6 種典型流場(chǎng)中超聲流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)隨企業(yè)污染源煙氣排放量變化研究

方昱雯, 張 亮, 趙不賄, 王 池

(1. 江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 中國計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029;3. 鄭州計(jì)量先進(jìn)技術(shù)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(guān)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(zhǔn)確計(jì)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(jì)算。由于燃料端存在數(shù)據(jù)質(zhì)量較差、不確定度較大等不足[5,6]；因此,中國電力聯(lián)合會(huì)組織起草利用排放端監(jiān)測(cè)發(fā)電行業(yè)的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步促進(jìn)碳交易質(zhì)量。煙道連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)是監(jiān)測(cè)大氣污染物和排放量的儀表。為保證其準(zhǔn)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(cè)技術(shù)規(guī)范》[7],要求每3～6個(gè)月需對(duì)CEMS進(jìn)行在線比對(duì)校準(zhǔn),從而保證企業(yè)測(cè)量準(zhǔn)確性。由于企業(yè)負(fù)荷難以調(diào)節(jié),因此通常校準(zhǔn)只在一個(gè)負(fù)荷下進(jìn)行；但在一個(gè)負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)是否能夠代表不同負(fù)荷下的情況,相關(guān)研究較少。由于煙道具有口徑較大,高溫高濕,流動(dòng)復(fù)雜,湍流度高等特點(diǎn),常規(guī)方法很難測(cè)量準(zhǔn)確[8]。超聲流量計(jì)具有非直接接觸性、多項(xiàng)介質(zhì)性、耐腐蝕性、測(cè)量精確度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于煙道氣體流量測(cè)量[9～13]。

本文研究了超聲流量計(jì)在典型煙道布置形式流場(chǎng)中(直管、單彎管、異面雙彎管、共面雙彎管、漸擴(kuò)管、漸縮管)隨負(fù)荷(流速分別為10 m/s、20 m/s、30 m/s)變化情況,評(píng)估單負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)能否代表不同負(fù)荷。

2 超聲流量計(jì)工作原理與校準(zhǔn)系數(shù)分析方法

2.1 超聲流量計(jì)工作原理

超聲流量計(jì)使用一對(duì)超聲傳感器A、B相互發(fā)送信號(hào)如圖1所示。

圖1 時(shí)差法超聲流量計(jì)原理Fig.1 Principle of time difference ultrasonic flowmeter

由于管道內(nèi)流體的流動(dòng),超聲信號(hào)在上下游方向的傳播時(shí)間不同,根據(jù)超聲波信號(hào)所攜帶的信息可以計(jì)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(chǎng)信息,部分超聲流量計(jì)采用了多聲道布置,見式(2)所示[15]。

(1)

(2)

式中:Vi為第i個(gè)聲道線上的聲道平均流速,m/s;Li為流量計(jì)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(shí)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(gè)聲道上的權(quán)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(jì)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(zhǔn)系數(shù)分析方法

2.2.1 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法

由于計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)仿真方法無法直接獲得聲波傳播時(shí)間,因此對(duì)聲道線上各節(jié)點(diǎn)速度進(jìn)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(jì)流速測(cè)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(jì)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(jì)測(cè)得流速,如式(3)所示。使用模擬獲得的聲道流速計(jì)算傳播時(shí)間。

(3)

將式(3)代入式(2)即可得到超聲流量計(jì)測(cè)得流量,CFD能夠直接獲得煙道標(biāo)準(zhǔn)流量。則校準(zhǔn)系數(shù)K為:

(4)

式中:Q1為標(biāo)準(zhǔn)流量;Q2為超聲流量計(jì)測(cè)量流量。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法

本文使用國家煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,此裝置是現(xiàn)場(chǎng)煙道的縮尺模型,由參考段、測(cè)試段和變頻風(fēng)機(jī)3部分組成,如圖4所示。裝置參考段包括原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的激光多普勒測(cè)速儀(LDV)與工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的8聲道超聲流量計(jì);測(cè)試段目前包括圓形管道與矩形管道兩種類型,待校準(zhǔn)儀表超聲流量計(jì)安裝在此段;變頻風(fēng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)負(fù)荷改變。因此實(shí)驗(yàn)下的校準(zhǔn)系數(shù)K便由工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)超聲流量計(jì)測(cè)量的流量除以待校準(zhǔn)超聲流量計(jì)測(cè)量的流量得出。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 Experimental device diagram

為了更直觀地反映出不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)的變化,引入相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)最大偏差分別說明校準(zhǔn)系數(shù)K整體變化與個(gè)體最大變化,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)最大偏差分別如式(5)和式(6)所示。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差:

(5)

相對(duì)最大偏差:

(6)

3 仿真模型有效性驗(yàn)證與典型煙道流場(chǎng)模型建立

3.1 有效性驗(yàn)證

通常CFD仿真模型需要使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。本文使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的圓形彎管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)管道計(jì)算域進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,由于邊界層附近速度梯度較大,網(wǎng)格厚度對(duì)仿真結(jié)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(jì)算。流體介質(zhì)設(shè)為空氣,不可壓縮流體,入口設(shè)為速度入口(velocity-inlet),出口設(shè)為壓力出口(pressure-outlet),壓力與速度耦合由SIMPLE算法進(jìn)行求解,計(jì)算采用二階迎風(fēng)差分格式,設(shè)置計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)到10-6。

