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管路结构对超声流量计计量性能影响及对策


文章日期:2017-06-17|阅读数:


超声流量计计量的准确性直接影响供需双方的经济利益,而管路结构是影响超声流量计计量性能的主要因素。文章研究调压阀、汇管、流动调整器、直管段等管路元件对天然气流场的扰动规律,表明调压阀噪声、汇管相对进出口方式、流动调整器类型、直管段长度对超声流量计计量精度产生较大影响,在此基础上提出改善超声流量计计量性能的技术对策。

随着天然气工业的快速发展,天然气计量工作越来越重要。在天然气计量工作中,超声流量计由于其计量、量程比宽、压损低、安全可靠、抗干扰能力强、便于维护的特点,在天然气计量交接中被广泛使用,特别是在大口径、高压力的天然气长输管线计量中,超声流量计具有显著地优越性。超声流量计计量的准确性直接关系着开发、供给、运行、用户各方面的经济利益,而管路结构是影响超声流量计计量性能的主要因素。因此,本文以调压阀、汇管、流动调整器、直管段为研究对象,分析管路元件对天然气流场影响,探索管路结构对超声流量计计量能量影响规律,为保证超声流量计计量的准确性提出合理化建议。

1.管路元件的影响

1.1调压阀

调压阀是通过改变流体流通面积而实现对流体流量和压力的调节。调压阀是阻流元件,当流体流过调压阀的节流元件时,由于节流元件的阻流作用,对天然气产生扰动,流体流态发生畸变,局部产生漩涡流和脉动流。

 超声流量计是通过测量高频声脉冲在管道内顺流和逆流方向传播时间差来实现天然气流量计量。流体通过调压阀节流元件,因流态和速度发生改变产生噪声,噪声主要包括流体动力学噪声和机械噪声。机械噪声是由于流体流态改变产生漩涡和湍流冲击调压阀部件而引起振动,波及临近表面产生噪音。流体动力学噪声是天然气在节流过程中,机械能转化为声能的直接结果,是调压阀噪声主要来源。正常情况下,超声波流量计发出的脉冲信号频率为 125 kHz(不同型号超声流量计有所不同)。天然气通过调压阀节流作用产生的噪声频率为 16~130 kHz,产生的噪声沿着管道向上、下游传播,在一定条件下与超声波流量计的脉冲频率重合,造成流量计计量信号模糊,使流量信噪比增大。流量计的信号处理单元难以区分这两种信号,导致超声波换能器不能准确收发超声波,影响超声流量计计量准确性和稳定性。实验研究表明,高频率噪声可使超声流量计产生的***大误差为 2 %,这严重影响天然气计量准确性和企业经济效益。

1.2 汇管

汇管是将两条管路或两条以上管路,同时经过一条管路后再分开输送的一段管道(如图 1)。由于汇管与下游直管段交汇处结构突变,天然气压能与动能相互转化,流经汇管天然气速度增大,流场内速度主要分布在汇管与下游管道交汇处,且此处的速度值均发生了突变,湍流强度和湍动能为整个流场内***大。湍流内流体介质发生不规则运动,介质相互碰撞,能量相互交换,局部出现漩涡流和脉动流,造成汇管下游速度分布不均匀,管道壁面流体流速慢,中心处流体流速快,管道内出现二次流。

管道1.jpg

汇管进出口方式影响超声流量计计量性能。研究表明,汇管进出口错开流体恢复到充分发展湍流断面比汇管进出口相对所需直管段长。天然气流经汇管后产生漩涡流,汇管进出口方式不同,汇管下游旋涡角变化规律也不同(如表 1)。在汇管进出口相对的管路结构的扰动情况明显弱于汇管进出口错开管路结构。汇管进出口错开条件下,管路内的天然气因为管路结构、压力、速度等因素的变化产生回流,使天然气的扰动增强,速度分布不均匀,在超声流量计处的扰动仍然较强,对流量计的准确度产生一定的影响。

管道2.jpg

1.3 流动调整器

天然气流过汇管、调压阀等阻流件后会造成流态畸变,流态畸变包括速度分布剖面不对称和漩涡流,或两者的组合。流体畸变可造成超声流量计计量误差。超声流量计计量要求上游流体流动状态为近似于无漩涡和充分发展的湍流。流动调整器能***大限度地减小或消除流态畸变对流量计性能产生的不利影响。

流动调整器是一种“调整”流量计入口或入口附近流场的装置。管束式调整器和板式调整器在计量中经常使用。管束式调整器采用蜂窝式结构或管束把流体分成若干个细小平行的流体束,主要消除流体中的漩涡。板式调整器让流体通过多孔网或多孔板而产生一个轴对称的速度分布剖面。即使流量计入口的流场是充分发展的湍流,流量计的性能也会因为使用不同形式的流动调整器而发生改变。对于超声流量计而言,宜选用板式调整器消除流体中的漩涡和纠正速度分布剖面不对称。性能优良的流动调整器可以改善进入超声流量计的流体流态,优化流动条件,从而提高超声流量计计量性能。

1.4直管段

超声流量计的计量系数是在充分发展的管流条件下标定的,在现场天然气计量中,只有在充分发展的管流条件下,才能保证测量的性。充分发展的管流就是具有充分发展、均匀的速度分布的管流。在流动过程中,沿流向从一个横截面到另一个横截面速度分布不发生改变。流体发展为充分发展流体需要在足够长的管道末端才能形成。国标 JJG 1030-2007 明确规定在不安装流动调整器的情况下,多声道超声流量计上游直管段长度至少为 10DN(DN 为流量计内径),下游直管段长度至少为 5DN;或根据流量计生产厂家的要求选择合适的上、下游直管段。

直管段长度直接影响超声流量计计量稳定性,直管段长度不足时流量测量不确定度相应增大,但是引起的附加误差是正向还是负向,需要具体分析。提供了 PROTAFLOW-X超声流量计上游直管段不足引起的附加误差曲线(如图 2)。实验为上游有 90°弯管条件下测量的不同直管段长度误差,由图 2 可知,随着上游直管段长度的增加,超声流量计计量误差逐渐减小。当上游管道为 15DN 时,计量误差约为 0.5 %,达到高精度。

管道3.jpg

2.结论与建议

管路结构对超声流量计计量性能产生影响,主要是管路结构对天然气产生扰动,天然气流经阻流件后,天然气流态发生畸变,流动伴随着漩涡、二次流,速度分布不对称。为保证超声流量计计量准确性,提出以下建议;

(1)改变调压计量工艺流程,采用“先计量,后调压”的计量方式。将超声流量计安装在调压阀上游,有效避免了调压阀对流体的扰动。超声流量计与调压阀之间安装“T”型管和 90°弯头,有效降低节流噪声对超声流量计的影响。

(2)汇管采用开口模压拔制结构。开口模压拔制结构使汇管出口管段过渡平缓,流体阻力小,有效的减少了流体的湍流强度。

(3)合理选择流动调整器,超声流量计宜选用板式调整器,板式调整器消除流体中的漩涡和纠正速度分布剖面不对称,提高超声流量计计量性。

(4)保证超声流量计上、下游直管段长度,在上游无整流器条件下,多声道超声流量计上游直管段长度至少为 10DN(DN 为流量计内径),下游直管段长度至少为 5DN;或根据流量计生产厂家的要求选择合适的上、下游直管段。保证超声流量计前流体是充分发展的湍流。

 

 



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