1、书书书第 41 卷，总第 237 期2023 年 1 月，第 1 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.41，Sum.No.237Jan 2023，No.1超临界二氧化碳孔板流量计结构参数模拟研究张进1，董鹤鸣1，王硕2，魏国华1，2，杜谦1，高建民1，黄玉东1(1 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001;2 哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150046)摘要:超临界二氧化碳循环发电技术采用超临界状态下的二氧化碳代替传统水蒸气工质，由于物性发生巨大变化，质量流量测量与计算方法需重新构建。本文开展了孔板流量计数值模拟研究，
2、使用 fluent 软件模拟计算了孔板直径比、节流孔厚度、孔板厚度等结构参数对流量系数的影响，结果表明现行标准对超临界二氧化碳并不适用。本文提出了针对超临界二氧化碳工质的孔板流量计结构参数推荐范围，在该范围内绝大多数计算结果相对误差小于 2%，并针对入口边缘钝化提出了新修正系数，修正后计算结果相对误差为 0 11%1 85%，满足测量精度要求。关键词:超临界二氧化碳;流量系数;孔板流量计;结构参数;流量测量中图分类号:TH49文献标识码:A文章编号:1002 6339(2023)01 0003 07Structural Parameter Simulation Study of Supercr
3、itical CarbonDioxide Orifice FlowmeterZHANG Jin1，DONG He ming1，WANG Shuo2，WEI Guo hua1，2，DU Qian1，GAO Jian min1，HUANG Yu dong1(1 School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China;2 Harbin Boiler Company Limited，Harbin 150046，China)Abstract:The supercritical
4、carbon dioxide cycle power generation technology uses carbon dioxide in su-percritical state to replace the traditional water steam working medium Due to the great change of physi-cal properties，the measurement and calculation methods of mass flow rate need to be rebuilt Numericalsimulation of orifi
5、ce flowmeter was carried out in this paper fluent software was used to simulate and cal-culate the influence of structural parameters such as orifice diameter ratio，orifice thickness and orificethickness on the flow coefficient The results showed that the current standard was not applicable to su-pe
6、rcritical carbon dioxide This paper proposes a recommended range of structural parameters of orificeflowmeter for supercritical carbon dioxide working medium，within which the relative error of most of thecalculated results is less than 2%，and a new correction coefficient is proposed for the inlet ed
7、ge passiva-tion，after which the relative error of the calculated results is 0 11%1 85，meeting the measurementaccuracy requirementsKey words:supercritical carbon dioxide;flow coefficient;orifice flowmeter;flow measurement;structureparameter收稿日期2022 08 15修订稿日期2022 10 20基金项目:国家重点研发计划项目(2020YFF0218102):
8、超临界 CO2锅炉设计制造检验检测关键技术作者简介:张进(1999 )，男，硕士研究生，研究方向为超临界二氧化碳储能技术。3伴随着经济社会的不断发展，我国发电机组在发电效率、能源结构、环境效益等多方面都面临着转型升级的严峻挑战。中国在 2007 年已经成为全球温室气体第一大排放国家1。习近平总书记在联合国一般性辩论会上承诺2，中国碳排放量力争分别于 2030 年和 2060 年前实现达峰和中和，作为一种变革性火力发电技术超临界二氧化碳循环是实现能源结构转型进程中的重要手段。随着“双碳”目标的逐步落实，超临界二氧化碳(温度高于303 98 K、压力高于7 38 MPa)被广泛应用，其作为工质的布
