浅谈对我国CO2流量数值校准系统开发及示范数值分析

林锡昆

摘 要：本项目以福建可门发电公司尾部烟道为研究对象。由于尾部烟道形式多样，流量测量设备的安装位置影响其流量标定系数。通过计算流体力学方法，建立数值模拟模型对整个烟道进行数值计算。确定不同位置、不同形式的流量计校准系数达到更精确的测量烟道流量。项目结合实际现场情况进行验证，采用超声波流量计多测点验证数值模型的准确。以数值模拟和现场验证为基础开发结合仿真分析的流量校准系统，系统实现输入烟道模型，测点位置、测点形式计算生成流量校准报告，报告内容包括测量方式推荐、测点推荐方案、方案校准系数、精确流量值等。通过以上分析得出，超声波流量计对位置选取要求高，测量结果更为接近真实值。矩阵式流量计便于布置，位置的选取敏感性低;单点皮托管流量计准确性差，不做推荐。

关键词：模型;标定;计量;烟道

1 项目概述

本项目以福建可门发电公司尾部烟道为研究对象。由于尾部烟道形式多样，流量测量设备的安装位置影响其流量标定系数。通过计算流体力学方法，建立数值模拟模型对整个烟道进行数值计算。确定不同位置、不同形式的流量计校准系数达到更精确的测量烟道流量。项目结合实际现场情况进行验证，采用超声波流量计多测点验证数值模型的准确。以数值模拟和现场验证为基础开发结合仿真分析的流量校准系统，系统实现输入烟道模型，测点位置、测点形式计算生成流量校准报告，报告内容包括测量方式推荐、 测点推荐方案、方案校准系数、精确流量值等。项目最终形成示范系统，形成 CO2 流量数值校准系统开发及示范。

2技术要求

此项目基于福建可门发电有限公司碳排放检测项目开发，针对尾部烟道开展下列工作：

2.1. 示范模拟：对特型烟道开展模拟喷嘴同步标定流量，确保模型准确性。结果需给出实际测点流量标定系数（根据实际流量测量方式，计算与已知流量偏差），生成变负荷流量系数曲线，给出常态负荷下推荐流量测点方案、推荐测量方式或整改意见。针对皮托管、矩阵式流量计、超声波流量计等不同原理流量测量方法给出模拟比对结果。分析弯管、测量位置、烟气量等因素对标定结果的影响。

2.2. 现场验证：根据华电可门发电有限公司现场实测数据，尤其矩阵式流量计与超声波流量计（非标准安装条件下安装）在特殊结构烟道条件下数据结果比对。通过实测与模拟结果进一步修整模型准确性。

2.3. 系统开发：上述设计方法和分析过程，对于单个产品来讲，其设计周期已经很长。但在全面掌握了设计方法和应用仿真软件的基础上，完全可以迅速的开发型产品。根据上述研究内容，其软件主要包括以下几个方面：基于示范模拟，开发应用系统，通过输 入待测机组烟道尺寸、测点位置、测量方法后，可对不同电厂、不同原理流量测量方式自动生成标定系数曲线，自动生成负荷测点推荐方案、测量方式推荐方案等。设计界面满足上述报告要求。

2.4. 输出结果：基于已有的试验数据，整理汇总，进行数据分析;完成流量计算流程;提供最终的中文报告。形成系统软件交付。 此项目技术内容包括数值模拟、现场验证、系统开发三个部分。其中以数值模拟计算结果为基础进行多形式流量计的标定，提供修正系数。在此基础上进行现场验证结果准确性并进行修正。结合二者结果开发基于 CO2的流量数值校准系统，并以此形成示范项目。校准系统应能自动标定、自动生成校准系数并生成报告。

3 技术路线：

经典流体力学假定，流体运动过程及热量输运过 程均满足 Navier-Stokes 方程组。N-S 方程组的具体形式可以参考流体力学教材（如吴望一著《流体力学》，北京大学出版社出版）。由于烟道内部流动复杂，考虑 Re 数的量级，必须采用合适的湍流模型，以便模拟湍流脉动对气体动量和能量输运的影响（即Reynolds 应力作用）。常用的湍流模型包括 SA 模型、k-e 模型和 k-w 模型等。考虑到计算量等因素，在本项目中采用 RNG k-e 模型或 SST k-w 模型。

数值计算时，为了保证较好的求解精度，我们可以采用二阶格式对 RANS 方程组 （Reynolds 平均的 N-S 方程组）进行空间离散，并采用 SIMPLE 系列算法来求解动量-压 力耦合问题。系统开发部分，本项目系统开发部分实现以下功能和技术：

（1）数据接口功能：开发提取数值模拟计算结果的数据接口，包括图形、数值数据等接 入功能;

（2）数据统计功能：实现接入数据统计、分析等基础功能，生成相关数据曲线、方案布 置图、测点偏离值统计图等功能;

（3） 数据最优方案推荐：根据相关统计结果，提供最优方案推荐。方案包括测量方式、 测点最近位置推荐、测点各位置标定系数。

（4） 面向桌面用户，开发优异的数值规划定制化交互环境与可视化功能;仿真分析了不同位置安装多组超声波流量计结果，综合不同流量分析结果。超声波流量计结果受安装位置影响较大。CSB4 位置最为接近理论值，其修正系数 0.971-0.99之间。另外分别给出了单点、两点、四点安装方式下的修正系数。

4总结

针对可门电厂尾部烟道进行 CFD 计算。研究了单点测量和矩阵式测量方式。根据上述计算可得出以下结论。

在稳定流量下烟道内流速依然有着轻微的波动，而随着流速的增加，这一波动情况出现加剧。受除雾器影响，烟气在出除雾器后流动存在尾流即漩涡现象，在这一区域中流速分布偏差较大。这一结果决定了单点流量计在此烟道中使用其结果偏差不稳定。

在烟道内寻求最优点进行单点测量的难度较大。而且其偏差值超过了相关要求。

参考文献

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