基于FLUENT的平衡式流量计设计

2016-01-18路萍

自动化与仪表 2016年6期

路萍

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

管道瓦斯气体具有湿度大、压力小、流速变化范围宽等特点。在瓦斯气体抽放系统中，节流式差压流量计因可承受恶劣工况、无转动部件、发展历史悠久等优点，被广泛使用且数量庞大。但在实际应用中很多现场遇到了直管段长度不能满足GB/T2624-2006标准要求，造成节流装置测量精度降低甚至无法给出测量精度的问题。因此，近年来一种以改善流速分布为特点的平衡式流量计使用越来越广[1]。当直管段达不到传统要求长度时，管道中的流速分布不是充分发展紊流，流速分布不对称，有畸变还可能有漩涡、回流。平衡式节流装置不仅具有传统节流装置可承受恶劣工况、无活动部件的特点，同时对流场具有整流作用，其所需直管段只需要上下游各0.5 D的长度就可以将管道内流体的搅动降到最低从而实现精确测量。本文设计了一种平衡式节流装置，利用FLUENT软件对管道内部流场进行了数值模拟[2]，仿真实验表明，平衡式节流装置具有良好的稳定流场的作用和良好的抑制涡流的作用。根据仿真结果制作了平衡式流量计，并于2015年上半年在四川芙蓉集团白皎煤矿瓦斯抽放泵进气端管道安装使用，试验证明平衡式流量计提高了测量精度，降低了直管段长度，适用于煤矿瓦斯管道气体流量的测量。

1 平衡式流量计测量原理

平衡式节流装置是一种应用于管道进行流量检测的部件，即一个多孔的圆盘节流整流器，安装在管道的截面上。与标准孔板不同的是，节流装置基于特殊公式和测试数据，开了很多个孔，称为函数孔。当流体穿过圆盘的函数孔时，流体将被平衡整流，涡流被最小化，形成近似理想流体，通过取压装置，可获得稳定的差压信号。根据伯努利方程计算出体积流量、质量流量[3]。函数孔的数量、尺寸、排列顺序直接决定着这个平衡式节流装置最终的永久压损、测量线性等。

平衡式流量计测量原理与孔板流量计测量原理一样，遵循流体力学原理和伯努利方程。平衡式流量计流量计算算法如下：

由伯努利方程及能量守恒定律可得到：

式中：Qm为质量流量（kg/h）；Qv为体积流量（m3/h）；ε为气体可膨胀系数，无量纲，对不可压缩流体ε=1；ΔP 为差压（Pa）； ρ为流体工作状态下的密度（kg/m3）；C为流出系数，由实际标定得出；β为等效直径比，β=（1-d2/D2）0.5；D 为管道内径（mm）；d 为函数孔最大外径（mm）。

煤矿抽放系统对流量的计量一般为体积流量，由上式可以看出，流体体积流量的计算是由测得的质量流量除流体密度得到的，而煤矿区煤层气是含有大量瓦斯的混合气体，所以密度不是恒定不变的。其密度对应关系为

式中：ρ0为标准状态下的瓦斯密度（kg/m3）；ρ1为工况瓦斯密度（kg/m3）；p1为工况压力（Pa）；p0为标准大气压（Pa）；T1为工况温度（K）；T0为标准状态下的绝对温度（K）；Z为瓦斯压缩系数（在标准状态下，对于空气 Z=1，对于 CH4Z=0.998）。

当被测介质和节流装置确定后：

式中：K为仪表系数；ΔP为差压（Pa）；ρ为流体工作状态下的密度（kg/m3）。

2 FLUENT仿真软件介绍

FLUENT软件是一款通用的CFD软件，采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，使计算结果更加准确。FLUENT软件基于有限体积法，提供了多种数值算法可供选择，包含常用的多种湍流模型[4]，其中K-ε模型、Standard K-ε模型，适用于一般情况下的流场模拟，此外还有RNG K-ε模型和Realizable K-ε模型等。结合Gambit的专用前处理软件，网格可以有多种形状。对二维流动，可以生成三角形和矩形网格；对三维流动，则可生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格。本设计中采用Gambit专用前处理软件，获得数据模型文件，导入FLUENT仿真软件中，对不同管道和开孔分布的节流装置进行仿真比较。

3 平衡式节流装置仿真设计

3.1 平衡式节流装置建立几何结构

平衡式流量计节流装置函数孔的数量、尺寸、排列顺序直接决定着流量测量精度、压损和测量线性度等。本文通过FLUENT软件仿真模拟了多种节流装置，得出了平衡式节流装置上的函数孔排列规则，最终设计出了测量精度达到设计指标要求的平衡式节流装置。图1所示为不同函数孔排列的节流装置。

