code_saturne | 在生物质能发电厂中的实际工程应用

研究背景

       本文是由Gestamp Biomass Solution公司提供的code_saturne在发电站实际工程中的应用案例。Gestamp Biomass Solution属于Gestamp集团，核心业务是EPC锅炉供应，即蒸汽发生器（主要用于发电厂和工业工厂的锅炉）的设计，建造，安装和调试。其研发部门自2013年起使用开源CFD软件code_saturne向其他技术部门提供支持，包括初步工程设计，工程支持，运营分析以及研发活动等。本文集中展示了几种使用code_saturne解决实际工程问题的案例。

code_saturne在工程阶段中的应用

a) 生物质锅炉烟气流型的优化

  适当的烟气分布有助于扩大分析锅炉模型。使用code_saturne数值仿真（下图）可减少分析模型中大多数流体分布的不确定性，从而在工程阶段对锅炉进行优化。

未来50MWt生物质锅炉的气体分布

b) 流体导管网路中压头损失和优先分配的预测

    流管和管道的理论分析模拟并不能考虑所有的物理问题，可能导致操作中存在差异。而code_saturne的仿真模拟能够预测其中的一些差异，以便可以将其根据设备要求进行改进。

c) 燃烧过程运行参数的分析和预测

  code_saturne模拟能够预测燃烧过程中理论结果和最终实际结果的偏差， 这些偏差大多数是湍流偏差或其他可用code_saturne模拟的偏差，如下图所示。

250MWt BFB锅炉的过火空气注入分析

d) 工程标准的验证

    工程标准是基于经验或标准化过程的实践和设计参考因素的基准。code_saturne能够评估这些标准，从而可以通过验证过的数值计算来优化实际操作，从而节省实际操作的成本。下图则展示了对Venturi流量计的数值模拟。

Venturi流量计的模拟

e) 技术评估过程的支持

    技术经济评估需要在实行某个项目前进行初步计算，以提供可用的参考信息。为此，可通过充分利用code_saturne做一些简化但具有代表性的数值模拟计算，例如下图展示的生物质气化炉的模拟。

生物质气化炉模拟（合成气体的产生和温度曲线）

    在BFB（见下图）生物质锅炉运行过程中，由于运输过程中的灰尘和床砂颗粒的腐蚀作用，可能会导致省煤器翅片管中的泄漏，导致该设备必须停止并进行维修，从而浪费操作时间。为了评估当前的烟气运行状况是否与观察到的侵蚀现象相关，在实际工程中收集的几何数据和过程数据后，使用code_saturne对设备处于腐蚀工况时的代表区域进行了几次模拟。

    对腐蚀工况的模拟证实了存在较高的烟气速度，且烟气直接撞击到有被腐蚀的翅片管束上。根据模拟的结果，可以通过插入可移动的内部结构来改变烟气的流场，从而改善了高粒子浓度区域，避免管道被侵蚀。模拟结果如下图。

    上述模拟结果表明，可以根据速度和颗粒分布在节煤器上增加一些内部结构，改善管道中的烟气分布。改进后模型的模拟结果（见下图）表明烟气撞击翅片管的速度可降低多达70％。因此这个解决方案可以通过改善烟气流量分布的方式降低侵蚀作用。

2. 生物质工厂烟气混合系统的研究

    生物质锅炉的烟气混合系统（见下图）会将一些烟气与预热的燃烧空气再循环，以提高燃烧效率并减少NOx的产生。此时需要根据压头损失和混合速率分析烟气的混合和分布，以确保较高的燃烧效率。

烟气混合系统

    为了确保气体混合的质量，需要对该生物质工厂的几种烟气混合系统进行多次模拟，以定义其最合适的工艺及工艺参数。

    该问题主要研究的目标是不同气体的均匀性，每个气体的平均温度，总压头损失和进入烟道气体的压力分布随时间的变化，模拟结果如下图所示。

    最终的设计于2014年成功制造并安装在公司的某家生物质工厂中（见下图），该设计现已成为Gestamp的标准。

未来code_saturne的应用

    Gestamp Biomass Solution R&D部门将继续使用code_saturne为残渣焚烧生物质锅炉开发一个精确可靠且全尺寸的CFD模型。该项目将包括橄榄残渣燃烧的实验与数值分析和对残渣燃烧时锅炉内的飞灰颗粒沉积的数值模拟。此外，还开发了一个用于实施残渣监视的工具，能与code_saturne的模拟结果进行相互评估，如下图所示。