Будучи пионерами вультразвуковой расходомер природного газаизмерительной отрасли, за последние 5 лет мы обнаружили, что с постоянным расширением городских газопроводных сетей и постоянным повышением требований к точности измерения газа традиционные механические счетчики газа постепенно обнажают такие проблемы, как сильный износ, ограниченный динамический диапазон и плохая адаптируемость к условиям эксплуатации газа во время длительной-эксплуатации. Эти проблемы затрудняют выполнение современных требований к измерению газа, требующих высокой точности, интеллекта и длительного срока службы. Ультразвуковые расходомеры природного газа, благодаря своим преимуществам, заключающимся в отсутствии механических движущихся частей, большому диапазону регулирования, низкой потере давления, а также простоте оцифровки и удаленной связи, постепенно стали важным выбором в области измерения расхода газа. Прежде чем принимать решения, персоналу, занимающемуся закупками, важно понять следующее содержание.
Исследование распределения скорости потока
Поскольку распределение скорости потока жидкости внутри трубопровода напрямую влияет на путь распространения ультразвуковых сигналов, не-равномерное распределение скорости потока приведет к тому, что ультразвуковые сигналы будут рассеиваться и ослабляться в разной степени во время распространения в трубопроводе, что приводит к таким явлениям, как низкое отношение сигнала-к-шуму принимаемых эхо-сигналов и сильное затухание амплитуды. Поэтому обеспечение равномерного распределения скорости потока газа внутри трубопровода является обязательным условием достижения требований к точности измерений.ультразвуковые расходомеры газа.
В нормальных условиях поток жидкости под действием вязких сил может создавать два основных режима потока (ламинарный поток и турбулентный поток), которые также связаны с такими факторами, как режим потока и кинематическая вязкость жидкости, характеристики жидкости и параметры трубопровода. Эти два режима течения обычно различаются числом Рейнольдса (Re).
Когда Re меньше или равно 2300, жидкость находится в состоянии ламинарного течения. В это время влияние вязкой силы на частицы жидкости превышает силу инерции, режим течения относительно устойчив, без турбулентных явлений, а существуют только осевые компоненты скорости. Распределение скорости равномерное и имеет параболическую форму. Скорость потока меньше вблизи круглой стенки трубы и постепенно увеличивается к центру трубопровода, профиль скорости показан на рисунке 3.29.
Скорость потока в каждой точке круглой трубы связана только с расстоянием r от этой точки до оси трубопровода, и закон распределения ее скорости можно выразить как:
Где: vr – скорость потока на расстоянии r от оси трубопровода; v_m — скорость потока на оси трубопровода, которая является максимальной скоростью потока по всему поперечному-сечению; R – радиус трубопровода.
Взаимосвязь между -средней скоростью по линии и-средней скоростью по площади можно выразить соответственно с помощью vm следующим образом:
Решив одновременно уравнения (3.16) и (3.17), поправочный коэффициент Рейнольдса можно получить и выразить как:
Когда Re больше или равно 4000, жидкость находится в турбулентном состоянии. В это время влияние силы инерции на частицы жидкости более существенно, режим течения относительно хаотичен, осевая и продольная компоненты скорости существуют одновременно, распределение скорости неоднородно-, турбулентное сопротивление увеличивается, а профиль скорости показан на рисунке 3.30.
Поскольку процесс распространения турбулентного потока не имеет соответствующей теории и конкретных аналитических методов, для дальнейшего развития исследований инженеры обычно используют степенные ряды для приблизительного расчета распределения скорости в круглых трубах в турбулентных условиях, которое можно выразить как:
Где: значение n связано с шероховатостью поверхности трубопровода и числом Рейнольдса. В идеальных условиях, когда внутренняя стенка трубопровода гладкая, связь между n и Re можно выразить формулой Прандтля как:
То есть, когда известно число Рейнольдса, можно вычислить значение n, определяя тем самым кривую распределения турбулентной скорости, показанную на рисунке 3.30. Взаимосвязь между -средней скоростью по линии и-средней скоростью по площади может быть выражена соответственно с помощью v_m следующим образом:
Решив одновременно уравнения (3.21) и (3.22), связь между поправочным коэффициентом Рейнольдса и n можно получить как:
В полностью развитом турбулентном трубопроводе взаимосвязь между поправочным коэффициентом Рейнольдса и Re можно выразить как:
Практические инженерные соображения
Все приведенные выше формулы основаны на обсуждениях, проведенных в условиях отсутствия других мешающих факторов и достаточной длины прямых труб до и после измерительного трубопровода. Однако в реальных инженерных приложениях такие факторы, как метод установки преобразователя, клапаны на входе и изгибы до и после измерительного трубопровода, будут вызывать отклонения во внутреннем распределении скорости потока, что затрудняет применение в реальных процессах измерения. Поэтому исследования равномерного распределения скорости потока внутри проточного канала чрезвычайно важны.
Конструктивное проектирование ультразвукового расходомера природного газа
Ультразвуковой расходомер природного газа — это устройство, использующее ультразвуковую технологию для измерения расхода газа. Его структурное проектирование и моделирование включают в себя множество аспектов, таких как конструкция датчиков, гидродинамика и распространение звука. Полныйультразвуковой расходомер газавключает в себя каналы потока, преобразователи и измерительные схемы. Эта система выполняет разработку схем измерения и программ на основе существующих каналов потока и преобразователей.
