一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法

摘要

一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，采用风洞物理模拟获取烟囱高度：将冷却塔模型和烟囱模型置于风洞中，在不同的环境风速、烟囱高度的条件下，采用释放示踪烟雾的方法，观察并记录烟气在冷却塔内的抬升、扩散和排放情况，定性地确定最佳烟囱高度；用粒子图像速度场仪测量塔内气流及烟气的速度分布，定量地获得不同条件下不同高度烟囱的排烟状况，该方法能够在在不同的环境风速、烟囱高度的条件以及不同工况下，定性地确定最佳烟囱高度，定量地获得不同条件下不同高度烟囱的排烟状况，其步骤简单，操作快捷，实验过程直观，能准确的获取到烟囱的最佳高度。

权利要求

1.一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，其特征在于，采用风洞物理模拟获取烟囱高度：将冷却塔模型和烟囱模型置于风洞中，在不同的环境风速和不同的烟囱高度的条件下，采用释放白色烟雾的方法，观察并记录烟气在冷却塔内的抬升、扩散和排放情况，定性地确定最佳烟囱高度；用粒子图像速度场仪测量塔内气流及烟气的速度分布，定量地获得不同条件下不同高度烟囱的排烟状况；

其中，模拟实验在以下四种工况下进行：1)冬季供热，一台机组运行，不掺混空气；2)冬季供热，一台机组运行，掺混空气；3)冬季供热，二台机组运行，不掺混空气；4)冬季供热，二台机组运行，掺混空气；

其中，风洞实验参数的确定如下：

根据烟羽抬升和扩散的理论，在欧拉坐标系中，系综平均的烟羽抬升高度和污染物浓度C(x，y，z)可以表示成下式：h(x)＝f1(x，hs，d，u，w，ρs，ρa，v，g)C(x，y，z)＝f2(Q，x，y，z，hs，d，u，w，ρs，ρa，v，g)式中：Q—源排放率；α—烟气中含污染物的百分率；d—烟囱出口内径；hs—烟囱高度；

u—烟羽厚度上的平均风速；w—烟流排放风速；ρa、ρs—空气和烟流密度；v—烟流运动粘度，假定与空气运动粘度相同；g—重力加风速；经转化得：采用完全相似的相似准则确定风洞物理模拟的实验参数：

1)由几何相似确定空冷塔模型和烟囱模型的几何尺寸；

2)按如下公式，根据原型流动的升速确定模型烟气出口升速和空冷塔内气流升速，

3)按如下公式，根据速度比相等确定模拟试验的水平风速，

4)按如下公式，根据密度比相等计算模拟烟气气体密度、烟气加热的温度以及冷烟气的流量，下标m表示模拟参数，下标p表示原型流动。

2.根据权利要求1所述的一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，其特征在于：所述冷却塔模型为由透明材料制成。

说明书

一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法

技术领域

[0001] 本发明涉及火电厂排烟技术领域，具体为一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法。

背景技术

[0002] 烟塔合一技术，即取消火电厂中的烟囱，将脱硫后的烟气送入自然通风冷却塔与冷却塔气流一起排入大气中。烟塔合一技术利用冷却塔巨大的湿热空气上升气流对脱硫后的净烟气形成包裹和抬升，从而促进烟气中污染物的扩散。采用该技术可以省略火电厂湿法烟气脱硫系统的再热器和烟囱，大大简化了火电厂的烟气系统，减少了设备投资。

[0003] 烟塔合一技术于20世纪70年代起源于德国，目前其已发展成了一项相当成熟的技术。随着我国烟气脱硫技术的广泛应用，烟塔合一技术也逐渐引起了广泛关注。2006年12月国内第一个应用烟塔合一技术的工程投运，至今，已有数十台机组采用了烟塔合一排烟技术。

[0004] 湿法脱硫后的净烟气仍含有一定量的SO2、SO3、NOx、HF、HCl等有害气体，含有有害气体的净烟气会在冷却塔塔壁上凝聚，对冷却塔内壁产生强烈的酸腐蚀。所以，如何设置冷却塔的排烟烟囱，是烟塔技术应用中需要重点考虑的问题。

[0005] 排烟方式拟采用两机合用一座空冷塔的烟塔合一时，2台机组各用一只烟囱排烟。由于采暖季节，热能中的大部分要对外供热，而且最严酷的工况下，可能只有一台机组运行。这时，空冷塔内的气流速度很低，按通常的烟囱高度设计，可能会造成烟气在空冷塔内长时间滞留，从而带来烟气对空冷塔内壁的腐蚀问题。为了防止在最不利工况和环境条件下出现这种情况，需要一种可靠的获取间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的方法。

