方昱雯, 張 亮, 趙不賄, 王 池

(1. 江蘇大學 電氣信息工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 中國計量科學研究院, 北京 100029;3. 鄭州計量先進技術研究院, 河南 鄭州 450001)

1 引 言

由于大氣中二氧化碳等溫室氣體含量的增加造成全球氣候變暖,環(huán)境問題已引起國際上廣泛關注。數(shù)據(jù)顯示,大中型企業(yè)通過煙氣排放到大氣中的二氧化碳約占排放總量的75%以上。其中,二氧化碳的主要排放源來自燃煤等火力發(fā)電廠,燃煤電廠通過煙氣排放到大氣中二氧化碳約占總排放量的50%以上[1]。因此,為保證二氧化碳排放數(shù)據(jù)的可靠性和碳交易的公平性,準確計量煙氣中二氧化碳的排放量顯得尤為重要[2～4]。目前,我國碳排放量核算方法還是基于燃料端計算。由于燃料端存在數(shù)據(jù)質量較差、不確定度較大等不足[5,6]；因此,中國電力聯(lián)合會組織起草利用排放端監(jiān)測發(fā)電行業(yè)的發(fā)電標準進一步促進碳交易質量。煙道連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)是監(jiān)測大氣污染物和排放量的儀表。為保證其準確性,根據(jù)HJ 75—2017《固定污染源煙氣(SO2、NOx、顆粒物)排放連續(xù)檢測技術規(guī)范》[7],要求每3～6個月需對CEMS進行在線比對校準,從而保證企業(yè)測量準確性。由于企業(yè)負荷難以調節(jié),因此通常校準只在一個負荷下進行；但在一個負荷下校準系數(shù)是否能夠代表不同負荷下的情況,相關研究較少。由于煙道具有口徑較大,高溫高濕,流動復雜,湍流度高等特點,常規(guī)方法很難測量準確[8]。超聲流量計具有非直接接觸性、多項介質性、耐腐蝕性、測量精確度高等優(yōu)點,廣泛應用于煙道氣體流量測量[9～13]。

本文研究了超聲流量計在典型煙道布置形式流場中(直管、單彎管、異面雙彎管、共面雙彎管、漸擴管、漸縮管)隨負荷(流速分別為10 m/s、20 m/s、30 m/s)變化情況,評估單負荷下校準系數(shù)能否代表不同負荷。

2 超聲流量計工作原理與校準系數(shù)分析方法

2.1 超聲流量計工作原理

超聲流量計使用一對超聲傳感器A、B相互發(fā)送信號如圖1所示。

圖1 時差法超聲流量計原理Fig.1 Principle of time difference ultrasonic flowmeter

由于管道內(nèi)流體的流動,超聲信號在上下游方向的傳播時間不同,根據(jù)超聲波信號所攜帶的信息可以計算出聲道上流體的平均流速,見式(1)所示[14]。為了獲得管道截面上更豐富的流場信息,部分超聲流量計采用了多聲道布置,見式(2)所示[15]。

(1)

(2)

式中:Vi為第i個聲道線上的聲道平均流速,m/s;Li為流量計傳感器之間的聲道長度,m;t1、t2為管道內(nèi)流體順流、逆流的傳播時間,s;θ為聲道與管道軸線的夾角,(°);Q為管道內(nèi)流體的體積流量,m/s3;D為管道的直徑,m;Wi為第i個聲道上的權重系數(shù),由最佳圓斷面積分方法[16]得到;N為聲道數(shù)量。

本文中采用了4種煙道超聲流量計典型的聲道布置形式:單聲道、雙聲道、交叉四聲道、平行四聲道(交叉斷面),原理如圖2所示。

圖2 4種聲道形式布置原理Fig.2 Principle of layout of four paths

2.2 校準系數(shù)分析方法

2.2.1 計算流體力學(CFD)方法

由于計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)仿真方法無法直接獲得聲波傳播時間,因此對聲道線上各節(jié)點速度進行線性積分來獲得x和y方向上平均流速,如圖3所示。

圖3 超聲流量計流速測量示意圖Fig.3 Flow velocity measurement diagram of ultrasonic flowmeter

使用x和y方向上平均速度計算聲道流速,再使用聲道流速反投影到管道軸向獲得超聲流量計測得流速,如式(3)所示。使用模擬獲得的聲道流速計算傳播時間。

(3)

