分布式能源燃氣內(nèi)燃機排煙NOx 擴散模擬優(yōu)化

趙大周 阮慧鋒 王明祥 徐瑋 葉飛

（1 華電電力科學研究院有限公司 浙江杭州 310030 2 浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術重點實驗室 浙江杭州 310030 3 廣州大學城華電新能源有限公司 廣東廣州 511400）

樓宇型分布式是分布式能源系統(tǒng)的主要形式之一，布置于人群密集的城市中解決周邊樓宇冷、熱、電等負荷需求。天然氣內(nèi)燃機因具有體積小、啟停迅速、余熱利用率高等優(yōu)點被廣泛用作樓宇型分布式的原動機，然而天然氣內(nèi)燃機煙氣排放對周邊環(huán)境造成的影響不可忽視。目前北京市已發(fā)布相關標準，對其排放中的污染物進行限制。

數(shù)值模擬作為一種高效、便捷的技術手段越來越多的應用于工程優(yōu)化設計中。目前多數(shù)學者利用數(shù)值模擬針對城市移動源的污染物擴散進行了研究：戰(zhàn)乃巖等［1］以城市道路某段典型的街道峽谷為研究對象，研究了不同風向下空氣流動狀態(tài)及污染物CO 濃度的分布規(guī)律。楊志斌等［2］采用SST k-ω 湍流模型研究了城市復雜地形下大氣污染問題，模擬結(jié)果得到了實驗的驗證。張瑩等［3］采用天氣預報提供初始條件驅(qū)動Fluent的模式研究了城市街區(qū)流場和污染物擴散，模型有較好的準確率。翁佳烽等［4］利用三維微尺度氣象模擬軟件模擬研究了典型氣象條件下，來流與街區(qū)平行及垂直時污染物CO 的分布規(guī)律，模擬結(jié)果為小區(qū)布局提供一定的參考。劉紅姣等［5］采用CFD 數(shù)值模擬方法研究了斜屋頂建筑在不同風速及不同開窗率的條件下污染物的濃度分布，模擬發(fā)現(xiàn)提高風速及增大開窗率有利于污染物的移除。劉治廷等［6］研究了機動車嵌入對城市街谷的環(huán)境影響，模擬研究了不同風速下街谷內(nèi)流場及污染物的分布。

上述研究大多針對機動車等移動源污染物的數(shù)值模擬，且污染物大多研究CO 的擴散。本文借助商業(yè)流體力學計算軟件FLUENT，研究了國內(nèi)某商務區(qū)分布式能源站固定式天然氣內(nèi)燃機排氣中污染物NOx 的擴散規(guī)律，并提出了優(yōu)化改造方案，為同類型天然氣內(nèi)燃機排煙污染物擴散提供一定參考。

1 模型的建立

1.1 研究對象簡介

研究對象為國內(nèi)某商務區(qū)，商務區(qū)建筑主要包含辦公樓、創(chuàng)意工坊、藝術家工作室、藝術商鋪、酒店、交易中心、餐廳、劇場以及商業(yè)中心幾個區(qū)域。占地面積近20 萬m2，規(guī)劃建筑面積31 萬m2，容積率1.6，綠化率40%。具體的建筑信息見表1，具體布局見圖1。

表1 建筑信息

圖1 研究對象

目前商務區(qū)由分布式能源系統(tǒng)供能，系統(tǒng)配置2 臺3.83 MW 顏巴赫燃氣內(nèi)燃機，同時搭配2 臺制冷量為3.93 MW 的煙氣熱水型溴化鋰機組，離心式冷水機組及燃氣鍋爐承擔調(diào)峰。系統(tǒng)布置于辦公樓D 地下二層。2 臺內(nèi)燃機共用1 根排煙煙囪，煙囪布置于辦公樓D 樓樓頂，煙囪截面尺寸為1m×1 m的矩形煙道，總高3 m。

1.2 物理模型

幾何模型采用三維繪圖軟件SolidWorks 進行全尺寸建模，流體域尺寸為1 000 m×2 000 m×150 m 以保證空氣流體邊界對商務區(qū)建筑群不造成明顯影響。模型建立后導入ANASYS WORKBENCH 進行網(wǎng)格劃分，規(guī)則的幾何體采用規(guī)則的六面體或楔形網(wǎng)格，建筑群表面設置邊界層并做局部加密處理，模型的總網(wǎng)格數(shù)約1000 萬。

1.3 數(shù)學模型

煙氣為湍流流動，控制方程包括能量方程、連續(xù)性方程、動量方程、標準k-ε 方程，其通用形式可表示為：

式中：ρ 為煙氣密度，kg/m3；u 為煙氣流速，m/s；φ 為通用變量；為廣義擴散系數(shù)；S 為廣義源項。

2 模擬條件及模型假設

在距離地面高度100 m 以內(nèi)的表面層中，風剖面可采用普朗特對數(shù)分布或指數(shù)分布表示，其中指數(shù)分布因計算風速較簡單，被多數(shù)國家采用，我國建筑規(guī)范采用的指數(shù)分布可表示為：

