Ca pionieri îndebitmetru cu ultrasunete pentru gaze naturaleindustria de măsurare, în ultimii 5 ani am descoperit că, odată cu extinderea continuă a rețelelor de gazoducte urbane și îmbunătățirea continuă a cerințelor de acuratețe a contorării gazului, contoarele mecanice tradiționale de gaz au expus treptat probleme precum uzura severă, rata de turndown limitată și adaptabilitatea slabă la condițiile de operare a gazului în timpul funcționării pe termen lung-. Aceste probleme fac dificilă îndeplinirea cerințelor moderne de măsurare a gazului pentru precizie ridicată, inteligență și durată lungă de viață. Debitmetrele cu ultrasunete pentru gaze naturale, datorită avantajelor lor de a nu avea piese mecanice în mișcare, raportul mare de turndown, pierderea scăzută de presiune și ușurința digitalizării și comunicației de la distanță, au devenit treptat o alegere importantă în domeniul contorării debitului de gaz. Este esențial ca personalul de achiziții să înțeleagă următorul conținut înainte de a lua decizii.
Cercetarea distribuției vitezei fluxului
Deoarece distribuția vitezei de curgere a fluidului în interiorul conductei afectează direct calea de propagare a semnalelor ultrasonice, distribuția ne-uniformă a vitezei de curgere va face ca semnalele ultrasonice să fie împrăștiate și atenuate în diferite grade în timpul propagării în conductă, rezultând fenomene precum raportul semnal-la{{2}scăzut al zgomotului și atenuarea semnalelor cu amplitudinea ecou severă. Prin urmare, asigurarea unei distribuții uniforme a vitezei de curgere a gazului în interiorul conductei este o condiție prealabilă pentru atingerea cerințelor de precizie a măsurătorilor.debitmetre cu ultrasunete de gaz.
În circumstanțe normale, curgerea fluidului afectată de forțele vâscoase poate produce două regimuri de curgere de bază (curgere laminară și curgere turbulentă), care sunt, de asemenea, legate de factori precum regimul de curgere și vâscozitatea cinematică a fluidului, caracteristicile fluidului și parametrii conductei. Aceste două regimuri de curgere se disting în mod obișnuit prin numărul Reynolds (Re).
Când Re Mai mic sau egal cu 2300, fluidul este într-o stare de curgere laminară. În acest moment, influența forței vâscoase asupra particulelor de fluid este mai mare decât forța inerțială, regimul de curgere este relativ stabil, fără fenomene turbulente, dar există doar componente de viteză axială. Distribuția vitezei este uniformă, prezentând o formă parabolică. Viteza curgerii este mai mică lângă peretele țevii circulare și crește treptat spre centrul conductei, cu profilul de viteză prezentat în Figura 3.29.
Viteza curgerii în fiecare punct al conductei circulare este legată doar de distanța r de la acel punct la axa conductei, iar legea sa de distribuție a vitezei poate fi exprimată ca:
Unde: vr este viteza curgerii la distanța r de axa conductei; v_m este viteza curgerii pe axa conductei, care este viteza maximă a curgerii pe întreaga secțiune transversală-; R este raza conductei.
Relația dintre -viteza medie pe linie și viteza medie-pe suprafață poate fi exprimată, respectiv, folosind vm ca:
Rezolvând ecuațiile (3.16) și (3.17) simultan, coeficientul de corecție Reynolds poate fi obținut și exprimat astfel:
Când Re Mai mare sau egal cu 4000, fluidul este într-o stare turbulentă. În acest moment, influența forței de inerție asupra particulelor de fluid este mai semnificativă, regimul de curgere este relativ haotic, componentele vitezei axiale și longitudinale există simultan, distribuția vitezei este ne-uniformă, rezistența la turbulente crește, iar profilul de viteză este prezentat în Figura 3.30.
