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天然气回流对孔板流量计上下游截面压力影响分析

作者:王 杰,孟 然,陈长江,刘 阳,林浩源,赵伟东 来源:重庆科技学院、中国石油西南油气田分公司 发布时间:2021-06-07 09:54:38

         摘 要: 针对天然气回流工况对孔板流量计上下游截面压力的影响问题,依据现场数据,采用 solidworks 软件建立 DN150标准孔板流量计几何模型,基于 CFD 软件对此状态下孔板流量计内部流场进行数值模拟分析。研究发现: 管内天然气回流工况越严重,对孔板流量计上下游截面压力变化影响越大。随着管输量的增加,回流程度逐渐平缓,孔板处流动几乎不受上游回流涡旋的影响,上下游截面压力变化幅度较为稳定,对孔板流量计精度影响也随之降低。

 
        目前,孔板流量计相对于其它流量计具有结构简单、耐用可靠和维修便利等优势,已经成为天然气行业使用zui频繁的一种流量计量设备[1-2]。但是在城市天然气配送管网中,客户用气量差异无法消除[3]。尤其在用气高峰期,输气站内汇管相连的各供气支路相互影响zui为严重。主要体现在: 由于大流量供气支路的管输量远远高于小流量供气支路的管输量,在汇管的特殊构造下,导致大流量供气支路在输气过程中会迫使小流量供气支路在汇管连接处发生天然气回流工况,造成管内天然气流动工况不稳定,涡旋加剧。从而影响与小流量供气支路相连的孔板流量计上下游压力,瞬间出现压力波动,计量精度降低,无法较好的完成计量任务。本文依据某输气站供气支路发生天然气回流工况的现场数据,基于 CFD 软件[4],对回流状态下的孔板流量计内部流场进行系统分析,得到不同天然气回流工况对孔板流量计上下游压力的影响规律,同时提出较为合理的解决方案。
 
1、模型建立
        孔板流量计计量原理如图 1 所示。孔板前后取截面 1 和 2,根据两截面压差换算出某一时刻天然气流量。
孔板节流原理
        本文 使 用 DN150 标准孔板流量 计几何尺寸,采 用solidworks 软件建立三维实体模型,利用 ICEM-CFD 软件划分网格,壁面设置 4 层边界层,比例为 1. 0。整体网格划分在保证计算精度的前提下,尽量提高计算效率。选取结构化网格划分并在孔板与管道连接处作加密处理,zui终得到计算网格如图 2 所示。
孔板流量计网格划分
        基于 Fluent-CFD 软件,边界条件为( velocity-inlet) 入口,值取 10 m/s,和( outflow) 出 口,采 用 RANS 气 体 状 态 方 程, RNG k-ε 湍流模型,对流离散格式为 2 阶迎风格式,算法采用耦合求解[4-7]。从而数值求解天然气回流状态下孔板流量计内部流动特征。 
 
2 计算分析
        某输气站供气实况发现,由于汇管结构的影响因素,当小流量供气支路管输量占比总流量 10%时,必然产生回流工况且管输量越小回流程度越严重。因此分析小流量供气支路管输量分别占比总流量 2%、4%、6%、8%、10%时,天然气回流工况对孔板流量计上下游截面压力的影响程度。经计算得到不同输量下孔板流量计上下游截面压力随轴线距离的变化,如图 3所示。
管输量占比 2%、4%、6%、8%、10%时孔板流量计上游( a) 和下游( b) 截面压力变化
        由图 3 可知,一开始,天然气回流工况明显,通过孔板流量计的天然气流量很小,流速很低,导致孔板流量计上下游截面处形成涡旋,压力变化幅度较大,流动极不均匀。当管输量为 2%时,孔板流量计上下游截面压力随轴线距离变化程度尤为剧烈。随着管输量逐渐增加,孔板处的流动逐渐变得较为均匀,但仍然受到上游回流涡旋的影响,直接导致孔板流量计入口和出口截面压力随轴线距离变化幅度较大。当流量接近临界值时,孔板处的流动逐渐变得均匀,孔板流量计入口和出口截面的压力变化幅度较为稳定,几乎不受上游回流涡旋的影响。 
 
3 结 论
        研究发现,随着管内天然气回流工况越严重,对孔板流量计上下游压力变化影响程度加剧,进而对孔板流量计计量精度影响也越大。随着管输量上升,管内天然气回流工况趋于平缓,对孔板流量计上下游压力变化影响程度逐渐降低,孔板流量计计量误差迅速减小。因此,建议在城市天然气配送管网中的小流量供气支路上游单独安装调压阀或止回阀,可以较好的阻止天然气回流工况的发生,从而较大程度上降低对孔板流量计上下游截面压力变化的影响,提高计量精度。

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