Als pioniers in deultrasone flowmeter voor aardgasmeetindustrie hebben we de afgelopen vijf jaar ontdekt dat met de voortdurende uitbreiding van stedelijke gaspijpleidingnetwerken en de voortdurende verbetering van de nauwkeurigheidseisen voor gasmetingen, traditionele mechanische gasmeters geleidelijk aan problemen hebben blootgelegd zoals ernstige slijtage, een beperkte turndown-ratio en een slecht aanpassingsvermogen aan gasbedrijfsomstandigheden tijdens langdurig gebruik. Deze problemen maken het moeilijk om te voldoen aan de moderne eisen voor gasmeting op het gebied van hoge nauwkeurigheid, intelligentie en een lange levensduur. Ultrasone aardgasstroommeters zijn, vanwege hun voordelen dat ze geen mechanische bewegende delen hebben, grote turndown-ratio, laag drukverlies en gemak van digitalisering en communicatie op afstand, geleidelijk een belangrijke keuze geworden op het gebied van gasstroommeting. Het is essentieel dat inkooppersoneel de volgende inhoud begrijpt voordat er beslissingen worden genomen.
Onderzoek naar stroomsnelheidsverdeling
Omdat de stroomsnelheidsverdeling van vloeistof in de pijpleiding rechtstreeks van invloed is op het voortplantingspad van ultrasone signalen, zal een niet-uniforme stroomsnelheidsverdeling ervoor zorgen dat ultrasone signalen in verschillende mate worden verstrooid en verzwakt tijdens de voortplanting in de pijpleiding, wat resulteert in verschijnselen zoals een lage signaal-tot-ruisverhouding van ontvangen echosignalen en ernstige amplitudeverzwakking. Daarom is het garanderen van een uniforme verdeling van de gasstroomsnelheid in de pijpleiding een voorwaarde voor het bereiken van de meetnauwkeurigheidseisen vanultrasone gasstroommeters.
Onder normale omstandigheden kan de vloeistofstroom die wordt beïnvloed door stroperige krachten twee basisstromingsregimes produceren (laminaire stroming en turbulente stroming), die ook verband houden met factoren zoals stromingsregime en kinematische viscositeit van de vloeistof, vloeistofkarakteristieken en pijplijnparameters. Deze twee stroomregimes worden gewoonlijk onderscheiden door het Reynoldsgetal (Re).
Wanneer Re kleiner dan of gelijk aan 2300, bevindt de vloeistof zich in een laminaire stromingstoestand. Op dit moment is de invloed van viskeuze kracht op vloeistofdeeltjes groter dan de traagheidskracht, het stromingsregime is relatief stabiel zonder turbulente verschijnselen, maar er bestaan alleen axiale snelheidscomponenten. De snelheidsverdeling is uniform en heeft een parabolische vorm. De stroomsnelheid is kleiner nabij de cirkelvormige buiswand en neemt geleidelijk toe naar het midden van de pijpleiding, waarbij het snelheidsprofiel wordt weergegeven in Figuur 3.29.
De stroomsnelheid op elk punt in de cirkelvormige pijp houdt alleen verband met de afstand r vanaf dat punt tot de pijplijnas, en de snelheidsverdelingswet kan worden uitgedrukt als:
Waarbij: vr de stroomsnelheid is op afstand r van de pijpleidingas; v_m is de stroomsnelheid op de as van de pijpleiding, wat de maximale stroomsnelheid over de gehele dwars-doorsnede is; R is de straal van de pijpleiding.
De relatie tussen de lijn-gemiddelde snelheid en de oppervlakte-gemiddelde snelheid kan respectievelijk worden uitgedrukt met behulp van vm als:
Door vergelijkingen (3.16) en (3.17) gelijktijdig op te lossen, kan de Reynolds-correctiecoëfficiënt worden verkregen en uitgedrukt als:
Wanneer Re Groter dan of gelijk aan 4000, bevindt de vloeistof zich in een turbulente toestand. Op dit moment is de invloed van de traagheidskracht op vloeistofdeeltjes groter, is het stromingsregime relatief chaotisch, bestaan er gelijktijdig axiale en longitudinale snelheidscomponenten, is de snelheidsverdeling niet-uniform, neemt de turbulente weerstand toe en wordt het snelheidsprofiel weergegeven in figuur 3.30.
