天然氣氣體流量計(jì)流場(chǎng)模型與云圖分析

摘 要：本文針對(duì)天然氣的流量測(cè)量問(wèn)題，提出了一種超聲測(cè)量的氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)方法，主要分析了天然氣單回路超聲測(cè)量的流場(chǎng)原理模型，并由此擴(kuò)展到天然氣多回路超聲測(cè)量的流場(chǎng)原理模型。在流場(chǎng)模型中，重點(diǎn)考慮了超聲波和天然氣的流動(dòng)方向的一致性，并計(jì)算出天然氣的流動(dòng)速度，進(jìn)而完成天然氣體積流量測(cè)量。在仿真試驗(yàn)的過(guò)程中，本文通過(guò)云圖分析證實(shí)了超聲氣體流量計(jì)對(duì)200 mm以上天然氣傳輸管道的測(cè)量效果更準(zhǔn)確，仿真云圖也更均勻。

關(guān)鍵詞：天然氣；超聲測(cè)量；氣體流量計(jì)；仿真云圖

中圖分類(lèi)號(hào)：TE 97 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和綠色發(fā)展，尤其為了達(dá)成碳中和、碳達(dá)峰的發(fā)展目標(biāo)，使用清潔型能源代替高污染能源已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。與煤炭和石油相比，天然氣屬于清潔型能源，釋放熱量過(guò)程中含碳污染物的排放量也較低，并且儲(chǔ)量豐富，是未來(lái)的主要能源[1]。目前我國(guó)天然氣的消費(fèi)量不斷增加，并以年均近10%的速度遞增。從企業(yè)經(jīng)營(yíng)和消費(fèi)者支付的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量是重要的工作內(nèi)容。天然氣的用量計(jì)量可根據(jù)天然氣的質(zhì)量、體積及其所產(chǎn)生的能量這3個(gè)方面進(jìn)行計(jì)量，形成了多種型號(hào)的天然氣計(jì)量?jī)x器[2]。超聲流量計(jì)量法是一種新穎的方法，對(duì)氣體和液體都可以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，原理清晰，使用方便，安裝簡(jiǎn)單，計(jì)量效率高且準(zhǔn)確[3]。因此本文以此為計(jì)量方法，對(duì)天然氣氣體流量計(jì)進(jìn)行原理設(shè)計(jì)、流場(chǎng)建模和云圖分析。

1 天然氣單回路和多回路超聲計(jì)量的流場(chǎng)分析

超聲流量計(jì)既可以對(duì)液體的流量進(jìn)行測(cè)量，也可以對(duì)氣體的流量進(jìn)行測(cè)量。因此，超聲流量測(cè)量方法成為天然氣氣體流量測(cè)量的備選方案。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，超聲流量可以通過(guò)一個(gè)回路完成測(cè)量，也可以通過(guò)多個(gè)回路完成測(cè)量，其基本原理如下所示。在要測(cè)量天然氣流量的管道兩側(cè)分別布置超聲信號(hào)換能器，該換能器需要同時(shí)具有超聲信號(hào)發(fā)射器和超聲信號(hào)接收器的功能。管道一側(cè)的換能器發(fā)射超聲信號(hào)，另一側(cè)換能器接收信號(hào)。反之，管道兩側(cè)換能器的功能就發(fā)生轉(zhuǎn)換。這里需要指出的是，由于天然氣在管道內(nèi)的流動(dòng)是有方向的，因此會(huì)導(dǎo)致超聲波和天然氣流動(dòng)方向一致或相反。當(dāng)超聲波和天然氣流動(dòng)方向一致時(shí)，超聲信號(hào)從發(fā)射到接收的速度就會(huì)變快。反之，當(dāng)超聲波和天然氣流動(dòng)方向相反時(shí)，超聲信號(hào)從發(fā)射到接收的速度就會(huì)變慢。由于管道壁兩側(cè)的換能器安裝位置固定，因此二者間的絕對(duì)距離是固定的，2次異向發(fā)射和接收會(huì)出現(xiàn)速度差異，可以據(jù)此計(jì)算出天然氣的流速和流量，從而完成天然氣氣體計(jì)量。

通過(guò)一個(gè)回路完成超聲測(cè)量的原理圖如圖1所示。

假設(shè)管道內(nèi)天然氣的流動(dòng)方向?yàn)閺淖蟮接?，如果將管道壁上方的換能器作為發(fā)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(dòng)方向一致，此時(shí)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(fā)射器、管道壁下方的換能器為接收器時(shí)的超聲波傳遞速度；c0為管道內(nèi)空氣阻力形成的速度固有參數(shù)；v為管道內(nèi)的天然氣流動(dòng)速度；θ為天然氣流動(dòng)速度和超聲波傳遞速度2個(gè)方向間的夾角。

當(dāng)超聲波和天然氣的流動(dòng)方向一致時(shí)，超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間如公式（2）所示。

（2）

式中：tAB為超聲波從發(fā)射器到接收器的傳遞時(shí)間；L為發(fā)射器到接收器的距離。

仍然設(shè)定管道內(nèi)天然氣的流動(dòng)方向?yàn)閺淖蟮接?，如果管道壁下方的換能器為發(fā)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(dòng)方向相反，那么此時(shí)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(fā)射器、管道壁上方的換能器為接收器時(shí)的超聲波傳遞速度。

當(dāng)超聲波和天然氣的流動(dòng)方向相反時(shí)，超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間如公式（4）所示。