Deoarece procesului de propagare a curgerii turbulente lipsește o teorie relevantă și metode analitice specifice, pentru a avansa în continuare cercetările, inginerii folosesc în mod obișnuit seriile de putere pentru a calcula aproximativ distribuția vitezei în conductele circulare în condiții de turbulență, care poate fi exprimată astfel:
Unde: valoarea lui n este legată de rugozitatea suprafeței conductei și numărul Reynolds. În condiții ideale în care peretele interior al conductei este neted, relația dintre n și Re poate fi exprimată prin formula lui Prandtl ca:
Adică, atunci când numărul Reynolds este cunoscut, valoarea lui n poate fi calculată, determinând astfel curba de distribuție a vitezei turbulente prezentată în Figura 3.30. Relația dintre viteza medie pe linie-și viteza medie pe suprafață-poate fi exprimată, respectiv, folosind v_m ca:
Rezolvând ecuațiile (3.21) și (3.22) simultan, relația dintre coeficientul de corecție Reynolds și n se poate obține astfel:
Într-o conductă turbulentă complet dezvoltată, relația dintre coeficientul de corecție Reynolds și Re poate fi exprimată ca:
Considerații practice de inginerie
Formulele de mai sus se bazează toate pe discuții purtate în condiții fără alți factori de interferență și lungimi suficiente de conducte drepte înainte și după conducta de măsurare. Cu toate acestea, în aplicațiile reale de inginerie, factori precum metoda de instalare a traductorului, supapele din amonte și curbele înainte și după conducta de măsurare vor cauza abateri în distribuția internă a vitezei curgerii, ceea ce face dificilă aplicarea în procesele reale de măsurare. Prin urmare, cercetarea privind distribuția uniformă a vitezei de curgere în interiorul canalului de curgere este extrem de importantă.
Design structural al debitmetrului cu ultrasunete pentru gaz natural
Un debitmetru cu ultrasunete de gaz natural este un dispozitiv care utilizează tehnologia ultrasonică pentru a măsura debitul de gaz. Proiectarea structurală și cercetarea de simulare implică aspecte multiple, cum ar fi proiectarea senzorilor, dinamica fluidelor și propagarea acustică. Un completdebitmetru cu ultrasunete de gazinclude canale de curgere, traductoare și circuite de măsurare. Acest sistem realizează proiectarea circuitelor de măsurare și a programelor pe baza canalelor de flux și traductoarelor existente.
Proiectare și instalare traductoare
Debitmetrele cu ultrasunete de gaz natural au de obicei două traductoare: un transmițător și un receptor. Considerațiile de proiectare includ frecvența traductorului, puterea și intervalul de temperatură de funcționare pentru a se adapta la diferite caracteristici ale gazului. Poziția de instalare a traductoarelor are un impact important asupra rezultatelor măsurătorilor. De obicei, emițătoarele și receptoarele ar trebui să fie aranjate simetric în diferite poziții pe conductă pentru a se asigura că calea de propagare a semnalelor ultrasonice rămâne cât mai uniformă posibil.
Proiectarea canalului de fluide
Când proiectați canalul de fluid al contorului de gaz, este necesar să cunoașteți diametrul interior al conductei pentru a se potrivi cu domeniul debitului de gaz. Suprafața interioară a conductei trebuie să fie netedă pentru a reduce interferența cu fluxul de fluid. De asemenea, este necesar să se proiecteze dispozitive de reglare a debitului pentru a se asigura că viteza fluidului este în intervalul măsurabil, evitând impactul vitezei de curgere excesiv de rapide sau lente asupra măsurării.
Carcasa exterioara si fixare
Având în vedere complexitatea mediului de lucru, selecția materialelor de carcasă exterioară se concentrează pe alegerea materialelor rezistente la coroziune-și rezistente la-temperaturi-înalte, cum ar fi oțelul inoxidabil sau materialele plastice tehnice, care pot proteja eficient componentele electronice interne și traductoarele. În același timp, ar trebui proiectat un mecanism de fixare fiabil pentru a asigura stabilitatea contorului de gaz în condiții de lucru cu presiune înaltă-. Dispozitivul de fixare trebuie să ia în considerare spațiul de instalare și condițiile de mediu ale conductei.
Prelucrare electrică și de semnal
În ceea ce privește procesarea electrică și a semnalului, proiectarea unui sistem de conexiune electrică eficient este la fel de crucială pentru asigurarea transmisiei și procesării stabile a semnalului, inclusiv recepția, procesarea și calcularea semnalelor ultrasonice. Pentru a converti diferența de timp de propagare ultrasonică în date de flux, algoritmii corespunzători trebuie proiectați separat.
