顆?；业姆蛛x捕集能力，反而在一定程度上起到了負(fù)面的作用。文獻(xiàn)[9]探究了在省煤器處轉(zhuǎn)向室中布置導(dǎo)流擋板對(duì)除塵效率的影響，認(rèn)為合理的導(dǎo)流擋板布置形式可提高除塵效率、減輕煙道某一側(cè)面的磨損。

本文以某電廠省煤器灰斗及前后煙道為模型，搭建幾何模型和冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬鍋爐省煤器出口的氣體流動(dòng)特性與灰斗對(duì)飛灰的分離捕集性能。重點(diǎn)研究在灰斗內(nèi)部加裝撞擊分離器和隔艙對(duì)> 90 μm飛灰顆粒的捕集性能，利用數(shù)值模擬分析撞擊分離器參數(shù)不同對(duì)飛灰顆粒捕集性能的影響，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法篩選影響撞擊分離器飛灰捕集性能的顯著因素，在大幅減少冷態(tài)試驗(yàn)次數(shù)的同時(shí)獲得較優(yōu)的撞擊分離器結(jié)構(gòu)，以期能為工程中省煤器灰斗優(yōu)化改造提供一定的理論研究基礎(chǔ)和參考價(jià)值。

1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路

為了提高省煤器灰斗對(duì)煙氣中粒徑較大的飛灰顆粒(>88 μm)的捕集效率，需對(duì)現(xiàn)有的灰斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)依據(jù)文獻(xiàn)[10]所提出的一種在現(xiàn)有灰斗結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的優(yōu)化技術(shù)方案——增設(shè)隔艙和加裝撞擊分離片，進(jìn)一步地分析研究，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1(b)中Lk為省煤器灰斗跨度25 cm。

圖1 省煤器灰斗優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在進(jìn)行隔艙和撞擊分離片設(shè)計(jì)時(shí)，影響隔艙和撞擊分離片作用的因素很多，過(guò)多的考慮次要因素會(huì)增加試驗(yàn)次數(shù)，因此僅考慮了以下4個(gè)主要因素：隔艙分隔板與灰斗后延的距離D，其決定了隔艙所占灰斗體積的大??；撞擊分離片的長(zhǎng)度L，其決定了撞擊分離片大??；撞擊分離片之間的間距P和安裝角度α，其決定了撞擊分離片在灰斗中的位置。

在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，如果對(duì)這4個(gè)主要影響因素采用控制變量法進(jìn)行研究，每個(gè)因素僅取3個(gè)值，就需要進(jìn)行34次試驗(yàn)，為減少試驗(yàn)次數(shù)，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)方案[11]，利用數(shù)值模擬軟件Fluent進(jìn)行模擬，確定最優(yōu)試驗(yàn)方案并搭建冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究。

基于上述設(shè)計(jì)思路的考慮，本試驗(yàn)方案對(duì)這4個(gè)主要因素進(jìn)行各3個(gè)水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。隔艙分隔板與灰斗后延距離D取0.15Lk、0.10Lk和0.05Lk；撞擊分離片的長(zhǎng)度L取0.08Lk、0.10Lk和0.12Lk；間距P取0.10Lk、0.12Lk和0.14Lk；安裝角度α取-30°、0°和30°(與分隔板法線方向夾角，取順時(shí)針為正)。需要進(jìn)行研究的因素和水平如表1所示。

表1 因素及水平

在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這4個(gè)主要因素間的交互作用，如果將這4個(gè)因素的交互作用全部進(jìn)行考慮的話，試驗(yàn)次數(shù)將會(huì)增加很多?；诖耍F(xiàn)僅考慮長(zhǎng)度L與角度α，長(zhǎng)度L與間距P和角度α與間距P的交互作用，這樣即可將試驗(yàn)次數(shù)較少到27次，其余因素間的交互作用由正交結(jié)果分析來(lái)判斷。

本文采用MINITAB軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)表(見(jiàn)表2)的設(shè)計(jì)以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

表2 正交實(shí)驗(yàn)表及數(shù)值模擬結(jié)果

2 省煤器灰斗數(shù)值模擬

按照設(shè)計(jì)好的正交實(shí)驗(yàn)表，對(duì)27種方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2.1 幾何模型及參數(shù)設(shè)置

以某600 MW燃煤電站省煤器煙道為依據(jù)，縮小比例構(gòu)建尾部煙道的數(shù)值模擬幾何模型，研究省煤器灰斗的飛灰捕集性能。以方案7的結(jié)構(gòu)為例，如圖2所示為用GAMBIT軟件構(gòu)建的數(shù)值模擬幾何模型，包含進(jìn)料口、尾部煙道、優(yōu)化灰斗和水平煙道，并對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于網(wǎng)格質(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的合理性，因此，對(duì)于灰斗內(nèi)部、導(dǎo)流格柵以及翼型擋板等區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余規(guī)則的部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。兼顧考慮網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和計(jì)算量，網(wǎng)格數(shù)選取約300萬(wàn)作為計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量。