[0006] 基于此，本发明设计了具体为一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，以解决上述问题。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，该方法步骤简单，操作快捷，实验过程直观，能准确的获取到烟囱的最佳高度。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0009] 一种间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，采用风洞物理模拟获取烟囱高度：将冷却塔模型和烟囱模型置于风洞中，在不同的环境风速、烟囱高度的条件下，采用释放示踪烟雾的方法，观察并记录烟气在冷却塔内的抬升、扩散和排放情况，定性地确定最佳烟囱高度；用粒子图像速度场仪测量塔内气流及烟气的速度分布，定量地获得不同条件下不同高度烟囱的排烟状况。

[0010] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，采用完全相似的相似准则确定风洞物理模拟的实验参数。

[0011] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，由几何相似确定空冷塔模型和烟囱模型的几何尺寸。

[0012] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，按如下公式，根据原型流动的升速确定模型烟气出口升速和空冷塔内气流升速，

[0013]

[0014] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，按如下公式，根据速度比相等确定模拟试验的水平风速，

[0015]

[0016] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，由模型对应的烟气排放速度计算出模拟试验的烟气流量。

[0017] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，按如下公式，根据密度比相等计算模拟烟气气体密度、烟气加热的温度以及冷烟气的流量，[0018]

[0019] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，在四种工况下进行模拟实验：

[0020] (1)冬季供热，一台机组运行，不掺混空气；

[0021] (2)冬季供热，一台机组运行，掺混空气；

[0022] (3)冬季供热，二台机组运行，不掺混空气；

[0023] (4)冬季供热，二台机组运行，掺混空气。

[0024] 本发明如上所述的间接空冷机组烟塔合一烟囱高度的获取方法，进一步的，所述冷却塔模型为由透明材料制成。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过风洞物理模拟的方法，采用完全相似的相似准则确定风洞物理模拟的实验参数，利用风洞模拟烟塔的周围环境，通过几何相似远离将原型缩小，模型小巧，便于实验的操作，能够在在不同的环境风速、烟囱高度的条件以及不同工况下，定性地确定最佳烟囱高度，定量地获得不同条件下不同高度烟囱的排烟状况，其步骤简单，操作快捷，实验过程直观，能准确的获取到烟囱的最佳高度。

[0026] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

[0027] 图1为本发明冬季供热，二台机组运行，不掺混空气，142.5m高的烟囱在9m/s环境风速下烟气没有接触塔壁的示意图。

[0028] 图2为本发明冬季供热，二台机组运行，不掺混空气，142.5m高的烟囱在9m/s环境风速下某时刻的塔内速度分布示意图。

具体实施方式

[0029] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030] 本发明对秦皇岛开发区火电厂间接空冷机组烟塔合一烟囱高度进行获取，热电联产包括2×350MW国产、燃煤、超临界、一次中间再热、抽凝式、间接空冷机组，同步建设烟气脱硫设施和烟气脱硝设施。排烟方式采用两机合用一座空冷塔的烟塔合一，2台机组各用一只烟囱排烟，在对外供热情况下，空冷塔换热方式分掺混空气和不掺混空气，机组分一台机组运行和两台机组运行。

[0031] 以下实施例在回流式风洞中进行，风洞试验段宽4m，高3m，长24m；总体长69m，宽25m，高10m，风速范围0～30m/s；风速廓线和湍流强度的测量使用IFA300智能流动分析仪，即热膜风速仪。其测量探头为直径20 μm，长6mm镀铂膜的玻璃丝，不仅对流场基本没有干扰，而且响应频率非常高，可达到40kHz以上，适用于测量流动的湍流特性，每次在使用IFA300 之前都进行标定，以保证其测量精度；粒子图像速度场仪(PIV)，由激光片光源、粒子释放系统(烟雾发生器)、高速摄像系统和数据采集和分析系统组成，它通过对流场高速摄影获得的图片中粒子的移动轨迹的分析获得速度场的分布；可视化实验通过从烟囱内释放符合相似准则的可见烟气，用摄像机记录烟气的排放过程研究各种工况、环境风速和不同烟囱高度条件下的烟气排放情况。

