基于CFD的氣體超聲流量計計量準確性研究

陳利瓊 謝虹雅 孫靖云 劉琦 陶宏偉

摘要：在實際生產中，由于現場擾流元件的作用，計量管內會出現不同程度的流速畸變，使超聲流量計的工作性能降低。因此，采用CFD數值模擬方法針對超聲流量計（以DANIEL 3400超聲流量計為例）上游存在不同布置形式的彎頭擾流元件時，保證其計量準確性的最近安裝位置進行研究，獲得DANIEL 3400型超聲流量計的推薦安裝位置，為體積計量的準確實施提供參考。結果表明，當彎頭擾流元件的形式相同且人口流速不變時，計量管內徑越大，計量誤差越小，即超聲流量計對于雷諾數Re較大的氣體具有更好的測量性能;彎頭彎曲角度越大、曲率半徑越小，氣流擾動越強。基于模擬結果，獲得不同情況下超聲流量計的推薦安裝位置，并提出在彎頭后安裝板式流動調整器以減少氣流擾動，為體積計量的準確實施提供參考。

關鍵詞：CFD;超聲流量計;安裝位置;優化

中圖分類號：TE977 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0087-05

收稿日期：2018-05-10;收到修改稿日期：2018-06-20

基金項目：2016國家重點研發計劃（2016YFC0802100）

作者簡介：陳利瓊（1976-），女，四川成都市人，教授，博士，主要從事油氣儲運安全技術、油氣儲運系統優化技術方面的研究。

通信作者：謝虹雅（1993-），女，浙江湖州市人，碩士，主要從事油氣儲運安全技術、油氣儲運系統優化技術方面的研究。

0 引言

天然氣體積計量所用的設備是體積流量計，目前國內大型輸氣管道沿線的站場多數采用超聲流量計[1]。超聲流量計屬于速度式流量計，通過測定超聲波脈沖在管道介質內的傳播速度求得介質在管道內的流速，從而獲取體積流量，具有準確性高，不受介質物性參數干擾等優點[2]。其工作時對介質的流場分布要求較高[3]，在實際站場中，由于受到站場空間或工藝流程的限制，計量管上游常存在擾流元件[4]，使氣體進入流量計時的流動呈現出非理想的流動狀態，導致流量計的計量示值誤差降低[5]。為此，國內相關標準（如GB/T 18604-2014、JJG 1030-2007等）對站場內擾流元件下游超聲流量計的安裝位置做出了一系列的規定。但對于上游存在彎頭擾流元件的多聲道超聲流量計上、下游所需直管的長度并沒有做出較為全面的規定，而且對于彎頭的幾何形狀和布置形式也沒有詳細說明，在實際應用中，根據經驗或生產廠家推薦的上、下直管長度進行安裝[6]。因此，本文將利用CFD的方法，針對計量管上游存在不同布置形式的彎頭擾流元件的情況，以DANIEL3400超聲流量計為例，對保障其準確性的最近安裝位置進行研究，并根據研究結果對體積計量工藝進行優化，從而為體積計量的準確實施打下基礎。對于彎頭來說，彎曲角度e和曲率半徑R是最主要的幾何參數[7]，因此，本文將以這兩個參數為基礎展開研究。

1 模型建立

1.1 不同彎曲角度彎頭模型

以工程上最常見的45°、90°和180°彎頭為例。根據JJG 1030-2007《超聲流量計檢定規程》中的規定[8]，對于單聲道超聲流量計，在擾流元件為單個90°彎頭時，其上游直管長度至少為36D（D為計量管內徑），為了獲取充分發展的流體流態，采用90D的下游直管長度[9]。另外，根據Q/SY XQ 21-2013《DANIEL 3400超聲流量計運行維護規程》中所推薦的流量計內徑，分別建立100mm、200mm和300mm3種內徑的計量管模型。幾何模型結構及尺寸如圖1和表1所示。

1.2 不同曲率半徑彎頭模型

以工程上3種較為常見的曲率半徑（R=1D、1.5D和2D）的90°彎頭為例，分別建立D等于100mm、200mm和300mm這3種內徑的計量管。研究所采用的局部幾何模型如圖2所示，其余部分的幾何尺寸參照表1。

