陳利瓊 謝虹雅 孫靖云 劉琦 陶宏偉

摘要：在實(shí)際生產(chǎn)中，由于現(xiàn)場擾流元件的作用，計(jì)量管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不同程度的流速畸變，使超聲流量計(jì)的工作性能降低。因此，采用CFD數(shù)值模擬方法針對超聲流量計(jì)（以DANIEL 3400超聲流量計(jì)為例）上游存在不同布置形式的彎頭擾流元件時(shí)，保證其計(jì)量準(zhǔn)確性的最近安裝位置進(jìn)行研究，獲得DANIEL 3400型超聲流量計(jì)的推薦安裝位置，為體積計(jì)量的準(zhǔn)確實(shí)施提供參考。結(jié)果表明，當(dāng)彎頭擾流元件的形式相同且人口流速不變時(shí)，計(jì)量管內(nèi)徑越大，計(jì)量誤差越小，即超聲流量計(jì)對于雷諾數(shù)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(dòng)越強(qiáng)?；谀M結(jié)果，獲得不同情況下超聲流量計(jì)的推薦安裝位置，并提出在彎頭后安裝板式流動(dòng)調(diào)整器以減少氣流擾動(dòng)，為體積計(jì)量的準(zhǔn)確實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞：CFD;超聲流量計(jì);安裝位置;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE977 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(xiàng)目：2016國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)、油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)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(chǔ)運(yùn)安全技術(shù)、油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)方面的研究。

0 引言

天然氣體積計(jì)量所用的設(shè)備是體積流量計(jì)，目前國內(nèi)大型輸氣管道沿線的站場多數(shù)采用超聲流量計(jì)[1]。超聲流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，通過測定超聲波脈沖在管道介質(zhì)內(nèi)的傳播速度求得介質(zhì)在管道內(nèi)的流速，從而獲取體積流量，具有準(zhǔn)確性高，不受介質(zhì)物性參數(shù)干擾等優(yōu)點(diǎn)[2]。其工作時(shí)對介質(zhì)的流場分布要求較高[3]，在實(shí)際站場中，由于受到站場空間或工藝流程的限制，計(jì)量管上游常存在擾流元件[4]，使氣體進(jìn)入流量計(jì)時(shí)的流動(dòng)呈現(xiàn)出非理想的流動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致流量計(jì)的計(jì)量示值誤差降低[5]。為此，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 18604-2014、JJG 1030-2007等）對站場內(nèi)擾流元件下游超聲流量計(jì)的安裝位置做出了一系列的規(guī)定。但對于上游存在彎頭擾流元件的多聲道超聲流量計(jì)上、下游所需直管的長度并沒有做出較為全面的規(guī)定，而且對于彎頭的幾何形狀和布置形式也沒有詳細(xì)說明，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或生產(chǎn)廠家推薦的上、下直管長度進(jìn)行安裝[6]。因此，本文將利用CFD的方法，針對計(jì)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(jì)為例，對保障其準(zhǔn)確性的最近安裝位置進(jìn)行研究，并根據(jù)研究結(jié)果對體積計(jì)量工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而為體積計(jì)量的準(zhǔn)確實(shí)施打下基礎(chǔ)。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(shù)[7]，因此，本文將以這兩個(gè)參數(shù)為基礎(chǔ)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(jù)JJG 1030-2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》中的規(guī)定[8]，對于單聲道超聲流量計(jì)，在擾流元件為單個(gè)90°彎頭時(shí)，其上游直管長度至少為36D（D為計(jì)量管內(nèi)徑），為了獲取充分發(fā)展的流體流態(tài)，采用90D的下游直管長度[9]。另外，根據(jù)Q/SY XQ 21-2013《DANIEL 3400超聲流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》中所推薦的流量計(jì)內(nèi)徑，分別建立100mm、200mm和300mm3種內(nèi)徑的計(jì)量管模型。幾何模型結(jié)構(gòu)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(nèi)徑的計(jì)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(shè)定

由于超聲流量計(jì)對小流量的工作性能較差，因此根據(jù)Q/SY XQ 21-2013中的規(guī)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(jié)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(shí)值的比較

根據(jù)仿真結(jié)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(jì)算流量與檢定真實(shí)值的相對示值誤差隨截面位置的變化關(guān)系如圖3所示。

