熊遠(yuǎn)南，周曉湘，汪永威，呂小林，于偉靜，丁朋果，王 強(qiáng)，王 澤

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基于響應(yīng)面法的電除塵器導(dǎo)流板優(yōu)化布置

熊遠(yuǎn)南1，周曉湘1，汪永威1，呂小林1，于偉靜1，丁朋果1，王 強(qiáng)1，王 澤2

（1.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中電力試驗(yàn)研究院，河南 鄭州 450000； 2.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

本文以某電廠2×300 MW機(jī)組配套的電除塵器為原型，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件對(duì)電除塵器進(jìn)口煙箱內(nèi)部的氣流分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性；采用3因素3水平的Box-Behnken Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同導(dǎo)流板布置下的進(jìn)口煙箱進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并基于響應(yīng)面法深入探討了導(dǎo)流板角度、安裝塊數(shù)和位置對(duì)氣流分布均勻性的影響。結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化分析，確定了電除塵器豎井煙道中導(dǎo)流板最優(yōu)設(shè)計(jì)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(dǎo)流板，可使監(jiān)測(cè)截面處兩室流量偏差程度δ值由原來(lái)的±13.6%降低至±2.12%，且速度相對(duì)均方根?值接近0.16，滿足設(shè)計(jì)要求。

電除塵器；數(shù)值模擬；響應(yīng)面法；Box-Behnken Design；導(dǎo)流板；氣流均勻性

近年來(lái)，我國(guó)霧霾天氣頻發(fā)，細(xì)微顆粒物排放已成為大氣污染的主要來(lái)源，不僅影響大氣質(zhì)量和能見(jiàn)度，還易被人體吸入肺部，嚴(yán)重危害身體健 康[1-3]。電除塵器作為煙塵凈化的有效設(shè)備，憑借其煙氣處理量大、運(yùn)行穩(wěn)定、除塵效率高以及維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)[4-5]，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、建材和化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，截止2017年底，我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組配備電除塵器的數(shù)量占到總裝機(jī)的68%左右。目前，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電力企業(yè)粉塵排放的要求也日趨嚴(yán)格，最新發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）規(guī)定所有的燃煤機(jī)組煙塵排放質(zhì)量濃度要求控制在30 mg/m3以下[6]。同時(shí)，對(duì)PM2.5細(xì)顆粒物、重金屬等排放的監(jiān)控也已經(jīng)啟動(dòng)，這無(wú)疑對(duì)電除塵器的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)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(jīng)濟(jì)性是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

電除塵器內(nèi)部氣流分布是影響其性能的關(guān)鍵因素，一般而言電除塵器煙道內(nèi)流場(chǎng)的均勻性越好，雙室流量分配越均衡，除塵效率就會(huì)越高[7-8]。通常可通過(guò)優(yōu)化電除塵煙道結(jié)構(gòu)和布置導(dǎo)流板的方式來(lái)調(diào)整煙道流量分配[9-10]，從而既改善了煙氣流的運(yùn)動(dòng)狀況，又減輕了煙塵顆粒在煙道內(nèi)的局部沉積和沖擊磨損程度，同時(shí)還降低了電除塵器系統(tǒng)的運(yùn)行阻力。

