Ως πρωτοπόροι στηνροόμετρο υπερήχων για φυσικό αέριοβιομηχανία μετρήσεων, τα τελευταία 5 χρόνια ανακαλύψαμε ότι με τη συνεχή επέκταση των αστικών δικτύων αγωγών φυσικού αερίου και τη συνεχιζόμενη βελτίωση των απαιτήσεων ακρίβειας μέτρησης αερίου, οι παραδοσιακοί μηχανικοί μετρητές αερίου έχουν σταδιακά εκθέσει προβλήματα όπως σοβαρή φθορά, περιορισμένη αναλογία απόσβεσης και κακή προσαρμοστικότητα στις συνθήκες λειτουργίας αερίου κατά τη διάρκεια-μακροχρόνιας λειτουργίας. Αυτά τα ζητήματα καθιστούν δύσκολη την κάλυψη των σύγχρονων απαιτήσεων μέτρησης αερίου για υψηλή ακρίβεια, ευφυΐα και μεγάλη διάρκεια ζωής. Οι μετρητές ροής φυσικού αερίου υπερήχων, λόγω των πλεονεκτημάτων τους ότι δεν έχουν μηχανικά κινούμενα μέρη, μεγάλη αναλογία αναστροφής, χαμηλή απώλεια πίεσης και ευκολία ψηφιοποίησης και απομακρυσμένης επικοινωνίας, έχουν γίνει σταδιακά μια σημαντική επιλογή στον τομέα της μέτρησης ροής αερίου. Είναι σημαντικό για το προσωπικό προμηθειών να κατανοήσει το ακόλουθο περιεχόμενο πριν λάβει αποφάσεις.
Έρευνα κατανομής ταχύτητας ροής
Δεδομένου ότι η κατανομή της ταχύτητας ροής του ρευστού εντός του αγωγού επηρεάζει άμεσα τη διαδρομή διάδοσης των υπερηχητικών σημάτων, η μη -ομοιόμορφη κατανομή της ταχύτητας ροής θα προκαλέσει τη διασπορά και την εξασθένηση των σημάτων υπερήχων σε διάφορους βαθμούς κατά τη διάδοση στη σωλήνωση, με αποτέλεσμα φαινόμενα όπως χαμηλό σήμα{1}λαμβανόμενο από το σήμα εξασθένηση. Επομένως, η εξασφάλιση ομοιόμορφης κατανομής της ταχύτητας ροής αερίου εντός του αγωγού αποτελεί προϋπόθεση για την επίτευξη των απαιτήσεων ακρίβειας μέτρησηςμετρητές ροής αερίου υπερήχων.
Υπό κανονικές συνθήκες, η ροή ρευστού που επηρεάζεται από ιξώδεις δυνάμεις μπορεί να παράγει δύο βασικά καθεστώτα ροής (στρωτή ροή και τυρβώδης ροή), τα οποία σχετίζονται επίσης με παράγοντες όπως το καθεστώς ροής και το κινηματικό ιξώδες του ρευστού, τα χαρακτηριστικά του ρευστού και τις παραμέτρους του αγωγού. Αυτά τα δύο καθεστώτα ροής διακρίνονται συνήθως από τον αριθμό Reynolds (Re).
Όταν Re είναι μικρότερο ή ίσο με 2300, το ρευστό βρίσκεται σε κατάσταση στρωτή ροής. Αυτή τη στιγμή, η επίδραση της ιξώδους δύναμης στα σωματίδια του ρευστού είναι μεγαλύτερη από την αδρανειακή δύναμη, το καθεστώς ροής είναι σχετικά σταθερό χωρίς τυρβώδη φαινόμενα, αλλά υπάρχουν μόνο συνιστώσες αξονικής ταχύτητας. Η κατανομή της ταχύτητας είναι ομοιόμορφη, παρουσιάζοντας παραβολικό σχήμα. Η ταχύτητα ροής είναι μικρότερη κοντά στο κυκλικό τοίχωμα του σωλήνα και σταδιακά αυξάνεται προς το κέντρο του αγωγού, με το προφίλ ταχύτητας που φαίνεται στο Σχήμα 3.29.
Η ταχύτητα ροής σε κάθε σημείο του κυκλικού σωλήνα σχετίζεται μόνο με την απόσταση r από αυτό το σημείο στον άξονα του αγωγού και ο νόμος κατανομής της ταχύτητάς του μπορεί να εκφραστεί ως:
Όπου: vr είναι η ταχύτητα ροής στην απόσταση r από τον άξονα του αγωγού. v_m είναι η ταχύτητα ροής στον άξονα του αγωγού, η οποία είναι η μέγιστη ταχύτητα ροής σε ολόκληρη τη διατομή-. R είναι η ακτίνα του αγωγού.
