Som pionerer iultralyds flowmåler til naturgasmåleindustrien har vi i løbet af de sidste 5 år opdaget, at traditionelle mekaniske gasmålere med den kontinuerlige udvidelse af bygasrørledningsnetværk og den løbende forbedring af kravene til gasmålingsnøjagtighed gradvist har afsløret problemer såsom alvorligt slid, begrænset turndown-forhold og dårlig tilpasningsevne til gasdriftsforhold under lang-drift. Disse problemer gør det vanskeligt at opfylde de moderne gasmålekrav til høj præcision, intelligens og lang levetid. Ultralyds naturgasflowmålere er på grund af deres fordele ved at have ingen mekaniske bevægelige dele, store turndown-forhold, lavt tryktab og nem digitalisering og fjernkommunikation efterhånden blevet et vigtigt valg inden for gasflowmåling. Det er vigtigt for indkøbspersonale at forstå følgende indhold, før de træffer beslutninger.
Flowhastighedsfordelingsforskning
Da strømningshastighedsfordelingen af væske inde i rørledningen direkte påvirker udbredelsesvejen for ultralydssignaler, vil u-ensartet strømningshastighedsfordeling medføre, at ultralydssignaler spredes og dæmpes i varierende grad under udbredelsen i rørledningen, hvilket resulterer i fænomener såsom lavt signal-til-{{2} signalforhold mellem modtagne ekkolys dæmpning. Derfor er sikring af ensartet gasstrømningshastighedsfordeling inde i rørledningen en forudsætning for at opnå målenøjagtighedskravene forultralyds gasflowmålere.
Under normale omstændigheder kan væskestrømning påvirket af viskose kræfter producere to grundlæggende strømningsregimer (laminær strømning og turbulent strømning), som også er relateret til faktorer som strømningsregime og væskekinematisk viskositet, væskekarakteristika og rørledningsparametre. Disse to strømningsregimer er almindeligvis kendetegnet ved Reynolds-tallet (Re).
Når Re mindre end eller lig med 2300, er væsken i en laminær strømningstilstand. På dette tidspunkt er indflydelsen af viskøs kraft på væskepartikler større end inertikraft, strømningsregimet er relativt stabilt uden turbulente fænomener, men kun aksiale hastighedskomponenter eksisterer. Hastighedsfordelingen er ensartet og præsenterer en parabolsk form. Strømningshastigheden er mindre nær den cirkulære rørvæg og stiger gradvist mod midten af rørledningen, med hastighedsprofilen vist i figur 3.29.
Strømningshastigheden ved hvert punkt i det cirkulære rør er kun relateret til afstanden r fra dette punkt til rørledningens akse, og dens hastighedsfordelingslov kan udtrykkes som:
Hvor: vr er strømningshastigheden i afstanden r fra rørledningens akse; v_m er strømningshastigheden ved rørledningens akse, som er den maksimale strømningshastighed over hele tværsnittet; R er rørledningens radius.
Forholdet mellem linje-gennemsnitlig hastighed og areal-gennemsnitlig hastighed kan udtrykkes henholdsvis ved hjælp af vm som:
Ved at løse ligningerne (3.16) og (3.17) samtidigt kan Reynolds korrektionskoefficient opnås og udtrykkes som:
Når Re større end eller lig med 4000, er væsken i en turbulent tilstand. På dette tidspunkt er påvirkningen af inertikraft på væskepartikler mere signifikant, strømningsregimet er relativt kaotisk, aksiale og langsgående hastighedskomponenter eksisterer samtidigt, hastighedsfordelingen er u-ensartet, turbulent modstand øges, og hastighedsprofilen er vist i figur 3.30.
