Úttörőként aultrahangos áramlásmérő földgázhozA mérési ágazatban az elmúlt 5 év során azt tapasztaltuk, hogy a városi gázvezeték-hálózatok folyamatos bővítésével és a gázmérés pontossági követelményeinek folyamatos javításával a hagyományos mechanikus gázmérők fokozatosan olyan problémákat tártak fel, mint például az erős kopás, a korlátozott leállási arány és a gáz üzemi körülményeihez való rossz alkalmazkodóképesség a hosszú távú{1}}üzem során. Ezek a problémák megnehezítik a korszerű gázmérési követelmények teljesítését a nagy pontosság, az intelligencia és a hosszú élettartam érdekében. Az ultrahangos földgáz áramlásmérők előnye, hogy nem rendelkeznek mechanikus mozgó alkatrészekkel, nagy fordulatszámmal, alacsony nyomásveszteséggel, valamint egyszerű digitalizálással és távoli kommunikációval, fokozatosan fontos választássá váltak a gázáramlásmérés területén. Döntéshozatal előtt elengedhetetlen, hogy a beszerzést végző személyzet megértse az alábbi tartalmat.
Flow Locity Distribution Research
Mivel a folyadék áramlási sebesség-eloszlása a csővezetéken belül közvetlenül befolyásolja az ultrahangjelek terjedési útját, az egyenetlen áramlási sebesség-eloszlás az ultrahangjelek szétszóródását és különböző mértékű csillapítását okozza a csővezetékben való terjedés során, ami olyan jelenségeket eredményez, mint például az alacsony jel-/{2}}a vett visszhang hangerősség-zaj aránya. Ezért a gázáramlási sebesség egyenletes eloszlásának biztosítása a csővezetéken belül előfeltétele a mérési pontossági követelmények teljesítésének.ultrahangos gázáramlásmérők.
Normál körülmények között a viszkózus erők által befolyásolt folyadékáramlás két alapvető áramlási módot (lamináris áramlást és turbulens áramlást) hozhat létre, amelyek olyan tényezőkhöz is kapcsolódnak, mint az áramlási rendszer és a folyadék kinematikai viszkozitása, a folyadék jellemzői és a csővezeték paraméterei. Ezt a két áramlási módot általában a Reynolds-szám (Re) különböztetik meg.
Ha Re kisebb vagy egyenlő, mint 2300, a folyadék lamináris áramlási állapotban van. Ebben az időben a viszkózus erő hatása a folyadékrészecskékre nagyobb, mint a tehetetlenségi erő, az áramlási rendszer viszonylag stabil, turbulens jelenségek nélkül, de csak axiális sebességkomponensek léteznek. A sebességeloszlás egyenletes, parabola alakú. Az áramlási sebesség kisebb a kör alakú csőfal közelében, és fokozatosan növekszik a csővezeték közepe felé, a 3.29. ábrán látható sebességprofillal.
Az áramlási sebesség a kör alakú cső minden pontjában csak az adott pont és a csővezeték tengelye közötti r távolságra vonatkozik, és sebességeloszlási törvénye a következőképpen fejezhető ki:
ahol: vr az áramlási sebesség a csővezeték tengelyétől r távolságra; v_m az áramlási sebesség a csővezeték tengelyén, amely a maximális áramlási sebesség a teljes keresztmetszetben; R a csővezeték sugara.
A vonal-átlagsebesség és a területi-átlagsebesség közötti összefüggés a vm használatával a következőképpen fejezhető ki:
A (3.16) és (3.17) egyenlet egyidejű megoldásával a Reynolds-korrekciós együttható a következőképpen fejezhető ki:
Ha Re nagyobb vagy egyenlő, mint 4000, a folyadék turbulens állapotban van. Ekkor a tehetetlenségi erő hatása a folyadékrészecskékre jelentősebb, az áramlási rezsim viszonylag kaotikus, a tengelyirányú és hosszanti sebességkomponensek egyidejűleg léteznek, a sebességeloszlás nem egyenletes, a turbulens ellenállás nő, a sebességprofil a 3.30. ábrán látható.
