6 种典型流场中超声流量计校准系数随企业污染源烟气排放量变化研究

方昱雯, 张 亮, 赵不贿, 王 池

(1. 江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013; 2. 中国计量科学研究院, 北京 100029;3. 郑州计量先进技术研究院, 河南 郑州 450001)

1 引 言

由于大气中二氧化碳等温室气体含量的增加造成全球气候变暖,环境问题已引起国际上广泛关注。数据显示,大中型企业通过烟气排放到大气中的二氧化碳约占排放总量的75%以上。其中,二氧化碳的主要排放源来自燃煤等火力发电厂,燃煤电厂通过烟气排放到大气中二氧化碳约占总排放量的50%以上[1]。因此,为保证二氧化碳排放数据的可靠性和碳交易的公平性,准确计量烟气中二氧化碳的排放量显得尤为重要[2～4]。目前,我国碳排放量核算方法还是基于燃料端计算。由于燃料端存在数据质量较差、不确定度较大等不足[5,6]；因此,中国电力联合会组织起草利用排放端监测发电行业的发电标准进一步促进碳交易质量。烟道连续排放监测系统(CEMS)是监测大气污染物和排放量的仪表。为保证其准确性,根据HJ 75—2017《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续检测技术规范》[7],要求每3～6个月需对CEMS进行在线比对校准,从而保证企业测量准确性。由于企业负荷难以调节,因此通常校准只在一个负荷下进行；但在一个负荷下校准系数是否能够代表不同负荷下的情况,相关研究较少。由于烟道具有口径较大,高温高湿,流动复杂,湍流度高等特点,常规方法很难测量准确[8]。超声流量计具有非直接接触性、多项介质性、耐腐蚀性、测量精确度高等优点,广泛应用于烟道气体流量测量[9～13]。

本文研究了超声流量计在典型烟道布置形式流场中(直管、单弯管、异面双弯管、共面双弯管、渐扩管、渐缩管)随负荷(流速分别为10 m/s、20 m/s、30 m/s)变化情况,评估单负荷下校准系数能否代表不同负荷。

2 超声流量计工作原理与校准系数分析方法

2.1 超声流量计工作原理

超声流量计使用一对超声传感器A、B相互发送信号如图1所示。

图1 时差法超声流量计原理Fig.1 Principle of time difference ultrasonic flowmeter

由于管道内流体的流动,超声信号在上下游方向的传播时间不同,根据超声波信号所携带的信息可以计算出声道上流体的平均流速,见式(1)所示[14]。为了获得管道截面上更丰富的流场信息,部分超声流量计采用了多声道布置,见式(2)所示[15]。

(1)

(2)

式中:Vi为第i个声道线上的声道平均流速,m/s;Li为流量计传感器之间的声道长度,m;t1、t2为管道内流体顺流、逆流的传播时间,s;θ为声道与管道轴线的夹角,(°);Q为管道内流体的体积流量,m/s3;D为管道的直径,m;Wi为第i个声道上的权重系数,由最佳圆断面积分方法[16]得到;N为声道数量。

本文中采用了4种烟道超声流量计典型的声道布置形式:单声道、双声道、交叉四声道、平行四声道(交叉断面),原理如图2所示。

图2 4种声道形式布置原理Fig.2 Principle of layout of four paths

2.2 校准系数分析方法

2.2.1 计算流体力学(CFD)方法

由于计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)仿真方法无法直接获得声波传播时间,因此对声道线上各节点速度进行线性积分来获得x和y方向上平均流速,如图3所示。

图3 超声流量计流速测量示意图Fig.3 Flow velocity measurement diagram of ultrasonic flowmeter

使用x和y方向上平均速度计算声道流速,再使用声道流速反投影到管道轴向获得超声流量计测得流速,如式(3)所示。使用模拟获得的声道流速计算传播时间。

(3)

将式(3)代入式(2)即可得到超声流量计测得流量,CFD能够直接获得烟道标准流量。则校准系数K为:

(4)

