路 萍

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039）

管道瓦斯氣體具有濕度大、壓力小、流速變化范圍寬等特點(diǎn)。在瓦斯氣體抽放系統(tǒng)中，節(jié)流式差壓流量計(jì)因可承受惡劣工況、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、發(fā)展歷史悠久等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用且數(shù)量龐大。但在實(shí)際應(yīng)用中很多現(xiàn)場(chǎng)遇到了直管段長(zhǎng)度不能滿足GB/T2624-2006標(biāo)準(zhǔn)要求，造成節(jié)流裝置測(cè)量精度降低甚至無(wú)法給出測(cè)量精度的問(wèn)題。因此，近年來(lái)一種以改善流速分布為特點(diǎn)的平衡式流量計(jì)使用越來(lái)越廣[1]。當(dāng)直管段達(dá)不到傳統(tǒng)要求長(zhǎng)度時(shí)，管道中的流速分布不是充分發(fā)展紊流，流速分布不對(duì)稱，有畸變還可能有漩渦、回流。平衡式節(jié)流裝置不僅具有傳統(tǒng)節(jié)流裝置可承受惡劣工況、無(wú)活動(dòng)部件的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)流場(chǎng)具有整流作用，其所需直管段只需要上下游各0.5 D的長(zhǎng)度就可以將管道內(nèi)流體的攪動(dòng)降到最低從而實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。本文設(shè)計(jì)了一種平衡式節(jié)流裝置，利用FLUENT軟件對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[2]，仿真實(shí)驗(yàn)表明，平衡式節(jié)流裝置具有良好的穩(wěn)定流場(chǎng)的作用和良好的抑制渦流的作用。根據(jù)仿真結(jié)果制作了平衡式流量計(jì)，并于2015年上半年在四川芙蓉集團(tuán)白皎煤礦瓦斯抽放泵進(jìn)氣端管道安裝使用，試驗(yàn)證明平衡式流量計(jì)提高了測(cè)量精度，降低了直管段長(zhǎng)度，適用于煤礦瓦斯管道氣體流量的測(cè)量。

1 平衡式流量計(jì)測(cè)量原理

平衡式節(jié)流裝置是一種應(yīng)用于管道進(jìn)行流量檢測(cè)的部件，即一個(gè)多孔的圓盤(pán)節(jié)流整流器，安裝在管道的截面上。與標(biāo)準(zhǔn)孔板不同的是，節(jié)流裝置基于特殊公式和測(cè)試數(shù)據(jù)，開(kāi)了很多個(gè)孔，稱為函數(shù)孔。當(dāng)流體穿過(guò)圓盤(pán)的函數(shù)孔時(shí)，流體將被平衡整流，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過(guò)取壓裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào)。根據(jù)伯努利方程計(jì)算出體積流量、質(zhì)量流量[3]。函數(shù)孔的數(shù)量、尺寸、排列順序直接決定著這個(gè)平衡式節(jié)流裝置最終的永久壓損、測(cè)量線性等。

平衡式流量計(jì)測(cè)量原理與孔板流量計(jì)測(cè)量原理一樣，遵循流體力學(xué)原理和伯努利方程。平衡式流量計(jì)流量計(jì)算算法如下：

由伯努利方程及能量守恒定律可得到：

式中：Qm為質(zhì)量流量（kg/h）；Qv為體積流量（m3/h）；ε為氣體可膨脹系數(shù)，無(wú)量綱，對(duì)不可壓縮流體ε=1；ΔP 為差壓（Pa）； ρ為流體工作狀態(tài)下的密度（kg/m3）；C為流出系數(shù)，由實(shí)際標(biāo)定得出；β為等效直徑比，β=（1-d2/D2）0.5；D 為管道內(nèi)徑 （mm）；d 為函數(shù)孔最大外徑（mm）。

煤礦抽放系統(tǒng)對(duì)流量的計(jì)量一般為體積流量，由上式可以看出，流體體積流量的計(jì)算是由測(cè)得的質(zhì)量流量除流體密度得到的，而煤礦區(qū)煤層氣是含有大量瓦斯的混合氣體，所以密度不是恒定不變的。其密度對(duì)應(yīng)關(guān)系為

式中：ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瓦斯密度（kg/m3）；ρ1為工況瓦斯密度（kg/m3）；p1為工況壓力（Pa）；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（Pa）；T1為工況溫度（K）；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度（K）；Z為瓦斯壓縮系數(shù)（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，對(duì)于空氣 Z=1，對(duì)于 CH4Z=0.998）。

