張永學(xué), 師志成, 劉 暢

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京102249)

帶匯管的天然氣管路對(duì)流量計(jì)量性能的影響研究

張永學(xué), 師志成, 劉 暢

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院,北京102249)

天然氣準(zhǔn)確計(jì)量直接影響開發(fā)、運(yùn)行、配給和用戶等各方的經(jīng)濟(jì)利益,而管路結(jié)構(gòu)是影響天然氣流量計(jì)量準(zhǔn)確性的主要因素。以帶匯管的天然氣管路為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量的方法,分別對(duì)匯管采用不同的進(jìn)出口方式以及是否在其下游加裝板式整流器的各種管路結(jié)構(gòu)內(nèi)的流場進(jìn)行研究,結(jié)果表明,匯管進(jìn)出口錯(cuò)開且無整流器的管路結(jié)構(gòu)在匯管下游恢復(fù)到充分發(fā)展的湍流斷面需要的長度最長,而匯管進(jìn)出口相對(duì)且有整流器的管路結(jié)構(gòu)則在整流器下游恢復(fù)到充分發(fā)展的湍流斷面需要的長度最短。對(duì)管路結(jié)構(gòu)對(duì)天然氣流場影響規(guī)律的研究可直接指導(dǎo)天然氣管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流量計(jì)選擇合理的安裝位置。

天然氣流量計(jì)量; 數(shù)值模擬; 匯管; 板式整流器; LDV實(shí)驗(yàn)測量

隨著量值溯源體系日益完善,天然氣流量計(jì)量的準(zhǔn)確度越來越受到企業(yè)和用戶的關(guān)注[1]。目前廣泛使用的超聲波流量計(jì)屬于速度式流量計(jì),計(jì)量準(zhǔn)確度受管內(nèi)流場影響很大[2-4],對(duì)于實(shí)際的天然氣計(jì)量現(xiàn)場,匯管作為一種常見的阻流件勢必會(huì)影響到下游超聲波流量計(jì)的計(jì)量的準(zhǔn)確性,要想消除匯管對(duì)下游超聲波流量計(jì)計(jì)量的影響,首要的問題就是從本質(zhì)上了解匯管對(duì)流體流態(tài)的擾動(dòng)情況,掌握匯管下游的流場分布,找到管路橫截面上流場分布恢復(fù)到充分發(fā)展的湍流狀態(tài)的位置,因?yàn)橹挥性谶@樣的流動(dòng)橫截面上,超聲波流量計(jì)才能確保計(jì)量的精度。

以往研究流場分布對(duì)計(jì)量影響的主要辦法是實(shí)驗(yàn),其時(shí)間長、成本高、重復(fù)性差、易受干擾,而且受客觀實(shí)驗(yàn)條件的限制,一般無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流動(dòng)區(qū)域的測試,而測試也無法準(zhǔn)確地給出流場的全三維流動(dòng)的信息。此外,實(shí)驗(yàn)的天然氣管路還受匯管管徑、匯管進(jìn)出口相對(duì)位置、管路壁面粗糙度、整流器、提供示蹤粒子的噴嘴等諸多因素影響[5-6],單以實(shí)驗(yàn)的方法了解其實(shí)際的流動(dòng)情況是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,同時(shí),對(duì)于多因素綜合影響的實(shí)驗(yàn),一方面測量的精度難以保證,另一方面即使采用正交實(shí)驗(yàn),也要進(jìn)行變工況分析,實(shí)驗(yàn)周期會(huì)很長、成本也很高。因此,本課題主要采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同的管路結(jié)構(gòu)在各種影響因素下的管內(nèi)流場進(jìn)行研究,輔以必要的實(shí)驗(yàn)測量,以期可以更加可靠、全面、深入地了解匯管、整流器等對(duì)流場的擾動(dòng)情況,從而找到下游超聲波流量計(jì)的安裝位置條件,為現(xiàn)場超聲波流量計(jì)的正確使用提供相應(yīng)的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本方程和邊界條件

目前研究的天然氣管路內(nèi)壓力為900 kPa,溫度為15℃,密度為6.40 kg/m3,流量在100～600 m3/s,流動(dòng)可以簡化近似為三維定常湍流,計(jì)算采用Reynolds平均N-S方程組和RNG湍流模型,這些方程組可以寫成統(tǒng)一形式,即:

