基于響應面法的電除塵器導流板優化布置

熊遠南，周曉湘，汪永威，呂小林，于偉靜，丁朋果，王 強，王 澤

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基于響應面法的電除塵器導流板優化布置

熊遠南1，周曉湘1，汪永威1，呂小林1，于偉靜1，丁朋果1，王 強1，王 澤2

（1.中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中電力試驗研究院，河南 鄭州 450000； 2.中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190）

本文以某電廠2×300 MW機組配套的電除塵器為原型，運用計算流體動力學（CFD）軟件對電除塵器進口煙箱內部的氣流分布進行數值模擬研究，現場測試結果驗證了數值模擬的準確性和可靠性；采用3因素3水平的Box-Behnken Design試驗設計，對不同導流板布置下的進口煙箱進行數值模擬研究，并基于響應面法深入探討了導流板角度、安裝塊數和位置對氣流分布均勻性的影響。結合響應面優化分析，確定了電除塵器豎井煙道中導流板最優設計方案：在電除塵器入口豎井煙道頂部Y方向0.9 m處安裝2塊圓心角為60°的弧形導流板，可使監測截面處兩室流量偏差程度δ值由原來的±13.6%降低至±2.12%，且速度相對均方根?值接近0.16，滿足設計要求。

電除塵器；數值模擬；響應面法；Box-Behnken Design；導流板；氣流均勻性

近年來，我國霧霾天氣頻發，細微顆粒物排放已成為大氣污染的主要來源，不僅影響大氣質量和能見度，還易被人體吸入肺部，嚴重危害身體健 康[1-3]。電除塵器作為煙塵凈化的有效設備，憑借其煙氣處理量大、運行穩定、除塵效率高以及維護方便等優勢[4-5]，廣泛應用于電力、冶金、建材和化工等眾多工業領域。據中國電力企業聯合會統計，截止2017年底，我國火力發電機組配備電除塵器的數量占到總裝機的68%左右。目前，我國標準對于電力企業粉塵排放的要求也日趨嚴格，最新發布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）規定所有的燃煤機組煙塵排放質量濃度要求控制在30 mg/m3以下[6]。同時，對PM2.5細顆粒物、重金屬等排放的監控也已經啟動，這無疑對電除塵器的設計、安裝、運行提出了更高的要求。因此，如何有效提高電除塵器的效率和經濟性是當前研究的熱點。

電除塵器內部氣流分布是影響其性能的關鍵因素，一般而言電除塵器煙道內流場的均勻性越好，雙室流量分配越均衡，除塵效率就會越高[7-8]。通?？赏ㄟ^優化電除塵煙道結構和布置導流板的方式來調整煙道流量分配[9-10]，從而既改善了煙氣流的運動狀況，又減輕了煙塵顆粒在煙道內的局部沉積和沖擊磨損程度，同時還降低了電除塵器系統的運行阻力。

目前，對電除塵器煙道流場的優化研究主要是通過物模試驗和計算流體動力學（CFD）數值模擬的方法[11-13]。由于燃煤電廠煙氣在電除塵器內的流動一般為復雜的氣固多相流[14]，且難以精準測試氣相流場以及顆粒運動特性，如果直接進行物模試驗，勢必會耗費大量的時間和成本。與物模試驗相比，數值模擬具有許多獨特的優點，如成本低、周期短、能夠準確獲得研究對象在實際工況下的各種運行參數。此外，響應面法（Response surface methodology，RSM）是一種基于試驗設計、模型建立和結果檢驗等多種手段的組合，尋求最佳設計且條件尋優較為合理的方法，一般適合于多變量復雜體系的優化分析。RSM通過對試驗數據的模型擬合、回歸分析和響應曲面的繪制，不僅可以評價各因素變量對響應結果影響的顯著性，而且能夠有效預測最佳設計條件和響應最優值[15]。Box-Behnken Design簡稱BBD設計法是RSM分析中最常用的設計方法，可在大幅減少試驗次數的同時達到優化要求，廣泛應用于化工、食品和醫藥領域[16-18]。因此，本文將響應面法應用于電除塵器煙道流場優化的數值模擬研究中，結合RSM分析結果確定豎井煙道中導流板最佳布置方式，實現了電除塵系統結構的優化，解決了電除塵器兩室流量分配和氣流分布不均問題。

