馮海軍

摘 要：本文給出了分析大流量天然氣計(jì)量表混裝置的三維仿真、優(yōu)化策略以及提高氣體流量測(cè)量精度。我們希望通過對(duì)本文的討論，提供行業(yè)從業(yè)人員的幫助和借鑒料，推動(dòng)我國燃?xì)庥?jì)量表混裝置流程的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：天然氣;流量計(jì)量;標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置;工藝流程;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.天然氣流量計(jì)量研究現(xiàn)狀

天然氣流量計(jì)量技術(shù)是一種計(jì)量氣流量過程中氣流量的技術(shù)。氣體計(jì)量系統(tǒng)的整體性能直接影響測(cè)量精度。為提高計(jì)量精度，建立了計(jì)量體系標(biāo)準(zhǔn)，包括天然氣流量、儀器參數(shù)、安全標(biāo)準(zhǔn)等。

1.1國外現(xiàn)狀調(diào)查。早些時(shí)候?qū)馓烊粴獾挠?jì)量進(jìn)行了調(diào)查。1990年代后期，天然氣質(zhì)量指數(shù)確定了三個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)：安全衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境。在天然氣流量計(jì)量方面，確定了氣流量計(jì)算、超聲波基準(zhǔn)測(cè)量、渦輪計(jì)量和壓縮因子的代表性標(biāo)準(zhǔn);計(jì)量系統(tǒng)（氣燃料測(cè)量系統(tǒng)）定義了流量計(jì)量的準(zhǔn)確性和參數(shù)中允許的最大誤差測(cè)量。實(shí)流測(cè)定方法是通過測(cè)量運(yùn)行狀態(tài)下氣體的物性參數(shù)來測(cè)量氣體流量。

1.2調(diào)查國內(nèi)的現(xiàn)狀。我們對(duì)天然氣計(jì)量的研究起步較晚。天然氣測(cè)量系統(tǒng)和天然氣標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求是根據(jù)國家天然氣開發(fā)要求和國外標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的。前者規(guī)定了氣體測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)置和調(diào)整要求，給出了不同計(jì)量系統(tǒng)的溫度、壓力、壓縮系數(shù)、熱產(chǎn)生、質(zhì)量和密度的具體要求，并限制了相應(yīng)測(cè)量手段的精度。該法對(duì)天然氣的定義不同，允許對(duì)進(jìn)口到中國的天然氣進(jìn)行質(zhì)量控制。區(qū)分容積法、速度法、差壓法、面積法以及質(zhì)量法的氣流測(cè)量。容積法由兩個(gè)空間體組成，根據(jù)流體壓力損失引起的旋轉(zhuǎn)數(shù)和通過小空間的流量計(jì)算氣體流量。天然氣流量是根據(jù)伯努利方程和連續(xù)性方程計(jì)算的。

2.我國天然氣流量計(jì)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1自動(dòng)化、智能和遠(yuǎn)程管理計(jì)量方法。近年來，隨著技術(shù)的飛速進(jìn)步，天然氣計(jì)量正在發(fā)展為智能、自動(dòng)化和實(shí)時(shí)的利用。同時(shí)，利用大型企業(yè)采用的SCADA在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)天然氣計(jì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和在線管理。在氣體流量計(jì)量系統(tǒng)中，每次計(jì)量所需的數(shù)據(jù)只是所需數(shù)據(jù)的一小部分。為了準(zhǔn)確計(jì)量天然氣，還必須測(cè)量氣體的壓力、溫度、密度和氣相色譜。這些參數(shù)通常由輔助儀器測(cè)量。同時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)必須通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和處理。因此，新系統(tǒng)被集成到氣體計(jì)量系統(tǒng)中，以便通過系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、低成本的氣體實(shí)時(shí)計(jì)量。

2.2促進(jìn)天然氣計(jì)量的實(shí)施，促進(jìn)我國天然氣計(jì)量。隨著我們市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷改善和天然氣貿(mào)易的日益全球化，各國越來越多地要求天然氣貿(mào)易的公平性，能量計(jì)量被公認(rèn)為然氣貿(mào)易交接的最公平手段。因此，從天然氣計(jì)量向能源計(jì)量的過渡對(duì)我國的發(fā)展至關(guān)重要。此外，為了促進(jìn)天然氣能量計(jì)量，我們應(yīng)發(fā)展天然氣能量源系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)，如提高氣體發(fā)熱量測(cè)量?jī)x器的精度和建立氣體分析標(biāo)準(zhǔn)。

