摘要:超臨(lin)界二氧化碳循(xún)環發電技術采(cai)用超臨界🤟狀态(tai)下的二氧化碳(tàn)代替傳統水蒸(zhēng)氣工質,由于物(wù)性發生巨大變(bian)化,質量流量測(cè)量與計算方法(fǎ)需重新構建。本(ben)文開展了孔闆(pǎn)流量計
數值模(mó)拟研究,使用fluent軟(ruan)件模拟計算了(le)孔闆直徑比、節(jiē)流孔厚度、孔闆(pǎn)厚度等結構參(can)數對流量系數(shu)的🏒影響,結果表(biǎo)明現行标準🔱對(dui)超臨界二氧化(hua)碳并不🌈适用。本(běn)文提出了針對(dui)超臨界💜二氧化(huà)碳工質的孔闆(pan)流量計💚結構參(cān)數推薦範圍,在(zai)該範圍内絕大(da)多數計算結果(guǒ)相對誤差小于(yú)2%,并針對入口邊(bian)緣鈍化提出了(le)新修正系數,修(xiu)正後計算結果(guo)相對誤差爲0.11%~1.85%,滿(mǎn)足測量精度要(yào)求。
伴随着經濟(ji)社會的不斷發(fa)展,我國發電機(jī)組在發電效率(lü)、能🔴源結構、環境(jing)效益等多方面(miàn)都面臨着轉型(xíng)升級的嚴峻👉挑(tiao)戰‼️。中國在2007年已(yi)經成爲全球溫(wen)室✂️氣體第一大(dà)排放國家川。習(xí)近平總書記在(zài)聯合國👈-般性辯(biàn)論🔴會.上承諾[2],中(zhong)國碳排㊙️放量力(li)争分别于2030年☁️和(he)2060年前實現🆚達峰(feng)和中和⛹🏻♀️,作爲一(yī)種變🔆革性火力(lì)發電技術超臨(lin)界二氧化碳循(xún)環是實現能源(yuan)結構轉型進程(cheng)中的重要手段(duàn)。
随着“雙碳”目标(biao)的逐步落實，超(chao)臨界二氧化碳(tàn)(溫度高于303.98K、壓力(lì)高于7.38MPa)被廣泛應(ying)用,其作爲工質(zhi)的布雷頓♋循環(huán)具有🔱極高的熱(re)源适💃用性,可應(ying)用于太陽能、核(he)能、餘熱🈲等多種(zhǒng)場景。且由于超(chāo)臨界二✉️氧化碳(tàn)密度大、黏性小(xiǎo)、壓縮性好、循環(huán)過程無相變，相(xiang)比于傳統水工(gong)質,超臨界二氧(yang)化碳循環珂以(yi)實現更高的循(xun)環效率,Dostal等[3]指出(chu)在透平人口工(gong)質溫度高于550℃條(tiao)件下,超臨界二(èr)氧化碳循環發(fā)🚶電系統性能顯(xian)著高于水循🌈環(huán)系統。此外，配合(hé)間歇性、随機性(xìng)強的可再生能(neng)源供電以保障(zhàng)社會用🈲電穩定(ding)是未來火力發(fa)電重🔅要任務,超(chao)臨界二氧化碳(tan)系統靈活性高(gāo)🚩、能實現完🔞全熱(re)電解耦的特點(diǎn)也使其更能滿(man)足未來火力發(fā)電的😍深度調峰(fēng)需求。
系統内部(bù)流動工質流量(liang)的正确測量是(shì)其得以應用的(de)⛱️基礎。當前超臨(lin)界二氧化碳主(zhu)要用于藥物/化(hua)學試劑萃取、油(yóu)田驅🐇油等溫度(dù)、壓力相對較低(di)的場景,而超🌈臨(lin)界二氧化碳循(xun)環系💚統需要二(er)氧化碳工質達(dá)到極✔️高的溫度(du)🈲與壓力,二氧化(huà)碳的密度、比熱(rè)♻️、黏度等物性參(cān)數發生了顯著(zhe)變化,對于該條(tiáo)件下二氧化碳(tàn)流量測量,傳統(tong)流量測量方法(fǎ)将不再适用。孔(kǒng)闆流量計是--種(zhǒng)技術成熟且适(shi)🏃♂️合于高溫高壓(yā)流體流量測:量(liang)的方法,經過多(duo)年發展孔闆流(liú)量計已形成标(biāo)準化形式,主要(yao)包括兩部分,分(fen)别是🧑🏾🤝🧑🏼具有直角(jiǎo)邊緣的-段節流(liú)孔,以及在節流(liu)孔後具有一斜(xié)角的錐形擴流(liú)段,其結構如圖(tu)1所示。然而有關(guān)測量⭐超臨界二(er)氧化碳循環中(zhong)工質🏃🏻流量的孔(kong)闆流量計設計(jì)方案,國内外并(bing)無經驗借鑒。因(yīn)此需要針對超(chāo)㊙️臨界二氧化碳(tan)工質的全新特(tè)性,探究孔闆結(jié)構參✊數的變化(huà)對于流量系數(shu)的影響,同時驗(yan)證現有标準中(zhōng)的相關規定對(dui)于超臨界二氧(yǎng)化碳工質是否(fǒu)适用。.
