Статьи

При разработке и вводе в эксплуатацию автоматической системы непрерывного контроля выбросов загрязняющих веществ (АСНКВ) важный моментом является метрологическая экспертиза. Её основная цель — обеспечение единства и точности измерений. А именно, необходимо провести ряд работ:

— рассчитать дополнительную погрешность результата измерений расхода выбрасываемых газов на источнике выбросов в выбранном месте установки расходомера, обусловленную несоответствием монтажа расходомера требованиям эксплуатационной документации;

— определить оптимальную секцию дымовой для выполнения монтажа расходомера по критерию минимальной погрешности результата измерений объемного расхода выбрасываемых газов.

Здесь и появляется понятие моделирования профиля потока. Это процесс анализа и расчёта распределения скоростей, температуры, давления и состава газового потока в месте установки датчиков автоматической системы непрерывного контроля выбросов загрязняющих веществ (АСНКВ).

Выражаясь более простым языком, это как бы «виртуальное» (или математическое) исследование того, как движется поток загрязнённого воздуха в трубе или канале, где стоит задача измерять выбросы.

Смысл моделирования — обеспечить точность и достоверность измерений выбросов. Моделирование обусловлено важными причинами:

1. выбором оптимального места установки датчиков
   1. Поток может быть турбулентным, неравномерным, с вихрями.
   1. Неправильное место установки приведёт к некорректным данным по концентрации загрязняющих веществ.
2. Обеспечением репрезентативности пробы.
   1. Чтобы автоматическая система измеряла состав потока, характерный для всего сечения трубы, а не только локально.
3. Соответствие нормативам.
   1. В большинстве стран (в том числе по стандартам ISO и ГОСТ) нужно обязательно проводить такое моделирование перед установкой системы.
   1. Например, ISO 10780, EN 15259, ГОСТ Р 51592-2000 требуют проводить определение профиля потока.
4. Определение требований к пробоотборнику.
   1. Нужно понять, где и как брать пробу, какой длины зонд, нужны ли выпрямляющие участки и т.д.

При этом в состав работ моделирования профиля входит:

1. Определение основных технических и метрологических характеристик

1.1. Характеристика измеряемой среды

1.2. Разработка имитационной модели

Моделирование может выполняться двумя путями.

1. Физическое (экспериментальное) моделирование:
   1. проводится обследование потока на месте.
   1. используются анемометры, термопары, газоанализаторы.
   1. измеряют скорости и концентрации по сечению.
2. Численное моделирование — математическая модель потока в трубе на компьютере, которая позволяет предсказать поведение газов до установки оборудования.

В результате проведенных работ формируются следующие результаты:

1). Выводы, в которых указывается возможность/невозможность применения средств измерения в предполагаемых местах их размещения на основании пределов допускаемых погрешностей, суммарного значения пределов допускаемых погрешностей, а также результатов расчетов.

2). Рекомендации по конкретным местам (высотным отметкам) установки средств измерения на источниках выбросов.

Таким образом, моделирование профиля потока — это важный этап проектирования системы контроля выбросов, без которого невозможно:

• гарантировать точность измерений;
• убедиться в соблюдении экологических норм;
• обосновать расположение системы при аудите или проверке.

Рассмотрим моделирование профиля потока на конкретном примере — проведение метрологической экспертизы части промышленной дымовой трубы цеха одного из предприятий химической промышленности.

В ходе работы выполнено следующее.

Проведено исследование влияния особенностей части дымовой трубы и подводящего газохода на режимы течения выбрасываемого газа в полости дымовой трубы, с применением методов численного моделирования процессов газодинамики, в соответствии с МИ 3667-2023 «Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок проведения анализа течения жидкостей и газов методами численного моделирования в расходометрии».

В качестве исходных данных использовался чертеж дымовой трубы, паспорт дымовой трубы, фото источника выбросов, описание типа и руководство по эксплуатации на используемый расходомер.

Далее изучалась характеристика измеряемой среды – состав газов и их температура. Затем выполнена разработка имитационной модели — в CAD‑системе сформирована твердотельная 3D-модель вычислительной области дымовой трубы. С целью определения влияния конструктивных особенностей дымовой трубы и места установки расходомера на структуру потока и результаты измерений, проведено численное моделирование работы на идеализированном участке дымовой трубы для рабочего режима с аналогичными граничными условиями.

В результате моделирования получены линии тока рабочего тела, подробные поля скоростей и давлений по всей вычислительной области; представлены профили скорости в поперечном сечении дымовой трубы в предполагаемых местах установки расходомера для рабочего режима; траектории потока газа в местах расположения газоходов и на уровне рассматриваемого сечения.

На конечном этапе работы даны рекомендации об учете пределов допускаемой относительной погрешности результата измерений скорости и объемного расхода выбросов, рассчитанной с применением методов численного моделирования процессов газодинамики, как дополнительной составляющей при расчете суммарного значения пределов допускаемой относительной погрешности результата измерений скорости и объемного расхода выбросов в рабочих условиях; о диапазоне высот, в пределах которых нужно устанавливать расходомер.