1 建立模型

某電廠2×300 MW機組，鍋爐蒸汽流量為 1 025.0 t/h，其尾部配套2臺雙室臥式5電場電除塵器。由于2臺除塵器的結構對稱，處理氣量基本相等，因此僅以1臺電除塵器作為研究對象。圖1為2×300 MW機組配套電除塵器三維幾何模型。由圖1可見，燃煤鍋爐產生的原煙氣直接從空氣預熱器出口經由豎井煙道轉彎分流后穿過A/B兩側水平煙道，經由2個進口喇叭分配到電除塵器A/B兩室本體內，除塵后的凈煙氣再通過出口喇叭的2個水平煙道引出并入到1個垂直出口煙箱。

圖1 2×300 MW機組配套電除塵器三維幾何模型

由于受到空間布局限制，單臺電除塵器的2個進口喇叭結構不對稱，存在兩室流量偏差較大，除塵效率不達標的現象，因此需對電除塵器豎井煙道內的導流板進行優化布置。

1.1 模型與網格劃分

采用ICEM 15.0軟件，按照 1:1的比例建立電除塵器幾何模型。按照流通面積不變的原則，對除塵器2個喇叭口的多孔均布板進行了簡化，3層均布板的開孔率分別為45%、50%和60%。由于含塵煙氣只在電除塵器進口煙箱進行流量分配，因此為了節省計算資源和時間，本文只對除塵器的進口煙箱部分進行數值計算。電除塵器原結構入口豎井煙道模型及網格劃分如圖2所示。由圖2可見，原進口煙箱模型中主要包括入口豎井煙道、A/B兩室入口煙道以及喇叭口，在豎井煙道頂部中間安裝了 2塊弧形導流板，A室進口圓弧段煙道處布置了 4塊立式弧形導流板，B室進口煙道布置了2塊 折線型導流板。豎井煙道模型尺寸為 7 600 mm× 8 000 mm×2 000 mm，A室的進口煙道包括直角段和圓弧段2部分，其中直角段煙道尺寸為3 180 mm× 3 600 mm×3 200 mm，圓弧段煙道的弧度為90°，半徑為4 146 mm；B室進口煙道均為矩形煙道，其尺寸為7 280 mm×3 600 mm×3 200 mm。

考慮到電除塵器進口煙箱結構的復雜性，本文采用非結構化網格方式對模型進行網格劃分，同時對關鍵部分（導流板和多孔均布板）的網格進行局部加密。通過比較不同網格數量下進口煙箱的阻力壓降，以考察網格密度變化對計算結果的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，當網格數大于750萬時，阻力壓降基本不發生變化，且與現場測試的阻力壓降值（212 Pa）較為接近。因此，在節省計算資源的前提下，網格總數約為750萬，可滿足計算精度要求。

圖3 網格無關性驗證

1.2 模型假設與邊界條件

電除塵器進口煙箱內的煙氣流動為復雜的三維湍流，為了比較不同時間點的運動狀況，采用瞬態模擬跟蹤。根據現場測試結果，煙道入口的煙氣平均流速為16.5 m/s，煙塵的平均質量流率為 8.33 kg/s，顆粒相的體積分數約2.57%，故考慮采用DPM模型對煙塵顆粒在電除塵器內部的運動軌跡進行了數值仿真[19-20]。

模型假設：1）電除塵器進口煙箱內煙氣煙氣流動不可壓縮，不考慮傳熱問題，且黏度較??；2）煙塵顆粒為質點，可忽略質量，顆粒隨煙氣運動過程中不發生凝并和生長；3）在不影響整體流場的前提下，為簡化計算，建模時不考慮電除塵器的內部構件。因此，電除塵器進口煙箱的含塵煙氣流動過程可簡化為不可壓縮、瞬態、等溫的氣固兩相湍流；計算時采用標準的-模型來求解湍流問 題[21]，粉塵顆粒的運動采用隨機軌道模型，同時考慮氣相與顆粒之間的耦合作用。