將式(3)代入式(2)即可得到超聲流量計測得流量,CFD能夠直接獲得煙道標準流量。則校準系數(shù)K為:

(4)

式中:Q1為標準流量;Q2為超聲流量計測量流量。

2.2.2 實驗驗證方法

本文使用國家煙道流量計量標準裝置進行流量計校準系數(shù)實驗驗證,此裝置是現(xiàn)場煙道的縮尺模型,由參考段、測試段和變頻風機3部分組成,如圖4所示。裝置參考段包括原級標準的激光多普勒測速儀(LDV)與工作級標準的8聲道超聲流量計;測試段目前包括圓形管道與矩形管道兩種類型,待校準儀表超聲流量計安裝在此段;變頻風機能夠實現(xiàn)對負荷改變。因此實驗下的校準系數(shù)K便由工作級標準超聲流量計測量的流量除以待校準超聲流量計測量的流量得出。

圖4 實驗裝置圖Fig.4 Experimental device diagram

為了更直觀地反映出不同負荷下校準系數(shù)的變化,引入相對標準偏差和相對最大偏差分別說明校準系數(shù)K整體變化與個體最大變化,相對標準偏差和相對最大偏差分別如式(5)和式(6)所示。

相對標準偏差:

(5)

相對最大偏差:

(6)

3 仿真模型有效性驗證與典型煙道流場模型建立

3.1 有效性驗證

通常CFD仿真模型需要使用實驗數(shù)據(jù)進行驗證。本文使用美國國家標準與技術研究院(NIST)的圓形彎管流動實驗數(shù)據(jù)[17]對仿真模型進行驗證。對管道計算域進行六面體結構網(wǎng)格劃分,由于邊界層附近速度梯度較大,網(wǎng)格厚度對仿真結果影響較大,采用加密處理。湍流模型選擇Realizablek-ε和RNGk-ε分別計算。流體介質設為空氣,不可壓縮流體,入口設為速度入口(velocity-inlet),出口設為壓力出口(pressure-outlet),壓力與速度耦合由SIMPLE算法進行求解,計算采用二階迎風差分格式,設置計算收斂標準到10-6。

使用NIST實驗結果和2種模型仿真結果進行對比,對數(shù)據(jù)進行處理,結果如圖5?？芍猂ealizablek-ε仿真模型模擬的速度分布更接近實驗數(shù)據(jù),說明Realizablek-ε模型更加適合對管道內(nèi)流場的仿真。所以本文中所有的仿真模型均采用Realizablek-ε模型。

圖5 實驗與仿真結果對比Fig.5 Comparison of experiment and simulation results

3.2 典型煙道流場模型建立

本文主要研究的6種典型煙道流場的幾何模型如圖6所示,其具體幾何尺寸如表1所示。

表1 6種典型煙道流場幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of six typical stack flow fields

圖6 6種典型流場幾何模型Fig.6 Six typical flow field geometric models

4 結果與分析

4.1 2種相對偏差的對比結果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn),不同負荷下超聲流量計校準系數(shù)相對標準偏差與相對最大偏差數(shù)據(jù)具有較好的一致性,不同之處在于數(shù)值的微小差異,如圖7所示。圖7(a)是共面雙彎管在4種不同聲道形式、聲道角45°,相對標準偏差隨流量計上游直管段長度變化規(guī)律曲線,7(b)是相對最大偏差曲線。相對標準偏差、相對最大偏差的最大值分別是0.830%、0.936%,說明校準系數(shù)的整體變化與個體最大變化差別不大。因此本文中主要以校準系數(shù)的相對標準偏差來做具體分析。

圖7 校準系數(shù)的相對標準偏差與相對最大偏差對比曲線Fig.7 Comparison curve of relative standard deviation and relative maximum deviation of calibration coefficient

4.2 相對標準偏差隨聲道角度變化結果分析

為了對比聲道角度對不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差的影響,選取了直管10D位置和其他形式管道1D位置2種四聲道超聲流量計相對標準偏差隨聲道角度的變化曲線,如圖8所示。

由圖8可知,直管、漸擴管、漸縮管在2種不同聲道布置形式下隨聲道角度變化較小,且漸擴與漸縮的變化曲線重合度較高;彎管中,校準系數(shù)相對標準偏差較大。單彎管在45°和60°時校準系數(shù)相對標準偏差較小;共面雙彎管在30°和45°時校準系數(shù)相對標準偏差較小;異面雙彎管在30°和45°時較小。綜上所知,6種不同管道在聲道角45°時校準系數(shù)相對標準偏差最小,因此后文主要以45°聲道角做對比分析。