目前，對(duì)電除塵器煙道流場(chǎng)的優(yōu)化研究主要是通過(guò)物模試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬的方法[11-13]。由于燃煤電廠煙氣在電除塵器內(nèi)的流動(dòng)一般為復(fù)雜的氣固多相流[14]，且難以精準(zhǔn)測(cè)試氣相流場(chǎng)以及顆粒運(yùn)動(dòng)特性，如果直接進(jìn)行物模試驗(yàn)，勢(shì)必會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。與物模試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如成本低、周期短、能夠準(zhǔn)確獲得研究對(duì)象在實(shí)際工況下的各種運(yùn)行參數(shù)。此外，響應(yīng)面法（Response surface methodology，RSM）是一種基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型建立和結(jié)果檢驗(yàn)等多種手段的組合，尋求最佳設(shè)計(jì)且條件尋優(yōu)較為合理的方法，一般適合于多變量復(fù)雜體系的優(yōu)化分析。RSM通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型擬合、回歸分析和響應(yīng)曲面的繪制，不僅可以評(píng)價(jià)各因素變量對(duì)響應(yīng)結(jié)果影響的顯著性，而且能夠有效預(yù)測(cè)最佳設(shè)計(jì)條件和響應(yīng)最優(yōu)值[15]。Box-Behnken Design簡(jiǎn)稱BBD設(shè)計(jì)法是RSM分析中最常用的設(shè)計(jì)方法，可在大幅減少試驗(yàn)次數(shù)的同時(shí)達(dá)到優(yōu)化要求，廣泛應(yīng)用于化工、食品和醫(yī)藥領(lǐng)域[16-18]。因此，本文將響應(yīng)面法應(yīng)用于電除塵器煙道流場(chǎng)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究中，結(jié)合RSM分析結(jié)果確定豎井煙道中導(dǎo)流板最佳布置方式，實(shí)現(xiàn)了電除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，解決了電除塵器兩室流量分配和氣流分布不均問(wèn)題。

1 建立模型

某電廠2×300 MW機(jī)組，鍋爐蒸汽流量為 1 025.0 t/h，其尾部配套2臺(tái)雙室臥式5電場(chǎng)電除塵器。由于2臺(tái)除塵器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，處理氣量基本相等，因此僅以1臺(tái)電除塵器作為研究對(duì)象。圖1為2×300 MW機(jī)組配套電除塵器三維幾何模型。由圖1可見(jiàn)，燃煤鍋爐產(chǎn)生的原煙氣直接從空氣預(yù)熱器出口經(jīng)由豎井煙道轉(zhuǎn)彎分流后穿過(guò)A/B兩側(cè)水平煙道，經(jīng)由2個(gè)進(jìn)口喇叭分配到電除塵器A/B兩室本體內(nèi)，除塵后的凈煙氣再通過(guò)出口喇叭的2個(gè)水平煙道引出并入到1個(gè)垂直出口煙箱。

圖1 2×300 MW機(jī)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(tái)電除塵器的2個(gè)進(jìn)口喇叭結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，存在兩室流量偏差較大，除塵效率不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，因此需對(duì)電除塵器豎井煙道內(nèi)的導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化布置。

1.1 模型與網(wǎng)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(duì)除塵器2個(gè)喇叭口的多孔均布板進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jìn)口煙箱進(jìn)行流量分配，因此為了節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，本文只對(duì)除塵器的進(jìn)口煙箱部分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。電除塵器原結(jié)構(gòu)入口豎井煙道模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，原進(jìn)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(dǎo)流板，A室進(jìn)口圓弧段煙道處布置了 4塊立式弧形導(dǎo)流板，B室進(jìn)口煙道布置了2塊 折線型導(dǎo)流板。豎井煙道模型尺寸為 7 600 mm× 8 000 mm×2 000 mm，A室的進(jìn)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(jìn)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(jìn)口煙箱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部分（導(dǎo)流板和多孔均布板）的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。通過(guò)比較不同網(wǎng)格數(shù)量下進(jìn)口煙箱的阻力壓降，以考察網(wǎng)格密度變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于750萬(wàn)時(shí)，阻力壓降基本不發(fā)生變化，且與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的阻力壓降值（212 Pa）較為接近。因此，在節(jié)省計(jì)算資源的前提下，網(wǎng)格總數(shù)約為750萬(wàn)，可滿足計(jì)算精度要求。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

1.2 模型假設(shè)與邊界條件

電除塵器進(jìn)口煙箱內(nèi)的煙氣流動(dòng)為復(fù)雜的三維湍流，為了比較不同時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況，采用瞬態(tài)模擬跟蹤。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，煙道入口的煙氣平均流速為16.5 m/s，煙塵的平均質(zhì)量流率為 8.33 kg/s，顆粒相的體積分?jǐn)?shù)約2.57%，故考慮采用DPM模型對(duì)煙塵顆粒在電除塵器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了數(shù)值仿真[19-20]。