式中,等號(hào)左邊為對(duì)流項(xiàng),右邊為擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)[7-9]。φ為通用變量,uj為速度分量,Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)。當(dāng)φ分別為1,(u,v,w),k和ε,對(duì)應(yīng)著連續(xù)方程、三個(gè)方向上的動(dòng)量方程、湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程和湍流能量耗散率方程。

以上基本利用CFD軟件FLU EN T進(jìn)行求解,為加快計(jì)算速度,選擇SIM PLEC方法計(jì)算基本方程組,采用亞松弛計(jì)算離散后的大型線性方程組[10]。為提高基本方程組求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度,動(dòng)量方程對(duì)流項(xiàng)離散采用QU ICK格式,k方程和ε方程對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)。

以上方程組求解時(shí)進(jìn)口給定均勻來流條件;固壁處給定無滑移條件。k和ε進(jìn)口由速度條件直接給定;固壁近壁點(diǎn)處的k和ε由標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)給定[9];其它邊界采用Neumann條件[11]。

1.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算管路的基本結(jié)構(gòu)及相對(duì)位置尺寸如圖1所示,匯管管徑為309 mm,連接管道內(nèi)徑100 mm,管線中所用整流器為35孔的板式整流器,厚度為13 mm,坐標(biāo)原點(diǎn)定義在匯管出口(圖中x=0處)的中心。管路中的主要阻流件有匯管、整流器、噴嘴等,為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較,管路中安裝了一段透明段,便于LDV測速和流態(tài)觀測。

作為對(duì)工業(yè)裝置內(nèi)部流場的數(shù)值模擬,這里對(duì)計(jì)算的結(jié)構(gòu)不做任何簡化,由于該管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,很難生成全結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格,實(shí)際計(jì)算時(shí),整個(gè)管道、整流器和匯管均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,局部區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行處理。

Fig.1 Structure diagram of the pipeline of natural gas圖1 天然氣管路結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與分析

為研究不同管路結(jié)構(gòu)對(duì)下游超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的影響,這里對(duì)四種不同的管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分別是匯管進(jìn)出口相對(duì)且有整流器、匯管進(jìn)出口相對(duì)且無整流器、匯管進(jìn)出口錯(cuò)開且有整流器和匯管進(jìn)出口錯(cuò)開且無整流器,分別對(duì)其流場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬和透明段的實(shí)驗(yàn)測量。

2.1 LDV實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

為保證模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的可靠性,模擬采用與實(shí)驗(yàn)相同的流量,對(duì)比的橫截面為透明管段的中間截面,圖2為LDV實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對(duì)比,圖中橫坐標(biāo)為測點(diǎn)到管壁的距離,縱坐標(biāo)為管路軸向速度大小。表1為LDV實(shí)驗(yàn)與模擬速度誤差對(duì)比。

Fig.2 Comparison between LDV experiment and numerical simulation圖2 LDV實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

從圖2、表1可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的一致性比較好,在靠近管壁處數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差明顯要大一些,且遠(yuǎn)大于管道中心處,這是因?yàn)閷?shí)際管道壁面的粗糙度與計(jì)算采用的壁面粗糙度很難一致,且實(shí)際壁面粗糙度不可能完全均勻,此外,受LDV實(shí)驗(yàn)測量自身的影響,壁面附近的測量也容易產(chǎn)生更大的誤差。但總的來說,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果均符合圓管湍流分布的規(guī)律,兩者具有可比性,數(shù)值模擬具有可靠性,準(zhǔn)確性也能在一定范圍內(nèi)得到保證。

表1 LDV實(shí)驗(yàn)與模擬速度誤差對(duì)比Table 1 Deviation of the velocity comparison between LDV experiment and numerical simulation%

2.2 匯管和整流器對(duì)下游的擾動(dòng)分析

旋渦角的大小變化也可以清楚地看出流動(dòng)經(jīng)過阻流件(匯管和整流器)時(shí)從均勻到不均勻,再恢復(fù)到均勻的變化過程和規(guī)律。表2為橫截面上旋渦角度的變化。