Mivel a turbulens áramlás terjedési folyamatából hiányoznak a megfelelő elméletek és specifikus analitikai módszerek, a kutatás további előmozdítása érdekében a mérnökök általában teljesítménysorokat használnak a kör alakú csövek turbulens körülmények közötti sebességeloszlásának hozzávetőleges kiszámításához, amely a következőképpen fejezhető ki:
Ahol: n értéke a csővezeték felületi érdességéhez és a Reynolds-számhoz kapcsolódik. Ideális körülmények között, ahol a csővezeték belső fala sima, az n és Re közötti összefüggés a Prandtl-képlettel a következőképpen fejezhető ki:
Azaz, ha a Reynolds-szám ismert, akkor n értéke kiszámítható, ezáltal meghatározható a 3.30. ábrán látható turbulens sebesség eloszlási görbe. A vonal-átlagsebesség és a területi-átlagsebesség közötti összefüggés a v_m segítségével a következőképpen fejezhető ki:
A (3.21) és (3.22) egyenlet egyidejű megoldásával a Reynolds-korrekciós együttható és az n közötti összefüggés a következőképpen kapható meg:
Egy teljesen kifejlesztett turbulens csővezetékben a Reynolds-korrekciós együttható és az Re közötti kapcsolat a következőképpen fejezhető ki:
Gyakorlati mérnöki szempontok
A fenti képletek mind olyan megbeszéléseken alapulnak, amelyeket olyan körülmények között folytattak le, amelyekben nincsenek más zavaró tényezők, és elegendő egyenes csőhossz van a mérési csővezeték előtt és után. A tényleges mérnöki alkalmazásokban azonban az olyan tényezők, mint a jelátalakító beépítési módja, az előremenő szelepek és a mérési csővezeték előtti és utáni ívek, mind eltéréseket okoznak a belső áramlási sebesség eloszlásában, ami megnehezíti az alkalmazást a tényleges mérési folyamatokban. Ezért rendkívül fontos az áramlási sebesség egyenletes eloszlásának kutatása az áramlási csatornán belül.
Ultrahangos földgáz áramlásmérő szerkezeti kialakítás
Az ultrahangos földgáz áramlásmérő olyan készülék, amely ultrahangos technológiát használ a gázáramlás mérésére. Szerkezeti tervezése és szimulációs kutatása több szempontot is magában foglal, mint például a szenzortervezés, a folyadékdinamika és az akusztikus terjedés. Egy teljesgáz ultrahangos áramlásmérőmagában foglalja az áramlási csatornákat, jelátalakítókat és mérőáramköröket. Ez a rendszer mérési áramkör- és programtervezést végez a meglévő áramlási csatornák és jelátalakítók alapján.
A jelátalakító tervezése és telepítése
Az ultrahangos földgáz áramlásmérőknek általában két jelátalakítója van: egy adó és egy vevő. A tervezési szempontok közé tartozik az átalakító frekvenciája, teljesítménye és üzemi hőmérséklet-tartománya, hogy alkalmazkodjanak a különböző gázjellemzőkhöz. A jelátalakítók beépítési helyzete jelentős hatással van a mérési eredményekre. Jellemzően az adókat és a vevőket szimmetrikusan kell elhelyezni a csővezeték különböző helyein, hogy az ultrahangos jelek terjedési útvonala a lehető legegyenletesebb maradjon.
Folyadékcsatorna tervezés
A gázmérő folyadékcsatornájának kialakításakor ismerni kell a csővezeték belső átmérőjét, hogy megfeleljen a gázáramlási tartománynak. A csővezeték belső felületének simának kell lennie, hogy csökkentse a folyadékáramlás zavarását. Szükséges továbbá az áramlásszabályozó eszközök tervezése, amelyek biztosítják, hogy a folyadék sebessége a mérhető tartományon belül legyen, elkerülve a túlzottan gyors vagy lassú áramlási sebesség hatását a mérésre.
Külső burkolat és rögzítés
Tekintettel a munkakörnyezet összetettségére, a külső burkolat anyagainak kiválasztásakor a korrózióálló-és magas-hőmérsékletnek-álló anyagok – például rozsdamentes acél vagy műszaki műanyagok – kiválasztására összpontosítunk, amelyek hatékonyan védik a belső elektronikus alkatrészeket és jelátalakítókat. Ugyanakkor megbízható rögzítőmechanizmust kell kialakítani, amely biztosítja a gázmérő stabilitását nagy nyomású munkakörülmények között. A rögzítőeszköznek figyelembe kell vennie a csővezeték beépítési helyét és környezeti feltételeit.
Elektromos és jelfeldolgozás
Az elektromos és jelfeldolgozás szempontjából a hatékony elektromos csatlakozási rendszer kialakítása ugyanilyen fontos a stabil jelátvitel és -feldolgozás biztosításához, beleértve az ultrahangos jelek vételét, feldolgozását és számítását. Az ultrahang terjedési időkülönbségének áramlási adatokká való konvertálásához a megfelelő algoritmusokat külön kell megtervezni.
