超声波流量计概述及流场数值模拟研究

2018-12-20陈子鑫张义勇杨志远白雪峰

石油工业技术监督 2018年11期

林棋，陈子鑫，张义勇，肖俏，杨志远，白雪峰

中油国际管道有限公司中乌项目（北京 100007）

测量流体流量的仪表统称为流量计/表，是工业测量中重要的仪表之一。随着工业生产的发展，对流量测量准确度及范围的要求越来越高，相关测量技术也日新月异，为适应不同用途，各种类型的流量计也相继问世。根据当前流量计的测量方法，大致可分为以下4类：差压式流量计、速度式流量计、容积式流量计、质量式流量计。其中速度式流量计在工业应用中主要有：涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计以及时差式超声波流量计[1-2]。

1 气体超声波流量计概述

1.1 测量原理

超声波流量计是采用超声波检测技术测定气体流量，通过测量超声波沿气流顺向和逆向传播的声速差、检测的压力/温度，计算气体流速及标准状态下气体的流量（图1）。通过对现场连续测量得到的瞬时流量进行累计，即可求得管道内气体的累积流量，具体相关计算方程组见式（1）～式（6）。

图1 超声波流量计

式中：tud为从传感器U到D的传输时间，s；tdu为从传感器D到U的传输时间，s；L为传感器U到D的声程，m；X为传感器面之间的截距，m；C为工况条件下气体中的声速，m/s；Vi为声道间的流体速度，m/s；θ为声道与管道轴线的夹角，（°）；D为管道直径，m；Q为工况条件下气体的瞬时流量，m3/s；Q0为标准工况下气体的瞬时流量，m3/s；P、T、Z分别为管道工况条件下气体的压力、温度和压缩因子；P0、T0、Z0分别为标准工况下气体的压力、温度和压缩因子[3-4]。

上述6个基本算式即为速差法流量测量的基本原理表达式。从式（4）可知：速差法测量的流速Vi与媒质的声速C无关，这对于生产现场实际测量是十分有利的。由测得的管道中的气体流速，可以得到工况条件下气体的瞬时流量Q，及转换成标准工况下气体的瞬时流量Q0。

图2 单声道的基本形式组合（三视图）

图3 多声道的组合形式

表1 声道形式的优缺点对比

1.2 系统组成及声道的类型

气体超声波流量计系统主要包括：①标准表体；②换能器；③智能转换器；④流量计前后直管段（一般为前10D、后5D）；⑤温度变送器；⑥压力变送器；⑦流动调整器（根据实际情况选配安装）。

声道是换能器声波所通过的路径，它的长短是由换能器的信号、仪器所需准确度等级，以及转换器中的计时精度决定的。声道的形式及数量是由现场工艺管道中的阻力件位置、前后直管段的长度以及用户对仪器的可靠性来决定的。国内外常见的超声波通道形式有直射式、单反射式、双反射式（图2），声道形式的优缺点对比见表1；常见的多声道组合形式如图3所示，声道数量的应用对比见表2。

1.3 功能特点

超声波流量计与其它流量计相比具备以下6个特性。

1）可测量气体双向流量，测量精度高、测量范围宽、量程比大(一般在1:30～1:100)；

2）可测量稳态及低频脉动气流流量，在气体介质较恶劣的情况下也可实现正常使用；

3）基于声速差原理直接测量气体流速/流量，故不受介质成份变化的影响，适用于各种不同气体及管径；

4）无流阻部件，压力损失较小；

5）多声道的测量，能有效地减小不稳定发展流场对测量结果的影响，并能在一个声道出现故障时继续用其他正常声道进行有效测量，由此提高仪器的准确度及可靠性；

2.2 土坝坝体的应力分布规律，土坝具有梯形断面的条形建筑物，通过对土坝坝体的原形观测及有限元分析，坝体内部应力分布规律一般如下：在坝轴线附近，土坝的竖向应力σi略小于土柱的自重压力，土坝横剖面的水平应力σx，比竖向应力 σy小，约等于(0.3-0.5)σy，(即侧压力系数为0.3-0.5)。土坝填筑质量愈差，则侧压力系数愈小，坝顶部一定高度σx∶还会出现拉应力。土坝的纵剖面的水平应力为σz二介于σx和σy之间。一般情况，土坝坝体压应力符合σy＞σz＞σx的规律。根据土坝坝体的应力分布情况，利用水力劈裂原理，在坝轴线附近沿小主应力面布置灌浆孔。泥浆就容易沿这个平面将坝体劈开。

6）转换器内部的电路和系统软件能对管道中气体温度/压力变化进行有效修正。

表2 声道数量的应用对比

2 超声波计量管段数值建模

超声流量计的自身特点使其在使用中对现场应用条件有一定要求，否则将影响计量精度，这一点对设计、安装和使用尤为重要。影响气体超声流量计精度的因素包括：基于流态的管段流速选择、测量短截的几何尺寸误差、声时测量误差、温度/压力测量误差、管道粗糙度变化引起的测量误差、信号衰减或受到外界噪声干扰时造成的误触发误差、气流脉动引起的测量误差、流场分布畸变误差[5]。