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)和節(jié)流裝置確定后：

式中：K為儀表系數(shù)；ΔP為差壓（Pa）；ρ為流體工作狀態(tài)下的密度（kg/m3）。

2 FLUENT仿真軟件介紹

FLUENT軟件是一款通用的CFD軟件，采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，可根據(jù)計(jì)算中得到的流場(chǎng)結(jié)果反過(guò)來(lái)調(diào)整和優(yōu)化網(wǎng)格，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。FLUENT軟件基于有限體積法，提供了多種數(shù)值算法可供選擇，包含常用的多種湍流模型[4]，其中K-ε模型、Standard K-ε模型，適用于一般情況下的流場(chǎng)模擬，此外還有RNG K-ε模型和Realizable K-ε模型等。結(jié)合Gambit的專用前處理軟件，網(wǎng)格可以有多種形狀。對(duì)二維流動(dòng)，可以生成三角形和矩形網(wǎng)格；對(duì)三維流動(dòng)，則可生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格。本設(shè)計(jì)中采用Gambit專用前處理軟件，獲得數(shù)據(jù)模型文件，導(dǎo)入FLUENT仿真軟件中，對(duì)不同管道和開(kāi)孔分布的節(jié)流裝置進(jìn)行仿真比較。

3 平衡式節(jié)流裝置仿真設(shè)計(jì)

3.1 平衡式節(jié)流裝置建立幾何結(jié)構(gòu)

平衡式流量計(jì)節(jié)流裝置函數(shù)孔的數(shù)量、尺寸、排列順序直接決定著流量測(cè)量精度、壓損和測(cè)量線性度等。本文通過(guò)FLUENT軟件仿真模擬了多種節(jié)流裝置，得出了平衡式節(jié)流裝置上的函數(shù)孔排列規(guī)則，最終設(shè)計(jì)出了測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的平衡式節(jié)流裝置。圖1所示為不同函數(shù)孔排列的節(jié)流裝置。

圖1 不同函數(shù)孔排列的節(jié)流裝置Fig.1 Throttle device with different hole arrangement

其中對(duì)于管段式節(jié)流裝置260 mm管道，本文設(shè)計(jì)為4函數(shù)孔排列模式，函數(shù)孔直徑為70 mm，4函數(shù)孔對(duì)稱分布，節(jié)流裝置厚度為3 mm，安裝于管段中間位置，前160 mm，后160 mm處。

使用Gambit軟件對(duì)管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，4函數(shù)孔對(duì)稱分布，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇四面體、楔形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完后進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量的檢查，然后設(shè)置邊界條件類型。在Z坐標(biāo)零點(diǎn)管道入口設(shè)置為VELOCITY_INLET速度入口，Z=323 mm處設(shè)為速度出口OUTFLOW，管道內(nèi)部為流場(chǎng)區(qū)域。最后輸出MESH文件，利用FLUENT軟件進(jìn)行模型仿真[5]。圖2所示為節(jié)流裝置的的幾何結(jié)構(gòu)。

圖2 節(jié)流裝置的的幾何結(jié)構(gòu)Fig.2 Geometric structure diagram of throttle device

3.2 數(shù)值模擬及分析

在FLUENT中，選擇三維單精度求解器，讀入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，選擇壓力基求解隱式、三維、定常流等參數(shù)，選擇STAND K-ε計(jì)算模型來(lái)模擬管道內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)過(guò)程，采用SMIPLE算法進(jìn)行求解?？紤]煤礦應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)置介質(zhì)為空氣與瓦斯氣體的混合氣體，密度為0.6901 kg/m3，黏度為 1.7894×10-5kg/m·s，運(yùn)行環(huán)境選擇抽放負(fù)壓60000 Pa，入口設(shè)為速度入口邊界條件，初始速度為10 m/s。選擇迭代200次，當(dāng)?shù)?58次時(shí)，軟件自動(dòng)停止計(jì)算，殘差收斂。節(jié)流裝置仿真如圖3所示。

