天然氣氣體流量計流場模型與云圖分析

摘 要：本文針對天然氣的流量測量問題，提出了一種超聲測量的氣體流量計設計方法，主要分析了天然氣單回路超聲測量的流場原理模型，并由此擴展到天然氣多回路超聲測量的流場原理模型。在流場模型中，重點考慮了超聲波和天然氣的流動方向的一致性，并計算出天然氣的流動速度，進而完成天然氣體積流量測量。在仿真試驗的過程中，本文通過云圖分析證實了超聲氣體流量計對200 mm以上天然氣傳輸管道的測量效果更準確，仿真云圖也更均勻。

關鍵詞：天然氣；超聲測量；氣體流量計；仿真云圖

中圖分類號：TE 97 " " 文獻標志碼：A

為了實現節能減排和綠色發展，尤其為了達成碳中和、碳達峰的發展目標，使用清潔型能源代替高污染能源已經成為一種必然趨勢。與煤炭和石油相比，天然氣屬于清潔型能源，釋放熱量過程中含碳污染物的排放量也較低，并且儲量豐富，是未來的主要能源[1]。目前我國天然氣的消費量不斷增加，并以年均近10%的速度遞增。從企業經營和消費者支付的角度來說，對天然氣的準確計量是重要的工作內容。天然氣的用量計量可根據天然氣的質量、體積及其所產生的能量這3個方面進行計量，形成了多種型號的天然氣計量儀器[2]。超聲流量計量法是一種新穎的方法，對氣體和液體都可以進行準確計量，原理清晰，使用方便，安裝簡單，計量效率高且準確[3]。因此本文以此為計量方法，對天然氣氣體流量計進行原理設計、流場建模和云圖分析。

1 天然氣單回路和多回路超聲計量的流場分析

超聲流量計既可以對液體的流量進行測量，也可以對氣體的流量進行測量。因此，超聲流量測量方法成為天然氣氣體流量測量的備選方案。根據實際使用經驗，超聲流量可以通過一個回路完成測量，也可以通過多個回路完成測量，其基本原理如下所示。在要測量天然氣流量的管道兩側分別布置超聲信號換能器，該換能器需要同時具有超聲信號發射器和超聲信號接收器的功能。管道一側的換能器發射超聲信號，另一側換能器接收信號。反之，管道兩側換能器的功能就發生轉換。這里需要指出的是，由于天然氣在管道內的流動是有方向的，因此會導致超聲波和天然氣流動方向一致或相反。當超聲波和天然氣流動方向一致時，超聲信號從發射到接收的速度就會變快。反之，當超聲波和天然氣流動方向相反時，超聲信號從發射到接收的速度就會變慢。由于管道壁兩側的換能器安裝位置固定，因此二者間的絕對距離是固定的，2次異向發射和接收會出現速度差異，可以據此計算出天然氣的流速和流量，從而完成天然氣氣體計量。

通過一個回路完成超聲測量的原理圖如圖1所示。

假設管道內天然氣的流動方向為從左到右，如果將管道壁上方的換能器作為發射器，將管道壁下方的換能器作為接收器，那么超聲波和天然氣的流動方向一致，此時超聲波傳遞的速度如公式（1）所示。

vAB=c0+vcosθ " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：vAB為管道壁上方的換能器為發射器、管道壁下方的換能器為接收器時的超聲波傳遞速度；c0為管道內空氣阻力形成的速度固有參數；v為管道內的天然氣流動速度；θ為天然氣流動速度和超聲波傳遞速度2個方向間的夾角。

當超聲波和天然氣的流動方向一致時，超聲波從發射到接收的時間如公式（2）所示。

（2）

式中：tAB為超聲波從發射器到接收器的傳遞時間；L為發射器到接收器的距離。

仍然設定管道內天然氣的流動方向為從左到右，如果管道壁下方的換能器為發射器，管道壁上方的換能器為接收器，那么超聲波和天然氣的流動方向相反，那么此時超聲波傳遞的速度如公式（3）所示。

vBA=c0-vcosθ " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：vBA為管道壁下方的換能器為發射器、管道壁上方的換能器為接收器時的超聲波傳遞速度。