Omdat het voortplantingsproces van turbulente stroming relevante theorie en specifieke analytische methoden ontbeert, gebruiken ingenieurs, om het onderzoek verder te bevorderen, gewoonlijk machtreeksen om bij benadering de snelheidsverdeling in ronde pijpen onder turbulente omstandigheden te berekenen, wat kan worden uitgedrukt als:
Waar: de waarde van n is gerelateerd aan de oppervlakteruwheid van de pijpleiding en het Reynoldsgetal. Onder ideale omstandigheden waarbij de binnenwand van de pijpleiding glad is, kan de relatie tussen n en Re worden uitgedrukt door de formule van Prandtl als:
Dat wil zeggen dat wanneer het Reynoldsgetal bekend is, de waarde van n kan worden berekend, waardoor de turbulente snelheidsverdelingscurve, weergegeven in figuur 3.30, wordt bepaald. De relatie tussen de lijn-gemiddelde snelheid en de oppervlakte-gemiddelde snelheid kan respectievelijk worden uitgedrukt met behulp van v_m als:
Door vergelijkingen (3.21) en (3.22) gelijktijdig op te lossen, kan de relatie tussen de Reynolds-correctiecoëfficiënt en n worden verkregen als:
In een volledig ontwikkelde turbulente pijplijn kan de relatie tussen de Reynolds-correctiecoëfficiënt en Re worden uitgedrukt als:
Praktische technische overwegingen
Bovenstaande formules zijn allemaal gebaseerd op gesprekken die zijn gevoerd onder omstandigheden zonder andere storende factoren en met voldoende rechte leidinglengtes voor en na de meetleiding. Bij daadwerkelijke technische toepassingen zullen factoren zoals de installatiemethode van de transducer, stroomopwaartse kleppen en bochten voor en na de meetpijpleiding echter allemaal afwijkingen in de interne stroomsnelheidsverdeling veroorzaken, waardoor het moeilijk wordt om dit in daadwerkelijke meetprocessen toe te passen. Daarom is onderzoek naar de uniforme stroomsnelheidsverdeling binnen het stroomkanaal uiterst belangrijk.
Ultrasone aardgasstroommeter structureel ontwerp
Een ultrasone aardgasstroommeter is een apparaat dat ultrasone technologie gebruikt om de gasstroom te meten. Het structurele ontwerp- en simulatieonderzoek omvat meerdere aspecten, zoals sensorontwerp, vloeistofdynamica en akoestische voortplanting. Een compleetgas ultrasone flowmeteromvat stroomkanalen, transducers en meetcircuits. Dit systeem voert meetcircuit- en programma-ontwerp uit op basis van bestaande stroomkanalen en transducers.
Ontwerp en installatie van transducers
Ultrasone aardgasstroommeters hebben doorgaans twee transducers: een zender en een ontvanger. Ontwerpoverwegingen omvatten de frequentie, het vermogen en het bedrijfstemperatuurbereik van de transducer om zich aan te passen aan verschillende gaskarakteristieken. De installatiepositie van transducers heeft een belangrijke invloed op de meetresultaten. Meestal moeten zenders en ontvangers symmetrisch op verschillende posities in de pijpleiding worden geplaatst om ervoor te zorgen dat het voortplantingspad van ultrasone signalen zo uniform mogelijk blijft.
Vloeistofkanaalontwerp
Bij het ontwerpen van het vloeistofkanaal van de gasmeter is het noodzakelijk om de binnendiameter van de pijpleiding te kennen, zodat deze overeenkomt met het gasstroombereik. Het binnenoppervlak van de pijpleiding moet glad zijn om interferentie met de vloeistofstroom te verminderen. Het is ook noodzakelijk om stroomregelapparatuur te ontwerpen om ervoor te zorgen dat de vloeistofsnelheid binnen het meetbare bereik ligt, waardoor de impact van een te hoge of langzame stroomsnelheid op de meting wordt vermeden.
Buitenmantel en bevestiging
Gezien de complexiteit van de werkomgeving richt de selectie van materialen voor de buitenbehuizing zich op het kiezen van corrosie{0}}bestendige en hoge- temperatuur-materialen, zoals roestvrij staal of technische kunststoffen, die interne elektronische componenten en transducers effectief kunnen beschermen. Tegelijkertijd moet er een betrouwbaar bevestigingsmechanisme worden ontworpen om de stabiliteit van de gasmeter onder hoge- werkomstandigheden te garanderen. Het bevestigingsapparaat moet rekening houden met de installatieruimte en de omgevingsomstandigheden van de pijpleiding.
Elektrische en signaalverwerking
Op het gebied van elektrische en signaalverwerking is het ontwerpen van een efficiënt elektrisch verbindingssysteem even cruciaal voor het garanderen van een stabiele signaaloverdracht en -verwerking, inclusief de ontvangst, verwerking en berekening van ultrasone signalen. Om het ultrasone voortplantingstijdsverschil om te zetten in stroomgegevens moeten overeenkomstige algoritmen afzonderlijk worden ontworpen.