圖2 幾何模型

本文流場(chǎng)計(jì)算采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，根據(jù)“自?；瘏^(qū)”理論，進(jìn)口風(fēng)速取5.1 m/s；顆粒相計(jì)算采用DPM模型，原灰顆粒項(xiàng)分布見(jiàn)文獻(xiàn)[12]，>90 μm飛灰顆粒服從Rosin-Rammler分布，最大粒徑300 μm，最小粒徑88 μm，平均粒徑為117 μm，飛灰濃度為40 g/m3。每個(gè)方案無(wú)飛灰顆粒相冷態(tài)流場(chǎng)迭代約3 000步至收斂，后加入飛灰顆粒相，采用不耦合的方式計(jì)算顆粒相的運(yùn)動(dòng)軌跡和捕集效率[13]。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖3(a)為省煤器原灰斗的速度云圖，圖3(b)為方案7優(yōu)化灰斗速度云圖。從圖中可以看出，加裝翼型擋板后，轉(zhuǎn)角處氣流進(jìn)入水平煙道前速度相對(duì)加快，能夠有效減少飛灰顆粒被水平煙道的高速氣流攜帶；加裝隔艙和撞擊分離器后，省煤器灰斗內(nèi)部低速區(qū)有所增大，有利于飛灰顆粒分離。

圖3 速度云圖

電廠中，省煤器灰斗對(duì)于煙氣中飛灰的預(yù)除塵效率約為5%～10%，首先對(duì)電廠原灰的脫除效率進(jìn)行模擬，原灰顆粒的捕集效率由式(1)計(jì)算得：

(1)

加入原灰顆粒后，省煤器灰斗對(duì)原灰的捕集效率約為8.55%，與電廠中的實(shí)際情況基本相符，能夠說(shuō)明數(shù)值模型的合理性。然后對(duì)省煤器灰斗對(duì)粒徑>90 μm飛灰顆粒的捕集效率進(jìn)行數(shù)值模擬，捕集效率計(jì)算式見(jiàn)式(2)，結(jié)果表明，方案7能夠?qū)⒒叶穼?duì)>90 μm飛灰顆粒的捕集效率從原灰斗的38%提高到95%。

(2)

3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照正交實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)表，然后按正交表建立模型，得到不同優(yōu)化方案下省煤器灰斗對(duì)>90 μm飛灰顆粒的捕集效率的模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

3.1 一般計(jì)算分析

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行位級(jí)和極差計(jì)算，位級(jí)ki為同一因素下第i水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值，R為同一因素下k1、k2、k3中的最大值減去最小值。位級(jí)和極差的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 位級(jí)ki及極差R計(jì)算

由于極差的大小表征的對(duì)應(yīng)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響大小，極差大，通?？梢哉J(rèn)為該因素水平的變化對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響較大，為影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要因素，而從表3中可以看出，RD

B→A×B、B×C、C→A→A×C→D

由于B，AB、BC和C是影響最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要因素，所以這是選取水平組合的主要參考依據(jù)。

對(duì)于單個(gè)因素，根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，作出同一因素某一位級(jí)ki下模擬結(jié)果與各因素的關(guān)系見(jiàn)圖4。從位級(jí)的角度看，在同一因素下，ki越大，說(shuō)明在該i水平下，評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)越好。從圖4可以看出，因素B下的k3為位級(jí)的最大值，所以因素B選取水平三。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果與各因素關(guān)系圖

對(duì)于A×B，主要考慮的是因素A和B不同的搭配方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。因素A和B的9種搭配方式及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均位級(jí)見(jiàn)表4。從表中可以看出，選取A1B3的搭配時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果最好。同理，可以得出B，C的最佳組合為B3C1。另外，因素D應(yīng)選取水平二，此時(shí)，所得到的較好的實(shí)驗(yàn)組合為A1B3C1D2，而這個(gè)組合并未進(jìn)行數(shù)值模擬，因此需要將其與表2中的第7組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，該組合的模擬結(jié)果為95.3%，與第7組的結(jié)果相差不大，也證明了因素D對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小。

表4 交互作用下平均位級(jí)計(jì)算

同時(shí)需要指出的是，用極差作為劃分因素重要程度的依據(jù)是相對(duì)的。極差受位級(jí)量的影響是很大的，對(duì)于不同的位級(jí)取值范圍，極差值也是不同的。