圖3 節(jié)流裝置仿真Fig.3 Throttle device simulation

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管路中流體速度場(chǎng)的分布大致是個(gè)旋轉(zhuǎn)的拋物面，所以管路中心的流速是最大的，在速度場(chǎng)最大的區(qū)域開(kāi)孔勢(shì)必會(huì)對(duì)節(jié)流效果產(chǎn)生一定的影響。最大流量的波動(dòng)值隨著開(kāi)孔周長(zhǎng)的增加而增大，且值越大最大流量的波動(dòng)就越嚴(yán)重，這也說(shuō)明，當(dāng)開(kāi)孔周長(zhǎng)小也就是孔數(shù)比較小時(shí)，節(jié)流件中心開(kāi)孔與否對(duì)最大流量影響不是很大，但隨著孔數(shù)的增多，中心孔的影響就越來(lái)越大。故對(duì)于260 mm管道，對(duì)稱4函數(shù)孔分布是合理的，可用于取壓進(jìn)行流量測(cè)量。

由實(shí)驗(yàn)可知，多孔對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)平衡式節(jié)流裝置意義重大，該結(jié)構(gòu)能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行平衡，降低渦流、振動(dòng)和信號(hào)噪聲，流場(chǎng)穩(wěn)定性大大提高，線性度、重復(fù)性比孔板大大提高。

4 平衡式流量計(jì)二次檢測(cè)儀表

平衡式流量計(jì)屬于差壓式測(cè)量裝置，通過(guò)獲取管道差壓、管道壓力和管道溫度，以及計(jì)算管道直徑和開(kāi)孔面積等，進(jìn)行管道流量檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的二次檢測(cè)儀表硬件電路包括數(shù)據(jù)處理單元、顯示單元、按鍵單元、通訊單元、管道溫度測(cè)量、管道壓力測(cè)量、管道差壓測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等，原理框圖如圖4所示。

圖4 儀表原理Fig.4 Meter functional block diagram

通過(guò)獲取管道溫度、管道壓力及差壓等數(shù)據(jù)，依據(jù)前文計(jì)算算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成數(shù)據(jù)修正和流量計(jì)算。在平衡式流量計(jì)電路設(shè)計(jì)中，考慮到煤礦管道流量測(cè)量地理位置多數(shù)為山區(qū)，板卡易受雷擊而損壞，所以電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了限流自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、放電管以及TVS穩(wěn)壓放電二極管等器件，提高了流量計(jì)使用穩(wěn)定性。

5 平衡式流量計(jì)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)多種平衡式節(jié)流裝置軟件仿真、計(jì)算機(jī)模擬，并結(jié)合實(shí)物驗(yàn)證的方式，從測(cè)量精度、重復(fù)性、一致性等方面進(jìn)行多方面比較，完成了平衡式節(jié)流裝置樣機(jī)制作，并在標(biāo)準(zhǔn)流量校準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了實(shí)流標(biāo)定，測(cè)量精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的二次檢測(cè)儀表，最終設(shè)計(jì)出平衡式流量計(jì)，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。圖5所示為平衡式節(jié)流裝置實(shí)物。在標(biāo)準(zhǔn)流量裝置上節(jié)流裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 平衡式節(jié)流裝置實(shí)物Fig.5 Balance type throttle device

表1 標(biāo)準(zhǔn)流量裝置測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Standard flow device test data

平衡式流量計(jì)安裝在四川芙蓉集團(tuán)白皎煤礦瓦斯抽放站泵房外側(cè)瓦斯抽放泵進(jìn)氣端管道上，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)流量計(jì)安裝測(cè)試完成后，與流量校準(zhǔn)測(cè)試儀器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為對(duì)比測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)流量計(jì)測(cè)量完成后立即用水銀溫度計(jì)測(cè)量管道溫度，用FLUKE表測(cè)量管道絕壓和皮托管差壓，最后計(jì)算出標(biāo)況瞬時(shí)流量，測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)流量計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。通過(guò)以下數(shù)據(jù)可以說(shuō)明平衡式流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性滿足精度要求。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量Fig.6 Field experiment

表2 實(shí)驗(yàn)流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of experimental flow meter

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)FLUENT軟件仿真設(shè)計(jì)了一款平衡式流量裝置，結(jié)合二次儀表開(kāi)發(fā)出平衡式流量計(jì)。平衡式流量計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)設(shè)計(jì)，同為節(jié)流型差壓流量計(jì)量模式，但它對(duì)傳統(tǒng)節(jié)流裝置有較大突破，與傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)相比較，具有永久壓力損失小、測(cè)量精度高、直管段要求短等優(yōu)點(diǎn)，適用于煤礦瓦斯管道的流量測(cè)量。

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