Fordi udbredelsesprocessen af turbulent strømning mangler relevant teori og specifikke analytiske metoder, for at fremme forskningen yderligere, bruger ingeniører almindeligvis effektserier til tilnærmelsesvis at beregne hastighedsfordelingen i cirkulære rør under turbulente forhold, hvilket kan udtrykkes som:
Hvor: værdien af n er relateret til rørledningens overfladeruhed og Reynolds tal. Under ideelle forhold, hvor den indre væg af rørledningen er glat, kan forholdet mellem n og Re udtrykkes ved Prandtls formel som:
Det vil sige, at når Reynolds-tallet er kendt, kan værdien af n beregnes, hvorved den turbulente hastighedsfordelingskurve vist i figur 3.30 bestemmes. Forholdet mellem linje-gennemsnitlig hastighed og areal-gennemsnitshastighed kan udtrykkes henholdsvis ved hjælp af v_m som:
Ved at løse ligningerne (3.21) og (3.22) samtidigt kan forholdet mellem Reynolds korrektionskoefficient og n opnås som:
I en fuldt udviklet turbulent rørledning kan forholdet mellem Reynolds korrektionskoefficient og Re udtrykkes som:
Praktiske tekniske overvejelser
Ovenstående formler er alle baseret på diskussioner udført under forhold uden andre forstyrrende faktorer og tilstrækkelige lige rørlængder før og efter målerørledningen. Men i faktiske tekniske applikationer vil faktorer såsom transducerinstallationsmetode, opstrømsventiler og bøjninger før og efter målerørledningen alle forårsage afvigelser i den interne strømningshastighedsfordeling, hvilket gør det vanskeligt at anvende i faktiske måleprocesser. Derfor er forskning i ensartet strømningshastighedsfordeling inde i strømningskanalen yderst vigtig.
Ultralyds naturgasflowmåler strukturelt design
En ultralyds naturgasflowmåler er en enhed, der bruger ultralydsteknologi til at måle gasflow. Dets strukturelle design og simuleringsforskning involverer flere aspekter, såsom sensordesign, væskedynamik og akustisk udbredelse. En kompletgas ultralyd flowmåleromfatter flowkanaler, transducere og målekredsløb. Dette system udfører målekredsløb og programdesign baseret på eksisterende flowkanaler og transducere.
Transducer design og installation
Ultralyds naturgasflowmålere har typisk to transducere: en sender og en modtager. Designovervejelser omfatter transducerens frekvens, effekt og driftstemperaturområde for at tilpasse sig forskellige gaskarakteristika. Monteringspositionen af transducere har en vigtig indflydelse på måleresultaterne. Typisk bør sendere og modtagere være symmetrisk arrangeret på forskellige positioner på rørledningen for at sikre, at udbredelsesvejen for ultralydssignaler forbliver så ensartet som muligt.
Væskekanaldesign
Når man designer gasmålerens væskekanal, er det nødvendigt at kende rørledningens indre diameter, så den passer til gasstrømningsområdet. Den indvendige overflade af rørledningen skal være glat for at reducere interferens med væskestrømmen. Det er også nødvendigt at designe strømningsreguleringsanordninger for at sikre, at væskehastigheden er inden for det målbare område, så man undgår påvirkningen af for hurtig eller langsom strømningshastighed på målingen.
Yderbeklædning og fiksering
I betragtning af kompleksiteten af arbejdsmiljøet fokuserer valget af ydre beklædningsmaterialer på at vælge korrosions-resistente og høj-temperatur-materialer, såsom rustfrit stål eller teknisk plast, som effektivt kan beskytte interne elektroniske komponenter og transducere. Samtidig bør der designes en pålidelig fastgørelsesmekanisme for at sikre gasmålerens stabilitet under høje-arbejdsforhold. Fastgørelsesanordningen skal tage højde for installationspladsen og miljøforholdene for rørledningen.
Elektrisk og signalbehandling
Med hensyn til elektrisk og signalbehandling er design af et effektivt elektrisk forbindelsessystem lige så afgørende for at sikre stabil signaltransmission og -behandling, herunder modtagelse, behandling og beregning af ultralydssignaler. For at konvertere ultralydsudbredelsestidsforskellen til flowdata skal tilsvarende algoritmer designes separat.