Factori de precizie a măsurătorilor
Precizia de măsurare a debitmetrelor cu ultrasunete pentru gaz natural este, de asemenea, legată de mai mulți factori, cum ar fi calitatea senzorului, temperatura ambiantă, viteza de curgere a gazului, compoziția gazului și presiunea. Printre acestea, precizia de măsurare a debitmetrelor cu ultrasunete de gaz natural are o corelație puternică cu distribuția vitezei de curgere, necesitând ca distribuția fluidului în conducta de măsurare să poată reflecta în mod adecvat viteza curgerii pe secțiunea transversală-canalului de curgere.
Considerații cheie de proiectare
În plus, următorii factori ar trebui să fie luați în considerare în proiectarea structurală a canalelor de debit debitmetru cu ultrasunete de gaz natural:
(1) Atenuarea amplitudinii semnalului ultrasonic în canalul de curgere în timpul modificărilor vitezei de curgere; (2) Semnalele cu ultrasunete ar trebui să fie afectate cât mai semnificativ posibil de modificările vitezei de curgere a fluidului pentru a îmbunătăți rezoluția de măsurare a sistemului; (3) Viteza de curgere instantanee a fluidului care trece prin conducta de măsurare trebuie să îndeplinească cerințele de măsurare a întregii-domeni ale sistemului.
Combinând factorii de mai sus, modelul de canal de debit al debitmetrului cu ultrasunete pentru gaze naturale a fost proiectat și modelat folosind software-ul SpaceClaim, cu modelul prezentat în Figura 3.31.
Figura 3.31
Proiectarea canalului debitului contorului de gaz constă din două părți: partea care se conectează la conducta de gaz adoptă o conductă circulară, cu dimensiuni identice cu cele ale contoarelor de gaz cu diafragmă. Având în vedere efectul de reflexie al semnalelor ultrasonice și implementarea corecției distribuției vitezei de curgere, partea de măsurare a vitezei de curgere adoptă o structură de canal de curgere dreptunghiulară, cu trei palete de îndreptare a curgerii instalate în interior. Paletele de îndreptare sunt benefice pentru distribuția uniformă a vitezei curgerii fluidului. În același timp, reducerea diametrului interior al canalului de curgere dreptunghiular înseamnă că, în aceleași condiții de viteză a fluxului de intrare, viteza instantanee a curgerii în canalul de curgere dreptunghiular devine mai rapidă, diferența de timp de tranzit crește, ceea ce poate îmbunătăți rezoluția de măsurare a debitului debitmetrului ultrasonic de gaz natural. În ceea ce privește metoda de instalare a traductoarelor piezoelectrice, pentru a asigura acuratețea măsurării la punctele mici de curgere ale debitmetrului ultrasonic de gaz natural, lungimea căii de propagare trebuie extinsă. Cu toate acestea, creșterea lungimii căii va cauza pierderi de energie în timpul propagării semnalului, necesitând un echilibru între acuratețea măsurării sistemului și gradul de atenuare a semnalului din două aspecte. Se adoptă o structură de instalare în formă de AV-, cu cele două traductoare simetrice față de linia centrală longitudinală a paletelor de îndreptare.
Generarea și calitatea plaselor
Înainte de a efectua simularea dinamicii fluidelor, operațiunile de preprocesare sunt efectuate pe modelul de canal de debit debitmetru cu ultrasunete pentru gaz natural. După finalizarea reparației modelului și a simplificării pentru a obține un solid, regiunea fluidă internă a modelului este extrasă și plasa este împărțită. Calitatea diviziunii ochiurilor determină în mod direct fiabilitatea și stabilitatea rezultatelor ulterioare ale simulării. Fluxul de lucru etanș la apă Fluent poate fi utilizat pentru a executa procesul de mai sus, setând intervalul de mărime de generare a ochiurilor de suprafață la 0,1-4 mm, folosind 2 straturi de umplere a golurilor, aplicând detectarea de proximitate limitelor solide. Inclinația maximă a ochiurilor de suprafață divizată este de 0,69, indicând o bună calitate a ochiurilor. Pe această bază, se utilizează o plasă de volum de umplere hexaedrică-poliedrică, se adaugă straturi limită regiunii fluide, iar calitatea ortogonală finală a plasei de volum ajunge la 0,15. Combinat cu experimentele de independență a rețelei, numărul de rețele al modelului este determinat a fi în jur de 1,2 milioane. Distribuția volumului ochiului este prezentată în Figura 3.32.
Figura 3.32