Mérési pontossági tényezők
Az ultrahangos földgáz áramlásmérők mérési pontossága több tényezőtől is függ, mint például az érzékelő minősége, a környezeti hőmérséklet, a gáz áramlási sebessége, a gáz összetétele és a nyomás. Ezek közül az ultrahangos földgáz áramlásmérők mérési pontossága erősen korrelál az áramlási sebesség eloszlásával, ami megköveteli, hogy a folyadékeloszlás a mérőcsőben megfelelően tükrözze az áramlási sebességet az áramlási csatorna keresztmetszetében.
Főbb tervezési szempontok
Ezenkívül az ultrahangos földgázáramlásmérő áramlási csatornáinak szerkezeti tervezése során a következő tényezőket kell figyelembe venni:
(1) Az ultrahang jel amplitúdójának csillapítása az áramlási csatornában az áramlási sebesség változásai során; (2) A rendszer mérési felbontásának javítása érdekében a folyadékáramlás sebességének változásai az ultrahangos jeleket a lehető legnagyobb mértékben befolyásolják; (3) A mérőcsővezetéken áthaladó folyadék pillanatnyi áramlási sebességének meg kell felelnie a rendszer teljes -tartományú mérési követelményeinek.
A fenti tényezőket kombinálva készült el a tervezett ultrahangos földgáz áramlásmérő áramlási csatorna modellje a SpaceClaim szoftverrel, a 3.31. ábrán látható modellel.
3.31. ábra
A gázmérő áramlási csatorna kialakítása két részből áll: a gázvezetékhez csatlakozó rész egy kör alakú csövet vesz fel, amelynek méretei megegyeznek a membrános gázmérőkével. Figyelembe véve az ultrahangos jelek reflexiós hatását és az áramlási sebesség-eloszlás korrekciójának megvalósítását, az áramlási sebességmérő rész téglalap alakú áramlási csatorna szerkezetet vesz fel, három áramlásegyengető lapáttal. Az egyengető lapátok előnyösek a folyadékáramlási sebesség egyenletes eloszlásához. A téglalap alakú áramlási csatorna belső átmérőjének csökkenése ugyanakkor azt jelenti, hogy azonos bemeneti áramlási sebességi feltételek mellett a pillanatnyi áramlási sebesség a téglalap alakú áramlási csatornában gyorsabbá válik, az áthaladási időkülönbség nő, ami javíthatja az ultrahangos földgáz áramlásmérő áramlásmérési felbontását. A piezoelektromos jelátalakítók beépítési módját illetően az ultrahangos földgázáramlásmérő kis áramlási pontjain a mérési pontosság biztosítása érdekében a terjedési út hosszát meg kell hosszabbítani. Az úthossz növekedése azonban energiaveszteséget okoz a jel terjedése során, ami két szempontból is egyensúlyt kíván a rendszer mérési pontossága és a jel csillapítási foka között. Az AV-alakú beépítési szerkezetet alkalmazzák, ahol a két jelátalakító szimmetrikusan helyezkedik el az egyengető lapátok hosszanti középvonalára.
Mesh előállítása és minősége
A folyadékdinamikai szimuláció elvégzése előtt az ultrahangos földgázáramlásmérő áramlási csatorna modelljén előfeldolgozási műveleteket végeznek. A modelljavítás és a szilárd anyag előállításához szükséges egyszerűsítés befejezése után a modell belső folyadékrégióját kivonják, és a hálót felosztják. A hálófelosztás minősége közvetlenül meghatározza a későbbi szimulációs eredmények megbízhatóságát és stabilitását. A Fluent vízzáró munkafolyamat a fenti folyamat végrehajtására használható, 0,1-4 mm-re állítva a felületi háló mérettartományát, 2 hézagkitöltő réteg használatával, közelségérzékeléssel szilárd határvonalakra. Az osztott felületű háló maximális ferdesége 0,69, ami jó hálóminőséget jelez. Ezen az alapon hexaéderes-poliéderes töltőtérfogat-hálót használnak, határrétegeket adnak a folyadékrégióhoz, és a térfogatháló végső ortogonális minősége eléri a 0,15-öt. A hálófüggetlenségi kísérletekkel kombinálva a modell hálószáma körülbelül 1,2 millió. A térfogati háló eloszlása a 3.32. ábrán látható.
3.32. ábra