（4）

式中：tBA為超聲波從發(fā)射器到接收器的傳遞時(shí)間。

至此可以計(jì)算出超聲波和天燃?xì)馔?、反向時(shí)的傳遞時(shí)間差，如公式（5）所示。

（5）

式中：?t為超聲波和天燃?xì)馔?、反向時(shí)的傳遞時(shí)間差。

進(jìn)而可以計(jì)算出管道內(nèi)天然氣的流動(dòng)速度，如公式（6）所示。

（6）

式中：v為管道內(nèi)的天然氣流動(dòng)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(nèi)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(cè)量方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行多回路超聲測(cè)量。在管道內(nèi)的多個(gè)層面上分別布置對(duì)應(yīng)的發(fā)射器和接收器，對(duì)超聲波進(jìn)行發(fā)射和接收。在每個(gè)層面上按照單回路的處理方式進(jìn)行天然氣流動(dòng)速度計(jì)算，再將各個(gè)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(nèi)天然氣的流動(dòng)速度，其基本原理如圖2所示。

與單個(gè)回路完成超聲測(cè)量相比，多個(gè)回路的測(cè)量方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。一方面，多個(gè)回路進(jìn)行了天然氣管道內(nèi)部不同層面上的測(cè)量，測(cè)量范圍大、測(cè)量點(diǎn)位多，更全面地表達(dá)了管道內(nèi)的天然氣傳輸情況。另一方面，多個(gè)回路測(cè)量可以更可靠地完成測(cè)量過(guò)程。如果某一回路出現(xiàn)錯(cuò)誤，其余回路仍然能夠保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。而舍棄一個(gè)錯(cuò)誤回路的數(shù)據(jù)，其余回路測(cè)量結(jié)果的均值仍然可以準(zhǔn)確表達(dá)天然氣管道內(nèi)的氣體傳輸情況。

2 基于超聲原理的天然氣計(jì)量云圖分析試驗(yàn)

上文構(gòu)建了基于超聲測(cè)量的天然氣氣體流量計(jì)的流場(chǎng)模型，進(jìn)行了單回路流場(chǎng)測(cè)量和多回路流場(chǎng)測(cè)量。本節(jié)將運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)和云圖分析。在計(jì)算流體力學(xué)軟件的仿真過(guò)程中，需要將天然氣管道進(jìn)行柵格化建模，其主要步驟是先建立幾何模型，再對(duì)幾何模型的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行命名。當(dāng)各個(gè)區(qū)域的邊界形成稠密的網(wǎng)格分布后，逐漸檢查和提升網(wǎng)格質(zhì)量。輸出網(wǎng)格模型后，設(shè)置各區(qū)域的材料屬性，最后進(jìn)行流體力學(xué)迭代計(jì)算并完成仿真云圖分析。所得天然氣管道和超聲流量計(jì)的仿真建模結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3建立的仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步的迭代運(yùn)算和網(wǎng)格優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程表明，在天然氣管道和超聲流量計(jì)的柵格模型中，網(wǎng)格需要達(dá)到一定數(shù)量才能更接近真實(shí)情況，但并不是數(shù)量越大越好。因?yàn)闁鸥駭?shù)量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致仿真迭代運(yùn)算過(guò)程變慢、效率變低。仿真運(yùn)算的過(guò)程表明，50萬(wàn)左右的柵格體量即可對(duì)天然氣管道和超聲流量計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)。上述仿真分析結(jié)果如圖4所示。

目前，天然氣傳輸過(guò)程中常見(jiàn)的管道直徑并不統(tǒng)一，常見(jiàn)的有100mm、150mm、200mm、250mm和300mm的規(guī)格。接下來(lái)將通過(guò)管道內(nèi)的天然氣傳輸速度云圖分析來(lái)確定超聲流量計(jì)的適用范圍。如果在換能器發(fā)射和接受超聲波的過(guò)程中，管道內(nèi)的天然氣傳輸速度能夠保持均勻，就表明其測(cè)量結(jié)果會(huì)更準(zhǔn)確。反之，如果管道內(nèi)的天然氣傳輸速度出現(xiàn)明顯的層次化波動(dòng)，測(cè)量結(jié)果就可能存在一定誤差。本文對(duì)2組仿真云圖進(jìn)行了畢竟，天然氣管道直徑為100 mm時(shí)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(shí)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(duì)比結(jié)果可以看出，天然氣傳輸管道直徑越小，在超聲波的測(cè)量下，天然氣傳輸速度就越不均勻。而當(dāng)管道直徑達(dá)到200 mm時(shí)，即便存在超聲波測(cè)量干擾，天然氣傳輸速度也比較均勻。可見(jiàn)，本文研制的天然氣超聲流量計(jì)對(duì)直徑200 mm以上的管道均適用。

3 結(jié)論

作為清潔型能源，天然氣具有儲(chǔ)量豐富、低碳排放等突出特點(diǎn)，已經(jīng)成為取代石油煤炭等能源的重要標(biāo)的。對(duì)天然氣用量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，無(wú)論對(duì)天然氣的供給企業(yè)還是對(duì)消費(fèi)者都具有非常重要的意義。從測(cè)量原理上看，根據(jù)天然氣的質(zhì)量、體積和所產(chǎn)生的能量進(jìn)行測(cè)量是天然氣計(jì)量的常見(jiàn)方式。本文以超聲測(cè)量為主要技術(shù)手段，分析了天然氣流速的超聲測(cè)量原理和流場(chǎng)模型，進(jìn)而進(jìn)行了仿真云圖分析，完成天然氣體積流量測(cè)量，證實(shí)了超聲氣體流量計(jì)對(duì)200 mm以上天然氣傳輸管道的測(cè)量效果更準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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