Som pionjärer inomultraljudsflödesmätare för naturgasunder de senaste 5 åren har vi upptäckt att traditionella mekaniska gasmätare, med den kontinuerliga expansionen av gasledningsnätverk i städerna och den pågående förbättringen av noggrannhetskraven för gasmätningar, gradvis har avslöjat problem som hårt slitage, begränsat nedgångsförhållande och dålig anpassningsförmåga till gasdriftsförhållanden under lång-drift. Dessa problem gör det svårt att uppfylla de moderna gasmätningskraven för hög precision, intelligens och lång livslängd. Ultraljudsflödesmätare för naturgas, på grund av deras fördelar med att de inte har några mekaniska rörliga delar, stora neddragningsförhållande, låga tryckförluster och enkel digitalisering och fjärrkommunikation, har gradvis blivit ett viktigt val inom området gasflödesmätning. Det är viktigt för inköpspersonal att förstå följande innehåll innan de fattar beslut.
Forskning om flödeshastighetsdistribution
Eftersom flödeshastighetsfördelningen av vätska inuti rörledningen direkt påverkar utbredningsvägen för ultraljudssignaler, kommer o-jämn flödeshastighetsfördelning att orsaka att ultraljudssignaler sprids och dämpas i varierande grad under utbredningen i rörledningen, vilket resulterar i fenomen som lågt signal-tillfört ekolysförhållande för{{2} dämpning. Att säkerställa en enhetlig fördelning av gasflödeshastigheten inuti rörledningen är därför en förutsättning för att uppnå mätnoggrannhetskraven förultraljudsgasflödesmätare.
Under normala omständigheter kan vätskeflöde som påverkas av viskösa krafter producera två grundläggande flödesregimer (laminärt flöde och turbulent flöde), som också är relaterade till faktorer som flödesschema och vätskekinematisk viskositet, vätskeegenskaper och rörledningsparametrar. Dessa två flödesregimer särskiljs vanligtvis av Reynolds-numret (Re).
När Re mindre än eller lika med 2300 är vätskan i ett laminärt flödestillstånd. Vid denna tidpunkt är inverkan av viskös kraft på vätskepartiklar större än tröghetskraften, flödesregimen är relativt stabil utan turbulenta fenomen, utan endast axiella hastighetskomponenter existerar. Hastighetsfördelningen är enhetlig och uppvisar en parabolisk form. Flödeshastigheten är mindre nära den cirkulära rörväggen och ökar gradvis mot mitten av rörledningen, med hastighetsprofilen som visas i figur 3.29.
Flödeshastigheten vid varje punkt i det cirkulära röret är endast relaterad till avståndet r från den punkten till rörledningens axel, och dess hastighetsfördelningslag kan uttryckas som:
Där: vr är flödeshastigheten på avstånd r från rörledningens axel; v_m är flödeshastigheten vid rörledningens axel, vilket är den maximala flödeshastigheten över hela tvärsnittet; R är rörledningens radie.
Förhållandet mellan linje-medelhastighet och area-medelhastighet kan uttryckas respektive med hjälp av vm som:
Genom att lösa ekvationerna (3.16) och (3.17) samtidigt kan Reynolds korrigeringskoefficient erhållas och uttryckas som:
När Re är större än eller lika med 4000 är vätskan i ett turbulent tillstånd. Vid denna tidpunkt är påverkan av tröghetskraft på vätskepartiklar mer signifikant, flödesregimen är relativt kaotisk, axiella och längsgående hastighetskomponenter existerar samtidigt, hastighetsfördelningen är ojämn, turbulent motstånd ökar och hastighetsprofilen visas i figur 3.30.
