北極星環境監測網訊:摘要：隨著國家煤改氣工程的推進，對天然氣管道運輸及測量技術的要求也越來越高。超聲波流量計因測量穩定、壓力損失小以及安裝簡便等特點使其在石油化工、冶金、電力等工程領域的應用越來越廣泛。在當今多種超聲波流量計中，時差法超聲波流量計是應用最為廣泛的，其檢測原理是計算聲道傳播路徑上的平均速度，並通過修正係數補償的方式來得出管道的截面速度。然而，超聲波流量計的測量精確度會受到諸多因素的影響，如輸送流體的性質、管道內流體雷諾數、流量計的安裝位置和聲道位置等，這些參數的變化都會對超聲波流量計測量時間差造成影響。
1導言
隨著天然氣運輸貿易的發展，天然氣需求量將越來越高。當前運輸天然氣最常見的方式就是通過管道運輸，因此對天然氣輸送量的精確監測對於預防管道洩漏等安全事故有著重要意義。而從當前研究文獻來看，關於超聲波流量計在天然氣流量監測測量中的精度影響因素報導比較少見。天然氣由於密度、黏度均低於空氣，因此在相同實驗條件下其管道內流體速度分布也會有很大區別。
2檢測原理
2.1超聲波流量計測量原理
通過流量計上、下遊探頭來測量超聲波在氣體管道的順流、逆流響應時間，得出體積流率的計算公式如下：
式中，vm———管道截面速度
vL———聲道上流體平均線速度
L———流量計探頭之間的聲道長度
t1和t2———分別表示管道內流體順流、逆流的傳播時間
θ———聲道與管道軸線的夾角
Q———管道內流體的體積流量
A———管道的橫截面積
K———修正係數
2.2管道內氣體速度分布
由於氣體的黏度作用，管道截面處流體速度呈梯度分布，管道中心軸線處流速最高，貼近管道壁面處流速為0，當管道內任意位置截面處氣體速度分布情況相同，則認為氣體流動達到充分發展。根據雷諾數大小可以將流體流動狀態分為2種，即層流狀態和湍流狀態，如圖2所示。
圖2 管道內流體速度分布
當雷諾數低於2300時，流體受黏性力影響較大，流體以分層的方式移動；當雷諾數高於2300後流體變成湍流狀態，隨著雷諾數的提高管道截面處各點速度分布更加均勻，此時流體的慣性力成為主導。雷諾數的計算公式如下：
式中，d ——— 管道直徑
u ——— 流體流速
ρ ——— 流體密度
μ ——— 流體黏度
3仿真設置及實驗方法
3.1管道模型與網格劃分
建立如圖 3 所示的組合雙彎管和變徑管 2 種管道模型示意圖，分析渦流及流速突變等情況對於超聲波流量計測量精度的影響。
圖3 管道模型示意圖
管道裝置包含緩衝管道、上遊阻流件、雙聲道超聲波流量計、出口管道 4 部分，管道直徑 D =40 mm。設置上遊緩衝管道及出口管道長度為 10D 即可滿足大多實際工況下的測量要求，此時可以調整緩衝管道長度來研究超聲波流量計的最佳安裝位置。利用 GAMBIT 軟體建立三維管道模型，網格類型以四面體為主，採用 TGrid 方式進行劃分，整體網格尺寸設為 4，對彎管處、管道變徑處單獨進行局部網格加密處理，局部網格尺寸設置為 2，生成網格總量約為40 萬。
3.2邊界條件與仿真設置
管道入口處設置為速度入口（Velocity-inlet）、管道出口處設置為自由流出口（Outflow）、其餘設置為壁麵條件（Wall）。管道內流動介質為甲烷，密度 0． 78 g/L，流體與壁面接觸無滑移。當管道內雷諾數低於 2300時選擇 Lamina 模型，當管道內氣體處於湍流狀態時選擇 ＲNG k-ε 湍流模型進行求解；流體流動採用一階隱式求解方法，壓力-速度耦合方式採用 SIMPLE 算法。選擇連續相方程、動量方程來計算流體的運動行為。連續性方程：
動量方程：
式中，ρ ——— 流體密度
t ——— 時間
u ——— 速度矢量
τ ——— 牛頓黏性應力
f ——— 流體所受體積力
為全面研究超聲波流量計在各種流體流動形態下的測量精度，對操作變量參數設置如下：
（1）為使流體流動覆蓋層流至湍流下多種狀態，設置管道入口速度為 0． 2，0． 5，2，10，20 m/s，此時雷諾數分別為 492，1229，4916，2． 45 ×10 4，4． 91 ×10 4；（2）以 10D 位置處彎管模型、10 m/s 的管道流速為例，分析全縮探頭對於管道流場速度分布的影響；（3）改變下遊緩衝管道長度，設定長度在2D ～20D間，研究流量計不同安裝位置下對測量結果的影響，測量點設置在距超聲波流量計入口 4D 處；（4）規定5 種聲道位置，其位置描述方式為聲道路逕到管道截面中心的距離與管道直徑的比值（L/D），如表1 所示。
表1 聲道位置
此外，為確保仿真精度，需要進行網格敏感性驗證，對比網格總數約為 40 萬和 60 萬的模型在不同入口流速下其計算結果的差異，發現模擬結果對於網格密度變化的敏感性較小，由於篇幅限制分析過程在此不再贅述。
3.3實驗裝置與實驗方法
實驗室綜合測試平臺如圖 4 所示，可以改變管徑尺寸、阻流件結構、流量計類型等進行實驗研究。選取部分管段及儀表作為本次實驗的檢測裝置，進氣裝置提供流量穩定的天然氣並將其輸送進入管道系統，並通過閥門對進氣流量進行調節；檢測管段中安裝雙彎管或變徑管作為上遊阻流裝置，在緩衝管道固定位置處安裝雙聲道超聲波氣體流量計，通過測量儀表來檢測實際氣體流量。
實驗中，流體流速從 0 ～ 20 m/s 依次遞增進行測量，每次測量採集數據 80 組，通過信號處理來計算流量，與標準表進行對比。
4結語
通過 Fluent 仿真的方法對天然氣管道運輸中造成測量誤差的影響因素進行了研究，並結合實驗數據驗證了仿真方法的可信性。在分析了超聲波流量計探頭結構對於流量計測量位置處流場分布的影響以及不同下遊緩衝管道長度下流量計的測量穩定性後，對雙聲道超聲波流量計的最優聲道位置進行了討論。結果表明，流量計全縮結構會使流體產生回流並產生負向速度；超聲波流量計據上遊管道距離至少為10D 才能保證相對誤差變化平緩、管道內流體充分發展；通過對修正係數 K 隨雷諾數的變化規律得出最優聲道位置為距管道截面中心 0． 25D 處，此時修正係數隨管道形狀、雷諾數的變化幅度最小。研究方法及影響因素的變化趨勢對於不同物性的氣體測量精度的提高同樣適用。
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