圖8 校準系數(shù)的相對標準偏差隨聲道角度變化曲線Fig.8 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with channel angle

4.3 相對標準偏差隨管道直徑變化結果分析

為了對比管道直徑對不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差的影響, 選取了直管、單彎管、異面雙彎管直徑分別為5 m、10 m,直管10D、彎管1D位置4種聲道超聲流量計相對標準偏差隨管道直徑變化曲線,如圖9所示。由圖9可知,不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差隨管道直徑的增加而減小。

圖9 校準系數(shù)的相對標準偏差隨管道直徑變化曲線Fig.9 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with pipe diameter

4.4 相對標準偏差隨聲道形式變化結果分析

為了對比聲道形式對不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差的影響,選取了直管10D位置和其他形式管道1D位置4種聲道超聲流量計相對標準偏差隨聲道形式變化曲線,如圖10所示。直管隨聲道形式的不同變化很小;單彎管流場中,4種不同聲道形式流量計有較為明顯的差異,異面雙彎管與共面雙彎管差異進一步增加;漸擴漸縮管差異相對較小。相對而言,單聲道的相對標準偏差最大,其次是雙聲道,再者是交叉四聲道,平行四聲道相對標準偏差最小。單聲道與雙聲道相對差異較小,交叉四聲道與平行性四聲道相對差異較小,交叉四聲道與平行四聲道相對標準偏差明顯小于單聲道與雙聲道。因此,采用2種四聲道形式超聲流量計在不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差較小。

圖10 校準系數(shù)的相對標準偏差隨聲道形式變化曲線Fig.10 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with channel form

由圖10可知,對不同管道形式而言,不同負荷下校準系數(shù)相對偏差在異面雙彎管與共面雙彎管最大,其次是單彎管,漸擴與漸縮相對較小,直管最小。

4.5 相對標準偏差隨流量計上游直管段長度變化結果分析

為了對比上游直管段長度對不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差的影響,選取了5種管道在1D、5D、10D位置4種聲道形式超聲流量計相對標準偏差隨上游直管段長度變化曲線,如圖11所示。對于全部管道形式和超聲流量計布置形式,上游直管長度的增加會減少不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差的數(shù)值。因此遠離擾流件在較理想的流場中負荷對不同聲道形式超聲流量計校準系數(shù)的影響較小。對于兩種四聲道超聲流量計在相同的上游直管段長度條件下,其相對標準偏差遠小于單聲道和雙聲道超聲流量計。

圖11 校準系數(shù)的相對標準偏差隨上游直管段長度變化曲線Fig.11 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with length of upstream straight pipe section

4.7 實驗結果分析

使用國家煙道流量計量標準裝置開展了不同負荷下超聲流量計校準系數(shù)變化實驗。測試流速為10 m/s、20 m/s和30 m/s,為了降低隨機誤差的影響,共進行了3組實驗,每組實驗重復3次,3組實驗的校準系數(shù)曲線如圖12所示?？芍?不同負荷下超聲流量計校準系數(shù)都在1附近波動。根據(jù)式(5)可計算出每組實驗的校準系數(shù)相對標準偏差,分別為0.625%、0.650%和0.620%,均未超過1%,與仿真結論吻合。因此,可以通過單負荷校準實現(xiàn)對煙道超聲流量計的校準。

圖12 校準系數(shù)變化實驗圖Fig.12 Calibration coefficient change experiment diagram

5 結 論

本文應用CFD仿真模擬,研究了典型流場中超聲流量計校準系數(shù)隨企業(yè)負荷變化規(guī)律,得到以下結論:

不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差與相對最大偏差具有較好的一致性,校準系數(shù)整體變化與個體最大變化差異不大;不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差在聲道角45°時最小;不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差隨管道直徑增加而減小;不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差隨聲道形式的不同變化較大,兩種四聲道超聲流量計相對標準偏差明顯小于單聲道與雙聲道;不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差隨上游直管段長度增加而減小;不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差隨管道形式的改變而不同,雙彎管中最大。不同負荷下校準系數(shù)相對標準偏差均未超過1%,這與使用國家煙道流量計量標準裝置進行驗證實驗得到的結論吻合,因此可以通過單負荷校準實現(xiàn)對煙道超聲流量計的校準。