使用NIST實(shí)驗(yàn)結(jié)果和2種模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如圖5。可知Realizablek-ε仿真模型模擬的速度分布更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),說明Realizablek-ε模型更加適合對(duì)管道內(nèi)流場(chǎng)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(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of experiment and simulation results

3.2 典型煙道流場(chǎng)模型建立

本文主要研究的6種典型煙道流場(chǎng)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(chǎng)幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of six typical stack flow fields

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

4 結(jié)果與分析

4.1 2種相對(duì)偏差的對(duì)比結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析發(fā)現(xiàn),不同負(fù)荷下超聲流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與相對(duì)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨流量計(jì)上游直管段長度變化規(guī)律曲線,7(b)是相對(duì)最大偏差曲線。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)最大偏差的最大值分別是0.830%、0.936%,說明校準(zhǔn)系數(shù)的整體變化與個(gè)體最大變化差別不大。因此本文中主要以校準(zhǔn)系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來做具體分析。

圖7 校準(zhǔn)系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與相對(duì)最大偏差對(duì)比曲線Fig.7 Comparison curve of relative standard deviation and relative maximum deviation of calibration coefficient

4.2 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨聲道角度變化結(jié)果分析

為了對(duì)比聲道角度對(duì)不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(kuò)與漸縮的變化曲線重合度較高;彎管中,校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。單彎管在45°和60°時(shí)校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小;共面雙彎管在30°和45°時(shí)校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小;異面雙彎管在30°和45°時(shí)較小。綜上所知,6種不同管道在聲道角45°時(shí)校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小,因此后文主要以45°聲道角做對(duì)比分析。

圖8 校準(zhǔn)系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨管道直徑變化結(jié)果分析

為了對(duì)比管道直徑對(duì)不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨管道直徑變化曲線,如圖9所示。由圖9可知,不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨管道直徑的增加而減小。

圖9 校準(zhǔn)系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨聲道形式變化結(jié)果分析

為了對(duì)比聲道形式對(duì)不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)中,4種不同聲道形式流量計(jì)有較為明顯的差異,異面雙彎管與共面雙彎管差異進(jìn)一步增加;漸擴(kuò)漸縮管差異相對(duì)較小。相對(duì)而言,單聲道的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。單聲道與雙聲道相對(duì)差異較小,交叉四聲道與平行性四聲道相對(duì)差異較小,交叉四聲道與平行四聲道相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)在不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。

圖10 校準(zhǔn)系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)不同管道形式而言,不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)偏差在異面雙彎管與共面雙彎管最大,其次是單彎管,漸擴(kuò)與漸縮相對(duì)較小,直管最小。

4.5 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨流量計(jì)上游直管段長度變化結(jié)果分析

為了對(duì)比上游直管段長度對(duì)不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨上游直管段長度變化曲線,如圖11所示。對(duì)于全部管道形式和超聲流量計(jì)布置形式,上游直管長度的增加會(huì)減少不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)值。因此遠(yuǎn)離擾流件在較理想的流場(chǎng)中負(fù)荷對(duì)不同聲道形式超聲流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)的影響較小。對(duì)于兩種四聲道超聲流量計(jì)在相同的上游直管段長度條件下,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)小于單聲道和雙聲道超聲流量計(jì)。

圖11 校準(zhǔn)系數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用國家煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置開展了不同負(fù)荷下超聲流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)變化實(shí)驗(yàn)。測(cè)試流速為10 m/s、20 m/s和30 m/s,為了降低隨機(jī)誤差的影響,共進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,3組實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)系數(shù)曲線如圖12所示?？芍?不同負(fù)荷下超聲流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)都在1附近波動(dòng)。根據(jù)式(5)可計(jì)算出每組實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,分別為0.625%、0.650%和0.620%,均未超過1%,與仿真結(jié)論吻合。因此,可以通過單負(fù)荷校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道超聲流量計(jì)的校準(zhǔn)。

圖12 校準(zhǔn)系數(shù)變化實(shí)驗(yàn)圖Fig.12 Calibration coefficient change experiment diagram

5 結(jié) 論

本文應(yīng)用CFD仿真模擬,研究了典型流場(chǎng)中超聲流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)隨企業(yè)負(fù)荷變化規(guī)律,得到以下結(jié)論:

不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差與相對(duì)最大偏差具有較好的一致性,校準(zhǔn)系數(shù)整體變化與個(gè)體最大變化差異不大;不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在聲道角45°時(shí)最小;不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨管道直徑增加而減小;不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨聲道形式的不同變化較大,兩種四聲道超聲流量計(jì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯小于單聲道與雙聲道;不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨上游直管段長度增加而減小;不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨管道形式的改變而不同,雙彎管中最大。不同負(fù)荷下校準(zhǔn)系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均未超過1%,這與使用國家煙道流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論吻合,因此可以通過單負(fù)荷校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道超聲流量計(jì)的校準(zhǔn)。