摘要:針對(duì)天然氣回流工況對(duì)孔板流量計(jì)上下游截面壓力的影響問題，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用solidworks軟件建立DN150標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)幾何模型，基于CFD軟件對(duì)此狀態(tài)下孔板流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。研究發(fā)現(xiàn):管內(nèi)天然氣回流工況越嚴(yán)重，對(duì)孔板流量計(jì)上下游截面壓力變化影響越大。隨著管輸量的增加，回流程度逐漸平緩，孔板處流動(dòng)幾乎不受上游回流渦旋的影響，上下游截面壓力變化幅度較為穩(wěn)定，對(duì)孔板流量計(jì)精度影響也隨之降低。
目前，孔板流量計(jì)相對(duì)于其它流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、耐用可靠和維修便利等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為天然氣行業(yè)使用最頻繁的--種流量計(jì)量設(shè)備。但是在城市天然氣配送管網(wǎng)中，客戶用氣量差異無法消除田。尤其在用氣高峰期，輸氣站內(nèi)匯管相連的各供氣支路相互影響最為嚴(yán)重。主要體現(xiàn)在:由于大流量供氣支路的管輸量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小流量供氣支路的管輸量，在匯管的特殊構(gòu)造下，導(dǎo)致大流量供氣支路在輸氣過程中會(huì)迫使小流量供氣支路在匯管連接處發(fā)生天然氣回流工況，造成管內(nèi)天然氣流動(dòng)工況不穩(wěn)定，渦旋加劇。從而影響與小流量供氣支路相連的孔板流量計(jì)上下游壓力，瞬間出現(xiàn)壓力波動(dòng)，計(jì)量精度降低，無法較好的完成計(jì)量任務(wù)。本文依據(jù)某輸氣站供氣支路發(fā)生天然氣回流工況的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，基于CFD軟件4，對(duì)回流狀態(tài)下的孔板流量計(jì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，得到不同天然氣回流工況對(duì)孔板流量計(jì)上下游壓力的影響規(guī)律，同時(shí)提出較為合理的解決方案。
1模型建立
孔板流量計(jì)計(jì)量原理如圖1所示。孔板前后取截面1和2,根據(jù)兩截面壓差換算出某一時(shí)刻天然氣流量。
本文使用DN150標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)幾何尺寸，采用solidworks軟件建立三維實(shí)體模型，利用ICEM-CFD軟件劃分網(wǎng)格，壁面設(shè)置4層邊界層，比例為1.0。整體網(wǎng)格劃分在保證計(jì)算精度的前提下，盡量提高計(jì)算效率。選取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分并在孔板與管道連接處作加密處理，最終得到計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。
基于Fluent-CFD軟件，邊界條件為(velocity-inlet)入口,值取10m/s，和(outlow)出口，采用RANS氣體狀態(tài)方程，RNGk-ε湍流模型，對(duì)流離散格式為2階迎風(fēng)格式，算法采用耦合求解。從而數(shù)值求解天然氣回流狀態(tài)下孔板流量計(jì)內(nèi)部流動(dòng)特征。
2計(jì)算分析
某輸氣站供氣實(shí)況發(fā)現(xiàn)，由于匯管結(jié)構(gòu)的影響因素，當(dāng)小流量供氣支路管輸量占比總流量10%時(shí)，必然產(chǎn)生回流工況且管輸量越小回流程度越嚴(yán)重。因此分析小流量供氣支路管輸量分別占比總流量2%、4%、6%、8%、10%時(shí)，天然氣回流工況對(duì)孔板流量計(jì)上下游截面壓力的影響程度。經(jīng)計(jì)算得到不同輸量下孔板流量計(jì)，上下游截面壓力隨軸線距離的變化，如圖3所示。
由圖3可知，一開始，天然氣回流工況明顯，通過孔板流量計(jì)的天然氣流量很小，流速很低，導(dǎo)致孔板流量計(jì)上下游截面處形成渦旋，壓力變化幅度較大，流動(dòng)極不均勻。當(dāng)管輸量為2%時(shí)，孔板流量計(jì)上下游截面壓力隨軸線距離變化程度尤為劇烈。隨著管輸量逐漸增加，孔板處的流動(dòng)逐漸變得較為均勻，但仍然受到上游回流渦旋的影響，直接導(dǎo)致孔板流量計(jì)入口和出口截面壓力隨軸線距離變化幅度較大。當(dāng)流量接近臨界值時(shí)，孔板處的流動(dòng)逐漸變得均勻，孔板流量計(jì)入口和出口截面的壓力變化幅度較為穩(wěn)定，幾乎不受，上游回流渦旋的影響。
3結(jié)論
研究發(fā)現(xiàn)，隨著管內(nèi)天然氣回流工況越嚴(yán)重，對(duì)孔板流量計(jì)上下游壓力變化影響程度加劇，進(jìn)而對(duì)孔板流量計(jì)計(jì)量精度影響也越大。隨著管輸量上升，管內(nèi)天然氣回流工況趨于平緩，對(duì)孔板流量計(jì)上下游壓力變化影響程度逐漸降低，孔板流量計(jì)計(jì)量誤差迅速減小。因此，建議在城市天然氣配送管網(wǎng)中的小流量供氣支路上游單獨(dú)安裝調(diào)壓閥或止回閥，可以較好的阻止天然氣回流工況的發(fā)生，從而較大程度上降低對(duì)孔板流量計(jì).上下游截面壓力變化的影響，提高計(jì)量精度。
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