Като пионери вултразвуков разходомер за природен газв измервателната индустрия, през последните 5 години открихме, че с непрекъснатото разширяване на градските газопроводни мрежи и продължаващото подобряване на изискванията за точност на измерване на газ, традиционните механични газомери постепенно изложиха проблеми като силно износване, ограничен коефициент на намаляване и лоша адаптивност към работни условия на газ по време на дългосрочна-експлоатация. Тези проблеми затрудняват изпълнението на съвременните изисквания за измерване на газ за висока точност, интелигентност и дълъг експлоатационен живот. Ултразвуковите разходомери за природен газ, поради своите предимства, че нямат механични движещи се части, голям коефициент на намаляване, ниска загуба на налягане и лекота на цифровизация и дистанционна комуникация, постепенно се превърнаха във важен избор в областта на измерването на газовия поток. От съществено значение е персоналът по доставките да разбере следното съдържание, преди да вземе решения.
Изследване на разпределението на скоростта на потока
Тъй като разпределението на скоростта на потока на течността вътре в тръбопровода влияе пряко върху пътя на разпространение на ултразвуковите сигнали, не-равномерното разпределение на скоростта на потока ще доведе до разпръскване и отслабване на ултразвуковите сигнали в различна степен по време на разпространение в тръбопровода, което води до явления като ниско съотношение сигнал-към-шум на получените ехо сигнали и тежка амплитуда затихване. Следователно осигуряването на равномерно разпределение на скоростта на газовия поток вътре в тръбопровода е предпоставка за постигане на изискванията за точност на измерване наултразвукови газови разходомери.
При нормални обстоятелства флуидният поток, повлиян от вискозни сили, може да създаде два основни режима на потока (ламинарен поток и турбулентен поток), които също са свързани с фактори като режим на потока и кинематичен вискозитет на флуида, характеристики на флуида и параметри на тръбопровода. Тези два режима на потока обикновено се отличават с числото на Рейнолдс (Re).
Когато Re е по-малко или равно на 2300, течността е в състояние на ламинарен поток. По това време влиянието на вискозната сила върху флуидните частици е по-голямо от инерционната сила, режимът на потока е относително стабилен без турбулентни явления, но съществуват само компоненти на аксиалната скорост. Разпределението на скоростта е равномерно, представляващо параболична форма. Скоростта на потока е по-малка в близост до стената на кръглата тръба и постепенно се увеличава към центъра на тръбопровода, като профилът на скоростта е показан на Фигура 3.29.
Скоростта на потока във всяка точка в кръглата тръба е свързана само с разстоянието r от тази точка до оста на тръбопровода и неговият закон за разпределение на скоростта може да бъде изразен като:
Където: vr е скоростта на потока на разстояние r от оста на тръбопровода; v_m е скоростта на потока по оста на тръбопровода, която е максималната скорост на потока през цялото напречно-сечение; R е радиусът на тръбопровода.
Връзката между линия-средната скорост и площ-осреднената скорост може да бъде изразена съответно чрез vm като:
Чрез едновременното решаване на уравнения (3.16) и (3.17) корекционният коефициент на Рейнолдс може да бъде получен и изразен като:
Когато Re е по-голямо или равно на 4000, течността е в турбулентно състояние. По това време влиянието на инерционната сила върху флуидните частици е по-значимо, режимът на потока е сравнително хаотичен, аксиалните и надлъжните компоненти на скоростта съществуват едновременно, разпределението на скоростта е не-равномерно, турбулентното съпротивление се увеличава и профилът на скоростта е показан на Фигура 3.30.