Η σχέση μεταξύ γραμμής-μέσης ταχύτητας και εμβαδού-μέσης ταχύτητας μπορεί να εκφραστεί αντίστοιχα χρησιμοποιώντας vm ως:
Επίλυση των εξισώσεων (3.16) και (3.17) ταυτόχρονα, ο συντελεστής διόρθωσης Reynolds μπορεί να ληφθεί και να εκφραστεί ως:
Όταν το Re είναι μεγαλύτερο ή ίσο με 4000, το ρευστό βρίσκεται σε τυρβώδη κατάσταση. Αυτή τη στιγμή, η επίδραση της αδρανειακής δύναμης στα σωματίδια του ρευστού είναι πιο σημαντική, το καθεστώς ροής είναι σχετικά χαοτικό, οι αξονικές και οι διαμήκεις συνιστώσες ταχύτητας υπάρχουν ταυτόχρονα, η κατανομή της ταχύτητας δεν είναι-ομοιόμορφη, η τυρβώδης αντίσταση αυξάνεται και το προφίλ ταχύτητας φαίνεται στο Σχήμα 3.30.
Επειδή η διαδικασία διάδοσης της τυρβώδους ροής στερείται σχετικής θεωρίας και ειδικών αναλυτικών μεθόδων, για να προχωρήσουν περαιτέρω η έρευνα, οι μηχανικοί συνήθως χρησιμοποιούν σειρές ισχύος για να υπολογίσουν κατά προσέγγιση την κατανομή ταχύτητας σε κυκλικούς σωλήνες υπό τυρβώδεις συνθήκες, η οποία μπορεί να εκφραστεί ως:
Όπου: η τιμή του n σχετίζεται με την τραχύτητα της επιφάνειας του αγωγού και τον αριθμό Reynolds. Κάτω από ιδανικές συνθήκες όπου το εσωτερικό τοίχωμα του αγωγού είναι ομαλό, η σχέση μεταξύ n και Re μπορεί να εκφραστεί με τον τύπο του Prandtl ως:
Δηλαδή, όταν είναι γνωστός ο αριθμός Reynolds, η τιμή του n μπορεί να υπολογιστεί, προσδιορίζοντας έτσι την καμπύλη κατανομής τυρβώδους ταχύτητας που φαίνεται στο Σχήμα 3.30. Η σχέση μεταξύ γραμμής-μέσης ταχύτητας και εμβαδού-μέσης ταχύτητας μπορεί να εκφραστεί αντίστοιχα χρησιμοποιώντας v_m ως:
Επίλυση των εξισώσεων (3.21) και (3.22) ταυτόχρονα, η σχέση μεταξύ του συντελεστή διόρθωσης Reynolds και του n μπορεί να ληφθεί ως:
Σε έναν πλήρως ανεπτυγμένο τυρβώδη αγωγό, η σχέση μεταξύ του συντελεστή διόρθωσης Reynolds και του Re μπορεί να εκφραστεί ως:
Θεωρήσεις Πρακτικής Μηχανικής
Οι παραπάνω τύποι βασίζονται όλοι σε συζητήσεις που διεξάγονται υπό συνθήκες χωρίς άλλους παρεμποδιστικούς παράγοντες και επαρκή ευθύγραμμα μήκη σωλήνων πριν και μετά τη σωλήνωση μέτρησης. Ωστόσο, σε πραγματικές εφαρμογές μηχανικής, παράγοντες όπως η μέθοδος εγκατάστασης του μορφοτροπέα, οι ανοδικές βαλβίδες και οι στροφές πριν και μετά τον αγωγό μέτρησης θα προκαλέσουν αποκλίσεις στην εσωτερική κατανομή της ταχύτητας ροής, καθιστώντας δύσκολη την εφαρμογή στις πραγματικές διαδικασίες μέτρησης. Επομένως, η έρευνα για την ομοιόμορφη κατανομή της ταχύτητας ροής μέσα στο κανάλι ροής είναι εξαιρετικά σημαντική.
Δομική σχεδίαση μετρητή ροής φυσικού αερίου υπερήχων
Ένας μετρητής ροής φυσικού αερίου υπερήχων είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί τεχνολογία υπερήχων για τη μέτρηση της ροής αερίου. Ο δομικός σχεδιασμός και η έρευνα προσομοίωσης περιλαμβάνουν πολλαπλές πτυχές, όπως ο σχεδιασμός αισθητήρων, η δυναμική των ρευστών και η ακουστική διάδοση. Ένα πλήρεςμετρητής ροής υπερήχων αερίουπεριλαμβάνει κανάλια ροής, μετατροπείς και κυκλώματα μέτρησης. Αυτό το σύστημα εκτελεί σχεδιασμό κυκλωμάτων μέτρησης και προγράμματος με βάση τα υπάρχοντα κανάλια ροής και μορφοτροπείς.