模型假設(shè)：1）電除塵器進(jìn)口煙箱內(nèi)煙氣煙氣流動(dòng)不可壓縮，不考慮傳熱問(wèn)題，且黏度較小；2）煙塵顆粒為質(zhì)點(diǎn)，可忽略質(zhì)量，顆粒隨煙氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生凝并和生長(zhǎng)；3）在不影響整體流場(chǎng)的前提下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建模時(shí)不考慮電除塵器的內(nèi)部構(gòu)件。因此，電除塵器進(jìn)口煙箱的含塵煙氣流動(dòng)過(guò)程可簡(jiǎn)化為不可壓縮、瞬態(tài)、等溫的氣固兩相湍流；計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的-模型來(lái)求解湍流問(wèn) 題[21]，粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)采用隨機(jī)軌道模型，同時(shí)考慮氣相與顆粒之間的耦合作用。

邊界條件設(shè)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(shè)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(qiáng)度、水力直徑根據(jù)實(shí)際工況和參數(shù)設(shè)置；導(dǎo)流板、多孔板和墻壁采用固體壁面邊界條件，采用無(wú)滑移壁面條件，壁面邊界層采用壁面函數(shù)法處理，顆粒相特性為反射。

控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、方程和方程，為了提高計(jì)算精度，模擬方法采用SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式。在Fluent軟件的圖形窗口中監(jiān)視各計(jì)算變量殘差的變化，以檢查計(jì)算的收斂性和終止條件。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為直觀描述不同工況時(shí)電除塵器A/B兩室喇叭進(jìn)出口氣流的均布性，本文采用了速度相對(duì)均方根值對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。代表監(jiān)測(cè)截面各測(cè)點(diǎn)氣流速度與平均速度的離散程度，值越大表示煙道內(nèi)的氣流分布均勻性越差。根據(jù)《電除塵器》（DL/T 514—2017）的判定標(biāo)準(zhǔn)：≤0.25為合格，≤0.10為優(yōu)，計(jì)算公式為

一般電除塵器兩室設(shè)計(jì)流量偏差小于±5%，本文采用以下公式來(lái)計(jì)算電除塵器兩室氣流偏差程度值，以此分析評(píng)價(jià)導(dǎo)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(jīng)過(guò)除塵器A/B兩室的質(zhì)量流率，kg/s。

2 模型驗(yàn)證及初步優(yōu)化

2.1 模型驗(yàn)證及數(shù)值分析

該電除塵器每個(gè)進(jìn)口矩形煙道高度和寬度方向尺寸均為3 600 mm×3 200 mm，試驗(yàn)在監(jiān)測(cè)截面頂部（方向）方向上開設(shè)4個(gè)測(cè)孔，在每個(gè)測(cè)孔垂直方向（方向）分布16個(gè)側(cè)點(diǎn)，即每個(gè)進(jìn)口煙道總共64個(gè)測(cè)點(diǎn)。在機(jī)組接近100%負(fù)荷且穩(wěn)定工況下，采用3012H型自動(dòng)煙塵測(cè)試儀及配套的S型皮托管在電除塵器的A/B 2個(gè)進(jìn)口煙道監(jiān)測(cè)截面處，利用網(wǎng)格法順序?qū)嶋H測(cè)量出每點(diǎn)的煙氣流速。本次流場(chǎng)模擬研究采用Fluent 15.0商業(yè)軟件，對(duì)電除塵器進(jìn)口煙箱的煙道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，且對(duì)比了A/B兩室進(jìn)口煙道監(jiān)測(cè)截面處各測(cè)點(diǎn)煙氣速度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)比結(jié)果如圖4及表1所示。由圖4可以看出：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果均顯示位于監(jiān)測(cè)截面中心位置=±1.8 m測(cè)點(diǎn)的煙氣流速最低，越靠近截面兩端流速越大；整體上數(shù)值模擬所得監(jiān)測(cè)截面處煙氣速度分布曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果保持一致，說(shuō)明數(shù)值模擬煙道內(nèi)流場(chǎng)分布的結(jié)果可靠。由表1數(shù)據(jù)可知：A/B兩室監(jiān)測(cè)截面煙氣平均流速、速度相對(duì)均方根值以及煙塵質(zhì)量濃度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果較為接近，進(jìn)一步說(shuō)明數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確反映電除塵器的實(shí)際運(yùn)行情況；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的相對(duì)誤差≤6%，在誤差允許內(nèi)，可滿足工程計(jì)算精度要求。