我國學者(zhe)采用數值模拟(nǐ)爲主,實驗驗證(zhèng)爲輔的研究🔞方(fāng)式,以水✉️或天然(rán)氣爲研究對象(xiàng),開展了管徑、孔(kong)🔴徑厚度等結構(gòu)參數對孔闆流(liú)量計的影響研(yan)究。孔闆直徑比(bǐ)、厚度等參數🚶會(hui)顯著影響孔闆(pǎn)的節流特🏃🏻性,從(cóng)而影響流量計(jì)的計量性能。當(dāng)直徑比小于0.3時(shi)🎯,流量系數随直(zhí)徑比增加而快(kuài)速下降,當直徑(jing)比大✍️于0.3時，流量(liang)系數逐漸遞增(zēng),但增速較緩;直(zhí)徑比在0.2~0.8範圍内(nèi)時，流🌂量系數随(sui)β增大呈先減小(xiǎo)後增大的趨勢(shi),并以0.55爲分界點(dian),其中🧑🏽🤝🧑🏻β在0.45~0.65之間時(shi)可控制誤差在(zài)3%以内。與直徑比(bǐ)不同,流量系數(shu)随孔闆厚度的(de)變化特性較--緻(zhì)。厚度e增加，流出(chu)系數直線上升(sheng);林棋等人[4-5]也認(rèn)爲流出系數随(sui)縮徑孔厚度增(zēng)大而增大;在模(mó)型中考慮了引(yin)壓管的存在,結(jie)果顯示,e變化0.15mm時(shí)，流出系數變化(huà)1.56%;e變化1mm時，流出系(xi)數變化2.125%。
近年來(lái)的理論知識、不(bu)斷優化的算法(fa)以及不斷更新(xin)擴充的實驗數(shu)據庫等都保證(zheng)了數值模拟研(yán)究的正✨确率與(yu)精✉️度,因而逐漸(jiàn)成爲主流研究(jiu)方法之一。孔闆(pan)流量計💚管道内(nei)部介質流動複(fu)雜,參數變化劇(ju)烈,采用數值模(mo)拟方法可以有(yǒu)效捕捉到管道(dao)内🈚部的細微變(bian)化,因此是孔💛闆(pan)流量計研究的(de)有力工具。部分(fèn)學者利💔用數值(zhí)模拟對孔闆流(liu)量計結構進👈行(hang)了優化設計。利(lì)用Fluent模拟了一種(zhǒng)半雙曲線型的(de)新式🔅孔闆流量(liang)計,并同時利用(yòng)牛頓流體和非(fei)牛頓流體進行(háng)驗證，發現這種(zhǒng)流量計可使内(nei)部介質近似無(wú)剪切流動,大大(dà)消除了渦流和(hé)停滞區等流動(dòng)結構;研究發現(xiàn)在孔闆流量計(jì)下遊插入-個環(huan)可以有🛀🏻效減⭕少(shao)壓力損失,并利(li)用數值模拟和(he)遺傳算法優化(hua)結構,可減少33.5%的(de)壓力損失,極大(dà)的降低了能耗(hao)和成本。
因此,本(ben)文進行了孔闆(pan)流量計結構參(cān)數對于流量系(xi)數影響的模拟(nǐ)研究,包括直徑(jìng)比、節流孔厚度(du)、孔闆厚度等結(jié)構參數📧,明确了(le)在超臨界二氧(yang)化碳工質典型(xíng)🍓工況下不同結(jié)構參數💯對流量(liang)系數的影響,同(tóng)時将通過現行(hang)孔闆流量計國(guo)際标準文件中(zhong)經✊驗公式計算(suan)得到的結果與(yǔ)數值模拟結果(guo)進行比較,提出(chū)了針對㊙️超臨界(jiè)二氧化碳工質(zhì)的孔闆流量計(jì)結構參數推薦(jian)範圍與推薦設(she)計值,提升了其(qí)測🧡量精度。除此(cǐ)之外，還探究了(le)孔闆人口直角(jiǎo)邊緣鈍化對孔(kǒng)闆㊙️流量計測量(liang)🔱精度的影響,并(bing)據此提出了新(xīn)的針對現行孔(kong)闆流量計國際(jì)标準文件中經(jing)驗公式計算得(dé)到的流量系💃🏻數(shu)🔴的修正系數。
1.計(ji)算模型與模拟(ni)方法
1.1模型建立(lì)與網格劃分