Σχεδιασμός και Εγκατάσταση Μετατροπέα
Οι μετρητές ροής φυσικού αερίου με υπερήχους έχουν συνήθως δύο μετατροπείς: έναν πομπό και έναν δέκτη. Τα ζητήματα σχεδιασμού περιλαμβάνουν τη συχνότητα, την ισχύ και το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας του μορφοτροπέα για προσαρμογή σε διαφορετικά χαρακτηριστικά αερίου. Η θέση εγκατάστασης των μορφοτροπέων έχει σημαντικό αντίκτυπο στα αποτελέσματα των μετρήσεων. Συνήθως, οι πομποί και οι δέκτες θα πρέπει να είναι συμμετρικά διατεταγμένοι σε διαφορετικές θέσεις στον αγωγό για να διασφαλίζεται ότι η διαδρομή διάδοσης των σημάτων υπερήχων παραμένει όσο το δυνατόν ομοιόμορφη.
Σχεδιασμός Ρευστών Καναλιών
Κατά το σχεδιασμό του καναλιού υγρού του μετρητή αερίου, είναι απαραίτητο να γνωρίζετε την εσωτερική διάμετρο του αγωγού ώστε να ταιριάζει με το εύρος ροής αερίου. Η εσωτερική επιφάνεια του αγωγού θα πρέπει να είναι λεία για να μειωθούν οι παρεμβολές στη ροή του υγρού. Είναι επίσης απαραίτητο να σχεδιαστούν συσκευές ρύθμισης ροής για να διασφαλιστεί ότι η ταχύτητα του ρευστού είναι εντός του μετρήσιμου εύρους, αποφεύγοντας την επίδραση της υπερβολικά γρήγορης ή αργής ταχύτητας ροής στη μέτρηση.
Εξωτερικό περίβλημα και στερέωση
Λαμβάνοντας υπόψη την πολυπλοκότητα του περιβάλλοντος εργασίας, η επιλογή των υλικών εξωτερικού περιβλήματος επικεντρώνεται στην επιλογή υλικών που είναι ανθεκτικά στη διάβρωση και σε υψηλές{1}θερμοκρασίες{{2}, όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας ή τα πλαστικά μηχανικής, τα οποία μπορούν να προστατεύσουν αποτελεσματικά εσωτερικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα και μετατροπείς. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να σχεδιαστεί ένας αξιόπιστος μηχανισμός στερέωσης για να διασφαλίζεται η σταθερότητα του μετρητή αερίου υπό συνθήκες εργασίας υψηλής-πίεσης. Η συσκευή στερέωσης θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τον χώρο εγκατάστασης και τις περιβαλλοντικές συνθήκες του αγωγού.
Ηλεκτρική και Επεξεργασία Σήματος
Όσον αφορά την ηλεκτρική επεξεργασία και την επεξεργασία σήματος, ο σχεδιασμός ενός αποδοτικού συστήματος ηλεκτρικής σύνδεσης είναι εξίσου κρίσιμος για τη διασφάλιση σταθερής μετάδοσης και επεξεργασίας σήματος, συμπεριλαμβανομένης της λήψης, επεξεργασίας και υπολογισμού σημάτων υπερήχων. Για να μετατραπεί η διαφορά χρόνου διάδοσης υπερήχων σε δεδομένα ροής, οι αντίστοιχοι αλγόριθμοι πρέπει να σχεδιαστούν χωριστά.
Παράγοντες Ακρίβειας Μέτρησης
Η ακρίβεια μέτρησης των μετρητών ροής φυσικού αερίου υπερήχων σχετίζεται επίσης με πολλούς παράγοντες, όπως η ποιότητα του αισθητήρα, η θερμοκρασία περιβάλλοντος, η ταχύτητα ροής αερίου, η σύνθεση αερίου και η πίεση. Μεταξύ αυτών, η ακρίβεια μέτρησης των μετρητών ροής φυσικού αερίου υπερήχων έχει ισχυρή συσχέτιση με την κατανομή της ταχύτητας ροής, απαιτώντας ότι η κατανομή ρευστού στον αγωγό μέτρησης μπορεί να αντικατοπτρίζει επαρκώς την ταχύτητα ροής κατά μήκος της διατομής- του καναλιού ροής.
Βασικά ζητήματα σχεδιασμού
Επιπλέον, οι ακόλουθοι παράγοντες θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στον δομικό σχεδιασμό των καναλιών ροής μετρητών ροής φυσικού αερίου υπερήχων:
(1) Εξασθένηση του πλάτους του σήματος υπερήχων στο κανάλι ροής κατά τις αλλαγές της ταχύτητας ροής. (2) Τα υπερηχητικά σήματα θα πρέπει να επηρεάζονται όσο το δυνατόν περισσότερο από τις αλλαγές στην ταχύτητα ροής του υγρού για να βελτιωθεί η ανάλυση της μέτρησης του συστήματος. (3) Η στιγμιαία ταχύτητα ροής του ρευστού που διέρχεται από τον αγωγό μέτρησης πρέπει να πληροί τις απαιτήσεις μέτρησης πλήρους εύρους-του συστήματος.