9、雷顿循环具有极高的热源适用性，可应用于太阳能、核能、余热等多种场景。且由于超临界二氧化碳密度大、黏性小、压缩性好、循环过程无相变，相比于传统水工质，超临界二氧化碳循环可以实现更高的循环效率，Dostal 等3 指出在透平入口工质温度高于 550 条件下，超临界二氧化碳循环发电系统性能显著高于水循环系统。此外，配合间歇性、随机性强的可再生能源供电以保障社会用电稳定是未来火力发电重要任务，超临界二氧化碳系统灵活性高、能实现完全热电解耦的特点也使其更能满足未来火力发电的深度调峰需求。系统内部流动工质流量的精确测量是其得以应用的基础。当前超临界二氧化碳主要用于药物/化学试剂萃取、油田驱油等温度、压力相
10、对较低的场景，而超临界二氧化碳循环系统需要二氧化碳工质达到极高的温度与压力，二氧化碳的密度、比热、黏度等物性参数发生了显著变化，对于该条件下二氧化碳流量测量，传统流量测量方法将不再适用。孔板流量计是一种技术成熟且适合于高温高压流体流量测量的方法，经过多年发展孔板流量计已形成标准化形式，主要包括两部分，分别是具有直角边缘的一段节流孔，以及在节流孔后具有一斜角的锥形扩流段，其结构如图 1 所示。然而有关测量超临界二氧化碳循环中工质流量的孔板流量计设计方案，国内外并无经验借鉴。因此需要针对超临界二氧化碳工质的全新特性，探究孔板结构参数的变化对于流量系数的影响，同时验证现有标准中的相关规定对于超临界二
11、氧化碳工质是否适用。我国学者采用数值模拟为主，实验验证为辅的研究方式，以水或天然气为研究对象，开展了管径、孔径、厚度等结构参数对孔板流量计的影响研究。孔板直径比、厚度等参数会显著影响孔板的节流特性，从而影响流量计的计量性能。林棋等人4 5 发现当直径比小于 0 3 时，流量系数随直径比增加而快速下降，当直径比大于 0 3 时，流量系数逐渐递增，但增速较缓;华兰5 的研究结果显示，直径比在02 0 8 范围内时，流量系数随 增大呈先减小后增大的趋势，并以 0 55 为分界点，其中 在 0 45 0 65 之间时可控制误差在 3%以内。与直径比不同，流量系数随孔板厚度的变化特性较一致。陈家庆等人7
12、 发现随厚度 e 增加，流出系数直线上升;林棋等人4 5 也认为流出系数随缩径孔厚度增大而增大;杨杰等人8 在模型中考虑了引压管的存在，结果显示，e 变化 0 15 mm 时，流出系数变化 1 56%;e 变化 1 mm 时，流出系数变化 2 125%。图 1标准孔板截面示意图近年来不断精进的理论知识、不断优化的算法以及不断更新扩充的实验数据库等都保证了数值模拟研究的正确性与精度，因而逐渐成为主流研究方法之一。孔板流量计管道内部介质流动复杂，参数变化剧烈，采用数值模拟方法可以有效捕捉到管道内部的细微变化，因此是孔板流量计研究的有力工具。部分学者利用数值模拟对孔板流量计结构进行了优化设计。Muo
13、z Daz 等人9 利用 Fluent 模拟了一种半双曲线型的新式孔板流量计，并同时利用牛顿流体和非牛顿流体进行验证，发现这种流量计可使内部介质近似无剪切流动，大大消除了涡流和停滞区等流动结构;Shaaban10 研究发现在孔板流量计下游插入一个环可以有效减少压力损失，并利用数值模拟和遗传算法优化得到最优结构，可减少33 5%的压力损失，极大的降低了能耗和成本。因此，本文进行了孔板流量计结构参数对于流量系数影响的模拟研究，包括直径比、节流孔厚度、孔板厚度等结构参数，明确了在超临界二氧化碳工4质典型工况下不同结构参数对流量系数的影响，同时将通过现行孔板流量计国际标准文件中经验公式计算得到的结果与
14、数值模拟结果进行比较，提出了针对超临界二氧化碳工质的孔板流量计结构参数推荐范围与推荐设计值，提升了其测量精度。除此之外，还探究了孔板入口直角边缘钝化对孔板流量计测量精度的影响，并据此提出了新的针对现行孔板流量计国际标准文件中经验公式计算得到的流量系数的修正系数。1计算模型与模拟方法1 1模型建立与网格划分根据标准文件11 规定的孔板流量计结构设计与参数要求，本文分别建立了 DN25 和 DN200 两种管径的孔板流量计，结构参数如表 1 所示，在后文进行相关研究时均以该表中的结构参数为基础参数，依据该参数使用 Solid Works 软件建立了孔板流量计及其前后一定长度管道的几何模型，如图 2
15、 所示。表 1孔板流量计模型的结构参数型号/mm管道内径/mm孔板厚度/mm节流孔厚度/mm斜角/直径比前直管段长度/mm后直管段长度/mmDN25230 703450728D7DDN200139417450720D8D图 2孔板流量计的三维几何模型示意图本文采用非结构化网格进行模拟计算，利用Ansys Meshing 软件将孔板流量计管道划分为四面体网格和六面体网格相结合的混合形式。除此之外，为了准确捕捉到流场内的细微变化，在介质与管道内壁接触处进行边界层的网格划分，采用平滑过渡法，第一层高度根据面网格和过渡比进行确定，最大层数为 5 层，增长率为 1 2，这时边界层总厚度是变化的，对于复杂
16、流动更有效，结果如图 3 所示。图 3边界层网格示意图为提高节流孔板内部及其到前后取压截面处的模拟精度，利用影响球对孔板前后长度为 D 的流场范围内进行了局部网格加密，网格数量过少会导致计算精度不足，而过多的网格数量则会无谓地加大计算工作量，降低计算速 度。本 文 对 DN25 和DN200 两种管径不同的管道进行网格数量与计算结果无关性的验证，综合计算精度与计算速度考虑，对于 DN25 管道，选取网格数分别为 956 036 和1 190 483时，在各点测出的压力相差均小于 0 01%，因此选择划分网格数为 956 036;对于 DN200 管道，选取网格数分别为 2 308 874 与 4 328 293 时，在各点测出的压力相差均小于 0 01%，因此选择划分网格数为 2 308 874。1 2模拟程序参数设置1 2 1物性参数设置efprop 软件由 NIST 开发，该软件含有丰富的数据库以及适用于超临界 CO2的多个状态方程。本文通过在 Fluent 软件中激活 NIST eal Gas 模型11 进行调用，计算超临界二氧化碳流体的物性参数。其中物性参数采用 FEK 状态方