苗青

摘 要：目前，孔板流量計相對于其它流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、耐用可靠和維修便利等優(yōu)勢，已經(jīng)成為天然氣行業(yè)使用最頻繁的一種流量計量設(shè)備。但是在城市天然氣配送管網(wǎng)中，客戶用氣量差異無法消除。尤其在用氣高峰期，輸氣站內(nèi)匯管相連的各供氣支路相互影響最為嚴(yán)重。主要體現(xiàn)在： 由于大流量供氣支路的管輸量遠遠高于小流量供氣支路的管輸量，在匯管的特殊構(gòu)造下，導(dǎo)致大流量供氣支路在輸氣過程中會迫使小流量供氣支路在匯管連接處發(fā)生天然氣回流工況，造成管內(nèi)天然氣流動工況不穩(wěn)定，渦旋加劇。從而影響與小流量供氣支路相連的孔板流量計上下游壓力，瞬間出現(xiàn)壓力波動，計量精度降低，無法較好的完成計量任務(wù)。本文依據(jù)某輸氣站供氣支路發(fā)生天然氣回流工況的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，基于 CFD 軟件，對回流狀態(tài)下的孔板流量計內(nèi)部流場進行系統(tǒng)分析，得到不同天然氣回流工況對孔板流量計上下游壓力的影響規(guī)律，同時提出較為合理的解決方案。

關(guān)鍵詞：孔板流量計; 天然氣回流; 流場分析

針對天然氣回流工況對孔板流量計上下游截面壓力的影響問題，依據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，采用 solidworks 軟件建立 DN150標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計幾何模型，基于 CFD 軟件對此狀態(tài)下孔板流量計內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析。研究發(fā)現(xiàn)： 管內(nèi)天然氣回流工況越嚴(yán)重，對孔板流量計上下游截面壓力變化影響越大。隨著管輸量的增加，回流程度逐漸平緩，孔板處流動幾乎不受上游回流渦旋的影響，上下游截面壓力變化幅度較為穩(wěn)定，對孔板流量計精度影響也隨之降低。

1 模型建立

孔板流量計計量原理如圖 1 所示。孔板前后取截面 1 和 2，根據(jù)兩截面壓差換算出某一時刻天然氣流量。

本文 使 用 DN150 標(biāo) 準(zhǔn) 孔 板 流 量 計 幾 何 尺 寸，采 用solidworks 軟件建立三維實體模型，利用 ICEM-CFD 軟件劃分網(wǎng)格，壁面設(shè)置 4 層邊界層，比例為 1.0。整體網(wǎng)格劃分在保證計算精度的前提下，盡量提高計算效率。選取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并在孔板與管道連接處作加密處理，最終得到計算網(wǎng)格如圖 2 所示。

基于 Fluent-CFD 軟件，邊界條件為（ velocity-inlet） 入口，值取 10 m/s，和（ outflow） 出口，采用 RANS 氣體狀態(tài)方程，RNG k-ε 湍流模型，對流離散格式為 2 階迎風(fēng)格式，算法采用耦合求解。從而數(shù)值求解天然氣回流狀態(tài)下孔板流量計內(nèi)部流動特征。

2 計算分析

某輸氣站供氣實況發(fā)現(xiàn)，由于匯管結(jié)構(gòu)的影響因素，當(dāng)小流量供氣支路管輸量占比總流量 10%時，必然產(chǎn)生回流工況且管輸量越小回流程度越嚴(yán)重。因此分析小流量供氣支路管輸量分別占比總流量 2%、4%、6%、8%、10%時，天然氣回流工況對孔板流量計上下游截面壓力的影響程度。經(jīng)計算得到不同輸量下孔板流量計上下游截面壓力隨軸線距離的變化，如圖 3所示。

由圖 3 可知，一開始，天然氣回流工況明顯，通過孔板流量計的天然氣流量很小，流速很低，導(dǎo)致孔板流量計上下游截面處形成渦旋，壓力變化幅度較大，流動極不均勻。當(dāng)管輸量為2%時，孔板流量計上下游截面壓力隨軸線距離變化程度尤為劇烈。隨著管輸量逐漸增加，孔板處的流動逐漸變得較為均勻，但仍然受到上游回流渦旋的影響，直接導(dǎo)致孔板流量計入口和出口截面壓力隨軸線距離變化幅度較大。當(dāng)流量接近臨界值時，孔板處的流動逐漸變得均勻，孔板流量計入口和出口截面的壓力變化幅度較為穩(wěn)定，幾乎不受上游回流渦旋的影響。

結(jié)語

研究發(fā)現(xiàn)，隨著管內(nèi)天然氣回流工況越嚴(yán)重，對孔板流量計上下游壓力變化影響程度加劇，進而對孔板流量計計量精度影響也越大。隨著管輸量上升，管內(nèi)天然氣回流工況趨于平緩，對孔板流量計上下游壓力變化影響程度逐漸降低，孔板流量計計量誤差迅速減小。因此，建議在城市天然氣配送管網(wǎng)中的小流量供氣支路上游單獨安裝調(diào)壓閥或止回閥，可以較好的阻止天然氣回流工況的發(fā)生，從而較大程度上降低對孔板流量計上下游截面壓力變化的影響，提高計量精度。

參考文獻：

[1]中國煤炭制氫成本及碳足跡研究[J]. 李家全，劉蘭翠，李小裕，楊波，顏瑞. ?中國能源. 2021（01）

[2]分布式制氫技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景展望[J]. 杜澤學(xué)，慕旭宏. ?石油煉制與化工. 2021（01）

[3]化石原料制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與經(jīng)濟性分析[J]. 黃格省，李錦山，魏壽祥，楊延翔，周笑洋. ?化工進展. 2019（12）

[4]09MnNiDR/S31603厚壁復(fù)合低溫分離器焊接制造技術(shù)[J]. 儲樂平，于本水，陳偉軍，胡明勝，張靜. ?焊接技術(shù). 2019（03）

[5]呼圖壁儲氣庫低溫分離器的應(yīng)用[J]. 鄧靜，李朋. ?中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量. 2018（20）

（淄博市計量技術(shù)研究院，山東 淄博 ?255033）