Тъй като процесът на разпространение на турбулентния поток не разполага с подходяща теория и специфични аналитични методи, за по-нататъшен напредък в изследванията, инженерите обикновено използват степенни серии за приблизително изчисляване на разпределението на скоростта в кръгли тръби при турбулентни условия, което може да бъде изразено като:
Където: стойността на n е свързана с грапавостта на повърхността на тръбопровода и числото на Рейнолдс. При идеални условия, когато вътрешната стена на тръбопровода е гладка, връзката между n и Re може да се изрази чрез формулата на Прандтл като:
Тоест, когато числото на Рейнолдс е известно, стойността на n може да бъде изчислена, като по този начин се определя кривата на турбулентното разпределение на скоростта, показана на фигура 3.30. Връзката между линия-осреднена скорост и площ-осреднена скорост може да бъде изразена съответно чрез v_m като:
Чрез едновременното решаване на уравнения (3.21) и (3.22) връзката между коригиращия коефициент на Рейнолдс и n може да се получи като:
В напълно развит турбулентен тръбопровод връзката между коригиращия коефициент на Рейнолдс и Re може да се изрази като:
Практически инженерни съображения
Всички горни формули се основават на дискусии, проведени при условия без други смущаващи фактори и достатъчно прави дължини на тръбите преди и след измервателния тръбопровод. Въпреки това, в реални инженерни приложения, фактори като метод на инсталиране на преобразувателя, клапани нагоре по веригата и завои преди и след тръбопровода за измерване ще причинят отклонения във вътрешното разпределение на скоростта на потока, което ще затрудни прилагането в действителните процеси на измерване. Следователно изследването на равномерното разпределение на скоростта на потока вътре в канала на потока е изключително важно.
Структурен дизайн на ултразвуков разходомер за природен газ
Ултразвуковият разходомер за природен газ е устройство, което използва ултразвукова технология за измерване на газовия поток. Неговият структурен дизайн и симулационни изследвания включват множество аспекти, като дизайн на сензори, динамика на флуидите и акустично разпространение. Пъленгазов ултразвуков разходомервключва канали за поток, преобразуватели и измервателни вериги. Тази система изпълнява верига за измерване и проектиране на програми на базата на съществуващи канали за поток и преобразуватели.
Проектиране и инсталиране на трансдюсер
Ултразвуковите разходомери за природен газ обикновено имат два преобразувателя: предавател и приемник. Проектните съображения включват честотата, мощността и работния температурен диапазон на преобразувателя, за да се адаптира към различни характеристики на газа. Монтажната позиция на преобразувателите има важно влияние върху резултатите от измерването. Обикновено предавателите и приемниците трябва да бъдат симетрично разположени на различни позиции по тръбопровода, за да се гарантира, че пътят на разпространение на ултразвуковите сигнали остава възможно най-равномерен.
Дизайн на флуиден канал
При проектирането на флуидния канал на газомера е необходимо да се знае вътрешният диаметър на тръбопровода, за да съответства на обхвата на газовия поток. Вътрешната повърхност на тръбопровода трябва да е гладка, за да се намали смущението на потока на течността. Необходимо е също така да се проектират устройства за регулиране на потока, за да се гарантира, че скоростта на течността е в измеримия диапазон, като се избягва въздействието на прекалено бързата или бавната скорост на потока върху измерването.
Външен корпус и фиксация
Като се има предвид сложността на работната среда, изборът на материали за външния корпус се фокусира върху избора на устойчиви-на корозия и висока-температура-материали, като неръждаема стомана или инженерна пластмаса, които могат ефективно да защитят вътрешните електронни компоненти и преобразуватели. В същото време трябва да се проектира надежден фиксиращ механизъм, който да гарантира стабилността на газомера при работни условия на високо-налягане. Устройството за фиксиране трябва да вземе предвид пространството за монтаж и условията на околната среда на тръбопровода.
Електрическа и сигнална обработка
По отношение на електрическата обработка и обработката на сигнали, проектирането на ефективна система за електрическо свързване е също толкова важно за осигуряване на стабилно предаване и обработка на сигнали, включително приемане, обработка и изчисляване на ултразвукови сигнали. За да се преобразува разликата във времето на разпространение на ултразвука в данни за потока, съответните алгоритми трябва да бъдат проектирани отделно.