式中：UZ為高度為Z 處的風速，m/s；U0為高度10 m 處天氣預測風速，m/s；Z0為氣象站觀測高度，一般取10 m，入口速度通過UDF 編程實現(xiàn)。

夏季主導SSE 風向?qū)ι虅諈^(qū)的影響最大，因此本文僅對該風向的影響進行模擬研究，入口速度分布示意圖見圖2。

圖2 入口速度分布示意圖

實驗測得2 臺內(nèi)燃機滿負荷條件下煙氣排放數(shù)據(jù)見表2。

表2 內(nèi)燃機排放數(shù)據(jù)

模型忽略地面移動源NOx 的排放，不考慮用戶開窗對污染物擴散造成的影響，不考慮樓頂冷卻塔等散熱對擴散的影響。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度及污染物濃度分布

當室外空氣流過辦公樓D 時，在建筑物的頂部和后側(cè)產(chǎn)生彎曲的循環(huán)氣流，屋頂上部的渦流區(qū)稱為回流空腔，建筑物背風面的渦流區(qū)稱為回旋氣流區(qū)。這兩個區(qū)域的靜壓均低于大氣壓力，形成負壓區(qū)，成為空氣動力陰影區(qū)，如圖3 所示。

圖3 空氣動力陰影區(qū)

文獻［7］給出了空氣動力陰影區(qū)的影響高度Hk 計算公式：

式中：A 為建筑迎風面的面積，m2。本文模擬得到動力陰影區(qū)的影響高度約9.7 m，與公式計算得到的11.6 m 較吻合，說明了模型的有效性。空氣動力陰影區(qū)對煙氣擴散的影響見圖4。

圖4 NOx 摩爾分數(shù)分布

由圖4 可看出，當煙囪處于該動力陰影區(qū)的影響范圍之內(nèi)，受其影響煙氣中污染物富集于屋頂及近樓層壁面附近，不能有效的排出。為進一步了解污染物分布規(guī)律，選取典型的10 m、30 m 處2 個位置高度進行研究，分別見圖5 及圖6。

圖5 10 m 位置NOx 摩爾分數(shù)分布

由圖5 可看出，10 m 位置建筑密度相對較高，空氣經(jīng)過建筑群發(fā)生繞流動，建筑群范圍內(nèi)空氣流速整體較低。污染物NOx 主要富集于風向下游200 m 范圍內(nèi)，局部最大污染物NOx 摩爾分數(shù)為7×10-8，10 m 位置NOx 總體濃度較低。由于空氣速度較低，不利于污染物的擴散，因此污染物影響范圍較廣。

由圖6 可看出，30 m 位置建筑密度降低，NOx 主要富集于辦公樓D 的背風側(cè)區(qū)域，NOx 局部最大摩爾分數(shù)為4×10-7，同時影響到風向下游的辦公樓B，NOx 局部最大摩爾分數(shù)為5×10-8，污染物NOx 呈現(xiàn)連續(xù)線狀分布。

圖6 30 m 位置NOx 摩爾分數(shù)分布

隨著建筑高度的進一步提升，50 m 位置建筑密度明顯降低，污染物對辦公樓D 的影響進一步降低，僅對下游辦公樓B略有影響，NOx 摩爾分數(shù)約3×10-8。

3.2 提升煙囪布置高度后污染物濃度分布

上文的模擬結(jié)果顯示，排煙受空氣動力陰影區(qū)的影響，不利于其擴散，對商務區(qū)造成影響。為擺脫空氣動力陰影區(qū)的影響，本文在原基礎的條件下，將煙囪高度提升至12 m 進行模擬研究，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 模型的網(wǎng)格劃分

由圖7 可看出，當煙囪高度提升至12 m 后，煙氣將不受空氣動力陰影區(qū)的影響，對商務區(qū)層高50 m 以下的建筑幾乎無影響。

5 結(jié)語

本文建立了國內(nèi)某商務區(qū)分布式能源站燃氣內(nèi)燃機排煙污染物NOx 擴散的三維數(shù)值模型，模擬研究了夏季SSE 風向條件下煙氣中NOx 摩爾分數(shù)的分布規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）受空氣動力陰影區(qū)影響，NOx 富集于辦公樓區(qū)30 m～55 m 以及樓頂位置，NOx 局部摩爾分數(shù)達1×10-6，污染物易富集于背風側(cè)的低速區(qū)，影響風向下游處的建筑。

（2）提升煙囪高度至12 m，排煙將不受空氣動力陰影區(qū)的影響，有效降低高度50 m 以下NOx 的濃度，排煙僅對風向下游辦公樓B 層高40 m 以上的建筑有輕微影響。