根(gēn)據标準文件[1]規(guī)定的孔闆流量(liang)計結構設計與(yǔ)參數要求，本文(wen)分别建立了DN25和(hé)DN200兩種管徑的孔(kǒng)闆流量計,結構(gou)參數如表1所♊示(shì),在後文進行相(xiàng)關研究時均以(yǐ)該表中的結構(gòu)參數爲基礎參(cān)數,依據該參數(shù)使用SolidWorks軟件建立(lì)了孔闆流量計(ji)及其前後一定(ding)長度管🐆道的幾(ji)何模型,如圖2所(suo)示。
本文采用非(fēi)結構化網格進(jìn)行模拟計算,利(li)用AnsysMeshing軟件🆚将孔💃闆(pan)流量計管道劃(huà)分爲四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格相結合的混(hùn)合形式。除此之(zhī)外,爲了準确捕(bu)捉到流場内的(de)細微變化,在介(jie)質與管道🌈内壁(bì)接觸處進行邊(bian)界層的網格劃(hua)分，采用平滑過(guò)渡✏️法,第一層🈚高(gao)度根據面網格(gé)和過渡☀️比進行(hang)确定,最大層數(shu)爲💰5層，增長率爲(wèi)1.2,這時邊界層總(zǒng)厚度是變化的(de),對于複雜流動(dòng)更🆚有效，結果如(rú)圖3所示。
爲提高(gao)節流孔闆内部(bù)及其到前後取(qu)壓截面處的模(mo)拟精度🈲,利用影(ying)響球對孔闆前(qian)後長度爲D的流(liu)場範圍✂️内進行(háng)了局部網格🎯加(jiā)密,網格數量過(guò)少會導緻計算(suan)精度不足,而過(guò)多的網格數量(liàng)則會無謂地加(jia)大計算工作量(liang),降低計算速🤞度(du)。本文對🧑🏽🤝🧑🏻DN25和DN200兩種(zhǒng)管徑不同的管(guan)道進行網格數(shù)量與計算❌結果(guǒ)無關性🔞的驗證(zheng)，綜合計算精度(du)與計算速度考(kao)慮,對于DN25管道,選(xuan)取網格數分别(bié)爲956036和1190483時,在各點(dian)測出的壓力相(xiang)差均小于0.01%，因此(ci)選擇劃分網格(gé)數爲956036;對于🈲DN200管道(dao),選取網格數分(fen)别爲2308874與4328293時,在各(ge)點測出💘的壓力(lì)相差均🔞小于0.01%，因(yin)此選擇劃分網(wǎng)❄️格數爲2308874。
1.2模拟程(chéng)序參數設置
1.2.1物(wu)性參數設置
Refprop軟(ruǎn)件由NIST開發，該軟(ruǎn)件含有豐富的(de)數據庫以及适(shì)用于超臨界CO,的(de)多個狀态方程(cheng)。本文通過在Fluent軟(ruǎn)件中激⛱️活NISTRealGas模型(xing)[川進行調用,計(jì)算超臨界二氧(yǎng)化碳流體的物(wu)性參㊙️數。其中物(wu)性參數采用FEK狀(zhuàng)态方程模型計(jì)算🔴，黏度采用✍️VS1模(mo)型,導熱系數采(cai)用TC1模型,各模✉️型(xíng)的相關參數如(rú)表2所示。
1.2.2邊界條(tiao)件設置
本文針(zhēn)對超臨界二氧(yang)化碳鍋爐人口(kou)處的循環工質(zhi)進行流量系數(shu)測量的數值模(mó)拟研究,設置了(le)質✌️量流🤩量人口(kou)與壓力出口,溫(wen)度、壓力等參數(shù)的選取爲超臨(lin)界二氧化碳鍋(guō)爐入口處工質(zhi)典型參數,即🐆750K、21MPa。由(yóu)于循環系統運(yun)行于高壓環✉️境(jìng)，管道的壓力損(sun)失相較而言很(hen)小，因此可認爲(wèi)管道壓力爲恒(héng)定.值,壓力出口(kǒu)參數設置與人(rén)口相同,其餘參(cān)數保持默認不(bu)變;由于超臨界(jie)二氧化碳鍋爐(lú)人口處管道一(yī)般采取嚴格保(bǎo)溫措施,因此可(ke)忽略壁面與工(gong)質間的換熱,設(she)置爲絕熱邊界(jie)。
1.2.3數值模型設置(zhi)
