中压天然气流量计实流标定中检定点的选择

  实流检定流量仪表是天然气计量检定的一种趋势。国内现有的天然气实流标定装置有南京龙潭石油天然气大流量计量站, 主要解决“西气东输”主管道高压管线上天然气流量计的标定。随着天然气用量的增加, 各地区门站下方中压天然气流量计涉及贸易结算, 属于强制检定范畴, 因此需要建立中压天然气流量计实流标定装置, 对城市管网所用中低压等级流量计进行标定, 保证流量计的准确性、可靠性和有效性[1-7]。

  由于实流标定时对进口气源有要求, 中压天然气流量计实流标定装置适合建在地区门站处。但检定用天然气在门站经过调压后, 其压力、流速、温度均会发生波动。JJG 1037—2008《涡轮流量计》和JJG 1030—2007《超声流量计》等检定规程要求:计量检定用天然气组分要相对稳定;无游离水或油等杂质;在每个流量点的每一次检定过程中, 检定用天然气的温度变化应不超过±0.5℃[8-11]。因此, 在中压天然气流量计实流标定装置前期设计中, 需要对管道系统进行动态仿真, 根据结果中燃气参数的波动, 选择检定点保证压力、流速、温度的波动满足控制指标。本文以某待建中压天然气流量计实流标定方案为例, 根据设计参数, 采用CFD软件建立模型, 进行网格划分, 设置求解器及边界条件, 并进行仿真计算, 根据结果分析选择检定点。

  燃气调压器及外接管道内气体流动的控制方程包括质量方程、能量方程、动量方程和气体状态方程。对某高压燃气调压器进行模拟分析, 调压器的进、出口口径为DN50 (公称直径为50 mm) , 进、出口连接管管径为DN100 (公称直径为100mm) 。连接管用规格为DN100×DN50的同心异径接头变径后, 采用法兰与调压器连接, 几何模型如图1所示。

图1 调压器几何模型

  燃气调压器计算域及内部网格划分在ICEM软件中完成。将高压燃气调压器结构进行简化, 主要取流体通过的流道区域, 忽略局部较为复杂但对计算结果影响不大的区域, 进口与出口管段分别取5倍和50倍管径 (5 m) , 采用四边形结构网格划分, 有利于提高计算精度, 同时也更加节省计算资源。由于节流处流道具有典型的节流特征, 采用三角形非结构网格, 三维网格计算域如图2所示。

图2 调压器网格模型

  由于流体介质工况压力较高, 前后压差较大, 所以必须按可压缩流体计算。流体介质采用甲烷理想气体模型, 参考压力为1个大气压, 在求解器中采用k-Epsilon模型、SIMPLE算法和一阶迎风格式。在FLUENT 14.0软件里进行并行运算。

  边界条件的选取尽可能地以接近物理真实模型为原则, 以左边流道为压力进口边界, 右边流道为压力出口边界, 其余设置为壁面边界, 且不考虑流体介质重力因素的影响。初始化的流场从入口段开始, 采用高精度的有限体积法建立离散方程, 耦合流场内部压力和速度分布。

模拟以下3种调压工况进行仿真:

(1) 工况1进口压力为6.4 MPa, 出口压力为3.2 MPa, 进口温度为11.30℃ (284.45 K) ;

(2) 工况2进口压力为3.2 MPa, 出口压力为1.6 MPa, 进口温度为-10.50℃ (262.65 K) ;

(3) 工况3进口压力为1.6 MPa, 出口压力为0.8 MPa, 进口温度为-22.38℃ (250.77 K) 。

  图3, 图4, 图5分别为工况1, 工况2, 工况3下调压器及外接管道内鉴定用天然气各参数分布。从各工况下压力及流速分布可以看出, 不同工况下调压器及外接管道内气体流场十分相似, 气体在调压器进口直管处压力和速度变化较为平缓, 当气体流入阀口时, 因节流作用导致气体速度迅速增大, 同时压力迅速减小。

图3 工况1下调压器及外接管道内鉴定用天然气各参数分布

图4 工况2下调压器及外接管道内鉴定用天然气各参数分布

  在调压器出口处, 由于出口压力大于反压, 因此气体会继续膨胀, 速度会进一步增大, 然后经过一系列的膨胀、压缩、再膨胀、再压缩的周期性变化过程, 能量逐渐衰减, ***后与周围气体相混合达到平衡。在调压器出口附近, 由于存在逐渐衰减的周期性变化的膨胀波和压缩波波系, 因此气流流速也存在增大、减小、再增大、再减小的周期性变化。

图5 工况3下调压器及外接管道内鉴定用天然气各参数分布

  从各工况下温度分布可以看出, 不同工况下调压器及外接管道内气体温度变化规律较相似, 气体在调压器进口直管处温度变化不大。当气体流入阀口时, 因节流作用导致气体压力迅速减小、温度急剧降低, 气体流过阀口后, 温度又会逐渐升高直至趋于某一稳定值, 密度也会逐渐上升但上升幅度不大, ***后逐渐趋于某一稳定值。气体在后接管道出口附近温度可基本趋于稳定。

  从各工况下调压器及外接管道内气体流动湍动能分布可以看出, 在调压器进口管道内湍动能分布较均匀, 气体流过阀杆时湍流发展变化较大, 在气体流过阀杆边缘瞬间时湍流发展变化***大 (即流动湍动能变化***大) 。这是气体流过阀杆时流动变化剧烈的重要原因。

  调压器出口流量为8 500 m3/h时, 对3种工况进行了动态模拟, 得到各工况下, 气体压力p, 流速v, 温度T的波动与管道长度x的关系示意如图6, 图7, 图8所示。

  由图6, 图7, 图8可知, 离调压器出口较近距离处 (1.5 m以内) , 气体压力、流速和温度波动均较大, 气体压力和气体温度先急剧增加, 再突然减小, 再逐渐增大, 气体流速先迅速减小, 再逐渐增大。在离调压器出口较远距离处 (2 m以上) , 管道内气体流速及压力均趋于稳定, 因此气体流量检定点应该在离调压器出口2 m (20D, 即20倍的管径) 以上的距离处。

图8 调压器后接管道内气体温度与管道长度关系示意

图6 调压器后接管道内气体压力与管道长度关系示意

图7 调压器后接管道内气体流速与管道长度关系示意

  本文以某待建中压天然气流量计实流标定方案为例, 对实流标定系统中调压后管段内气体流动参数进行了仿真分析。仿真结果表明, 调压器出口2 m以上的距离处, 管道内检定用气体压力、流速和温度波动满足检定规程中的要求, 可以保证在流量点的检定过程中, 检定用天然气的压力变化不超过±0.5%, 流速变化不超过±0.5%, 温度变化不超过±0.5℃, 流动状态稳定。因此, 在中压天然气流量计实流标定中, 气体流量检定点应选择在至少离调压器出口2 m (20D, 即20倍的管径) 以上距离处才能保证计量准确性。