Målenøjagtighedsfaktorer
Målenøjagtigheden af ultralyds naturgasflowmålere er også relateret til flere faktorer, såsom sensorkvalitet, omgivende temperatur, gasstrømningshastighed, gassammensætning og tryk. Blandt disse har målenøjagtigheden af ultralyds-naturgasstrømningsmålere en stærk korrelation med strømningshastighedsfordelingen, hvilket kræver, at væskefordelingen i målerørledningen kan afspejle strømningshastigheden på tværs af strømningskanalens tværsnit.
Vigtige designovervejelser
Derudover bør følgende faktorer overvejes i det strukturelle design af ultralydsstrømningskanaler for naturgasstrømningsmålere:
(1) Dæmpning af ultralydssignalamplitude i strømningskanalen under strømningshastighedsændringer; (2) Ultralydssignaler bør påvirkes så væsentligt som muligt af ændringer i væskestrømningshastigheden for at forbedre systemmålingsopløsningen; (3) Den øjeblikkelige strømningshastighed af væske, der passerer gennem målerørledningen, skal opfylde systemets målingskrav for hele-området.
Ved at kombinere ovenstående faktorer blev den designede ultrasoniske strømningskanalmodel for naturgasflowmåler designet og modelleret ved hjælp af SpaceClaim-software med modellen vist i figur 3.31.
Figur 3.31
Gasmålerens flowkanaldesign består af to dele: den del, der forbinder til gasrørledningen, har et cirkulært rør, med dimensioner identiske med dem for membrangasmålere. I betragtning af reflektionseffekten af ultralydssignaler og implementeringen af korrektion af strømningshastighedsfordeling, vedtager strømningshastighedsmålingsdelen en rektangulær strømningskanalstruktur med tre strømningsudretningsvinger installeret indeni. Udretningsvingerne er gavnlige for ensartet fordeling af væskestrømningshastigheden. Samtidig betyder reduktionen i den indvendige diameter af den rektangulære strømningskanal, at under samme indløbsstrømningshastighedsforhold bliver den øjeblikkelige strømningshastighed i den rektangulære strømningskanal hurtigere, transittidsforskellen øges, hvilket kan forbedre strømningsmålingsopløsningen af ultralyds naturgasflowmåleren. Med hensyn til installationsmetoden for piezoelektriske transducere skal udbredelsesvejlængden forlænges for at sikre målenøjagtighed ved små flowpunkter af ultralyds-naturgasflowmåleren. Imidlertid vil stigningen i vejlængde forårsage energitab under signaludbredelse, hvilket kræver en balance mellem systemets målenøjagtighed og signaldæmpningsgrad fra to aspekter. AV--formet installationsstruktur er vedtaget, med de to transducere symmetriske om den langsgående midterlinje af udretningsvingerne.
Mesh generation og kvalitet
Inden simulering af væskedynamik udføres, udføres forbehandlingsoperationer på den ultrasoniske naturgasflowmåler-flowkanalmodel. Efter at have afsluttet modelreparation og forenkling for at opnå et fast stof, ekstraheres modellens indre væskeområde, og nettet deles. Kvaliteten af maskeopdelingen bestemmer direkte pålideligheden og stabiliteten af efterfølgende simuleringsresultater. Den flydende vandtætte arbejdsgang kan bruges til at udføre ovenstående proces, ved at indstille størrelsesområdet for generering af overflademaske til 0,1-4 mm, ved at bruge 2 mellemrumsudfyldningslag, der anvender nærhedsdetektion til faste grænser. Den maksimale skævhed af det opdelte overflademaske er 0,69, hvilket indikerer god maskekvalitet. På dette grundlag anvendes hexahedral-polyhedral fyldvolumenet, grænselag tilføjes til væskeområdet, og den endelige ortogonale kvalitet af volumenet når 0,15. Kombineret med mesh-uafhængighedseksperimenter er modellens maskeantal bestemt til at være omkring 1,2 mio. Volumenmaskefordelingen er vist i figur 3.32.
Figur 3.32
