淺談對我國CO₂流量數值校準系統開發及示范數值分析

林錫昆

摘 要：本項目以福建可門發電公司尾部煙道為研究對象。由于尾部煙道形式多樣，流量測量設備的安裝位置影響其流量標定系數。通過計算流體力學方法，建立數值模擬模型對整個煙道進行數值計算。確定不同位置、不同形式的流量計校準系數達到更精確的測量煙道流量。項目結合實際現場情況進行驗證，采用超聲波流量計多測點驗證數值模型的準確。以數值模擬和現場驗證為基礎開發結合仿真分析的流量校準系統，系統實現輸入煙道模型，測點位置、測點形式計算生成流量校準報告，報告內容包括測量方式推薦、測點推薦方案、方案校準系數、精確流量值等。通過以上分析得出，超聲波流量計對位置選取要求高，測量結果更為接近真實值。矩陣式流量計便于布置，位置的選取敏感性低;單點皮托管流量計準確性差，不做推薦。

關鍵詞：模型;標定;計量;煙道

1 項目概述

本項目以福建可門發電公司尾部煙道為研究對象。由于尾部煙道形式多樣，流量測量設備的安裝位置影響其流量標定系數。通過計算流體力學方法，建立數值模擬模型對整個煙道進行數值計算。確定不同位置、不同形式的流量計校準系數達到更精確的測量煙道流量。項目結合實際現場情況進行驗證，采用超聲波流量計多測點驗證數值模型的準確。以數值模擬和現場驗證為基礎開發結合仿真分析的流量校準系統，系統實現輸入煙道模型，測點位置、測點形式計算生成流量校準報告，報告內容包括測量方式推薦、 測點推薦方案、方案校準系數、精確流量值等。項目最終形成示范系統，形成 CO2 流量數值校準系統開發及示范。

2技術要求

此項目基于福建可門發電有限公司碳排放檢測項目開發，針對尾部煙道開展下列工作：

2.1. 示范模擬：對特型煙道開展模擬噴嘴同步標定流量，確保模型準確性。結果需給出實際測點流量標定系數（根據實際流量測量方式，計算與已知流量偏差），生成變負荷流量系數曲線，給出常態負荷下推薦流量測點方案、推薦測量方式或整改意見。針對皮托管、矩陣式流量計、超聲波流量計等不同原理流量測量方法給出模擬比對結果。分析彎管、測量位置、煙氣量等因素對標定結果的影響。

2.2. 現場驗證：根據華電可門發電有限公司現場實測數據，尤其矩陣式流量計與超聲波流量計（非標準安裝條件下安裝）在特殊結構煙道條件下數據結果比對。通過實測與模擬結果進一步修整模型準確性。

2.3. 系統開發：上述設計方法和分析過程，對于單個產品來講，其設計周期已經很長。但在全面掌握了設計方法和應用仿真軟件的基礎上，完全可以迅速的開發型產品。根據上述研究內容，其軟件主要包括以下幾個方面：基于示范模擬，開發應用系統，通過輸 入待測機組煙道尺寸、測點位置、測量方法后，可對不同電廠、不同原理流量測量方式自動生成標定系數曲線，自動生成負荷測點推薦方案、測量方式推薦方案等。設計界面滿足上述報告要求。

2.4. 輸出結果：基于已有的試驗數據，整理匯總，進行數據分析;完成流量計算流程;提供最終的中文報告。形成系統軟件交付。 此項目技術內容包括數值模擬、現場驗證、系統開發三個部分。其中以數值模擬計算結果為基礎進行多形式流量計的標定，提供修正系數。在此基礎上進行現場驗證結果準確性并進行修正。結合二者結果開發基于 CO2的流量數值校準系統，并以此形成示范項目。校準系統應能自動標定、自動生成校準系數并生成報告。

3 技術路線：

經典流體力學假定，流體運動過程及熱量輸運過 程均滿足 Navier-Stokes 方程組。N-S 方程組的具體形式可以參考流體力學教材（如吳望一著《流體力學》，北京大學出版社出版）。由于煙道內部流動復雜，考慮 Re 數的量級，必須采用合適的湍流模型，以便模擬湍流脈動對氣體動量和能量輸運的影響（即Reynolds 應力作用）。常用的湍流模型包括 SA 模型、k-e 模型和 k-w 模型等。考慮到計算量等因素，在本項目中采用 RNG k-e 模型或 SST k-w 模型。

數值計算時，為了保證較好的求解精度，我們可以采用二階格式對 RANS 方程組 （Reynolds 平均的 N-S 方程組）進行空間離散，并采用 SIMPLE 系列算法來求解動量-壓 力耦合問題。系統開發部分，本項目系統開發部分實現以下功能和技術：

（1）數據接口功能：開發提取數值模擬計算結果的數據接口，包括圖形、數值數據等接?入功能;

（2）數據統計功能：實現接入數據統計、分析等基礎功能，生成相關數據曲線、方案布?置圖、測點偏離值統計圖等功能;

（3） 數據最優方案推薦：根據相關統計結果，提供最優方案推薦。方案包括測量方式、?測點最近位置推薦、測點各位置標定系數。

（4） 面向桌面用戶，開發優異的數值規劃定制化交互環境與可視化功能;仿真分析了不同位置安裝多組超聲波流量計結果，綜合不同流量分析結果。超聲波流量計結果受安裝位置影響較大。CSB4 位置最為接近理論值，其修正系數 0.971-0.99之間。另外分別給出了單點、兩點、四點安裝方式下的修正系數。

4總結

針對可門電廠尾部煙道進行 CFD 計算。研究了單點測量和矩陣式測量方式。根據上述計算可得出以下結論。

在穩定流量下煙道內流速依然有著輕微的波動，而隨著流速的增加，這一波動情況出現加劇。受除霧器影響，煙氣在出除霧器后流動存在尾流即漩渦現象，在這一區域中流速分布偏差較大。這一結果決定了單點流量計在此煙道中使用其結果偏差不穩定。

在煙道內尋求最優點進行單點測量的難度較大。而且其偏差值超過了相關要求。

參考文獻

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