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城市燃氣用孔板流量計的數值模擬的模型具體分析

作者: 來源: 發布時間:2022-02-16 17:50:41

 摘 要:孔板流量計是城市燃氣計量用差壓式流量計中比較普遍且具有代表性的流量計,本文探討引起燃氣輸差的原因、影響流量計精度的因素,包括對于管道不同的取壓方式、孔板的直徑比、管道流量變化等因素,通過利用 ANSYS FLUENT 軟件數值模擬分析,通過理論公式與經驗公式進行計算對比,探討不同取壓方式、直徑比、管道流量等因素對流量計測量精度的影響,從而提高孔板流量計的測量精度。

 
隨著天然氣在全世界清潔能源結構中所占的比重越來越大,天然氣管網系統日益發展壯大,同時也推動了計量流量計的快速發展[1]。天然氣的井口產量值與到達用戶中的產量值不能完全一致,即存在輸差。造成輸差現象的原因有很多,主要有管網漏輸、計量偏差、抄收漏收和竊氣損失等。計量裝置引起的輸差問題不僅較為隱蔽,不易被觀察到,影響也較大。本文主要對孔板流量計進行研究分析,孔板流量計的工作原理是充滿管道的流體在流經管道內的節流裝置時,在節流件附近造成局部收縮,流速增加,在其上、下游兩側產生靜壓力差,流體的流速越大,產生的壓差也就越大,所以可以通過測量壓差來計算流過孔板流量計的天然氣的流量大小。
 
1 孔板流量計的流出系數 
流出系數 C 是影響孔板流量計計量精度的一個非常關鍵的量,它是不能夠實際測量的數值,標準孔板流量計的計量精度在相同的密度、壓差等參數下,取決于流出系數的精確度,因此,重點討論流出系數對標準孔板流量計計量精度的影響是非常有必要的。 
 
根據國標 GB/T2624-2008,流出系數的理論公式為通過節流裝置的實際流量值與理論流量值之比[2]。對于不可壓縮流體,流出系數為
不可壓縮 流體,流出系數
根據國標 GB/T2624-2008,流出系數的經驗公式為里德-哈里斯、加拉赫公式。
流出系數的經驗公式為里德 -哈里斯、加拉赫公式
 
2 數值模擬方法與模型
2.1 創建幾何模型、劃分網格 
本文建立一條直徑 D 為 100mm 的天然氣管道,采用孔板流量計計量流量,根據設計規范,孔板前直管段設為10D=1000mm,后直管段設為 5D=500mm。利用 Proe4.0 軟件建立二維、三維幾何模型;網格劃分是下一步進行數值模擬的關鍵,CFD 中的網格劃分一般可分為結構化網格和非結構化網格兩種,結構化網格的精確度要高于非結構化網格,本文主要采用結構化網格,孔板流量計的三維網格模型如圖1。
 三維孔板流量計網格模型
2.2 選擇湍流模型 
Fluent 軟件提供的湍流模型包括 Spalart-Allmaras 模型、標準 k-e 模型、RNG k-e 模型、帶旋流修正 k-e 模型、k-ω模型、壓力修正 k-ω模型、雷諾應力模型、大漩渦模擬模型等。其中,RNG 模型適合模擬流線彎曲程度較大的湍流,更適合模擬節流孔板處的流體流動。輸氣管道設計日輸氣量為 2.2×105m3、壓力為 5MPa、溫度 15℃等參數,可計算得被測管道內的天然氣的流速為 6.7m/s,而甲烷的運動黏度為 17.071mm2/s,可計算得雷諾數為 38688,因為38688>2300,所以此時管道內得流動為湍流,選擇k-epsilon(2epn)的 RNG 模型。 
 