关于流场分布畸变，主要原因为管道中的流量调节阀、弯管、旁通、管道法兰连接处的错位等引起流场变化或产生涡流及其他横向流，从而引起测量误差。为了提高流量测量精度，可采用多通道超声测量方法来克服流场畸变产生的影响（图4）。另外，在测量段的上下游保证安装一定长度的直管段或整流段，可以防止产生涡流，也是提高计量可靠性的有效方法。

图4 基于克服流场畸变的多通道超声测量方法示意图

为了探究现场计量橇中超声波流量计测量区域及上下游管段的内部流场分布，选取某输气管道某分输计量站为研究对象，利用数值模拟软件ANSYS-CFX，针对该站站内的计量支路管段展开内部流场数值模拟研究，同时进一步论证流量计上游整流器安装位置的合理性。该分输站使用两台流量计成橇安装，一用一备，口径DN150 mm，流量范围66～1 900 m3/h，工作压力0.8～5.0 MPa，介质温度0～30℃。上游直管段30D，前10D处加有流动调整器，下游直管段10D。

2.1 几何建模

采用Solidworks三维绘制软件对计量橇管段进行1:1几何建模，如图5（a）所示[6]。主要几何体包括：进气管段、集气汇管、计量管路支线、整流器、流量计检测管段、出气管段。其中，整流器几何模型严格按照资料数据进行绘制，如图5（b）所示。

图5 计量橇管段几何建模

2.2 网格划分

采用Gambit网格划分软件对2.1节中的几何模型进行网格划分。为提高后期数值模拟计算的准确性，对计量橇管段进行分割划块（图6），在整流器及其前后0.25 m管段计算区域进行网格加密处理（整流器网格初始大小为2 mm，以1.1增长比率向两侧扩张，上限值为10 mm）。模型总网格数量约为200万，网格质量为0.798 2。

图6 计算区域网格划分

2.3 CFX数值模拟

将网格导入CFX数值模拟软件。在CFX-Pre前处理器中，进行初始条件的设定，介质选取25℃空气，入口定压3.5 MPa，出口定流20 m/s；在CFXSolver求解器中，定义其求解计算方法，计算时步（最大计算时步2 000），监测数据以及计算残差（残差设定为10-5），经求解达到稳定收敛状态；最后在CFD-Post后处理器中，处理得到计算区域中任何线、面、体上的变量云图（速度、压力、温度等）、流线、速度矢量图、湍流动能及耗散率等[7]，同时可以绘制管段沿线的变量变化曲线。本数值模型的部分计算结果如图7、图8所示。

图7 横向剖面速度云图（整流器前）

3 基于CFX的超声波计量管段流场分析

3.1 现场实际模型

现场初始模型为：流量计检测管段的上游直管长度30D（4.5 m），前10D（1.5 m）处加有流动调整器，下游直管段10D（1.5 m），为了尽量避免出口回流对流场造成的影响，模型中的下游直管段长度选取2.5 m。计算工况如2.3节所述，计算结果如图7～图11所示。

图8 速度矢量云图（整流器）

由图7～图8可知：气体流经集气管段时，形成强烈的涡流，故在进入支线管路时存在严重的偏流现象，当此股偏流流经整流器后，流场基本恢复轴对称稳定流动。由此可定性判定，流体流经整流器后，在检测管段的流场便基本稳定。

图9 整流器剖面速度云图

为了进一步分析，图9选取了两个整流器的剖面，近距离观察其速度云。结果显示整流器前确实存在偏流现象，但整流器后速度分布均匀，仅因孔口的影响，在孔板后局部形成5个高流速驼峰及2个低流速涡流。同时结合图10、图11速度及湍流动能变化曲线可知：检测管段的速度场基本稳定，在整流器后5D管段内存在较小的不稳定流动外，其他均不存在偏流现象，故现场整流器的安装位置为10D是比较合理的。

图10 管段沿线速度变化曲线

图11 管段沿线湍流动能变化曲线

3.2 整流器位置变化模型

为了判别增大间距（整流器与检测管段的距离）对检测管段流场的影响，对计量橇管段模型进行整流器位置调整。整流器与检测管段的间距由10D增大到15D，其他模型及运行工况与初始模型一致。计算结果表明：其流场特性与初始模型基本一致（图12）。

图12 整流器剖面速度云图

为了更为准确地观测两种模型的流场特性，绘制了部分变量的沿线变化曲线。由图13、图14可知，流体在汇管段及整流器前管段的流速，在X、Y、Z方向均存在较大的波动，其中沿轴向的振幅最大，径向Y方向的振幅次之，径向Z方向振幅最弱。而在整流器后管段，径向（Y、Z）的分速度变为零，轴向速度也基本趋于稳定（在前5D管段内存在微弱的波动），由此也说明了此时流场已基本发展为稳定流动。由图15可知，增大整流器与检测管段的间距后，检测管段内的流场更为稳定，但由于初始模型检测管段的流场已基本稳定，故增大间距对提高本模型检测管段流场稳定性的作用不大。