邊界條件設置：入口為速度入口，顆粒相噴射采用Surface方式從入口面直接噴入，設定顆粒入口速度和煙氣相同；出口為壓力出口，顆粒相特性為逃逸；入口與出口湍流強度、水力直徑根據實際工況和參數設置；導流板、多孔板和墻壁采用固體壁面邊界條件，采用無滑移壁面條件，壁面邊界層采用壁面函數法處理，顆粒相特性為反射。

控制方程包括連續性方程、動量方程、方程和方程，為了提高計算精度，模擬方法采用SIMPLE算法，對流項差分格式采用二階迎風格式。在Fluent軟件的圖形窗口中監視各計算變量殘差的變化，以檢查計算的收斂性和終止條件。

1.3 評價標準

為直觀描述不同工況時電除塵器A/B兩室喇叭進出口氣流的均布性，本文采用了速度相對均方根值對其進行評價。代表監測截面各測點氣流速度與平均速度的離散程度，值越大表示煙道內的氣流分布均勻性越差。根據《電除塵器》（DL/T 514—2017）的判定標準：≤0.25為合格，≤0.10為優，計算公式為

一般電除塵器兩室設計流量偏差小于±5%，本文采用以下公式來計算電除塵器兩室氣流偏差程度值，以此分析評價導流板的均流效果。

式中：值為A/B兩室流量偏差程度，%；A、B為煙氣經過除塵器A/B兩室的質量流率，kg/s。

2 模型驗證及初步優化

2.1 模型驗證及數值分析

該電除塵器每個進口矩形煙道高度和寬度方向尺寸均為3 600 mm×3 200 mm，試驗在監測截面頂部（方向）方向上開設4個測孔，在每個測孔垂直方向（方向）分布16個側點，即每個進口煙道總共64個測點。在機組接近100%負荷且穩定工況下，采用3012H型自動煙塵測試儀及配套的S型皮托管在電除塵器的A/B 2個進口煙道監測截面處，利用網格法順序實際測量出每點的煙氣流速。本次流場模擬研究采用Fluent 15.0商業軟件，對電除塵器進口煙箱的煙道流場進行數值計算，且對比了A/B兩室進口煙道監測截面處各測點煙氣速度的現場測試和數值模擬結果，對比結果如圖4及表1所示。由圖4可以看出：現場測試和數值模擬結果均顯示位于監測截面中心位置=±1.8 m測點的煙氣流速最低，越靠近截面兩端流速越大；整體上數值模擬所得監測截面處煙氣速度分布曲線與現場實測結果保持一致，說明數值模擬煙道內流場分布的結果可靠。由表1數據可知：A/B兩室監測截面煙氣平均流速、速度相對均方根值以及煙塵質量濃度的現場測試和數值模擬結果較為接近，進一步說明數值模擬能夠準確反映電除塵器的實際運行情況；現場測試數據和數值模擬結果的相對誤差≤6%，在誤差允許內，可滿足工程計算精度要求。

圖4 監測截面各測點煙氣速度數值模擬與現場測試結果對比

表1 電除塵器A/B側截面現場試驗和數值模擬結果對比

Tab.1 Comparison between the numerical simulation and field test results of monitoring cross-section of the ESP at A and B side

圖5顯示了進口煙箱A/B監測截面煙氣速度和煙塵顆粒的質量濃度分布。由圖5可見，A/B兩室監測截面的值均大于0.25，電除塵器煙道內部氣流向B室嚴重偏流。現場測試和數值模擬結果均顯示原電除塵器煙道流場分布均勻性較差。

圖5 監測截面煙氣速度分布和煙塵顆粒分布

2.2 導流板初步優化

原電除塵器進口煙箱結構不對稱，且豎井煙道中導流板布置方式不當，導致A/B兩室煙氣偏流現象較為嚴重，速度分布極不均勻。為此，本文對豎井煙道的初步改造方案如下：1）拆除豎井煙道頂部原有的2片磨損嚴重的舊弧形導流板；2）在豎井煙道中間頂部橫梁加裝1塊角度90°，半徑為 3 600 mm，厚度為50 mm的弧形導流板，本文稱優化設計0方案。