Eftersom utbredningsprocessen av turbulent flöde saknar relevant teori och specifika analytiska metoder, för att ytterligare avancera forskning, använder ingenjörer vanligtvis kraftserier för att ungefärligen beräkna hastighetsfördelningen i cirkulära rör under turbulenta förhållanden, vilket kan uttryckas som:
Där: värdet på n är relaterat till rörledningens yta och Reynolds tal. Under ideala förhållanden där rörledningens innervägg är slät, kan förhållandet mellan n och Re uttryckas med Prandtls formel som:
Det vill säga, när Reynolds-talet är känt kan värdet på n beräknas och därigenom bestämma den turbulenta hastighetsfördelningskurvan som visas i figur 3.30. Förhållandet mellan linje-medelhastighet och area-medelhastighet kan uttryckas respektive med hjälp av v_m som:
Genom att lösa ekvationerna (3.21) och (3.22) samtidigt kan förhållandet mellan Reynolds korrigeringskoefficient och n erhållas som:
I en fullt utvecklad turbulent pipeline kan förhållandet mellan Reynolds korrigeringskoefficient och Re uttryckas som:
Praktiska tekniska överväganden
Formlerna ovan är alla baserade på diskussioner genomförda under förhållanden utan andra störande faktorer och tillräckliga raka rörlängder före och efter mätrörledningen. I verkliga tekniska tillämpningar kommer dock faktorer som givarinstallationsmetod, uppströmsventiler och böjar före och efter mätrörledningen alla att orsaka avvikelser i den interna flödeshastighetsfördelningen, vilket gör det svårt att tillämpa i faktiska mätprocesser. Därför är forskning om jämn flödeshastighetsfördelning inuti flödeskanalen extremt viktig.
Ultraljudsnaturgasflödesmätare Strukturell design
En ultraljudsnaturgasflödesmätare är en enhet som använder ultraljudsteknik för att mäta gasflödet. Dess strukturella design och simuleringsforskning involverar flera aspekter, såsom sensordesign, vätskedynamik och akustisk utbredning. En komplettgas ultraljudsflödesmätareinkluderar flödeskanaler, givare och mätkretsar. Detta system utför mätkrets- och programdesign baserat på befintliga flödeskanaler och givare.
Givardesign och installation
Ultraljudsmätare för naturgas har vanligtvis två givare: en sändare och en mottagare. Konstruktionsöverväganden inkluderar givarens frekvens, effekt och driftstemperaturområde för att anpassa sig till olika gasegenskaper. Monteringspositionen för givare har en viktig inverkan på mätresultaten. Vanligtvis bör sändare och mottagare vara symmetriskt anordnade vid olika positioner på rörledningen för att säkerställa att utbredningsvägen för ultraljudssignaler förblir så enhetlig som möjligt.
Vätskekanaldesign
När man utformar gasmätarens vätskekanal är det nödvändigt att känna till rörledningens innerdiameter för att matcha gasflödesområdet. Rörledningens inre yta bör vara slät för att minska störningen av vätskeflödet. Det är också nödvändigt att utforma flödesregleringsanordningar för att säkerställa att vätskehastigheten ligger inom det mätbara området, vilket undviker påverkan av överdrivet snabb eller långsam flödeshastighet på mätningen.
Ytterhölje och Fixering
Med tanke på arbetsmiljöns komplexitet fokuserar valet av ytterhöljesmaterial på att välja korrosions-beständiga och hög-temperatur-material, som rostfritt stål eller teknisk plast, som effektivt kan skydda interna elektroniska komponenter och givare. Samtidigt bör en pålitlig fixeringsmekanism utformas för att säkerställa stabiliteten hos gasmätaren under högt-arbetsförhållanden. Fästanordningen bör ta hänsyn till installationsutrymmet och miljöförhållandena för rörledningen.
Elektrisk och signalbehandling
När det gäller elektrisk och signalbehandling är det lika viktigt att utforma ett effektivt elektriskt anslutningssystem för att säkerställa stabil signalöverföring och bearbetning, inklusive mottagning, bearbetning och beräkning av ultraljudssignaler. För att konvertera ultraljudsutbredningstidsskillnaden till flödesdata måste motsvarande algoritmer utformas separat.
