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化工管道結構對超聲波流量計測量精度影響的研究

時間:2018-09-13 13:26 來源:http://www.zppyue.icu/ 點擊數:

原油、天然氣流體運輸過程中的流量監測是安全生產的重要環節,高精度的超聲波流量計能夠適應不同管道結構、不 同物性流體介質的測量,有效降低了化學管道泄漏的損失。結合計算流體力學FLUENT)軟件,建立了直管、T型管的三維管 道模型,并通過改變入口流量、提高管道內壁粗糙度來分析管道截面流體流型的變化情況,進而提出延長緩沖管道、優化權重系數算法等方式來提高流量計的精確度。結果表明,流體流型受管道結構的影響較大,隨著流速以及粗輕度的提高,流體湍動程度也更加劇烈

超聲波流量計得益于計算原理簡單、測量過程不與介質 直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網監控等特點, 在化工領域的流體測量中越來越受到人們重視。超聲波流 量計是近年來儀器儀表領域的研究熱點,因其測量準確、穩 定性好,而且安裝使用非常方便。但是,能夠增加超聲波流 量計測量誤差的因素也很多,如能夠準確計算超聲波在流體 中的傳播時間、管道內流體是否是理想狀態下流動、換能器 接收信號的性能以及超聲波流量計的安裝位置等。

煉油廠中化工管路是運輸原油、天然氣以及其他化學 品介質的主要方式。然而,由于實際工況下石油化工管道 結構的差異,如90°彎管、T型管、變徑管等;加上輸送化學 品普遍具有腐蝕性,會增加管道內壁的粗糙度,導致管道 內流體流動狀態像非理想流體流動變化,進而影響流量監 測的精確度。

計算流體力學軟件FLUENT)是當今流體力學領域使 用比較廣泛的商業軟件,其模擬仿真結果比較貼近實際情 況,因此研究采用仿真的方法可以有效節省人力物力。目前 超聲波流量計的聲道算法大多是以理想流體流動為前提的, 當管道結構等條件發生改變后容易造成流型的突變,從而 影響測量準確度。從當前研究結果分析,對于上游阻流件 或管道內壁粗糙度對流體流型以及流量計測量精度的影響 研究尚在起步階段。

本研究建立了直管以及T型管兩種工業常見石油化工管 道模型,考察了流體速度以及管道粗糙程度對于流型的影 響,以提高流量計的測量精度。

1.超聲波流量計原理

流體流動方向會對超聲波的傳播速度造成影響,這就 是基于時差法下流量計的檢測原理,也是流體速度、流量監 測比較有效的方式。超聲波的傳播方向與流體同向,則傳播 時間會減少;如果與流體流動方向相反則傳播時間延長。

2.管道模型及仿真設置

2.1幾何模型的建立

考慮到管道上游阻流件結構會造成管道內出現渦流等 非對稱流型,其湍動程度也會發生變化,因此,建立直管及 T型管管道模型,分析流動狀態的改變對于超聲波流量計測 量精度的影響。管道結構包括入口管道、出口管道以及上下 游直管段組成,管道直徑乃=50 mm超聲波流量計安裝檢測 位置為距水平入口管道20D處。

2.2 FLUENT仿真設置

利用GAMBIT軟件進行管道模型的創建與網格的劃分, T型管道中垂直入口與水平入口交接處進行加密處理,整 體模型網格數量50萬左右。選擇水作為流體介質,由于觀察 非理想流動下流型的變化,因此管道內流體雷諾數較高,屬 于湍流狀態,選擇RNG k-£湍流模型進行仿真計算。

為使仿真結果更加貼近實際情況數據,使模擬過程更 加合理化,要對FLUENT操作變量進行設置。

(1)規定初始入口流速為0.3 m/s1 m/s2 m/s對應雷 諾數分別為5.0X1041.6X1053.3X105使管道內流體流動 形成3種明顯的湍動程度。2)改變管道粗糙度,設定粗糙 高度為0 m0.005 m0.01 m考察在管道光滑度不均勻情況 下如何對計算方法進行修正,以提高超聲波流量計的測量 精度。

3.仿真結果討論

3.1速度場對管道內流體流型的影響

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1和圖2是直管及T型管結構下管道內流體流動的速度 分布云圖。通過仿真分析可以看到,不論流體在直管還是T 型管內流動,由于水自身具有黏度、靠近管壁處存在邊界層 效應,管道截面處流體流型均存在速度梯度,靠近管內壁處 速度為零、遠離壁面處流速相對較高,而且隨著上游管道形 狀以及初始流速的改變,流體受到的阻力也會隨之變化,導致流場分布的不均勻性。

當流體入口速度由0.3 m/s提高至2 m/s后,管道雷諾數 5.0X104變為3.3X105流體的湍動程度有了較大幅度的提 高。對于直管,流體流速由0.3 m/s提升至1 m/s時管道內速度 梯度分布比較規則,速度分布整體呈對稱分布,當流速進一 步提高至2 m/s后,管道內任何微小的突起(如管道間焊接處 等)都會使流體流動的方向發生偏轉,從而造成了速度云圖 的隨機性及無序性;在T型管中,兩股入口流體在管道交接 處會有渦旋產生,此時流體受到的離心力作用很強,速度最 大值等值面逐漸偏離軸心處,管道截面處會出現部分流速較 低區域,而且隨著管道雷諾數的提升這種速度極值面積更加 明顯。此時,可以采用延長下游緩沖管道長度,在工況允許 條件下將超聲波流量計安裝位置后移至完全發展流段等方 式來減少因為流型改變造成的測量誤差。

3.2管道粗輕度對于流體流型的影響

在化工廠實際生產中,管道輸送的化學品會發生沉淀, 使管道內壁會有不同程度的突起,也就是粗糙度有所提高, 導致管道內徑的減少。從圖中可以發現,隨著粗糙度的提 高,管道截面處流體的速度梯度越來越明顯,而且速度分布 對稱性逐漸降低。說明管道直徑在流量計測量的精確度方面還是非常重要的,如果不能定期對管道進行測量和清洗, 可以通過優化算法,調整超聲波流量計聲道系數來達到校 準的目的,修正后的超聲波流量計可以將管道粗糙度造成的 測量誤差降到最低。

4.結語

本研究采用計算流體力學Computational Fluid DynamicsCFD)模擬仿真方式,研究了流體在直管、T 管兩種管道模型下流場變化對超聲波流量計測量精度的影 響。隨著入口流速的提高,管道內流體湍動程度逐漸提高, 速度等值面的非對稱性和無序性增強,通過加長直管段管 道長度、調整超聲波流量計的測量位置可以降低由于非理想 流體對于測量精度的影響;通過對管道內部不同粗糙度的 模擬,發現當流速提高后不光滑的壁面會使流體流動方向發 生改變,從而造成管道截面整體流型的變化,實際測量中可 以針對不同管道的腐蝕程度,結合FLUENT進行超聲波流 量計算法的優化,調整權重系數已達到準確測量的目的。

本研究采取的模擬仿真的分析方法對于不同管道類型、 不同流體介質的流動情況分析同樣適用,在定性定量確定了 影響超聲波流量計測量精度的因素后,下一步可以搭建實驗 裝置,探索聲道位置、流量計安裝角度等因素對檢測結果的 影響。

 


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