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浅析整流板对天然气龙8量的影响

来源: 中国石化天然气分公司计量研究中心,湖北 武汉 作者:陆玉城 发布日期:2020-05-28 10:25:57

         摘要:随着国家节能环保战略的实施,天然气发展迅速,计量纠纷及输差问题也日益突出,如何准确计量确保买卖双方的合法利益成为关注的重点,天然气为多组分气体,影响计量结果的因素较多,文章主要分析整流板对超声龙8计量结果的影响,为龙8的安装、选型、检定提供技术支撑。

 
        按照GB/T18604《用气体超声龙8测量天然气流量》要求[1],进入超声龙8的天然气应是对称的充分发展的紊流速度分布,但由于上游管路的管道配件、调压阀及直管段长度等会影响进入龙8的气体速度剖面,从而影响测量准确度。为了减小流速剖面对计量的影响,各龙8厂家均配备了整流板安装至龙8前10D位置,用于减少旋涡和改善天然气速度分布。
 
        不同厂家龙8的声道布置及龙8算数学模型不同,对进入龙8的流态要求不同,配套的整流板也不同,图1是三个厂家配套的整流板,由图可以看出,每款整流板的开孔布局、分布方式均不相同。由于大家对龙8整流板关注的少,错误的认为只要有整流板就能保证龙8的准确度,在龙8配整流板时未严格按照厂家要求进行配置,同时送检龙8时也未将配套整流板同时送检[2],导致检定过程用整流板与现场应用过程整流板不一致。
整流板
        为了确认整流板对超声龙8计量的影响[4],本文首先采用三维仿真模拟,利用模拟数据进行计算,计算不同整流板对同一龙8的影响量,然后通过在检定站进行实流测试对模拟计算结果进行验证。1三维仿真模拟计算
 
1.1建立模型
        利用计算流体力学软件FLUENT对三维流场进行仿真,对流场的求解建立在流体力学的基本控制方程之上,即连续性方程、动量方程和能量方程,这些方程遵守了质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒三个物理学基本原理。同时由于管道内流体处于湍流状态,还需使用湍流方程对流场控制求解[5]。FLUENT中有多种湍流模型,其中k-ε模型是目前应用非常为广泛的模型,该模型又分为标准k-ε模型,重组化的k-ε模型和可实现的k-ε模型。
 
        三种湍流模型在形式上类似,主要差别在于计算湍流粘性的方法、控制湍流扩散的湍流普朗特数、体壁面位置上如何进行处理等存在不同。结合天然气龙8计量的工况条件和相关文献资料,采用重组化的k-ε模型(RNG模型)。计算流体力学软件FLUENT计算管道内湍流流场时,正是基于上述三个基本控制方程,同时结合合适的湍流模型并在给定边界条件下进行求解,得到了流场内部各变量,模拟结果见图2。
1.2计算分析以
Daniel龙8为例进行分析,不同整流板对龙8量结果的影响。Daniel龙8为四声道龙8,四个声道分布如图3所示。
整流板下游 10D 位置流速模拟剖面Daniel 超声龙8声道布置图
        通过三维仿真模拟得到四个声道的流速v1、v2、v3、v4,利用式(1)计算平均流速v。
公式1
        式中:wi为各声道的权重因子。计算三种整流板下龙8的平均流速,同时通过积分计算的理论平均流速进行比较,根据式
 
        (2)计算误差[7]。通过模拟22m/s和3m/s两种流速下的流体流态,结果见表1、表2。
公式2
流速为 22 m/s 下模拟结果流速为 3 m/s 下模拟结果
 
        通过模拟分析可见,不同整流板在下游10D位置的流体速度分布梯度有较大差异,通过同一龙8进行计量后有较大偏差,Daniel与Elster整流板差异较大,计量偏差也较大,可达0.59%,Daniel与Sick整流板较为相似,整流板对龙8的影响相对偏小,约0.15%,但不同流速的影响量不同。
 
2试验验证
2.1三维仿真结果验证
        为了验证三维仿真分析的结果,选用了一台DN200Daniel超声龙8进行实流检定测试,测量范围为:85.19~3124.64m3/h,测试流量点分别为4000、3000、2000、560m3/h,分别在龙8上游10D处安装Daniel、Elster、Sick整流板,测试结果见表3和图4。
DN200 Daniel 超声龙8实流测试结果不同整流板下龙8误差曲线
        通过实验测试分析,实验结果与三维仿真模拟结果基本一致,三种类型整流板对龙8计量结果有一定的影响,Daniel与Elster影响的偏差非常大,Sick处于中间位置,计量结果的非常大偏差可达0.6%,同时在不同流速下,整流板对计量结果的影响不同,在40%Qmax流量点处影响相对较小,在往大流量或者小流量偏移时影响量逐渐变大。
 
2.2流态剖面影响试验验证
        为了验证流速剖面对计量的影响,选用一台DN150Daniel龙8进行试验[8],流量范围为47~1846m3/h,分别对不安装整流板、整流板部分整流孔堵塞及整流板正常安装条件下进行测试,测试结果如表4所示。
整流板部分堵塞测试结果
        三种安装条件下测试结果偏差较大,说明流速剖面对计量结果影响较大,在上游10D处安装整流板可有效较小流态的畸变,测试结果相对可靠,其他安装条件与之对比可分析出安装对计量的影响。在不安装整流板时计量结果相对偏大0.3%左右,整流板部分堵塞时,计量结果相对偏大0.6%左右。对于不同类型的龙8安装条件对计量结果的影响不尽相同,该测试结果仅对被测龙8适用,测试结果表明安装条件的不同会导致经过龙8的流体流态不同,对计量有较大影响,至于影响趋势及影响量需经过大量理论及试验数据进行分析[9]。
 
3案例分析
        在某长输管道计量站内计量用龙8为DN400Elster超声龙8,在应用过程中与下游计量监督站出现较大的计量交接差,通过对计量系统的排查,发现检定时选用的是相同口径的Daniel整流板,未选用Elster配套整流板,为了确认是否是整流板的影响,利用移动标准装置到现场进行了在线实流测试,测试结果与前检定结果有较大偏差,非常大偏差为0.7%,具体结果见表5。
不同整流板下测试结果偏差
4 结论及建议
        ( 1) 整流板对天然气流体具有整流效果,可有效提高龙8计量的准确度,不同型号整流板适用不同类型的龙8,不能混用,混用后会引入较大的偏差,偏差非常大可达 0. 7% 。 
        ( 2) 通过三维模拟仿真及龙8计量的数学模型可分析不同整流板对龙8的影响量,通过模拟和大量的试验数据可建立一套整流板对龙8计量的修正模型,在检定与使用过程中选用整流板不同时可通过模型进行修正补偿,同时可在计量系统评定时通过该方法定量分析计量结果的偏差。
        ( 3) 建议龙8使用及检定时采用相同的整流板,有条件的场站可将在用整流板与龙8整体送检,避免因整流板选型造成计量偏差。

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