Mätnoggrannhetsfaktorer
Mätnoggrannheten för ultraljudsmätare för naturgas är också relaterad till flera faktorer, såsom sensorkvalitet, omgivningstemperatur, gasflödeshastighet, gassammansättning och tryck. Bland dessa har mätnoggrannheten för ultraljudsnaturgasflödesmätare en stark korrelation med flödeshastighetsfördelningen, vilket kräver att vätskefördelningen i mätrörledningen kan adekvat reflektera flödeshastigheten över flödeskanalens tvärsnitt.
Viktiga designöverväganden
Dessutom bör följande faktorer beaktas i den strukturella designen av ultraljudsflödeskanaler för naturgasflödesmätare:
(1) Dämpning av ultraljudssignalamplituden i flödeskanalen under flödeshastighetsändringar; (2) Ultraljudssignaler bör påverkas så kraftigt som möjligt av förändringar i vätskeflödeshastigheten för att förbättra systemmätningsupplösningen; (3) Den momentana flödeshastigheten för vätska som passerar genom mätrörledningen måste uppfylla systemets mätkrav för hela-området.
Genom att kombinera ovanstående faktorer, designades och modellerades den designade ultraljudsmodellen för naturgasflödesmätarens flödeskanal med hjälp av SpaceClaim-programvaran, med modellen som visas i figur 3.31.
Figur 3.31
Gasmätarens flödeskanaldesign består av två delar: den del som ansluter till gasledningen antar ett cirkulärt rör, med dimensioner identiska med membrangasmätarna. Med tanke på reflektionseffekten av ultraljudssignaler och implementeringen av korrigering av flödeshastighetsfördelning, antar flödeshastighetsmätningsdelen en rektangulär flödeskanalstruktur, med tre flödesuträtningsvingar installerade inuti. Uträtningsvingarna är fördelaktiga för jämn fördelning av vätskeflödeshastigheten. Samtidigt innebär minskningen av den rektangulära flödeskanalens innerdiameter att under samma inloppsflödeshastighetsförhållanden blir den momentana flödeshastigheten i den rektangulära flödeskanalen snabbare, transittidsskillnaden ökar, vilket kan förbättra flödesmätningsupplösningen för ultraljudsnaturgasflödesmätaren. När det gäller installationsmetoden för piezoelektriska givare, för att säkerställa mätnoggrannhet vid små flödespunkter för ultraljudsnaturgasflödesmätaren, måste utbredningsvägens längd förlängas. Emellertid kommer ökningen i väglängd att orsaka energiförlust under signalutbredning, vilket kräver en balans mellan systemmätningsnoggrannhet och signaldämpningsgrad ur två aspekter. AV--formad installationsstruktur har antagits, med de två omvandlarna symmetriska kring den längsgående mittlinjen för uträtningsvingarna.
Mesh Generation och kvalitet
Innan simulering av vätskedynamik genomförs, utförs förbearbetningsoperationer på ultraljudsmodellen för naturgasflödesmätarens flödeskanal. Efter avslutad modellreparation och förenkling för att erhålla ett fast material, extraheras modellens inre vätskeregion och nätet delas. Kvaliteten på maskdelningen avgör direkt tillförlitligheten och stabiliteten hos efterföljande simuleringsresultat. Det flytande vattentäta arbetsflödet kan användas för att utföra ovanstående process, genom att ställa in storleksintervallet för generering av ytmaskvidd till 0,1-4 mm, med hjälp av 2 mellanrumsfyllningslager, applicering av närhetsdetektering till solida gränser. Den maximala skevheten för det delade ytans nät är 0,69, vilket indikerar god nätkvalitet. På denna basis används hexaedriskt-polyedriskt fyllningsvolymnät, gränsskikt läggs till vätskeområdet och den slutliga ortogonala kvaliteten på volymnätet når 0,15. Kombinerat med nätoberoendeexperiment bestäms modellens maskantal till cirka 1,2 miljoner. Fördelningen av volymnät visas i figur 3.32.
Figur 3.32