表2 橫截面上旋渦角度的變化Table 2 Range of vortex angle in the cross section

由表2旋渦角度的變化知,在匯管進(jìn)出錯(cuò)開的管路結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)情況明顯強(qiáng)于匯管進(jìn)出口相對(duì)管路。匯管進(jìn)出口錯(cuò)開時(shí)管路內(nèi)的天然氣會(huì)因管路結(jié)構(gòu)、速度等因素的變化產(chǎn)生回流,使天然氣的擾動(dòng)增強(qiáng)、分布不均勻,但經(jīng)過整流器的整流后,流量計(jì)處的擾動(dòng)已經(jīng)將匯管的擾動(dòng)幾乎消除。由8倍管徑處、噴嘴處、15倍管徑處的旋渦角度的變化看出,噴嘴對(duì)天然氣產(chǎn)生了一定的擾動(dòng),但影響范圍在兩倍管徑以內(nèi),因此噴嘴的設(shè)置不會(huì)影響到下游透明管處的測量。

有整流器的管路結(jié)構(gòu)在匯管出口至整流器入口段的旋渦角度變化明顯小于無整流器管路結(jié)構(gòu),雖然在該管段上游天然氣流經(jīng)的管道結(jié)構(gòu)完全一致,但由于整流器的阻塞作用,使匯管與整流器產(chǎn)生的擾動(dòng)疊加,從而使無整流器安裝條件比有整流器安裝條件旋渦角度變化范圍更大,擾動(dòng)更強(qiáng)。

在無整流器的管路結(jié)構(gòu)中,匯管進(jìn)出口錯(cuò)開時(shí)超聲波流量處的擾動(dòng)仍較強(qiáng),即該管路結(jié)構(gòu)中的匯管對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確度會(huì)產(chǎn)生一定的影響;匯管進(jìn)出口相對(duì)時(shí)匯管下游19倍管徑處旋渦角度變化范圍較上游明顯變小,說明匯管對(duì)下游的擾動(dòng)可控制在19倍管徑內(nèi),即匯管相對(duì)且無整流器管路的流量計(jì)安裝長度至少為19倍管徑。在有整流器的管路結(jié)構(gòu)中,經(jīng)過整流器劇烈混合后的天然氣在匯管進(jìn)出口相對(duì)與錯(cuò)開兩種管路的情況下流動(dòng)10倍管徑距離后恢復(fù)均勻,擾動(dòng)明顯減弱,即有整流器管路的流量計(jì)安裝長度至少為10倍管徑。

3 結(jié)束語

天然氣流量計(jì)量的準(zhǔn)確度受到多種因素的影響,其中管路對(duì)天然氣的擾動(dòng)較為明顯,因此管路結(jié)構(gòu)對(duì)天然氣的擾動(dòng)情況的分析對(duì)流量計(jì)量的可靠性和準(zhǔn)確度都有重要的意義,數(shù)值模擬方法可有效提供LDV與PIV等實(shí)驗(yàn)測量無法得到的流動(dòng)參數(shù),但是同時(shí)受到計(jì)算機(jī)性能等因素的影響,模擬與實(shí)際的對(duì)比還有一定的誤差,因此隨著天然氣的大量使用,提高流量計(jì)計(jì)量精度將成為重點(diǎn)研究課題。

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(Ed.:W YX,Z)

Research on the Performance Influence of the Flow Metering in the Natural Gas Pipeline With the Remit Pipe

ZHANG Yong-xue,SH IZhi-cheng,L IU Chang
(College of M achinery and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,P.R.China)

The flow measurement of the natural gas directly influences the economic benefit,which includes development,operation,allotment and the utilization in the industry of the natural gas.Moreover the structure of the pipeline is the main factor for the accuracy of the flow metering.The research on the internal flow field of various kinds of pipe structure with the remit pipe,which were the different inflow s and whether equipped with the panel rectifier separately was done with the method of the numerical simulation and the experiment.The results show that the desire length to recover the full development turbulence section in the downstream of the remit pipe is most in the pipe structure with the stagger inlet-outlet and no rectifier.While that in the pipe structure with the opposite inlet-outlet and with a rectifier reaches the least.It can be go t that the most appropriate installation site of the flow meter and the design of the pipe structure of the natural gas from the research on the influence pattern of the gas flow field.

Natural gas measurement;Numerical simulation;Remit pipe;Panel rectifier;LDV experiment measure

.Tel.:+86-13466614405;e-mail:shizhicheng555@163.com

TE86

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.022

2010-12-23

張永學(xué)(1977-),男,甘肅靖遠(yuǎn)縣,副教授。

國家自然科學(xué)基金青年基金資助(50809075);交叉學(xué)科北京市重點(diǎn)學(xué)科“低碳能源工程”資助。

1006-396X(2011)02-0083-04

Received23Decem ber2010;revised15M arch2011;accep ted22M arch2011