Фактори на точност на измерване
Точността на измерване на ултразвуковите разходомери за природен газ също е свързана с множество фактори, като качество на сензора, температура на околната среда, скорост на газовия поток, състав на газа и налягане. Сред тях, точността на измерване на ултразвуковите разходомери за природен газ има силна корелация с разпределението на скоростта на потока, което изисква разпределението на флуида в измервателния тръбопровод да може адекватно да отразява скоростта на потока в напречното-сечение на канала на потока.
Ключови съображения за дизайн
В допълнение, следните фактори трябва да бъдат взети под внимание при структурния дизайн на ултразвуковия разходомер на природен газ, каналите на потока:
(1) Затихване на амплитудата на ултразвуковия сигнал в канала на потока по време на промени в скоростта на потока; (2) Ултразвуковите сигнали трябва да бъдат повлияни възможно най-значително от промените в скоростта на флуидния поток, за да се подобри разделителната способност на измерванията на системата; (3) Моментната скорост на потока на флуида, преминаващ през тръбопровода за измерване, трябва да отговаря на изискванията за измерване на пълния-обхват на системата.
Комбинирайки горните фактори, проектираният ултразвуков модел на потока на разходомера за природен газ беше проектиран и моделиран с помощта на софтуера SpaceClaim, с модела, показан на Фигура 3.31.
Фигура 3.31
Конструкцията на канала за поток на газомера се състои от две части: частта, свързваща се с газопровода, има кръгла тръба с размери, идентични с тези на диафрагмените газомери. Като се има предвид ефектът на отразяване на ултразвуковите сигнали и внедряването на корекция на разпределението на скоростта на потока, частта за измерване на скоростта на потока приема правоъгълна структура на канала на потока, с три лопатки за изправяне на потока, монтирани вътре. Изправящите лопатки са от полза за равномерното разпределение на скоростта на флуидния поток. В същото време намаляването на вътрешния диаметър на правоъгълния канал на потока означава, че при същите условия на скоростта на входния поток, моментната скорост на потока в правоъгълния канал на потока става по-бърза, разликата във времето на преминаване се увеличава, което може да подобри разделителната способност на измерване на потока на ултразвуковия разходомер за природен газ. По отношение на метода на инсталиране на пиезоелектрични преобразуватели, за да се осигури точност на измерване при малки точки на потока на ултразвуковия разходомер за природен газ, дължината на пътя на разпространение трябва да бъде удължена. Увеличаването на дължината на пътя обаче ще доведе до загуба на енергия по време на разпространението на сигнала, което изисква баланс между точността на измерване на системата и степента на затихване на сигнала от два аспекта. Приета е AV-образна инсталационна структура, като двата преобразувателя са симетрични спрямо надлъжната централна линия на лопатките за изправяне.
Генериране на мрежи и качество
Преди провеждане на симулация на динамиката на флуида се извършват операции по предварителна обработка на модела на канала на потока на ултразвуковия разходомер на природен газ. След завършване на ремонта и опростяването на модела, за да се получи твърдо вещество, вътрешната течна област на модела се извлича и мрежата се разделя. Качеството на разделянето на мрежата директно определя надеждността и стабилността на последващите резултати от симулацията. Водонепроницаемият работен процес на Fluent може да се използва за изпълнение на горния процес, като се зададе диапазон на размера на генерираната мрежа на повърхността на 0,1-4 mm, като се използват 2 слоя за запълване на празнини, като се прилага откриване на близост към твърди граници. Максималното изкривяване на мрежата с разделена повърхност е 0,69, което показва добро качество на мрежата. На тази основа се използва хексаедрално-полиедрична обемна мрежа за запълване, към флуидната област се добавят гранични слоеве и крайното ортогонално качество на обемната мрежа достига 0,15. В комбинация с експерименти за независимост на окото, броят на окото на модела се определя на около 1,2 милиона. Разпределението на обемната мрежа е показано на Фигура 3.32.
Фигура 3.32