3.工藝流程流體力學(xué)理論計(jì)算

本文選擇了某地分站的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行級(jí)設(shè)備，并收集了其技術(shù)工藝的數(shù)據(jù)。檢定過程更加復(fù)雜。在設(shè)計(jì)過程中，使用區(qū)域參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步消除管道容量對(duì)最終檢定結(jié)果的影響。應(yīng)用檢定工藝模擬三位流場(chǎng)過程。為了求解流場(chǎng)，需要建立基于流體力學(xué)基本方程的數(shù)據(jù)收集，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。此外，由于管道中的天然氣流體在大多數(shù)情況下都是湍流，因此在使用湍流表達(dá)式求解流量控制時(shí)需要消除數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在實(shí)際應(yīng)用中，流體力學(xué)軟件可以提供用于計(jì)算湍流模型的多個(gè)模板，目前，k-ε是最長(zhǎng)的使用模板，可以細(xì)分，并且是標(biāo)準(zhǔn)的、可重復(fù)的和可行的。主要區(qū)別在于湍流黏性的計(jì)算、湍流擴(kuò)散的計(jì)算和湍流數(shù)目的計(jì)算。根據(jù)我所研究的實(shí)際情況，重組模式是在實(shí)際計(jì)算中選定的，也稱為RNG模式。流體計(jì)算軟件應(yīng)用程序可以使用上述三個(gè)基本方程計(jì)算管道內(nèi)的湍流場(chǎng)，然后根據(jù)給定邊界條件下的湍流模型計(jì)算最終結(jié)果，從而得出天然氣流場(chǎng)變量的特定值。

4.檢定工藝流程三位速度場(chǎng)模擬分析與研究

管道內(nèi)氣體速度分析是影響流量計(jì)測(cè)量精度的一個(gè)重要因素。并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)管道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，以便更好地了解流場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，影響氣體測(cè)量驗(yàn)證結(jié)果的主要原因是去除入口端彎頭和整流裝置，然后根據(jù)工藝分析進(jìn)行仿真。

4.1入口的彎頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管道流量分布的影響。在分站檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為入口彎管設(shè)計(jì)并規(guī)范了小流量識(shí)別系統(tǒng)的輸入。標(biāo)準(zhǔn)彎頭的彎曲半徑為1D以及1.5D。兩個(gè)不同彎曲半徑的彎管用曲率半徑彎頭，它們?cè)诠艿纼?nèi)的流動(dòng)狀態(tài)差別很大，但實(shí)際圖像數(shù)據(jù)分析和仿真研究。（1）確定了檢定的速度分布若要進(jìn)一步提高研究速度，請(qǐng)?jiān)跇?biāo)準(zhǔn)管路中的不同位置選取DN100分支的速度，以進(jìn)行分析計(jì)算。第一步是為具有不同曲率半徑的管道云圖的繪制，第二步是為具有不同檢定流量和曲率半徑的不同標(biāo)準(zhǔn)管路位置繪制速度分布曲線。實(shí)際模擬中使用的檢定流量過程為0.25qmax用于云圖的繪制。實(shí)際云如以下圖1所示：

以上云圖可得出以下結(jié)論：繪制圖中的管道內(nèi)流暢也可能具有不同的曲率半徑狀態(tài)。所使用的1D彎曲半徑彎頭在液體輸送過程中可能會(huì)導(dǎo)致下游段充填發(fā)生重大異常變化，但隨著正常液體進(jìn)入直管道，可以斷定與管道的延伸變形存在聯(lián)系，特別是在回關(guān)之后關(guān)閉后，液體輸送的異常問題會(huì)很好計(jì)算了不同流量下的標(biāo)準(zhǔn)分支流量分布規(guī)律，研究對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)分支DN100。當(dāng)流量為0.25、0.7和1Qmax時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)分支的流量分配由1、5、10、15、25和35d指示（標(biāo)準(zhǔn)分支的直徑由d指示）。在1d流動(dòng)距離處，具有不同曲率半徑的兩條彎頭具有不同的狀態(tài)，因此皇冠界面速度分布可能會(huì)扭曲，但得到的數(shù)據(jù)相對(duì)相似。進(jìn)入整流器之前，兩種曲率半徑條件下的速度相對(duì)均勻，不符合整體展開要求。

4.2對(duì)整流器下游速度場(chǎng)的分析。使用流量計(jì)的上游整流裝置可進(jìn)一步縮短流量計(jì)前端段的長(zhǎng)度，使用板式整流裝置可進(jìn)一步改善管道內(nèi)流體的不對(duì)稱，使天然氣流體在短時(shí)間內(nèi)完全進(jìn)入直段。在這種情況下，請(qǐng)?jiān)谛⌒土髁繖z查系統(tǒng)中選取子電路做為模擬物件，以取得在不同流量檢查區(qū)域安裝流量檢查器右側(cè)區(qū)段所需的最小介面卡速度分布。

5.優(yōu)化建議

根據(jù)匯管本身的緩沖功能，彎管的彎曲半徑對(duì)分支流場(chǎng)的影響微乎其微。在這種情況下，可以通過添加匯管來消除彎曲對(duì)流效果。10d板型適配器下游，流場(chǎng)可恢復(fù)到完全展開狀態(tài)，流量值可精確計(jì)算因此，在整流板后方10d應(yīng)用流量計(jì)可以進(jìn)一步縮短直線段長(zhǎng)度，從而減少流量類型對(duì)流量和測(cè)量的影響，進(jìn)一步提高流程優(yōu)化效率。

通過對(duì)測(cè)量檢定過程進(jìn)行仿真分析，可以控制管道中氣體流量類型的變化，并為優(yōu)化過程提供基礎(chǔ)?；诜治鼋Y(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備通過在檢定過程的標(biāo)準(zhǔn)分支和檢定分支中添加上游匯管來優(yōu)化流程，從而減少上游彎頭對(duì)下游流類型的影響。為了減小流量狀態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置的精度，在被檢流量計(jì)和超聲波流量計(jì)的上游安裝10d整流器。

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