3.2 方差分析

在一般計(jì)算分析中，由于存在交互作用的因素占到位級(jí)計(jì)算表中的兩列，無(wú)法直觀分辨出交互作用的影響大小，故需采用方差分析對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究。根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和方差公式計(jì)算所得的各因子的F值，見(jiàn)表5。

查F分布表分別得：

F0.9(2，6)=3.46，F(xiàn)0.95(2，6)=5.14

F0.975(2，6)=7.26，F(xiàn)0.99(2，6)=10.93

將各個(gè)因素的F值與F分布表查得的值進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，只有B因素的F值大于F0.99(2，6)，即有99%以上的置信度可以認(rèn)為B因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有非常顯著的影響。同理，A×B的F值大于F0.95(2，6)，B×C和C因素的F值大于F0.9(2，6)，而其余幾個(gè)因素的F值均小于F0.9(2，6)，為顯著影響因素，這與一般計(jì)算分析得出的結(jié)果相同。表征因素顯著性的指標(biāo)P值也同樣反映了這一點(diǎn)。

根據(jù)方差分析的結(jié)果，可以確定得出以下結(jié)論：撞擊分離片的安裝角度α對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很顯著的影響，從安裝角度α的位級(jí)值可以看出，安裝角度α選取水平三即30°較好；長(zhǎng)度L和安裝角度α之間以及安裝角度α和間距P之間確實(shí)存在交互作用，且交互作用對(duì)飛灰捕集效果的影響要比單個(gè)因素間距P和長(zhǎng)度L明顯；根據(jù)上述分析結(jié)果，認(rèn)為最佳的組合安排為A1B3C1D2，與一般計(jì)算分析得出的結(jié)果相同。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述研究，按照某600 MW燃煤電站省煤器煙道的結(jié)構(gòu)，縮小比例搭建了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用電廠原灰作為實(shí)驗(yàn)物料，按照“自?；瘏^(qū)”理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)以上正交實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果為：按照方案7加裝隔艙和撞擊分離器后，省煤器灰斗對(duì)原灰的捕集率從8.55%提高到了19.55%，對(duì)>90 μm的飛灰捕集率從32.87%提高到了80.59%。

4 結(jié)論

本文采用正交實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)在省煤器灰斗內(nèi)部加裝隔艙和撞擊分離器來(lái)提高灰斗對(duì)>90 μm的飛灰顆粒捕集效率的方案進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下：

(1)采用加裝隔艙和撞擊分離器的方案能夠有效提升省煤器灰斗的飛灰捕集效率，對(duì)原灰的捕集效率約能提高2.29倍，對(duì)>90 μm的飛灰顆粒捕集效率約能提高2.45倍。

(2)采用正交實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬的分析結(jié)果，最優(yōu)的隔艙和撞擊分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：長(zhǎng)度L選0.08Lk，角度α選30°，間距P選0.10Lk，距離D選0.15Lk。

(3)根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法的一般計(jì)算和方差分析可知，在4個(gè)因素中：角度α是對(duì)飛灰捕集效率影響顯著的因素，長(zhǎng)度L也起到了重要作用，這說(shuō)明了撞擊分離器是提高飛灰捕集效率的關(guān)鍵部件，能夠決定氣流在灰斗中的流向及流程。

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The Optimization Design of Economizer Hopper to Improve the Fly Ash Particle Capture Performance Based on Orthogonal Experiment

ZHANG Qian1， XU Wenliang2， YANG Xin2

(1.Shenhua Guohua(Beijing) Electric Power Research Institute Co. Ltd., Beijing 100016，China；2.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to study the trapping efficiency against the fly ash with its ash diameter bigger than 90 μm in the impact separator and compartment in the economizer hopper, the orthogonal test combined numerical simulation method was adapted to study the effects of different parameters combination. The experimental results show that scheme 7 can effectively improve the trapping efficiency against the fly ash of economizer hopper. The trapping efficiency of fly ash particle collection is improved by about 2.29 times, while the trapping efficiency of fly ash particle collection with its diameter bigger than 90 μm is increased by about 2.45 times. By means of orthogonal experiment and numerical simulation, the optimal combination of the structural parameters of the impact separator and compartment is A1B3C1D2. The angleαis a significant factor affecting the fly ash trapping efficiency, and the lengthLalso plays an important role. The findings above show that the key component to improve the trapping efficiency against fly ash is the impact separator, which can determine the flow direction and process in the hopper.

orthogonal experiment;economizer hopper; capture of fly ash

2017-08-29。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.008

X701

A

1672-0792(2017)12-0044-06

張千(1975 -)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娬疚廴疚锟刂啤?/p>