本文主要模拟(nǐ)超臨界二氧化(hua)碳工質流經孔(kǒng)闆流量計㊙️的流(liú)動過程,基本方(fang)程包含質量、動(dòng)量和能量輸運(yun)方程,由雷諾數(shù)的定㊙️義公式
計(jì)算可知本文針(zhen)對的超臨界二(er)氧化碳工況下(xia)雷諾數均💞遠大(dà)于4000,因此管道内(nei)的流動均處于(yu)湍流狀态,在進(jin)行數值模拟時(shi)需進行湍流模(mo)型的設置,本文(wén)選擇SSTh-ɷ湍流模型(xing)。
1.2.4求解參數設置(zhì)
FLUENT中的亞松弛因(yin)子主要控制計(ji)算過程中每次(cì)叠代的變化量(liang),可📞以通過減少(shao)兩層次之間計(jì)算.結果的差值(zhi)從而促進收斂(lian)。本文設置的亞(ya)松弛因子如表(biǎo)3所示。
1.3模型的驗(yan)證
基于上述設(shè)置，本文針對溫(wēn)度爲535.1~642.5K、壓力爲19MPa、質(zhi)量流量✨爲🆚1.28kg/s的實(shi)驗工況進行了(le)模拟研究,模拟(ni)的孔闆結構參(can)數、溫度、壓力、流(liu)量等參數以及(jí)數據處理方法(fǎ)均與實驗保持(chí)--緻😄,得到了超臨(lin)界二氧化碳工(gōng)質的流量系數(shù)。将模拟計算得(dé)到的流量系數(shù)與實流測量結(jié)果進行對比,結(jié)果如圖4所示。,通(tong)過數值模拟得(dé)到的流量系數(shu)與實驗數據總(zong)體趨勢相似,在(zài)數值上均高于(yú)實驗數據,但相(xiang)對💃🏻于實驗數據(ju)的偏差較小,偏(piān)✂️差爲1.62%~2.69%。
造成偏差(chà)的原因可能有(yǒu)多種,如實驗選(xuǎn)用測量儀表具(jù)有一定的不确(què)定度、模拟參數(shù)的設置無法與(yǔ)真實㊙️情況完全(quan)對應、收斂判據(jù)設置不嚴格等(děng)等。爲了降低模(mó)拟結果與實驗(yan)數據的偏差😍,本(ben)文分别按各模(mó)拟結果相對同(tong)工況下實✉️驗數(shù)據的偏差平均(jun1)值進行修正。模(mó)拟得到流🈲量系(xì)數相對🔞實驗數(shù)據平🐉均增大0.013,因(yīn)此對模拟結果(guo)減去🚩該修正值(zhí),修正後相對偏(piān)差爲0.016%~0.674%。
上述結果(guo)說明數值模拟(nǐ)方法與實驗結(jié)果的一緻性較(jiao)好,因此😄本文建(jian)立的數值模拟(ni)方法可用于後(hou)續進一步的研(yan)究。
2孔闆結構參(cān)數對流量系數(shù)影響
2.1直徑比的(de)影響
直徑比會(hui)顯著影響孔闆(pǎn)對于介質流過(guò)的節流效果,改(gai)變介質流過的(de)速度、壓力等參(cān)數,是影響孔闆(pǎn)流量🔞計測量性(xing)能的首要因素(sù)。ISO國際标準中規(gui)定,孔闆流量計(ji)的直徑比一般(ban)在0.1~0.75内💔變化,本文(wén)分别選取直徑(jìng)比在0.3~0.9之内的7個(ge)工況進行☔了模(mo)拟計算,探究孔(kǒng)📐闆流量計直徑(jìng)比對流量系數(shu)的影響，得到的(de)結果如圖5所示(shi)。
對數據進行分(fèn)析可知:
(1)孔闆流(liú)量系數随直徑(jing)比的變化趨勢(shi)與管徑無關。随(sui)👉着孔❓闆直徑比(bi)增大,DN25和DN200管道内(nèi)孔闆流量系數(shù)呈現近似相💛同(tong)變化趨勢;上升(shēng)-平穩-.上升,主要(yào)區别在于前者(zhe)在β爲0.4~0.8範圍内較(jiao)平穩、而後者在(zài)0.5~0.8範圍内較平穩(wen);
(2)标準文件[10]中經(jing)驗計算公式的(de)結果随直徑比(bi)增加而逐漸下(xia)降㊙️,其中直徑比(bi)在0.3~0.6範圍内時下(xià)降趨勢較平緩(huan),當超過0.6時下降(jiàng)值逐漸增大;