Συνδυάζοντας τους παραπάνω παράγοντες, το σχεδιασμένο μοντέλο καναλιού ροής μετρητή ροής φυσικού αερίου υπερήχων σχεδιάστηκε και μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό SpaceClaim, με το μοντέλο που φαίνεται στο Σχήμα 3.31.
Εικόνα 3.31
Ο σχεδιασμός του καναλιού ροής του μετρητή αερίου αποτελείται από δύο μέρη: το τμήμα που συνδέεται με τον αγωγό αερίου υιοθετεί έναν κυκλικό σωλήνα, με διαστάσεις πανομοιότυπες με αυτές των μετρητών αερίου με διάφραγμα. Λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση ανάκλασης των υπερηχητικών σημάτων και την εφαρμογή της διόρθωσης κατανομής ταχύτητας ροής, το τμήμα μέτρησης της ταχύτητας ροής υιοθετεί μια ορθογώνια δομή καναλιού ροής, με τρία πτερύγια ευθυγράμμισης ροής εγκατεστημένα στο εσωτερικό. Τα πτερύγια ευθυγράμμισης είναι ευεργετικά για την ομοιόμορφη κατανομή της ταχύτητας ροής του ρευστού. Ταυτόχρονα, η μείωση της εσωτερικής διαμέτρου του ορθογώνιου καναλιού ροής σημαίνει ότι υπό τις ίδιες συνθήκες ταχύτητας εισόδου, η στιγμιαία ταχύτητα ροής στο ορθογώνιο κανάλι ροής γίνεται ταχύτερη, η διαφορά χρόνου διέλευσης αυξάνεται, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει την ανάλυση μέτρησης ροής του μετρητή ροής φυσικού αερίου υπερήχων. Όσον αφορά τη μέθοδο εγκατάστασης των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων, για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια μέτρησης σε μικρά σημεία ροής του μετρητή ροής φυσικού αερίου υπερήχων, το μήκος της διαδρομής διάδοσης πρέπει να επεκταθεί. Ωστόσο, η αύξηση του μήκους της διαδρομής θα προκαλέσει απώλεια ενέργειας κατά τη διάδοση του σήματος, απαιτώντας μια ισορροπία μεταξύ της ακρίβειας μέτρησης του συστήματος και του βαθμού εξασθένησης του σήματος από δύο απόψεις. Υιοθετείται η δομή εγκατάστασης σε σχήμα AV, με τους δύο μορφοτροπείς να είναι συμμετρικοί ως προς τη διαμήκη κεντρική γραμμή των πτερυγίων ευθυγράμμισης.
Δημιουργία πλέγματος και ποιότητα
Πριν από τη διεξαγωγή της προσομοίωσης ρευστοδυναμικής, εκτελούνται εργασίες προεπεξεργασίας στο μοντέλο καναλιού ροής μετρητή ροής φυσικού αερίου υπερήχων. Μετά την ολοκλήρωση της επισκευής και της απλοποίησης του μοντέλου για να ληφθεί ένα στερεό, η εσωτερική ρευστή περιοχή του μοντέλου εξάγεται και το πλέγμα διαιρείται. Η ποιότητα της διαίρεσης πλέγματος καθορίζει άμεσα την αξιοπιστία και τη σταθερότητα των επακόλουθων αποτελεσμάτων προσομοίωσης. Η στεγανή ροή εργασίας Fluent μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση της παραπάνω διαδικασίας, ορίζοντας το εύρος μεγέθους δημιουργίας πλέγματος επιφάνειας σε 0,1-4 mm, χρησιμοποιώντας 2 στρώματα πλήρωσης κενού, εφαρμόζοντας ανίχνευση εγγύτητας σε συμπαγή όρια. Η μέγιστη λοξότητα του πλέγματος διαιρεμένης επιφάνειας είναι 0,69, υποδηλώνοντας καλή ποιότητα πλέγματος. Σε αυτή τη βάση, χρησιμοποιείται εξαεδρικό-πολυεδρικό πλέγμα όγκου πλήρωσης, προστίθενται οριακά στρώματα στην περιοχή ρευστού και η τελική ορθογώνια ποιότητα του ογκομετρικού πλέγματος φτάνει το 0,15. Σε συνδυασμό με πειράματα ανεξαρτησίας πλέγματος, ο αριθμός ματιών του μοντέλου προσδιορίζεται σε περίπου 1,2 εκατομμύρια. Η κατανομή του πλέγματος όγκου φαίνεται στο Σχήμα 3.32.
Εικόνα 3.32