Проектирование и установка преобразователя
Ультразвуковые расходомеры природного газа обычно имеют два преобразователя: передатчик и приемник. При проектировании учитываются частота, мощность и диапазон рабочих температур преобразователя для адаптации к различным характеристикам газа. Место установки датчиков оказывает важное влияние на результаты измерений. Обычно передатчики и приемники должны быть расположены симметрично в разных местах трубопровода, чтобы гарантировать, что путь распространения ультразвуковых сигналов остается как можно более однородным.
Конструкция канала для жидкости
При проектировании жидкостного канала газового счетчика необходимо знать внутренний диаметр трубопровода, соответствующий диапазону расхода газа. Внутренняя поверхность трубопровода должна быть гладкой, чтобы уменьшить помехи течению жидкости. Также необходимо спроектировать устройства регулирования расхода, чтобы гарантировать, что скорость жидкости находится в пределах измеряемого диапазона, избегая влияния чрезмерно высокой или низкой скорости потока на измерения.
Внешний корпус и фиксация
Учитывая сложность рабочей среды, при выборе материалов внешнего корпуса основное внимание уделяется выбору коррозионно--стойких и высоко-температурных-материалов, таких как нержавеющая сталь или конструкционные пластмассы, которые могут эффективно защитить внутренние электронные компоненты и преобразователи. В то же время должен быть разработан надежный механизм крепления, обеспечивающий стабильность газового счетчика в условиях работы под высоким-давлением. Крепежное устройство должно учитывать место установки и условия окружающей среды трубопровода.
Электрическая обработка и обработка сигналов
С точки зрения обработки электрических сигналов и сигналов разработка эффективной системы электрических соединений одинаково важна для обеспечения стабильной передачи и обработки сигналов, включая прием, обработку и расчет ультразвуковых сигналов. Чтобы преобразовать разницу во времени распространения ультразвука в данные о потоке, соответствующие алгоритмы должны быть разработаны отдельно.
Факторы точности измерений
Точность измерения ультразвуковых расходомеров природного газа также зависит от множества факторов, таких как качество датчика, температура окружающей среды, скорость потока газа, состав газа и давление. Среди них точность измерения ультразвуковых расходомеров природного газа тесно связана с распределением скорости потока, что требует, чтобы распределение жидкости в измерительном трубопроводе могло адекватно отражать скорость потока по поперечному сечению канала потока-.
Ключевые соображения по проектированию
Кроме того, при проектировании проточных каналов ультразвуковых расходомеров природного газа следует учитывать следующие факторы:
(1) Затухание амплитуды ультразвукового сигнала в проточном канале при изменении скорости потока; (2) Изменения скорости потока жидкости должны как можно сильнее влиять на ультразвуковые сигналы, чтобы улучшить разрешение измерений системы; (3) Мгновенная скорость потока жидкости, проходящей через измерительный трубопровод, должна соответствовать требованиям системы к измерению полного-диапазона.
С учетом вышеперечисленных факторов была разработана модель проточного канала ультразвукового расходомера природного газа, которая была смоделирована с использованием программного обеспечения SpaceClaim, модель показана на рисунке 3.31.
Рисунок 3.31
Конструкция проточного канала газового счетчика состоит из двух частей: часть, соединяющаяся с газопроводом, представляет собой круглую трубу, размеры которой идентичны размерам диафрагменных счетчиков газа. Учитывая эффект отражения ультразвуковых сигналов и реализацию коррекции распределения скорости потока, часть измерения скорости потока имеет прямоугольную структуру канала потока с тремя выпрямляющими лопатками, установленными внутри. Выпрямляющие лопатки способствуют равномерному распределению скорости потока жидкости. В то же время уменьшение внутреннего диаметра прямоугольного канала потока означает, что при одинаковых условиях скорости входного потока мгновенная скорость потока в прямоугольном канале потока становится выше, разница во времени прохождения увеличивается, что может улучшить разрешение измерения расхода ультразвукового расходомера природного газа. Что касается способа установки пьезоэлектрических преобразователей, то для обеспечения точности измерений в небольших точках расхода ультразвукового расходомера природного газа необходимо увеличить длину пути распространения. Однако увеличение длины пути приведет к потерям энергии во время распространения сигнала, что потребует баланса между точностью измерения системы и степенью затухания сигнала с двух сторон. Принята конструкция установки в форме AV-, в которой два преобразователя симметричны относительно продольной осевой линии выпрямляющих лопаток.
Генерация и качество сетки
Перед проведением моделирования гидродинамики выполняются операции предварительной обработки модели канала потока ультразвукового расходомера природного газа. После завершения ремонта и упрощения модели для получения твердого тела внутренняя жидкостная область модели извлекается и сетка разделяется. Качество разделения сетки напрямую определяет надежность и стабильность последующих результатов моделирования. Для выполнения описанного выше процесса можно использовать рабочий процесс Fluent Watertight, установив диапазон размеров сетки поверхности равным 0,1-4 мм, используя два слоя заполнения зазоров и применяя обнаружение близости к твердым границам. Максимальная асимметрия сетки разделенной поверхности составляет 0,69, что указывает на хорошее качество сетки. На этой основе используется гексаэдрально-полиэдрическая объемная сетка заполнения, в область жидкости добавляются пограничные слои, а итоговое ортогональное качество объемной сетки достигает 0,15. В сочетании с экспериментами по независимости сетки количество ячеек модели определяется примерно в 1,2 миллиона. Распределение объемной сетки показано на рисунке 3.32.
Рисунок 3.32