图1 不同函数孔排列的节流装置Fig.1 Throttle device with different hole arrangement

其中对于管段式节流装置260 mm管道，本文设计为4函数孔排列模式，函数孔直径为70 mm，4函数孔对称分布，节流装置厚度为3 mm，安装于管段中间位置，前160 mm，后160 mm处。

使用Gambit软件对管道进行结构设计，4函数孔对称分布，进行网格划分，选择四面体、楔形结构化网格，网格划分完后进行网格质量的检查，然后设置边界条件类型。在Z坐标零点管道入口设置为VELOCITY_INLET速度入口，Z=323 mm处设为速度出口OUTFLOW，管道内部为流场区域。最后输出MESH文件，利用FLUENT软件进行模型仿真[5]。图2所示为节流装置的的几何结构。

图2 节流装置的的几何结构Fig.2 Geometric structure diagram of throttle device

3.2 数值模拟及分析

在FLUENT中，选择三维单精度求解器，读入网格文件，检查网格，选择压力基求解隐式、三维、定常流等参数，选择STAND K-ε计算模型来模拟管道内流场流动过程，采用SMIPLE算法进行求解。考虑煤矿应用场合，设置介质为空气与瓦斯气体的混合气体，密度为0.6901 kg/m3，黏度为 1.7894×10-5kg/m·s，运行环境选择抽放负压60000 Pa，入口设为速度入口边界条件，初始速度为10 m/s。选择迭代200次，当迭代到158次时，软件自动停止计算，残差收敛。节流装置仿真如图3所示。

图3 节流装置仿真Fig.3 Throttle device simulation

通过仿真实验发现，管路中流体速度场的分布大致是个旋转的抛物面，所以管路中心的流速是最大的，在速度场最大的区域开孔势必会对节流效果产生一定的影响。最大流量的波动值随着开孔周长的增加而增大，且值越大最大流量的波动就越严重，这也说明，当开孔周长小也就是孔数比较小时，节流件中心开孔与否对最大流量影响不是很大，但随着孔数的增多，中心孔的影响就越来越大。故对于260 mm管道，对称4函数孔分布是合理的，可用于取压进行流量测量。

由实验可知，多孔对称结构对平衡式节流装置意义重大，该结构能对流场进行平衡，降低涡流、振动和信号噪声，流场稳定性大大提高，线性度、重复性比孔板大大提高。

4 平衡式流量计二次检测仪表

平衡式流量计属于差压式测量装置，通过获取管道差压、管道压力和管道温度，以及计算管道直径和开孔面积等，进行管道流量检测。本文设计的二次检测仪表硬件电路包括数据处理单元、显示单元、按键单元、通讯单元、管道温度测量、管道压力测量、管道差压测量和数据存储单元等，原理框图如图4所示。

图4 仪表原理Fig.4 Meter functional block diagram

通过获取管道温度、管道压力及差压等数据，依据前文计算算法进行数据处理，完成数据修正和流量计算。在平衡式流量计电路设计中，考虑到煤矿管道流量测量地理位置多数为山区，板卡易受雷击而损坏，所以电源系统设计中使用了限流自恢复保险丝、压敏电阻、放电管以及TVS稳压放电二极管等器件，提高了流量计使用稳定性。

5 平衡式流量计实验

通过对多种平衡式节流装置软件仿真、计算机模拟，并结合实物验证的方式，从测量精度、重复性、一致性等方面进行多方面比较，完成了平衡式节流装置样机制作，并在标准流量校准装置上进行了实流标定，测量精度达到设计指标要求。结合自主开发的二次检测仪表，最终设计出平衡式流量计，并应用于现场工业性试验。图5所示为平衡式节流装置实物。在标准流量装置上节流装置实测数据如表1所示。

图5 平衡式节流装置实物Fig.5 Balance type throttle device

表1 标准流量装置测试数据Tab.1 Standard flow device test data

平衡式流量计安装在四川芙蓉集团白皎煤矿瓦斯抽放站泵房外侧瓦斯抽放泵进气端管道上，如图6所示。实验流量计安装测试完成后，与流量校准测试仪器测量数据进行对比，为对比测量结果的准确性，实验流量计测量完成后立即用水银温度计测量管道温度，用FLUKE表测量管道绝压和皮托管差压，最后计算出标况瞬时流量，测量和计算的结果与实验流量计的数据对比如表2所示。通过以下数据可以说明平衡式流量计的测量准确性满足精度要求。