圖4 監(jiān)測(cè)截面各測(cè)點(diǎn)煙氣速度數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表1 電除塵器A/B側(cè)截面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)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(jìn)口煙箱A/B監(jiān)測(cè)截面煙氣速度和煙塵顆粒的質(zhì)量濃度分布。由圖5可見(jiàn)，A/B兩室監(jiān)測(cè)截面的值均大于0.25，電除塵器煙道內(nèi)部氣流向B室嚴(yán)重偏流。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果均顯示原電除塵器煙道流場(chǎng)分布均勻性較差。

圖5 監(jiān)測(cè)截面煙氣速度分布和煙塵顆粒分布

2.2 導(dǎo)流板初步優(yōu)化

原電除塵器進(jìn)口煙箱結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，且豎井煙道中導(dǎo)流板布置方式不當(dāng)，導(dǎo)致A/B兩室煙氣偏流現(xiàn)象較為嚴(yán)重，速度分布極不均勻。為此，本文對(duì)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(yán)重的舊弧形導(dǎo)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(dǎo)流板，本文稱優(yōu)化設(shè)計(jì)0方案。

表2 電除塵器豎井煙道導(dǎo)流板優(yōu)化前后A/B側(cè)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

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

3 響應(yīng)面分析及優(yōu)化

3.1 導(dǎo)流板BBD設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高電除塵器內(nèi)部氣流分布的均勻性，可加裝弧形導(dǎo)流板從而控制煙氣流入方向，緩解煙道內(nèi)流場(chǎng)的大渦旋現(xiàn)象。為了快速且有效地確定豎井煙道中弧形導(dǎo)流板的最佳設(shè)計(jì)方案，本文采用Design Expert軟件對(duì)電除塵器入口豎井煙道弧形導(dǎo)流板布置進(jìn)行BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(dǎo)流板總體布置方案

BBD試驗(yàn)選取影響電除塵器內(nèi)部氣流分布均流效果的3種關(guān)鍵因素，且每種因素選取3個(gè)水平，其中–1、0和1分別對(duì)應(yīng)自變量中的低、中和高水平。對(duì)每組模型進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取電除塵器進(jìn)口煙箱的流場(chǎng)分布情況。表3為電除塵器豎井煙道弧形導(dǎo)流板設(shè)計(jì)因素及水平。

表3 電除塵器豎井煙道弧形導(dǎo)流板BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yōu)化結(jié)果

BBD試驗(yàn)以弧形導(dǎo)流板的安裝角度（）、安裝塊數(shù)（）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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)作為響應(yīng)值。整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程包括12次析因部分試驗(yàn)，3次中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差。析因點(diǎn)為自變量取值在角度、塊數(shù)和位置中任何一個(gè)高值或者低值的設(shè)計(jì)點(diǎn)，而零點(diǎn)為整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域的中心點(diǎn)。通過(guò)RSM優(yōu)化分析，整理得到的不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表4。由 表4可以看出，第1、第8和第15組試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該為豎井煙道中弧形導(dǎo)流板布置的最佳方式，采用這種設(shè)計(jì)能夠?qū)?i>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(nèi)部流場(chǎng)的均勻性，而均勻的煙氣流場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)良好的流態(tài)化，加強(qiáng)了兩室煙氣流動(dòng)的平衡性。