(3)孔(kǒng)闆流量系數在(zai)β爲0.3~0.6時小于經驗(yàn)公式計算值,此(cǐ)範圍🥰内使🙇🏻用經(jing)驗計算公式會(huì)使測量結果較(jiao)真實值🐕大2.45%~47.03%;β在0.7~0.9時(shí)孔🌈闆流量系數(shù)大于經驗公式(shì)計算值，此時使(shǐ)用經🐉驗計算公(gōng)式會使測量值(zhí)比實際值小0.5%~60.19%;
(4)當(dāng)直徑比在标準(zhun)文件[10]規定的0.1~0.75範(fàn)圍内時,孔闆流(liu)量系數的模⭐拟(ni)結果與經驗公(gōng)式計算結果的(de)相對誤差波動(dong)較大,如🔆對DN25管道(dào)而言,β爲0.3時相對(duì)偏差達到47.03%,而β爲(wèi)0.7時相對偏差僅(jin)爲0.5%。因🍉此對于🧡超(chao)臨界二氧化碳(tan)工質而言，孔☂️闆(pǎn)直徑比的選擇(ze)範圍應較标準(zhǔn)規定範圍縮小(xiao);對于超臨界二(èr)氧化碳工質而(er)㊙️言,直徑比在0.6~0.7範(fan)圍内時孔闆流(liu)量系數的模拟(nǐ)結果與經驗公(gōng)式⭐計算結果的(de)相對誤差較小(xiǎo)，其中DN25管道相對(duì)誤差爲👄0.5%~2.45%,DN200管道相(xiang)對誤差爲2.27%~3.6%。
2.2節流(liu)孔厚度的影響(xiang)
孔闆節流孔厚(hou)度決定了超臨(lin)界二氧化碳工(gōng)質流🏃♀️過收縮管(guan)道的長度,是影(yǐng)響孔闆節流能(neng)力的主要參數(shù)之一，會對工質(zhi)流過孔闆的流(liú)速、壓力等參數(shu)産生影響,進而(er)❄️影響測❗量結果(guo)。标準文件[10]規定(ding)标準孔闆節流(liú)孔厚度應在0.005D~0.02D之(zhī)間,對應DN25管道的(de)e應在0.115~0.46mm,DN200管道💔的e應(ying)在0.695~2.78,本文分别模(mo)拟了DN25管道e爲0.1~0.7mm、DN200管(guǎn)道e爲0.2~4.2mm時超臨界(jie)🐅二氧化碳工質(zhi)流過節流孔闆(pan)的流量系數變(biàn)化,爲便于對比(bi)✔️,以e/D爲橫😘坐标将(jiāng)結果表示在圖(tu)6中。
對數據進行(hang)分析可知:
(1)孔闆(pǎn)流量系數随e/D的(de)變化趨勢與管(guǎn)徑無關。随着e/D逐(zhú)漸增加,DN25和DN200管道(dào)内孔闆的流量(liang)系數均呈現先(xiān)減小後增大的(de)趨勢，分别在e/D爲(wei)🌈0.017和0.023時達到最小(xiǎo)值，此後流量系(xì)數先急劇增大(dà),随✉️後保持平緩(huan)增長;
(2)标準文件(jian)[I0]中經驗計算公(gōng)式的結果不随(suí)節流孔厚❌度而(ér)♈發生改變,其中(zhong)DN25管道的經驗公(gong)式計算結果略(lue)大-一些,模拟得(de)到的DN25和DN200管道的(de)流量系數均小(xiao)于經驗公式計(jì)算結✂️果,其中前(qian)者的相對誤差(cha)爲0.18%~1.84%,後者的相對(dui)誤差爲0.31%~2.05%;
(3)在标準(zhun)文件[10]規定孔闆(pǎn)節流孔厚度範(fan)圍内,孔闆流量(liàng)系數模拟結果(guo)與經驗公式的(de)相對誤差均在(zài)2%以下,因此标準(zhǔn)中規定的孔闆(pǎn)節流孔厚度範(fàn)圍可以接受;同(tóng)時還發現當節(jiē)流孔厚度超過(guò)規定範圍一㊙️定(ding)值後,相對誤差(cha)仍可接受,甚至(zhì)相對誤差還可(ke)能💘減少，如DN25管道(dào)的e爲0.6mm、0.7mm時,均超出(chu)了規定上🤟限0.46mm,但(dàn)相對誤差分别(bié)達到📧了0.3%和0.18%，因此(ci)标準中規定的(de)節流孔厚度範(fan)圍在針對超臨(lín)🧑🏾🤝🧑🏼界二氧化碳工(gōng)質時可以适當(dang)擴大,推薦DN25管道(dào)孔闆節🐇流孔厚(hòu)度可在0.004D~0.03D内變化(hua)，DN200管道在0.005D~0.03D範圍内(nei);