[0032] 风洞实验参数的确定：

[0033] 根据烟羽抬升和扩散的理论，在欧拉坐标系中，系综平均的烟羽抬升高度和污染物浓度C(x，y，z)可以表示成下式：

[0034] h(x)＝f1(x,hs,d,u,w,ρs,ρa,ν,g)

[0035] C(x,y,z)＝f2(Q,x,y,z,hs,d,u,w,ρs,ρa,ν,g)

[0036]

[0037] 式中：Q—源排放率；α—烟气中含污染物的百分率；d—烟囱出口内径；hs—烟囱高度；u—烟羽厚度上的平均风速；w—烟流排放风速；ρa、ρs—空气和烟流密度；v—烟流运动粘度，假定与空气运动粘度相同；g—重力加风速。

[0038] 经转化得：

[0039]

[0040]

[0041] 上两式的右端无量纲参数中，除了后面4个参数外，均可通过几何相似实现。因此，精确地模拟烟流抬升和扩散之关键是下述4个无量纲参数与原型流的相应参数对应相等。也就是要保证模拟流动与原型流动的密度比、速度比和弗罗德数都相等，分别对应如下式：

[0042]

[0043]

[0044]

[0045] 采用的几何比为1：300确定模型的几何尺寸。即模型中的1m长度，等于实际环境中的300m。大气边界层的模拟，使风洞模拟边界层的流动成为充分发展的湍流，边界层的风廓线按指数律。电厂在环境影响评价阶段曾进行过现场气象测试，得到B类稳定度的风廓线指数为0.264，D类稳定度的风廓线指数为0.322。考虑到冷却塔高达190m，白天即使地面附近为对流边界层，200m的高空也大多为中性(D类)，尤其是冬季更是如此。至于夜间，稳定边界层通常也多在100m上下，塔顶部分多为中性边界层。因此，模拟时选择中性边界层的D类风廓线指数p＝0.322。运动相似和动力相似准则采用完全相似的相似准则。

[0046] 不同季节的环境空气温度也会不同，环境风速更会起着重要作用，根据相似准则，计算出对应于10m高度上的不同环境风速(原型风速)，模型冷却塔顶处的模拟流速，如表1所示。

[0047] 表1：不同环境风速下模拟实验塔顶处的风速

[0048] 环境风速 5m/s 6m/s 9m/s模拟风速 0.75m/s 0.89m/s 1.34m/s

[0049] 冬季环境温度以各月的平均气温为参照，结合烟气温度和空冷塔内气流温度，确定模拟参数。表2为不同工况下冬季各月份原型流动冷却塔出口处的气流速度、平均温度。表3给出了根据表2的数据和相似准则计算出的模拟实验的塔内气流上升速度以及体积流量。

[0050] 表2：原型流动的出口速度和平均温度

[0051]

[0052] 表3：模型流动的塔口速度和喉部速度以及体积流量

[0053]

[0054] 为了满足密度比相等的相似准则，还要根据下式计算不同温度下的气体密度：

[0055]

[0056] 式中，下标m表示模拟参数，下标p表示原型流动。下标s表示烟气或冷却塔内的气体，下标a表示环境空气。不同温度下的空气密度如表4 所示。

[0057] 表4：各种温度下的空气密度

[0058]环境温度，℃ -4 22.5 23.3 25.7
空气密度，kg/m3 1.31 1.19 1.19 1.18

[0059] 同时计算出不同实验室的环境温度下，实验室的环境空气密度、不同工况下的塔内模拟气流的密度如表5所示，

[0060] 表5：实验室模拟冷却塔内气体的密度

[0061]

[0062]

[0063] 以下实施例采用对冷空气和烟气加热的方式使其满足相似准则的要求。表6给出了模型冷却塔内冷热空气的流量以及需要加热的温度。

[0064] 表6：模型冷却塔需要的冷热空气流量及加热温度

[0065]

[0066] 由于模型烟气大部分为环境空气，仅在其中混入少量艾柱产生的烟气。这些烟气传输到模型烟囱附近时就与环境温度平衡了。因此模型烟气的密度基本上与同温度下的空气密度相等，计算出不同环境温度下模型烟气需要加热的温度以及冷烟气的流量见表7。

[0067] 表7：采用烟气加热的方法模拟时的模型烟气的加热数据

[0068]

[0069]

[0070] 风洞实验：模拟实验选择10m高度上的环境风速分别为5m/s、6m/s和 9m/s(风廓线指数为0.322)，烟囱高度选择56m、100m和142.5m。这里的烟囱高度是指从冷却塔的z＝0m平面起，至烟囱顶部的高度。共有四种工况： (1)冬季供热，一台机组运行，不掺混空气；(2)冬季供热，一台机组运行，掺混空气；(3)冬季供热，二台机组运行，不掺混空气；(4)冬季供热，二台机组运行，掺混空气。