表2 電除塵器豎井煙道導流板優化前后A/B側數值模擬結果對比

Tab.2 Numerical simulation results of cross-section of the ESP at A/B side before and after the optimization

3 響應面分析及優化

3.1 導流板BBD設計

為了進一步提高電除塵器內部氣流分布的均勻性，可加裝弧形導流板從而控制煙氣流入方向，緩解煙道內流場的大渦旋現象。為了快速且有效地確定豎井煙道中弧形導流板的最佳設計方案，本文采用Design Expert軟件對電除塵器入口豎井煙道弧形導流板布置進行BBD試驗設計，其總體布置方案如圖7所示。

圖7 電除塵器豎井煙道弧形導流板總體布置方案

BBD試驗選取影響電除塵器內部氣流分布均流效果的3種關鍵因素，且每種因素選取3個水平，其中–1、0和1分別對應自變量中的低、中和高水平。對每組模型進行數值模擬，獲取電除塵器進口煙箱的流場分布情況。表3為電除塵器豎井煙道弧形導流板設計因素及水平。

表3 電除塵器豎井煙道弧形導流板BBD試驗設計因素及水平

Tab.3 The design factors and levels of the arc guide plates in shaft flue of the ESP

3.2 優化結果

BBD試驗以弧形導流板的安裝角度（）、安裝塊數（）和方向安裝位置（）為自變量，以兩室流量偏差程度值和速度均方根值這2個關鍵指標作為響應值。整個模擬試驗過程包括12次析因部分試驗，3次中心點重復試驗，用以估計試驗誤差。析因點為自變量取值在角度、塊數和位置中任何一個高值或者低值的設計點，而零點為整個設計區域的中心點。通過RSM優化分析，整理得到的不同優化設計方案的數值模擬結果見表4。由 表4可以看出，第1、第8和第15組試驗設計應該為豎井煙道中弧形導流板布置的最佳方式，采用這種設計能夠將值由±13.6%降低至±2.12%左右，值僅約為0.161，有效地改善了煙道內部流場的均勻性，而均勻的煙氣流場可實現良好的流態化，加強了兩室煙氣流動的平衡性。

表4 電除塵器豎井煙道弧形導流板BBD試驗設計及響應值

Tab.4 The BBD test designs and response values of the arc guide plates in shaft flue of the ESP

圖8為各因素及其交互作用對和的響應曲面。由圖8可知：當弧形導流板角度為60°時可以有效降地低電除塵器兩室偏流程度，相比其他弧形導流板角度能獲得更好的氣流分布均勻性；在一定條件下，調整弧形導流板的安裝位置也可以優化氣流分布，當安裝位置=0.9 m時，均流效果更佳；和值隨著弧形導流板安裝數量的增加而逐漸降低至趨于穩定。這主要是由于煙道結構本身布置不合理，當在豎井煙道中安裝1片弧形導流板時，能夠改善除塵器進口煙氣的流量分配，但還不足以消除內部強烈的旋流現象；當加裝2片弧形導流板后，旋流基本可以消除，氣流分布更加均勻，同時A、B兩室進口阻力更加接近，平衡了兩室流量分配，顆粒相在除塵器內的流動也更均勻；當設置3塊弧形導流板時，流量分配和流場均勻性的改善程度并不大，因此弧形導流板的安裝塊數并不是越多越好，需合理布置。

圖8 各因素及其交互作用對d 和s 的響應曲面

3.3 模型擬合分析

表5為二次擬合模型參數。

表5 二次擬合模型參數

Tab.5 Parameters of the quadratic fitting model

由表5可知：二次擬合模型的校正決定系數基本接近于1，表示幾乎100%的變異可用模型解釋；預測決定系數分別為0.933 3和0.991 5，均表示該模型符合實際情況；調整決定系數分別為0.987 4和0.998 4，越接近于1，越說明該模型對試驗設計的響應值的估計較為正確；預測決定系數值與調整決定系數值非常接近，可認為響應面方程不需要繼續優化；和與各因素之間二次擬合模型的信噪比分別為30.825和75.879，這也說明了該響應面預測模型精度較高，能夠實現可靠預測。