(4)基于模拟結果(guo)給出相對誤差(cha)更小時對應孔(kǒng)闆節流孔厚度(du)的🔆推薦值,其中(zhōng)DN25管道孔闆在e/D爲(wèi)0.004~0.008及0.02~0.03之間,即e爲0.1~0.2mm.0.5~0.7mm時(shi)，相對誤差👅小于(yú)1.5%;DN200管道孔闆在e/D爲(wei)0.005~0.012及0.027~0.03時,對應e爲0.7~1.7mm及(ji)3.7~4.2mm時，相對誤差小(xiao)于等于⛹🏻♀️1.5%。
2.3孔闆厚(hòu)度的影響
由圖(tú)1可知，标準孔闆(pǎn)在節流孔之後(hou)還設置一定長(zhǎng)度的🐉錐形擴流(liú)段,與節流孔段(duàn)共同組成孔闆(pǎn)的節流段,該擴(kuò)流段長度也會(hui)對孔闆的節流(liu)能力産生影響(xiǎng),從👌而改變工質(zhi)流過孔闆後的(de)速💚度、壓力等參(can)數,對測量精度(du)産生影響。标準(zhun)文件[10]規定孔闆(pan)厚度E應在e~0.05D之間(jian),對應DN25管道的E應(ying)不大于1.15mm,DN200管道的(de)E不超過6.95mm。
本文在(zài)保持節流孔厚(hòu)度不變的情況(kuang)下，分别設置☁️了(le)🏃♀️不同的孔闆厚(hou)度用以探究流(liu)量系數的變化(huà),其中DN25管道孔🈲闆(pǎn)厚度E爲🧡0.5~1.4mm,DN200管道孔(kǒng)闆厚度E爲3~8mm,模拟(nǐ)結果如圖7所示(shì)。
對數據進行分(fen)析可知:
(1)孔闆流(liú)量系數随E/D的變(bian)化趨勢與管徑(jing)無關。随着E/D逐漸(jiàn)🏃增加,DN25管道和DN200管(guǎn)道内孔闆流量(liàng)系數呈現近似(si)相同的變化趨(qū)勢🆚:即下降上升(shēng)-平穩-下降,主要(yao)區别在于DN200管道(dao)内孔闆流量系(xi)🐕數下降和上升(shēng)的趨勢更加明(ming)顯;
(2)流量系數經(jing)驗計算公式的(de)結果不随孔闆(pan)厚.度而發生變(biàn)💘化，其中DN25管道的(de)經驗公式計算(suàn)結果偏大--些💃,DN25和(hé)DN200管道的流量系(xì)數均小🐇于經驗(yàn)公式計算值,因(yīn)此當使用經驗(yan)公式進行工質(zhi)流量計算🌂時會(huì)造成計🆚算結果(guǒ)偏大;
(3)在标準文(wén)件[10]規定孔闆厚(hòu)度範圍内,DN25和DN200管(guan)道内孔闆🌍流量(liàng)系數與經驗計(jì)算公式的相對(dui)誤差均在2%以下(xia)❄️，因此标準中的(de)規定範圍可以(yǐ)接受,但該規定(ding)範圍對于超臨(lin)界二氧化碳工(gong)質可适當擴充(chōng),如模拟結果所(suo)示，當DN25和DN200兩種管(guan)徑的孔闆厚度(du)E達到0.06D左右時，雖(suī)✨然已經超出了(le)規定的0.05D這一限(xiàn)值,但相對誤差(chà)仍小于2%，處于可(kě)接受的範圍,但(dan)依據🔴變化趨勢(shi)可以合理預測(ce)，當孔闆厚度繼(jì)續增加時，相對(dui)誤差将大于2%，因(yin)此㊙️建議對于超(chao)臨界二氧化碳(tan)工質而言,孔闆(pǎn).厚度可設置在(zài)0.02D~0.06D之間。
2.4孔闆流量(liang)計結構參數設(she)計建議