Meetnauwkeurigheidsfactoren
De meetnauwkeurigheid van ultrasone aardgasstroommeters hangt ook samen met meerdere factoren, zoals sensorkwaliteit, omgevingstemperatuur, gasstroomsnelheid, gassamenstelling en druk. Hiervan heeft de meetnauwkeurigheid van ultrasone aardgasstroommeters een sterke correlatie met de stroomsnelheidsverdeling, wat vereist dat de vloeistofverdeling in de meetpijpleiding de stroomsnelheid over de doorsnede van het stroomkanaal adequaat kan weerspiegelen.
Belangrijke ontwerpoverwegingen
Bovendien moeten de volgende factoren in aanmerking worden genomen bij het structurele ontwerp van stroomkanalen voor ultrasone aardgasstroommeters:
(1) Verzwakking van de amplitude van het ultrasone signaal in het stroomkanaal tijdens veranderingen in de stroomsnelheid; (2) Ultrasone signalen moeten zo significant mogelijk worden beïnvloed door veranderingen in de vloeistofstroomsnelheid om de meetresolutie van het systeem te verbeteren; (3) De momentane stroomsnelheid van vloeistof die door de meetpijpleiding stroomt, moet voldoen aan de meetvereisten voor het volledige- bereik van het systeem.
Door de bovengenoemde factoren te combineren, werd het ontworpen ultrasone stroomkanaalmodel voor aardgasdebietmeters ontworpen en gemodelleerd met behulp van SpaceClaim-software, met het model weergegeven in figuur 3.31.
Figuur 3.31
Het ontwerp van het stroomkanaal van de gasmeter bestaat uit twee delen: het deel dat aansluit op de gasleiding heeft een ronde buis, met afmetingen die identiek zijn aan die van membraangasmeters. Rekening houdend met het reflectie-effect van ultrasone signalen en de implementatie van stroomsnelheidsverdelingscorrectie, heeft het stroomsnelheidsmeetgedeelte een rechthoekige stroomkanaalstructuur, met daarin drie stroomrichtschoepen geïnstalleerd. De richtschoepen zijn gunstig voor een uniforme verdeling van de vloeistofstroomsnelheid. Tegelijkertijd betekent de verkleining van de binnendiameter van het rechthoekige stroomkanaal dat onder dezelfde omstandigheden van de inlaatstroomsnelheid de momentane stroomsnelheid in het rechthoekige stroomkanaal sneller wordt, het transittijdverschil toeneemt, wat de stroommetingsresolutie van de ultrasone aardgasstroommeter kan verbeteren. Wat betreft de installatiemethode van piëzo-elektrische transducers, moet de lengte van het voortplantingspad worden verlengd om de meetnauwkeurigheid op kleine stroompunten van de ultrasone aardgasstroommeter te garanderen. De toename van de padlengte zal echter energieverlies veroorzaken tijdens de signaalvoortplanting, wat om twee aspecten een evenwicht vereist tussen de meetnauwkeurigheid van het systeem en de mate van signaalverzwakking. Er is gebruik gemaakt van een AV--vormige installatiestructuur, waarbij de twee transducers symmetrisch zijn rond de longitudinale hartlijn van de richtschoepen.
Meshgeneratie en kwaliteit
Voordat vloeistofdynamica-simulatie wordt uitgevoerd, worden voorbewerkingsbewerkingen uitgevoerd op het ultrasone stroomkanaalmodel van de aardgasstroommeter. Nadat de reparatie en vereenvoudiging van het model zijn voltooid om een vaste stof te verkrijgen, wordt het interne vloeistofgebied van het model geëxtraheerd en wordt het gaas verdeeld. De kwaliteit van de maasverdeling bepaalt rechtstreeks de betrouwbaarheid en stabiliteit van daaropvolgende simulatieresultaten. De Fluent waterdichte workflow kan worden gebruikt om het bovenstaande proces uit te voeren, waarbij het bereik van de oppervlaktemaasgrootte wordt ingesteld op 0,1-4 mm, met behulp van twee gatenvullende lagen, waarbij nabijheidsdetectie wordt toegepast op vaste grenzen. De maximale scheefheid van het verdeelde oppervlaktegaas is 0,69, wat wijst op een goede maaskwaliteit. Op deze basis wordt een hexahedrisch-polyedrisch vulvolumegaas gebruikt, worden grenslagen aan het vloeistofgebied toegevoegd en bereikt de uiteindelijke orthogonale kwaliteit van het volumegaas 0,15. Gecombineerd met mesh-onafhankelijkheidsexperimenten wordt vastgesteld dat het mesh-aantal van het model ongeveer 1,2 miljoen bedraagt. De volumemaasverdeling wordt weergegeven in Figuur 3.32.
Figuur 3.32