兩室流量偏差程度與各因素、和之間的二次擬合模型方程如下：

監測截面的速度均方根值與各因素、和之間的二次擬合模型方程如下：

上述方程定量地描述了響應值和與各因素、和之間的關系，可實現弧形導流板的精準化設計，能夠指弧形導電除塵器進口煙道的流場均勻性優化設計。

3.4 弧形導流板最佳設計方案

RSM分析得到的優化結果僅為預測結果，因此為了檢驗響應面優化方法的可行性還需通過重復模擬加以驗證。如果在最佳設計條件下，模擬結果與優化結果一致，則表明RSM優化是有效的。根據響應面及數值分析，得到的豎井煙道弧形導流板最佳設計方案見表6。

表6 弧形導流板最佳設計下響應面預測值和模擬驗證結果

Tab.6 The predicted values of response surface and the verification results of numerical simulation under the optimum arc guide plate design conditions

綜合比較上述3組試驗設計，電除塵器豎井煙道弧形導流板的最佳布置方式是在=0.9 m處安裝2塊角度60°的弧形導流板，和最優值分別能夠達到2.12%和0.163左右。

4 結 語

通過對比電除塵器監測截面流場分布的現場測試和數值模擬結果，充分說明了CFD數值模擬電除塵器內部流場是可靠的，可用來優化調整電除塵器煙道氣流分布的均勻性。本文采用響應面法和BBD試驗設計對電除塵器煙道流場進行數值模擬研究，全面且有效地分析導流板各設計參數對其均流效果的影響程度，快速地確定了導流板最佳設計方案。根據不同設計參數下的數值模擬結果，結合響應面分析擬合得到了在100%負荷工況下響應值和與導流板角度、安裝塊數和位置的二次擬合模型，為實際電除塵器煙道結構的優化設計提供依據，具有重要的工程應用價值。

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Optimization of arrangement of turning vanes in electrostatic precipitator based on response surface methodology

XIONG Yuannan1, ZHOU Xiaoxiang1, WANG Yongwei1, LYU Xiaolin1, YU Weijing1, DING Pengguo1, WANG Qiang1, WANG Ze2

(1. Datang Central-China Electric Power Test Research Institute, Zhengzhou 450000, Zhengzhou, China; 2. State Key Laboratory of Multi-phase Complex Systems, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The gas flow distribution in the electrostatic precipitator (ESP) ducts of a 2×300 MW unit was numerically simulated with computational fluid dynamics (CFD) software, and the accuracy and reliability of the numerical simulation on flue gas distribution was verified by field test results. A three-level, three-variable Box-Benkhen design combined with response surface methodology was employed to determine the optimal vanes design of the inlet shaft flue of the ESP. The numerical simulation of inlet smokebox unit under different settings of the turning vanes was carried out. Subsequently, on the basis of response surface method, the effect of guide plate angles, setting potion and numbers of turning vanes on the uniformity of airflow distribution was deeply discussed. The results showed that better airflow distribution uniformity could be achieved by optimizing the arrangement of guide plates in ESP inlet dust at the following designs: central angle=60°, setting potion Y=0.9 m, installed numbers=2. In this case, the relative difference in the gas flux in different pipelines δ could be decreased from ±13.6% to ±2.12%, and the root mean square values σ of the flue gas velocity distribution in the monitoring cross-section was reduced up to about 0.16, which meets the optimum design demand.

electrostatic precipitator, numerical simulation, response surface methodology, Box-Benkhen design, guide plate, airflow distribution uniformity

National Key Research and Development Program (2018YFB0605000)

X511

A

10.19666/j.rlfd.201809163

熊遠南, 周曉湘, 汪永威, 等. 基于響應面法的電除塵器導流板優化布置[J]. 熱力發電, 2019, 48(3): 87-95. XIONG Yuannan, ZHOU Xiaoxiang, WANG Yongwei, et al. Optimization of arrangement of turning vanes in electrostatic precipitator based on response surface methodology[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 87-95.

2018-09-27

國家重點研發計劃項目(2018YFB0605000)

熊遠南(1992—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為大氣污染控制及工業水處理技術，xyn07915060@163.com。

（責任編輯 楊嘉蕾）