3 數值結果分析
3.1 二維孔板流量計直徑比變化影響 
分別在 0.2、0.4、0.5、0.6、0.8 這五種情況下變化β值,管道管徑為 DN100,孔板流量計的上游 10D、下游 5D長度,E=3mm、e=1mm、F=45°、孔板的取壓方式為徑距取壓[3],通過 Fluent 軟件進行模擬計算得出結果,讀出孔板前后的壓力值即壓差△P,從而可以得到根據這五種不同直徑比模擬計算得到的流出系數 C´,再根據經驗公式計算得到流出系數 C,計算結果見表 1。
 管徑 DN100 不同直徑比下的流場模擬結果
由上表可知,數值模擬流出系數 C´均大于由經驗公式計算得到的流出系數 C,當直徑比β由 0.2 增大到 0.6 時,數值模擬流出系數 C´隨之減??;當直徑比β由 0.6 增大到0.8 時,數值模擬流出系數 C´隨之增大。
直徑比為 0.5 時的壓力云圖和速度云圖
由圖 5、圖 6 可以看出,流體在流動過程中,隨著孔徑增大,孔板的節流效應變小,流體所受的阻力變小,流體的流速增加變緩,流體的壓力損失即壓差變小,所以孔板前后流體的壓差隨直徑比的增大而減小。 
 
當孔板直徑比β在 0.4~0.6 之間時,數值模擬的流出系數的相對誤差δ較小,即孔板流量計的計量誤差較小,因此,在使用孔板流量計時建議選擇直徑比在 0.4~0.6 之間的孔板流量計。 
 
3.2 三維孔板流量計流量變化影響
流量與相對誤差關系
分別在 1.00、3.61、5.45、7.24、10.80、14.44、18.10、35.17、108.49、180.80、這十種情況下變化流量值,通過Fluent 軟件進行模擬計算得出結果,讀出孔板前后的壓力值即壓差△P,從而可以得到根據這十種不同流量值模擬計算得到的流出系數 C´,再根據經驗公式計算得到流出系數C,計算結果見圖 2。 
 
由圖 2 可知,當通過孔板流量計的流量在7.24~18.1m3/h 之間時,數值模擬的流出系數的相對誤差δ較小,即孔板流量計的計量誤差較小,因此,在使用孔板流量計時建議將流量調至 7.24~18.1m3/h 之間。 
 
3.3 不同取壓方式對孔板流量計測量精度的影響 
標準節流裝置規定的取壓方式有角接取壓、法蘭取壓、徑距取壓三種,取壓點位置不同,用同一節流元件在同一流量下所得到的差壓大小也不同,故流量與差壓之間的關系也將發生變化。流出系數 C 是影響流量計的測量精度的一個重要因素,該模擬就是通過計算比較三種不同取壓方式的流出系數相對誤差,從而得到那種取壓方式的測量精度更高,而流出系數 C 與流量計的壓差有關,通過 FLUENT 軟件的模擬得到不同取壓方式下孔板前后取壓面處的平均壓力,得到壓差△P,計算出不同取壓方式下的根據模擬數據計算出的流出系數 C’,再求出國標中經驗公式的流出系數 C,進而比較相對誤差。為探究不同取壓方式對孔板流量計測量精度的影響,建立孔板流量計模型:管內徑 100mm,縮徑孔直徑50mm(直徑比為 0.5),上游管段 1000mm,下游管段 500mm,選取天然氣為不可壓縮流動介質。 
 
根據模擬所得到的數據求出三種取壓方式的流出系數C’,再求出國標中經驗公式三種取壓方式的流出系數 C,計算結果如下表 2 所示。
不同取壓方式對比表
根據計算結果表明徑距取壓和法蘭取壓的相對誤差較小,而通過觀察角接取壓適用于大管徑的取壓,所以選擇法蘭取壓和徑距取壓更好。 
 
4 結 論 
基于 ANSYS FLUENT 進行二維孔板流量計的直徑比變化、三維孔板流量計的流量變化數值模擬、可以分析得到當孔板直徑比β在 0.4~0.6 之間,流量在 7.24~18.1m3/h 之間時時,流出系數的相對誤差δ較小,即孔板流量計的計量誤差較小。因此,在使用孔板流量計時建議選擇直徑比在0.4~0.6 之間、流量調至 7.24~18.1m3/h 之間的孔板流量計。三種取壓方式中,優選法蘭取壓和徑距取壓方式。

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