SCR脫硝分區噴氨取樣裝置模擬研究及優化

摘" 要：近年來，分區噴氨控制技術廣泛應用于燃煤電廠，但其可靠性往往依賴于其測量取樣系統的準確性。該文采用數值模擬方法（CFD）對某測量裝置取樣管進行模擬，提出結構優化方案，優化后實現取樣管內流量的均勻分布，最后分析不同取樣布置方式對均流取樣的影響。

關鍵詞：CFD;分區噴氨;流場優化;分區影響因子;取樣管

中圖分類號：TK39" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0068-04

Abstract： In recent years， the partitioned ammonia injection control technology has been widely applied in coal-fired power plants， but its reliability often depends on the accuracy of its measurement and sampling system. This article uses a numerical simulation method CFD to simulate the sampling tube of a measuring device， proposes a structural optimization scheme， and achieves uniform distribution of flow inside the sampling tube after optimization. Finally， the influence of different sampling arrangements on uniform flow sampling is analyzed.

Keywords： CFD; zoning ammonia injection; flow field optimization; zoning influence factor; sampling tube

選擇性催化還原（SCR） 煙氣脫硝技術以其運行可靠、脫硝效率高等優勢被廣泛應用于國內燃煤電廠，目前在運火電廠已經基本完成了SCR脫硝改造[1-3]。然而，實際運行中由于煙氣不均勻導致測量數據不具代表性，無法精準控制噴氨，從而噴氨過量引發氨逃逸率大、催化劑壽命損耗、空預器堵塞嚴重等一系列問題[4-5]。

目前大多數的SCR脫硝優化方式是對噴氨手動閥進行調節，以達到提高出口NOX均勻性的目的，但這種方式無法實現變工況時的自動控制。有學者以氨逃逸作為控制指標調整氨氮比，但該種控制方式難以保證出口NOX的均勻分布。在此基礎上，有學者提出采用離散取樣法對脫硝出口NOX濃度進行實時檢測，以保證脫硝出口NOX均勻性為前提，結合預測控制技術，對分區噴氨調門的開度進行控制，在滿足排放標準的同時保證出口NOX濃度場均勻性，降低氨逃逸[6-7]。這種方法的精確性非常依賴于SCR出口測量裝置的準確性，而測量裝置準確性又受限于取樣裝置的代表性。為了解決這個問題，本文采用CFD方法對煙道內取樣點進行模擬計算，得到取樣管不同開口直徑對應的流量和壓力變化規律，通過分析不同工況下的計算結果，選取最優的方法實現均流取樣。

1" CFD模型與方法

1.1" 數值模型及邊界條件

CFD（Computational Fluent Dynamics）是一種廣泛應用的計算流體動力學方法，在各行業中得到了廣泛的應用。本文針對某測量裝置取樣管建立了1∶1的計算機模擬模型，建立的模擬模型如圖1所示，模型網格主要采用六面體網格進行劃分，總網格數量約為24萬，并進行了網格無關性驗證。

模型采用壓力入口邊界條件，通過改變入口孔徑分析其對取樣流量的影響，調整各個入口孔徑實現均流取樣。

1.2" 數學模型

采用Ansysfluent進行模擬計算，綜合對流體性質的分析，模型適用性，擁有的計算資源以及計算模擬所需要的時間，最后選取標準的k-ε模型;將煙氣視為不可壓縮流體，可將標準k-ε進行簡化

1.3" 組分運輸模型

由于本次數值模擬的取樣裝置所抽取的介質為煙氣，需要考慮煙氣中包含SO2、O2、CO2等混合氣體，這就涉及考慮流動中物質的混合問題。因此就需采用FLUENT中模擬物質混合的物質輸運模型來模擬這一情況。

物質守恒的方程如式（3）所示

當流動為層流時

， （4）

當流動為湍流時

式中：Ri為化學反應的凈生成速率;Si為源項導致的額外生成速率;Ji為物質i的擴散通量;Di，m為第i種物質的擴散系數;Sct為湍流施密特數，默認為0.7。

2" 計算結果

2.1" 初始工況

圖2是初始模型下取樣裝置煙氣壓力跡線圖，如圖選定入口后Face1—4四個面作為壓力監測面，不同入口流量分布和各個面壓力見表1和表2，越是遠離出口，管內流體壓力越小，壓差越大，其流量也就越大，為了實現均流取樣，縮小大流量入口的孔徑，增大其流動阻力。

2.2" 取樣管結構優化

通過改變取樣管入口孔徑改變不同入口煙氣取樣流量，模擬結果見表3。

可以看出，哪怕是孔徑微小的改變，也可能引起較大的流量偏差，當入口孔徑分別為60、43、30和25 mm時，取樣管流量分配最為均勻，此時管內煙氣流動壓力跡線如圖3所示，各檢測面壓力見表4。

2.3" 取樣方式優化

本節選取反應器最下層催化劑下1 m處作為取樣截面，研究了不同方向的取樣管布置對均流取樣的影響。

2.3.1" 方式一：取樣孔在煙道前墻

將2.2節中優化孔徑后的取樣管布置在前墻處，如圖4所示，對其在實際煙道中的取樣狀況進行了模擬，對應的流量分布見表5。因此原本在均勻壓力入口條件下可實現均流取樣的取樣管在實際煙道中各入口出現了明顯的流量偏差，單純地對取樣管結構進行優化難以實現實際工況中的均流取樣。

2.3.2" 方式二：取樣孔在煙道外側

將2.2節中優化孔徑后的取樣管布置在煙道外側處，如圖5所示，對其在實際煙道中的取樣狀況進行了模擬，對應的流量分布和檢測面壓力見表6。4個入口進入的煙氣流量分布相對于取樣方式一更為均勻。

取樣管所在煙道截面整體壓力分布如圖6所示，不同取樣方式各個入口對應的壓力明顯不同，取樣方式一各個入口之間的壓力梯度明顯大于取樣方式二，見表7。壓力梯度的出現是取樣方式一遠遠偏離均流取樣的根本原因，因此在選取取樣截面和布置方式時，應根據實際煙道流場模擬分布進行判斷。

3" 結論

本文對不同開口直徑對應的取樣管進行了流場模擬，提出了優化方案，并從實際情況出發對取樣管在煙道的布置方式進行了研究，得到以下結論。

1）原有取樣裝置設計不合理，取樣流量偏差大，對不同入口孔徑進行了優化，當開口孔徑分別為60、43、30和25 mm時，取樣管流量分配最為均勻。

2）單純地對取樣管結構進行優化難以實現實際工況中的均流取樣，對不同的取樣管布置方式進行了模擬，取樣管入口壓力梯度小的布置方式更容易實現均流取樣。

參考文獻：

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[2] 田林林.基于流場優化與等流量取樣的脫硝煙氣測量設計與應用[D].濟南：山東大學，2019.

[3] 秦天牧，林道鴻，楊婷婷，等.SCR煙氣脫硝系統動態建模方法比較[J].中國電機工程學報，2017，37（10）：2913-2919.

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[6] 劉慶，邵旻，盧偉，等.脫硝噴氨精準控制技術研究[J].中國儀器儀表，2020（6）：74-78.

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第一作者簡介：周志剛（1984-），男，工程師。研究方向為電力生產技術管理。