1.3 邊界條件的設定

由于超聲流量計對小流量的工作性能較差，因此根據Q/SY XQ 21-2013中的規定，以3m/s作為氣體人口的邊界條件，另外，在模擬過程中，彎頭采用水平布置。

2 結果與分析

2.1 不同彎曲角度彎頭下游不同位置處的仿真

流量與檢定真實值的比較

根據仿真結果得到不同管徑條件下各彎曲角度彎頭下游不同位置處的計算流量與檢定真實值的相對示值誤差隨截面位置的變化關系如圖3所示。

1）當計量管段上游存在彎頭擾流元件時，相對示值誤差隨截面位置的增加整體呈先縮小后穩定的趨勢，說明隨著超聲流量計遠離彎頭，其工作性能逐漸提高;2）當管徑相同時，彎頭的彎曲角度越大，計量管各位置處相對示值誤差的絕對值就越大，說明彎頭對氣體的擾動作用增強;3）隨著管徑的增加，各角度彎頭下游直管內相對示值誤差的差別減弱，說明湍流強度的增加對彎頭的擾動起到了削弱作用;4）當相對示值誤差進入穩定階段后，對于各彎曲角度的彎頭，大管徑的相對示值誤差較小，說明超聲流量計對于雷諾數Re較大的氣體具有更好的測量性能;5）根據本節的研究結果并結合GB/T18603-2014《天然氣計量系統技術要求》中對計量系統配套儀表準確度的規定[10]，對于計量管段上游存在水平布置的各彎曲角度彎頭的A級計量系統（±0.7%），保證DANIEL 3400超聲流量計計量準確性的推薦安裝位置如表2所示。

2.2 不同曲率半徑彎頭下游各位置處仿真流量與檢定真實值的比較

根據仿真結果得到不同檢定流量條件下各曲率半徑彎頭下游不同位置處的計算流量與檢定真實值的相對示值誤差隨截面位置的變化關系見圖4。

1）當計量管管徑相同時，彎頭的曲率半徑R越小，計量管各位置處相對示值誤差的絕對值就越大，說明隨著彎頭曲率半徑的降低，對氣體流速的擾動增強;2）隨著管徑的增加，不同曲率半徑彎頭下游直管內各位置處相對示值誤差的差異縮小，且彎頭附近管段內相對示值誤差的波動有所增加，說明湍流強度對二次流的影響逐漸占據主導地位;3）根據GB/T 18603-2014中對計量系統配套儀表準確度的規定，對于計量管段上游存在水平布置的不同曲率半徑彎頭的A級計量系統（±0.7%），保證DANIEL 3400超聲流量計計量準確性的推薦安裝位置如表3所示。

3 體積計量優化研究

從研究結果中可以看出，在上游僅存在直管的情況下，保障DANIEL 3400超聲流量計計量準確性所需的直管長度較長，會受到站場空間的限制[11]。因此，有必要對之前的工藝進行優化。根據GB/T18604-2014中的建議[12]，采用在超聲流量計上游加裝板式流動調整器的優化方案，從而有效地減小計量單元的占地空間，同時提高計量的準確性。

3.1 優化模型的建立

本文將以對氣體流速擾動最強的彎頭參數組合進行分析，即彎頭水平安放，彎頭彎曲角度為180°，彎頭曲率半徑為1Do優化采用板式流動調整器中的一種，即斯皮爾曼流動調整器[13]，它的外形是一塊具有28個孔洞的鋼板[14]。所建立的幾何模型結構及尺寸如圖5和表4、表5所示。

3.2 優化效果分析

根據仿真結果得到流動調整器下游不同位置截面計算流量與檢定真實值的相對示值誤差隨截面位置的變化關系如圖6所示。

1）相比于優化前的計量管段，相對示值誤差的波幅度和波動距離都有所減小，達到平穩狀態時所需的直管長度大大縮短，說明超聲流量計的工作性能有所提高;2）此時DANIEL 3400超聲流量計的推薦安裝位置如表6所示。

采用混合網格進行處理，即在孔板附近的管段布置四面體非結構化網格，其他區域布置六面體結構化網格，網格模型及網格信息如圖7所示。

4 結束語

本文利用CFD仿真的方法，針對DANIEL 3400型超聲流量計上游存在不同布置形式彎頭擾流元件的情況，研究了保障該型號流量計計量準確性的最近安裝位置并進行了優化，所得主要結論如下：

1）當彎頭擾流元件的形式相同時，計量管內徑D越大，流態穩定時的相對誤差就越小，說明超聲流量計對于雷諾數Re較大的氣體具有更好的測量性能。

2）計量管內徑D越小，彎頭擾流元件對氣體流速的擾動作用就越明顯，且彎頭彎曲角度越大、曲率半徑越小，對氣體流速的擾動性就越強。

3）在超聲流量計上游直管內安裝板式流動調整器，對計量管段上游存在彎頭擾流元件的計量管進行優化，從而減小了體積計量單元的占地空間，同時提高了計量的準確性。

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（編輯：劉楊）