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    淺析整流板對天然氣流量計量的影響

    來源: 中國石化天然氣分公司計量研究中心,湖北 武漢 作者:陸玉城 發布日期:2020-05-28 10:25:57

             摘要:隨著國家節能環保戰略的實施,天然氣發展迅速,計量糾紛及輸差問題也日益突出,如何準確計量確保買賣雙方的合法利益成為關注的重點,天然氣為多組分氣體,影響計量結果的因素較多,文章主要分析整流板對超聲流量計計量結果的影響,為流量計的安裝、選型、檢定提供技術支撐。

     
            按照GB/T18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》要求[1],進入超聲流量計的天然氣應是對稱的充分發展的紊流速度分布,但由于上游管路的管道配件、調壓閥及直管段長度等會影響進入流量計的氣體速度剖面,從而影響測量準確度。為了減小流速剖面對計量的影響,各流量計廠家均配備了整流板安裝至流量計前10D位置,用于減少旋渦和改善天然氣速度分布。
     
            不同廠家流量計的聲道布置及流量計算數學模型不同,對進入流量計的流態要求不同,配套的整流板也不同,圖1是三個廠家配套的整流板,由圖可以看出,每款整流板的開孔布局、分布方式均不相同。由于大家對流量計整流板關注的少,錯誤的認為只要有整流板就能保證流量計的準確度,在流量計配整流板時未嚴格按照廠家要求進行配置,同時送檢流量計時也未將配套整流板同時送檢[2],導致檢定過程用整流板與現場應用過程整流板不一致。
    整流板
            為了確認整流板對超聲流量計計量的影響[4],本文首先采用三維仿真模擬,利用模擬數據進行計算,計算不同整流板對同一流量計的影響量,然后通過在檢定站進行實流測試對模擬計算結果進行驗證。1三維仿真模擬計算
     
    1.1建立模型
            利用計算流體力學軟件FLUENT對三維流場進行仿真,對流場的求解建立在流體力學的基本控制方程之上,即連續性方程、動量方程和能量方程,這些方程遵守了質量守恒、牛頓第二定律和能量守恒三個物理學基本原理。同時由于管道內流體處于湍流狀態,還需使用湍流方程對流場控制求解[5]。FLUENT中有多種湍流模型,其中k-ε模型是目前應用非常為廣泛的模型,該模型又分為標準k-ε模型,重組化的k-ε模型和可實現的k-ε模型。
     
            三種湍流模型在形式上類似,主要差別在于計算湍流粘性的方法、控制湍流擴散的湍流普朗特數、體壁面位置上如何進行處理等存在不同。結合天然氣流量計計量的工況條件和相關文獻資料,采用重組化的k-ε模型(RNG模型)。計算流體力學軟件FLUENT計算管道內湍流流場時,正是基于上述三個基本控制方程,同時結合合適的湍流模型并在給定邊界條件下進行求解,得到了流場內部各變量,模擬結果見圖2。
    1.2計算分析以
    Daniel流量計為例進行分析,不同整流板對流量計量結果的影響。Daniel流量計為四聲道流量計,四個聲道分布如圖3所示。
    整流板下游 10D 位置流速模擬剖面Daniel 超聲流量計聲道布置圖
            通過三維仿真模擬得到四個聲道的流速v1、v2、v3、v4,利用式(1)計算平均流速v。
    公式1
            式中:wi為各聲道的權重因子。計算三種整流板下流量計的平均流速,同時通過積分計算的理論平均流速進行比較,根據式
     
            (2)計算誤差[7]。通過模擬22m/s和3m/s兩種流速下的流體流態,結果見表1、表2。
    公式2
    流速為 22 m/s 下模擬結果流速為 3 m/s 下模擬結果
     
            通過模擬分析可見,不同整流板在下游10D位置的流體速度分布梯度有較大差異,通過同一流量計進行計量后有較大偏差,Daniel與Elster整流板差異較大,計量偏差也較大,可達0.59%,Daniel與Sick整流板較為相似,整流板對流量計的影響相對偏小,約0.15%,但不同流速的影響量不同。
     
    2試驗驗證
    2.1三維仿真結果驗證
            為了驗證三維仿真分析的結果,選用了一臺DN200Daniel超聲流量計進行實流檢定測試,測量范圍為:85.19~3124.64m3/h,測試流量點分別為4000、3000、2000、560m3/h,分別在流量計上游10D處安裝Daniel、Elster、Sick整流板,測試結果見表3和圖4。
    DN200 Daniel 超聲流量計實流測試結果不同整流板下流量計誤差曲線
            通過實驗測試分析,實驗結果與三維仿真模擬結果基本一致,三種類型整流板對流量計計量結果有一定的影響,Daniel與Elster影響的偏差非常大,Sick處于中間位置,計量結果的非常大偏差可達0.6%,同時在不同流速下,整流板對計量結果的影響不同,在40%Qmax流量點處影響相對較小,在往大流量或者小流量偏移時影響量逐漸變大。
     
    2.2流態剖面影響試驗驗證
            為了驗證流速剖面對計量的影響,選用一臺DN150Daniel流量計進行試驗[8],流量范圍為47~1846m3/h,分別對不安裝整流板、整流板部分整流孔堵塞及整流板正常安裝條件下進行測試,測試結果如表4所示。
    整流板部分堵塞測試結果
            三種安裝條件下測試結果偏差較大,說明流速剖面對計量結果影響較大,在上游10D處安裝整流板可有效較小流態的畸變,測試結果相對可靠,其他安裝條件與之對比可分析出安裝對計量的影響。在不安裝整流板時計量結果相對偏大0.3%左右,整流板部分堵塞時,計量結果相對偏大0.6%左右。對于不同類型的流量計安裝條件對計量結果的影響不盡相同,該測試結果僅對被測流量計適用,測試結果表明安裝條件的不同會導致經過流量計的流體流態不同,對計量有較大影響,至于影響趨勢及影響量需經過大量理論及試驗數據進行分析[9]。
     
    3案例分析
            在某長輸管道計量站內計量用流量計為DN400Elster超聲流量計,在應用過程中與下游計量監督站出現較大的計量交接差,通過對計量系統的排查,發現檢定時選用的是相同口徑的Daniel整流板,未選用Elster配套整流板,為了確認是否是整流板的影響,利用移動標準裝置到現場進行了在線實流測試,測試結果與前檢定結果有較大偏差,非常大偏差為0.7%,具體結果見表5。
    不同整流板下測試結果偏差
    4 結論及建議
            ( 1) 整流板對天然氣流體具有整流效果,可有效提高流量計計量的準確度,不同型號整流板適用不同類型的流量計,不能混用,混用后會引入較大的偏差,偏差非常大可達 0. 7% 。 
            ( 2) 通過三維模擬仿真及流量計計量的數學模型可分析不同整流板對流量計的影響量,通過模擬和大量的試驗數據可建立一套整流板對流量計計量的修正模型,在檢定與使用過程中選用整流板不同時可通過模型進行修正補償,同時可在計量系統評定時通過該方法定量分析計量結果的偏差。
            ( 3) 建議流量計使用及檢定時采用相同的整流板,有條件的場站可將在用整流板與流量計整體送檢,避免因整流板選型造成計量偏差。

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