式中:Q1为标准流量;Q2为超声流量计测量流量。

2.2.2 实验验证方法

本文使用国家烟道流量计量标准装置进行流量计校准系数实验验证,此装置是现场烟道的缩尺模型,由参考段、测试段和变频风机3部分组成,如图4所示。装置参考段包括原级标准的激光多普勒测速仪(LDV)与工作级标准的8声道超声流量计;测试段目前包括圆形管道与矩形管道两种类型,待校准仪表超声流量计安装在此段;变频风机能够实现对负荷改变。因此实验下的校准系数K便由工作级标准超声流量计测量的流量除以待校准超声流量计测量的流量得出。

图4 实验装置图Fig.4 Experimental device diagram

为了更直观地反映出不同负荷下校准系数的变化,引入相对标准偏差和相对最大偏差分别说明校准系数K整体变化与个体最大变化,相对标准偏差和相对最大偏差分别如式(5)和式(6)所示。

相对标准偏差:

(5)

相对最大偏差:

(6)

3 仿真模型有效性验证与典型烟道流场模型建立

3.1 有效性验证

通常CFD仿真模型需要使用实验数据进行验证。本文使用美国国家标准与技术研究院(NIST)的圆形弯管流动实验数据[17]对仿真模型进行验证。对管道计算域进行六面体结构网格划分,由于边界层附近速度梯度较大,网格厚度对仿真结果影响较大,采用加密处理。湍流模型选择Realizablek-ε和RNGk-ε分别计算。流体介质设为空气,不可压缩流体,入口设为速度入口(velocity-inlet),出口设为压力出口(pressure-outlet),压力与速度耦合由SIMPLE算法进行求解,计算采用二阶迎风差分格式,设置计算收敛标准到10-6。

使用NIST实验结果和2种模型仿真结果进行对比,对数据进行处理,结果如图5。可知Realizablek-ε仿真模型模拟的速度分布更接近实验数据,说明Realizablek-ε模型更加适合对管道内流场的仿真。所以本文中所有的仿真模型均采用Realizablek-ε模型。

图5 实验与仿真结果对比Fig.5 Comparison of experiment and simulation results

3.2 典型烟道流场模型建立

本文主要研究的6种典型烟道流场的几何模型如图6所示,其具体几何尺寸如表1所示。

表1 6种典型烟道流场几何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of six typical stack flow fields

图6 6种典型流场几何模型Fig.6 Six typical flow field geometric models

4 结果与分析

4.1 2种相对偏差的对比结果分析

经过数据处理分析发现,不同负荷下超声流量计校准系数相对标准偏差与相对最大偏差数据具有较好的一致性,不同之处在于数值的微小差异,如图7所示。图7(a)是共面双弯管在4种不同声道形式、声道角45°,相对标准偏差随流量计上游直管段长度变化规律曲线,7(b)是相对最大偏差曲线。相对标准偏差、相对最大偏差的最大值分别是0.830%、0.936%,说明校准系数的整体变化与个体最大变化差别不大。因此本文中主要以校准系数的相对标准偏差来做具体分析。

图7 校准系数的相对标准偏差与相对最大偏差对比曲线Fig.7 Comparison curve of relative standard deviation and relative maximum deviation of calibration coefficient

4.2 相对标准偏差随声道角度变化结果分析

为了对比声道角度对不同负荷下校准系数相对标准偏差的影响,选取了直管10D位置和其他形式管道1D位置2种四声道超声流量计相对标准偏差随声道角度的变化曲线,如图8所示。

由图8可知,直管、渐扩管、渐缩管在2种不同声道布置形式下随声道角度变化较小,且渐扩与渐缩的变化曲线重合度较高;弯管中,校准系数相对标准偏差较大。单弯管在45°和60°时校准系数相对标准偏差较小;共面双弯管在30°和45°时校准系数相对标准偏差较小;异面双弯管在30°和45°时较小。综上所知,6种不同管道在声道角45°时校准系数相对标准偏差最小,因此后文主要以45°声道角做对比分析。

图8 校准系数的相对标准偏差随声道角度变化曲线Fig.8 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with channel angle