當超聲波和天然氣的流動方向相反時，超聲波從發射到接收的時間如公式（4）所示。

（4）

式中：tBA為超聲波從發射器到接收器的傳遞時間。

至此可以計算出超聲波和天燃氣同向、反向時的傳遞時間差，如公式（5）所示。

（5）

式中：?t為超聲波和天燃氣同向、反向時的傳遞時間差。

進而可以計算出管道內天然氣的流動速度，如公式（6）所示。

（6）

式中：v為管道內的天然氣流動速度；D為天然氣傳遞管道的直徑。

考慮在多種因素的影響下，管道內不同氣流層面上的天然氣流速并不相同，還可以在單回路超聲測量方法的基礎上進行多回路超聲測量。在管道內的多個層面上分別布置對應的發射器和接收器，對超聲波進行發射和接收。在每個層面上按照單回路的處理方式進行天然氣流動速度計算，再將各個氣流層面上的天然氣流速做和并求取平均值，將其作為管道內天然氣的流動速度，其基本原理如圖2所示。

與單個回路完成超聲測量相比，多個回路的測量方法具有明顯優勢。一方面，多個回路進行了天然氣管道內部不同層面上的測量，測量范圍大、測量點位多，更全面地表達了管道內的天然氣傳輸情況。另一方面，多個回路測量可以更可靠地完成測量過程。如果某一回路出現錯誤，其余回路仍然能夠保證測量結果的準確性。而舍棄一個錯誤回路的數據，其余回路測量結果的均值仍然可以準確表達天然氣管道內的氣體傳輸情況。

2 基于超聲原理的天然氣計量云圖分析試驗

上文構建了基于超聲測量的天然氣氣體流量計的流場模型，進行了單回路流場測量和多回路流場測量。本節將運用計算流體力學軟件進行仿真試驗和云圖分析。在計算流體力學軟件的仿真過程中，需要將天然氣管道進行柵格化建模，其主要步驟是先建立幾何模型，再對幾何模型的各個區域進行命名。當各個區域的邊界形成稠密的網格分布后，逐漸檢查和提升網格質量。輸出網格模型后，設置各區域的材料屬性，最后進行流體力學迭代計算并完成仿真云圖分析。所得天然氣管道和超聲流量計的仿真建模結果如圖3所示。

根據圖3建立的仿真模型進行進一步的迭代運算和網格優化。優化過程表明，在天然氣管道和超聲流量計的柵格模型中，網格需要達到一定數量才能更接近真實情況，但并不是數量越大越好。因為柵格數量過多會導致仿真迭代運算過程變慢、效率變低。仿真運算的過程表明，50萬左右的柵格體量即可對天然氣管道和超聲流量計進行準確表達。上述仿真分析結果如圖4所示。

目前，天然氣傳輸過程中常見的管道直徑并不統一，常見的有100mm、150mm、200mm、250mm和300mm的規格。接下來將通過管道內的天然氣傳輸速度云圖分析來確定超聲流量計的適用范圍。如果在換能器發射和接受超聲波的過程中，管道內的天然氣傳輸速度能夠保持均勻，就表明其測量結果會更準確。反之，如果管道內的天然氣傳輸速度出現明顯的層次化波動，測量結果就可能存在一定誤差。本文對2組仿真云圖進行了畢竟，天然氣管道直徑為100 mm時的天然氣傳輸速度仿真云圖如圖5所示，天然氣管道直徑為200 mm時的天然氣傳輸速度仿真云圖如圖6所示。

從圖5和圖6的仿真云圖對比結果可以看出，天然氣傳輸管道直徑越小，在超聲波的測量下，天然氣傳輸速度就越不均勻。而當管道直徑達到200 mm時，即便存在超聲波測量干擾，天然氣傳輸速度也比較均勻。可見，本文研制的天然氣超聲流量計對直徑200 mm以上的管道均適用。

3 結論

作為清潔型能源，天然氣具有儲量豐富、低碳排放等突出特點，已經成為取代石油煤炭等能源的重要標的。對天然氣用量進行準確測量，無論對天然氣的供給企業還是對消費者都具有非常重要的意義。從測量原理上看，根據天然氣的質量、體積和所產生的能量進行測量是天然氣計量的常見方式。本文以超聲測量為主要技術手段，分析了天然氣流速的超聲測量原理和流場模型，進而進行了仿真云圖分析，完成天然氣體積流量測量，證實了超聲氣體流量計對200 mm以上天然氣傳輸管道的測量效果更準確。

參考文獻

[1]楊康新，魏韋，李佰濤，等.管道內流動液體的流量測試方法及其發展趨勢探討[J].鍛壓裝備與制造技術，2021，56（1）：116-119.

[2]劉永輝，杜廣生，陶莉莉，等.反射裝置對超聲波流量計水流特性影響的研究[J].儀器儀表學報，2023，32（5）：1183-1188.

[3]鄭丹丹，王蜜，孫彥招.速度分布對氣體超聲流量計聲傳播規律的影響[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2017，50（11）：1169-1175.