通過對(duì)孔闆流量計各(ge)結構參數的模(mó)拟研究,明确了(le)在進行🔅超♊臨界(jiè)二氧化碳工質(zhì)質量流量測量(liang)時,孔闆流量系(xì)數🐆随各結構🌍參(can)數的變化趨勢(shi)與相對🧡誤差,本(běn)節主要🌈對以上(shàng)模拟結果進行(hang)總結分析,參🔆考(kao)《用能單位能源(yuán)計量器具配備(bèi)和管理通則》中(zhong)的精度規定，，給(gei)出了針對超臨(lín)界二氧化碳工(gōng)質的孔闆流量(liang)計結構參數推(tuī)薦設計範圍,在(zài)該範圍内經驗(yàn)計算公式的計(ji)算結果可滿足(zu)2.5精度等級要求(qiu),還進❄️一步提出(chū)了該範圍内精(jing)度相對更高的(de)結構參🤞數推薦(jian)值，将以上結果(guo)與現行國際标(biao)準ISO5167-2:2003中标準孔闆(pǎn)流量計各結構(gòu)參數的規定範(fan)圍進行對比,如(ru)表⁉️4所示。
可以看(kàn)出,對于超臨界(jie)二氧化碳工質(zhi)而言,标準文件(jian)👄[10]規💰定🔆的孔闆流(liú)量計各結構參(cān)數的設計範圍(wéi)并🍓不完全适用(yòng),其🌈中直徑比的(de)規定範圍過大(dà),對應的流量系(xì)數的相對誤差(cha)也波動較大,從(cóng)0.5%到47.03%不等,而當直(zhi)徑比在0.6~0.7範圍内(nei)時,可将相對誤(wu)差有效降低至(zhi)0.5%~3.6%;在标準文件[10]規(gui)定的節流孔厚(hou)度、孔闆厚度等(deng)參數範🈚圍内,絕(jue)大多數流量系(xi)數的相對誤差(chà)可控制在2%以下(xià)，因此其規定範(fan)圍可以繼續使(shi)用♊,同時本文的(de)數值模拟結果(guo)顯示，當孔闆的(de)以，上幾個結構(gou)參數的數值超(chāo).出⛷️其規定範圍(wéi)時,最大相對誤(wù)差也僅爲2%左右(yòu)，因此對于超臨(lín)♋界二氧化碳工(gong)質而言，孔闆的(de)節🌐流孔厚度、孔(kǒng)闆厚度等參數(shu)均可一定程度(dù)上超出💋标準中(zhong)的規定範圍，相(xiàng)對誤差也可接(jiē)受。
3入口直角邊(bian)緣尖銳度及其(qi)修正系數的模(mo)拟研究
一般而(er)言,孔闆人口邊(biān)緣應該是尖銳(rui)的,其與超臨界(jiè)二氧🌏化碳工質(zhi)首先直接接觸(chu),如果其尖銳度(du)不夠的話則無(wú)法保證對于工(gōng)質的節流作用(yong)達到預期,因而(ér)✏️會對測量精度(du)㊙️産生影❄️響。在孔(kong)闆實際工作過(guò)程:中,可能存在(zài)加工精度不足(zú)、工質磨損、腐蝕(shi)等❌問題的存在(zai),造成直角邊緣(yuán)變鈍,故标準文(wen)件[10]規定♈,孔闆人(ren)口邊緣的圓弧(hú)半徑應小于等(deng)于0.0004D,在此限值㊙️之(zhī)内的誤差是可(kě)以接受的,若超(chao)過這一-限值,則(zé)無⭕法💰保證測量(liang)精度,應進行相(xiàng)應的維修、更換(huan)或修正等。本文(wén)模拟了孔闆人(ren)口邊緣圓弧半(bàn)徑爲0~0.015D時🌈孔闆✂️的(de)流量系數變化(huà)趨勢,結果如圖(tu)8所示。
分析結果(guǒ)可以得出:
(1)孔闆(pan)人口邊緣尖銳(rui)度對于孔闆流(liu)量系數的影響(xiang)趨勢與管🔞徑無(wu)關。随着孔闆人(rén)口邊緣逐漸變(biàn)鈍,DN25和DN200兩種🔱管道(dào)🔴的孔闆流量系(xi)數呈現近似相(xiang)同的變化趨勢(shi)，均✉️随着人🔴口圓(yuán)弧半徑的增大(da)而先增大後減(jiǎn)🌐小,分别在r達到(dào)0.01D和0.008D時流量系數(shù)⭕達到最大;
(2)孔闆(pan)人口邊緣開始(shǐ)鈍化時,流量系(xì)數顯著增加,遠(yuǎn)❓大☎️于經驗🥰計算(suàn)公式結果,因此(ci)造成使用經驗(yan)計算🏃♀️公式時得(de)到的工質質量(liàng)流量相對真實(shí)值很小，其中DN25管(guan)道内相對誤差(cha)爲5.16%~12.61%,DN200管道的相對(dui)誤差爲5.13%~11.96%;