4.3 相对标准偏差随管道直径变化结果分析

为了对比管道直径对不同负荷下校准系数相对标准偏差的影响, 选取了直管、单弯管、异面双弯管直径分别为5 m、10 m,直管10D、弯管1D位置4种声道超声流量计相对标准偏差随管道直径变化曲线,如图9所示。由图9可知,不同负荷下校准系数相对标准偏差随管道直径的增加而减小。

图9 校准系数的相对标准偏差随管道直径变化曲线Fig.9 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with pipe diameter

4.4 相对标准偏差随声道形式变化结果分析

为了对比声道形式对不同负荷下校准系数相对标准偏差的影响,选取了直管10D位置和其他形式管道1D位置4种声道超声流量计相对标准偏差随声道形式变化曲线,如图10所示。直管随声道形式的不同变化很小;单弯管流场中,4种不同声道形式流量计有较为明显的差异,异面双弯管与共面双弯管差异进一步增加;渐扩渐缩管差异相对较小。相对而言,单声道的相对标准偏差最大,其次是双声道,再者是交叉四声道,平行四声道相对标准偏差最小。单声道与双声道相对差异较小,交叉四声道与平行性四声道相对差异较小,交叉四声道与平行四声道相对标准偏差明显小于单声道与双声道。因此,采用2种四声道形式超声流量计在不同负荷下校准系数相对标准偏差较小。

图10 校准系数的相对标准偏差随声道形式变化曲线Fig.10 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with channel form

由图10可知,对不同管道形式而言,不同负荷下校准系数相对偏差在异面双弯管与共面双弯管最大,其次是单弯管,渐扩与渐缩相对较小,直管最小。

4.5 相对标准偏差随流量计上游直管段长度变化结果分析

为了对比上游直管段长度对不同负荷下校准系数相对标准偏差的影响,选取了5种管道在1D、5D、10D位置4种声道形式超声流量计相对标准偏差随上游直管段长度变化曲线,如图11所示。对于全部管道形式和超声流量计布置形式,上游直管长度的增加会减少不同负荷下校准系数相对标准偏差的数值。因此远离扰流件在较理想的流场中负荷对不同声道形式超声流量计校准系数的影响较小。对于两种四声道超声流量计在相同的上游直管段长度条件下,其相对标准偏差远小于单声道和双声道超声流量计。

图11 校准系数的相对标准偏差随上游直管段长度变化曲线Fig.11 Curve of relative standard deviation of calibration coefficient with length of upstream straight pipe section

4.7 实验结果分析

使用国家烟道流量计量标准装置开展了不同负荷下超声流量计校准系数变化实验。测试流速为10 m/s、20 m/s和30 m/s,为了降低随机误差的影响,共进行了3组实验,每组实验重复3次,3组实验的校准系数曲线如图12所示。可知,不同负荷下超声流量计校准系数都在1附近波动。根据式(5)可计算出每组实验的校准系数相对标准偏差,分别为0.625%、0.650%和0.620%,均未超过1%,与仿真结论吻合。因此,可以通过单负荷校准实现对烟道超声流量计的校准。

图12 校准系数变化实验图Fig.12 Calibration coefficient change experiment diagram

5 结 论

本文应用CFD仿真模拟,研究了典型流场中超声流量计校准系数随企业负荷变化规律,得到以下结论:

不同负荷下校准系数相对标准偏差与相对最大偏差具有较好的一致性,校准系数整体变化与个体最大变化差异不大;不同负荷下校准系数相对标准偏差在声道角45°时最小;不同负荷下校准系数相对标准偏差随管道直径增加而减小;不同负荷下校准系数相对标准偏差随声道形式的不同变化较大,两种四声道超声流量计相对标准偏差明显小于单声道与双声道;不同负荷下校准系数相对标准偏差随上游直管段长度增加而减小;不同负荷下校准系数相对标准偏差随管道形式的改变而不同,双弯管中最大。不同负荷下校准系数相对标准偏差均未超过1%,这与使用国家烟道流量计量标准装置进行验证实验得到的结论吻合,因此可以通过单负荷校准实现对烟道超声流量计的校准。