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上游弯管对锅炉水超声波流量计影响


文章日期:2018-12-13|阅读数:


    摘要:为了研究上游弯管的设置对超声波流量计测量工业锅炉水流量准确性的影响,基于时差法超声波流量计测量原理,建立不同直径、不同流量的锅炉管道弯管物理模型,给定相应边界条件,采用有限体积法进行数值模拟求解,结果发现弯管下游管道内的速度呈非理想均匀分布状态,对水流量测量的准确性影响较大:流量的理论测量值均比实际值小,且在不同测量位置,测量的相对误差在一15%~1%之间波动;在前10 D范围内,测量的准确度随测试位置与弯管距离的增大而增加,在10~40D范围内,测量的准确度在5%以内;同一测量条件下,流量测量的准确度随管内工质流量的增大而减小;在流量全测量范围内,管径越大,流量测量的相对误差的变化区间越小,即误差曲线越平缓。

0、引言:
    流量是现代工业领域的三大检测参数之一,是工业锅炉热工性能计算的基本参数川,其测量的准确性对工业锅炉的能效评价和节能技改起着至关重要的作用。
    近年来,国内外学者一直重视管道流量测量的准确性研究,发现由于管道上游阻力件的影响,流速的分布为非常数,包含径向分布、漩涡及二次流,其中二次流的强度与流体的雷诺数有关。在实际流体勃性的作用下,流体经过弯头后管道流速呈不均匀分布,通过30一50倍管径长度的直管段后,流速分布趋于一种较为固定的形式,即充分发展紊流区。
    流量计被应用到流量测量的各个领域。超声波流量计是目前***有发展前景的新技术流量计,其应用***广泛的测量方法是传播速度差法中的时差法。针对时差法超声波流量计,国内外学者研究发现,由于实际安装中弯管的应用,流体速度场分布不对称,使得传统流量系数曲线不可能得到准确的结果。当管道中存在由径向速度分量形成的涡流时,时差法超声波流量计所测得的线平均流速与实际真实流速间存在较大差异,产生了流量误差。另外,弯管直径、管壁粗糙度及安装位置等对流量测量的准确性也有一定的影响。

  本文基于时差法超声波流量计测量原理,研究上游弯管对工业锅炉水流量测量误差的影响。 选取3 种管径、8 种流量的蒸汽锅炉进水弯管及 3 种管径、4 种流量的热水锅炉进水弯管,建立物理模型,给定相应边界条件,采用有限体积法进行模拟求解,分析弯管后2D、4D、6D、8D、10D、50D、30D、40D 处的流量测量值,与真实值比较,验证流量测量的准确性。 为工程实际中锅炉水流量测量的准确性提供理论支持。
  时差法超声波流量计1. 1时差法测量原理    时差法是通过测量超声波在流体中顺流传播时间与逆流传播时间的时间差计算得出流速。图i为时差法流速测量原理图,其中:e为换能器与管道的安装角度;z,为两个换能器之间的距离;D为管道的直径;超声波在静止流体中的传播速度为co ,管道内流体运动速度为。
图1时差法流速测量原理图

图1时差法流速测量原理图
    管道内流体流量计算式为,其中k为流量修正系数。
1. 2、流量修正系数:
    流量修正系数k定义为超声波传播路径上的线平均速度uL与管道截面的面平均流速u、的比值,即k = uLlua。当管道内流体雷诺数Re>105时,流量修正系数利用尼库拉兹摩擦系数加以修正,如式(2)所示,即
计算公式


1. 3、流量相对误差:
    流量相对误差定义为
计算公式
平均速度后,应用式(1)求出来的理论流量值;口真值是根据锅炉容量和管径算出来的流量值,也是模拟流量的设定值。流量相对误差的值越大,流量测量的准确性越低。

2、数值模拟:
2. 1、数值计算模型及网格划分:

    选取具有代表性的6种管径、12种流量的蒸汽、热水锅炉进水弯管,表1为选取的蒸汽锅炉进水弯管数值模拟参数表,表2为选取的热水锅炉进水弯管数值模拟参数表。
表 1  蒸汽锅炉进水弯管数值模拟参数表表 2  热水锅炉进水弯管数值模拟参数表

表 1  蒸汽锅炉进水弯管数值模拟参数表表 2  热水锅炉进水弯管数值模拟参数表

 如图 2 所示,超声波流量计测量段上游阻件为90°平面弯管,管道弯曲半径R= 3D,测量段距离根据不同管外径及厚度确定。 P 为弯管出口与测量段中心线之间的直管段长度,其中P 分别取2D、4D、6D、8D、10D、20D、30D、40D。
图 2  测量段位置示意图
图 2  测量段位置示意图
  采用 ICEM 软件对管道流体流动部分结构化网格划分,同时保证在靠近壁面区域形成边界层网格,并对弯管弯曲部分进行加密。 因计算管径不同,总网格数在 250 万 ~ 450 万之间。 图 3 为弯管计算模型三维网格示意图,图 4 为弯管横截面网格示意图。
图 3  弯管计算模型三维网格示意图图 4  弯管横截面网格示意图

图 3  弯管计算模型三维网格示意图图 4  弯管横截面网格示意图

2.2、边界条件及参数设置:
  在 ICEM 里划分好网格后,定义进口条件为速度入口,出口条件为自由流出。 本文模型均采用SIMPLE 算法,设置为定常流动,选用的湍流模型为RNGκ-ε 模型,流动介质均为水,其管径、温度、压力的取值如表 1、表 2 所示。 仿真流速由锅炉的蒸发量或额定出力计算得出。 因锅炉管道常用无缝钢管,管 壁 粗 糙 度 设 置 为 0


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