表4 電除塵器豎井煙道弧形導(dǎo)流板BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)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(duì)和的響應(yīng)曲面。由圖8可知：當(dāng)弧形導(dǎo)流板角度為60°時(shí)可以有效降地低電除塵器兩室偏流程度，相比其他弧形導(dǎo)流板角度能獲得更好的氣流分布均勻性；在一定條件下，調(diào)整弧形導(dǎo)流板的安裝位置也可以優(yōu)化氣流分布，當(dāng)安裝位置=0.9 m時(shí)，均流效果更佳；和值隨著弧形導(dǎo)流板安裝數(shù)量的增加而逐漸降低至趨于穩(wěn)定。這主要是由于煙道結(jié)構(gòu)本身布置不合理，當(dāng)在豎井煙道中安裝1片弧形導(dǎo)流板時(shí)，能夠改善除塵器進(jìn)口煙氣的流量分配，但還不足以消除內(nèi)部強(qiáng)烈的旋流現(xiàn)象；當(dāng)加裝2片弧形導(dǎo)流板后，旋流基本可以消除，氣流分布更加均勻，同時(shí)A、B兩室進(jìn)口阻力更加接近，平衡了兩室流量分配，顆粒相在除塵器內(nèi)的流動(dòng)也更均勻；當(dāng)設(shè)置3塊弧形導(dǎo)流板時(shí)，流量分配和流場(chǎng)均勻性的改善程度并不大，因此弧形導(dǎo)流板的安裝塊數(shù)并不是越多越好，需合理布置。

圖8 各因素及其交互作用對(duì)d 和s 的響應(yīng)曲面

3.3 模型擬合分析

表5為二次擬合模型參數(shù)。

表5 二次擬合模型參數(shù)

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(shù)基本接近于1，表示幾乎100%的變異可用模型解釋；預(yù)測(cè)決定系數(shù)分別為0.933 3和0.991 5，均表示該模型符合實(shí)際情況；調(diào)整決定系數(shù)分別為0.987 4和0.998 4，越接近于1，越說(shuō)明該模型對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的響應(yīng)值的估計(jì)較為正確；預(yù)測(cè)決定系數(shù)值與調(diào)整決定系數(shù)值非常接近，可認(rèn)為響應(yīng)面方程不需要繼續(xù)優(yōu)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(shuō)明了該響應(yīng)面預(yù)測(cè)模型精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠預(yù)測(cè)。

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(jiān)測(cè)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(yīng)值和與各因素、和之間的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)弧形導(dǎo)流板的精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，能夠指弧形導(dǎo)電除塵器進(jìn)口煙道的流場(chǎng)均勻性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 弧形導(dǎo)流板最佳設(shè)計(jì)方案

RSM分析得到的優(yōu)化結(jié)果僅為預(yù)測(cè)結(jié)果，因此為了檢驗(yàn)響應(yīng)面優(yōu)化方法的可行性還需通過(guò)重復(fù)模擬加以驗(yàn)證。如果在最佳設(shè)計(jì)條件下，模擬結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果一致，則表明RSM優(yōu)化是有效的。根據(jù)響應(yīng)面及數(shù)值分析，得到的豎井煙道弧形導(dǎo)流板最佳設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表6。

表6 弧形導(dǎo)流板最佳設(shè)計(jì)下響應(yīng)面預(yù)測(cè)值和模擬驗(yàn)證結(jié)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(yàn)設(shè)計(jì)，電除塵器豎井煙道弧形導(dǎo)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(dǎo)流板，和最優(yōu)值分別能夠達(dá)到2.12%和0.163左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比電除塵器監(jiān)測(cè)截面流場(chǎng)分布的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果，充分說(shuō)明了CFD數(shù)值模擬電除塵器內(nèi)部流場(chǎng)是可靠的，可用來(lái)優(yōu)化調(diào)整電除塵器煙道氣流分布的均勻性。本文采用響應(yīng)面法和BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)電除塵器煙道流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，全面且有效地分析導(dǎo)流板各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其均流效果的影響程度，快速地確定了導(dǎo)流板最佳設(shè)計(jì)方案。根據(jù)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合響應(yīng)面分析擬合得到了在100%負(fù)荷工況下響應(yīng)值和與導(dǎo)流板角度、安裝塊數(shù)和位置的二次擬合模型，為實(shí)際電除塵器煙道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)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(yuǎn)南, 周曉湘, 汪永威, 等. 基于響應(yīng)面法的電除塵器導(dǎo)流板優(yōu)化布置[J]. 熱力發(fā)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0605000)

熊遠(yuǎn)南(1992—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂萍肮I(yè)水處理技術(shù)，xyn07915060@163.com。

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）