(3)對于超(chāo)臨界二氧化碳(tàn)工質而言,當孔(kǒng)闆人口直角邊(bian)緣✂️變✂️鈍後,應立(lì)即進行相應的(de)處理或流量系(xi)數的修正,否🔆則(zé)誤差将會變得(dé)很大。
當使用标(biao)準文件[10]給出的(de)不同邊緣尖銳(rui)度對應的修正(zhèng)系數b進🔞行孔闆(pǎn)流量系數的修(xiu)正時,可以--定程(chéng)🈚度上🤞減少流量(liàng)系數的相對誤(wu)差。本文使用表(biao)5中的❓修正系🌂數(shu)b對經驗公式計(ji)算結果進行修(xiū)正,結果如圖9所(suo)示。
結果顯示，對(dui)于超臨界二氧(yǎng)化碳工質而言(yan),當使用修🚶♀️正系(xi)數b進行孔闆流(liu)量系數的修正(zhèng)後,僅可使部分(fèn)邊緣圓弧半徑(jìng)對應的孔闆流(liu)量系數相對誤(wu)差降低到可以(yǐ)接受的程度,而(er)大部分情🧑🏽🤝🧑🏻況下(xià)相對誤差仍比(bǐ)較大,如DN25管道❗多(duō)數情況下的流(liú)量系數相對誤(wu)差在4.41%~6.94%之間,DN200管道(dào)的相對👌誤差多(duo)數在3.74%~7.11%,因此該修(xiu)正系數b對于超(chao)🌂臨界二氧化碳(tan)工質并不适用(yòng)。
對DN25和DN200管道的模(mo)拟流量系數及(jí)經驗公式計算(suan)結果😄求平均,得(de)⭐到針對超臨界(jiè)二氧化碳工質(zhì)的不同孔闆邊(biān)緣尖銳度對應(yīng)的修正系數b,如(rú)表6所示。将更正(zhèng)的修正系數應(ying)用于模🌐拟數據(jù)🏒，結果如圖10所示(shi)。
可以看出,當使(shǐ)用更正後的修(xiū)正系數b進行孔(kong)闆的流量系數(shù)經驗公式計算(suan)結果的修正後(hou),得到的流🔴量系(xi)數與❗模拟結果(guo)拟合較好,其中(zhong)DN25管道相對誤差(chà)爲0.11%~1.21%,DN200管道相對誤(wu)差爲0.11%~1.85%。
4結論
本文(wen)開展了孔闆流(liú)量計的數值模(mó)拟研究，探究了(le)❌孔闆的各結構(gou)參數對超臨:界(jiè)二氧化磯工質(zhi)流量系數的影(ying)響,基于此給出(chu)了孔闆流量計(jì)結構參數的設(shè)計建議,并且探(tan)究了人口直角(jiao)邊緣尖銳度對(dui)流量系數的影(ying)響,得到的主要(yao)結論如下:
(1)現行(háng)标準文件中的(de)孔闆流量計結(jié)構參數的規定(dìng)✌️範圍測🏃🏻♂️量相對(dui)誤差在0.5%~47%的較大(da)範圍内波動,對(dui)于超臨界二氧(yang)化碳工質并不(bú)适用。
(2)本文針對(dui)超臨界二氧化(huà)碳工質提出了(le)孔闆.流量計結(jié)構參數推薦設(shè)計範圍,其中直(zhí)徑比應爲0.6~0.7,節流(liu)孔厚度應⭕爲0.004~0.03倍(bei)的管道内💚徑,孔(kǒng)闆厚度應爲0.02~0.06倍(bèi)的管道内徑,在(zài)該範圍内絕🈲大(da)多數🐆工況下流(liú)量系數的相對(dui)誤差可控制在(zai)2%以下;
(3)孔闆人口(kou)邊緣鈍化會使(shi)流量系數顯著(zhe)增加,且修正系(xi)數b并不能使相(xiang)對誤差降低至(zhì)可以接受的範(fàn)圍,修正後相對(dui)🧑🏾🤝🧑🏼誤差♍仍有🐅約3.74%-7.11%,本(běn)文針對不同工(gōng)況提出不同修(xiū)正參數,修正後(hòu)經驗公式的相(xiàng)對誤差降低爲(wèi)0.11%~1.85%。
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