[0071] 实施例1：将模拟56m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，一台机组运行，不掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0072] 实施例2：将模拟56m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，一台机组运行，掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0073] 实施例3：将模拟56m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，二台机组运行，不掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0074] 实施例4：将模拟56m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，二台机组运行，掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0075] 实施例1～4的实验结果如表8所示，可知，56m高的烟囱排烟，在5m/s 及以上的环境风速情况下都会引起烟气卷入冷却塔内，烟气与冷却塔壁大面积接触，风速越大，烟气与塔壁接触的面积越大，烟气在塔内滞留的时间也越长。(1)接触内壁的高度随风速的增大而增高，大多在130～140m 以上；(2)掺混空气对56m烟囱没有什么作用；(3)与一台机组运行相比，二台机组运行，稍微减小一些烟气的接触高度，但幅度不大，在5～10m上下。

[0076] 表8：56m高的烟囱烟气接触冷却塔内壁的高度

[0077]

[0078] 实施例5：将模拟100m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，一台机组运行，不掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0079] 实施例6：将模拟100m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，一台机组运行，掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0080] 实施例7：将模拟100m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，二台机组运行，不掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0081] 实施例8：将模拟100m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，二台机组运行，掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0082] 实施例5～8的实验结果如表9所示，可知，烟囱高度为100m时，烟气仍能卷入冷却塔内与塔壁接触。在低风速(5～6m/s)时，卷入的几率稍小，而在高风速(9m/s)时，卷入几率大增。卷入高度低的在40m～50m，高的在70～80m。掺混空气可以使烟气卷入高度略微减小(5～10m)；与一台机组运行相比，两台机组运行在低风速时可以减小卷入高度5～10m，而在高风速时反而使卷入高度更大。如果对冷却塔内壁做防腐处理，则应在此基础上增加10～20m才比较可靠。

[0083] 表9：100m高的烟囱烟气下卷高度

[0084]

[0085] 实施例9：将模拟142.5m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，一台机组运行，不掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0086] 实施例10：将模拟142.5m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，一台机组运行，掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0087] 实施例11：将模拟142.5m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，二台机组运行，不掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0088] 实施例12：将模拟142.5m高度的烟囱置于回流式风洞中，透明冷却塔模型置于烟囱中，在冬季供热，二台机组运行，掺混空气的工况下，依次在风速为5m/s、6m/s和9m/s的条件下测试，其它具体实验参数上表所示。

[0089] 实施例9～12的实验结果如表10所示，可知，烟囱高度为142.5m时，在风速不超过9m/s时，烟气都可顺利排出，基本不会接触塔壁；在较高风速时，偶尔会有烟气卷入冷却塔，烟气接触塔壁的高度在10～20m。表10 给出了142.5m烟囱在不同工况和环境风速下，烟气是否下卷并接触塔壁，如果接触塔壁，接触的高度。

[0090] 表10：142.5m高的烟囱烟气是否下卷，及接触塔壁高度

[0091]

[0092] 综上所述：

[0093] (1)掺混空气对防止或减少烟气触壁有一定的作用，可减小触壁高度 5～10m。

[0094] (2)两台机组运行在某些情况下要比一台机组运行排烟效果好一些，在低风速(5～6m/s)下可以减小触壁高度5～10m，但在高风速时(9m/s 及以上)，如果烟囱比较低，反而会增大烟气触壁高度。

[0095] (3)烟气接触冷却塔壁的高度随着烟囱高度的增加而减小，随着风速的增大而增高。

[0096] (4)56m高的烟囱，烟气基本上都会卷入冷却塔内并滞留一定时间，烟气接触塔壁的高度(从塔顶算起)达到140m以上，因此，如果采用56m 高的烟囱，塔内壁都应当做防腐处理。

[0097] (5)142.5m高的烟囱，在环境风速9m/s以下基本上不会发生烟气触壁。从防腐的角度考虑，采用142.5m的烟囱最好，内壁可以不做防腐处理，或仅在塔口内壁做10～20m的防腐处理即可。

[0098] (6)如果采用100m高的烟囱，冷却塔内壁必须做防腐处理，防腐层的高度，最好从冷却塔的喉部至冷却塔顶。

[0099] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0100] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。