1）當(dāng)計(jì)量管段上游存在彎頭擾流元件時(shí)，相對示值誤差隨截面位置的增加整體呈先縮小后穩(wěn)定的趨勢，說明隨著超聲流量計(jì)遠(yuǎn)離彎頭，其工作性能逐漸提高;2）當(dāng)管徑相同時(shí)，彎頭的彎曲角度越大，計(jì)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(dòng)作用增強(qiáng);3）隨著管徑的增加，各角度彎頭下游直管內(nèi)相對示值誤差的差別減弱，說明湍流強(qiáng)度的增加對彎頭的擾動(dòng)起到了削弱作用;4）當(dāng)相對示值誤差進(jìn)入穩(wěn)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(jì)對于雷諾數(shù)Re較大的氣體具有更好的測量性能;5）根據(jù)本節(jié)的研究結(jié)果并結(jié)合GB/T18603-2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》中對計(jì)量系統(tǒng)配套儀表準(zhǔn)確度的規(guī)定[10]，對于計(jì)量管段上游存在水平布置的各彎曲角度彎頭的A級計(jì)量系統(tǒng)（±0.7%），保證DANIEL 3400超聲流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)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(shí)值的比較

根據(jù)仿真結(jié)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(jì)算流量與檢定真實(shí)值的相對示值誤差隨截面位置的變化關(guān)系見圖4。

1）當(dāng)計(jì)量管管徑相同時(shí)，彎頭的曲率半徑R越小，計(jì)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(dòng)增強(qiáng);2）隨著管徑的增加，不同曲率半徑彎頭下游直管內(nèi)各位置處相對示值誤差的差異縮小，且彎頭附近管段內(nèi)相對示值誤差的波動(dòng)有所增加，說明湍流強(qiáng)度對二次流的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位;3）根據(jù)GB/T 18603-2014中對計(jì)量系統(tǒng)配套儀表準(zhǔn)確度的規(guī)定，對于計(jì)量管段上游存在水平布置的不同曲率半徑彎頭的A級計(jì)量系統(tǒng)（±0.7%），保證DANIEL 3400超聲流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的推薦安裝位置如表3所示。

3 體積計(jì)量優(yōu)化研究

從研究結(jié)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(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性所需的直管長度較長，會(huì)受到站場空間的限制[11]。因此，有必要對之前的工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)GB/T18604-2014中的建議[12]，采用在超聲流量計(jì)上游加裝板式流動(dòng)調(diào)整器的優(yōu)化方案，從而有效地減小計(jì)量單元的占地空間，同時(shí)提高計(jì)量的準(zhǔn)確性。

3.1 優(yōu)化模型的建立

本文將以對氣體流速擾動(dòng)最強(qiáng)的彎頭參數(shù)組合進(jìn)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(yōu)化采用板式流動(dòng)調(diào)整器中的一種，即斯皮爾曼流動(dòng)調(diào)整器[13]，它的外形是一塊具有28個(gè)孔洞的鋼板[14]。所建立的幾何模型結(jié)構(gòu)及尺寸如圖5和表4、表5所示。

3.2 優(yōu)化效果分析

根據(jù)仿真結(jié)果得到流動(dòng)調(diào)整器下游不同位置截面計(jì)算流量與檢定真實(shí)值的相對示值誤差隨截面位置的變化關(guān)系如圖6所示。

1）相比于優(yōu)化前的計(jì)量管段，相對示值誤差的波幅度和波動(dòng)距離都有所減小，達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)所需的直管長度大大縮短，說明超聲流量計(jì)的工作性能有所提高;2）此時(shí)DANIEL 3400超聲流量計(jì)的推薦安裝位置如表6所示。

采用混合網(wǎng)格進(jìn)行處理，即在孔板附近的管段布置四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域布置六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格模型及網(wǎng)格信息如圖7所示。

4 結(jié)束語

本文利用CFD仿真的方法，針對DANIEL 3400型超聲流量計(jì)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(hào)流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的最近安裝位置并進(jìn)行了優(yōu)化，所得主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)彎頭擾流元件的形式相同時(shí)，計(jì)量管內(nèi)徑D越大，流態(tài)穩(wěn)定時(shí)的相對誤差就越小，說明超聲流量計(jì)對于雷諾數(shù)Re較大的氣體具有更好的測量性能。

2）計(jì)量管內(nèi)徑D越小，彎頭擾流元件對氣體流速的擾動(dòng)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(dòng)性就越強(qiáng)。

3）在超聲流量計(jì)上游直管內(nèi)安裝板式流動(dòng)調(diào)整器，對計(jì)量管段上游存在彎頭擾流元件的計(jì)量管進(jìn)行優(yōu)化，從而減小了體積計(jì)量單元的占地空間，同時(shí)提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性。

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（編輯：劉楊）