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          天然氣回流對孔板流量計上下游截面壓力影響分析

          作者:王 杰,孟 然,陳長江,劉 陽,林浩源,趙偉東 來源:重慶科技學院、中國石油西南油氣田分公司 發布時間:2021-06-07 09:54:38

                   摘 要: 針對天然氣回流工況對孔板流量計上下游截面壓力的影響問題,依據現場數據,采用 solidworks 軟件建立 DN150標準孔板流量計幾何模型,基于 CFD 軟件對此狀態下孔板流量計內部流場進行數值模擬分析。研究發現: 管內天然氣回流工況越嚴重,對孔板流量計上下游截面壓力變化影響越大。隨著管輸量的增加,回流程度逐漸平緩,孔板處流動幾乎不受上游回流渦旋的影響,上下游截面壓力變化幅度較為穩定,對孔板流量計精度影響也隨之降低。

           
                  目前,孔板流量計相對于其它流量計具有結構簡單、耐用可靠和維修便利等優勢,已經成為天然氣行業使用zui頻繁的一種流量計量設備[1-2]。但是在城市天然氣配送管網中,客戶用氣量差異無法消除[3]。尤其在用氣高峰期,輸氣站內匯管相連的各供氣支路相互影響zui為嚴重。主要體現在: 由于大流量供氣支路的管輸量遠遠高于小流量供氣支路的管輸量,在匯管的特殊構造下,導致大流量供氣支路在輸氣過程中會迫使小流量供氣支路在匯管連接處發生天然氣回流工況,造成管內天然氣流動工況不穩定,渦旋加劇。從而影響與小流量供氣支路相連的孔板流量計上下游壓力,瞬間出現壓力波動,計量精度降低,無法較好的完成計量任務。本文依據某輸氣站供氣支路發生天然氣回流工況的現場數據,基于 CFD 軟件[4],對回流狀態下的孔板流量計內部流場進行系統分析,得到不同天然氣回流工況對孔板流量計上下游壓力的影響規律,同時提出較為合理的解決方案。
           
          1、模型建立
                  孔板流量計計量原理如圖 1 所示。孔板前后取截面 1 和 2,根據兩截面壓差換算出某一時刻天然氣流量。
          孔板節流原理
                  本文 使 用 DN150 標準孔板流量 計幾何尺寸,采 用solidworks 軟件建立三維實體模型,利用 ICEM-CFD 軟件劃分網格,壁面設置 4 層邊界層,比例為 1. 0。整體網格劃分在保證計算精度的前提下,盡量提高計算效率。選取結構化網格劃分并在孔板與管道連接處作加密處理,zui終得到計算網格如圖 2 所示。
          孔板流量計網格劃分
                  基于 Fluent-CFD 軟件,邊界條件為( velocity-inlet) 入口,值取 10 m/s,和( outflow) 出 口,采 用 RANS 氣 體 狀 態 方 程, RNG k-ε 湍流模型,對流離散格式為 2 階迎風格式,算法采用耦合求解[4-7]。從而數值求解天然氣回流狀態下孔板流量計內部流動特征。 
           
          2 計算分析
                  某輸氣站供氣實況發現,由于匯管結構的影響因素,當小流量供氣支路管輸量占比總流量 10%時,必然產生回流工況且管輸量越小回流程度越嚴重。因此分析小流量供氣支路管輸量分別占比總流量 2%、4%、6%、8%、10%時,天然氣回流工況對孔板流量計上下游截面壓力的影響程度。經計算得到不同輸量下孔板流量計上下游截面壓力隨軸線距離的變化,如圖 3所示。
          管輸量占比 2%、4%、6%、8%、10%時孔板流量計上游( a) 和下游( b) 截面壓力變化
                  由圖 3 可知,一開始,天然氣回流工況明顯,通過孔板流量計的天然氣流量很小,流速很低,導致孔板流量計上下游截面處形成渦旋,壓力變化幅度較大,流動極不均勻。當管輸量為 2%時,孔板流量計上下游截面壓力隨軸線距離變化程度尤為劇烈。隨著管輸量逐漸增加,孔板處的流動逐漸變得較為均勻,但仍然受到上游回流渦旋的影響,直接導致孔板流量計入口和出口截面壓力隨軸線距離變化幅度較大。當流量接近臨界值時,孔板處的流動逐漸變得均勻,孔板流量計入口和出口截面的壓力變化幅度較為穩定,幾乎不受上游回流渦旋的影響。 
           
          3 結 論
                  研究發現,隨著管內天然氣回流工況越嚴重,對孔板流量計上下游壓力變化影響程度加劇,進而對孔板流量計計量精度影響也越大。隨著管輸量上升,管內天然氣回流工況趨于平緩,對孔板流量計上下游壓力變化影響程度逐漸降低,孔板流量計計量誤差迅速減小。因此,建議在城市天然氣配送管網中的小流量供氣支路上游單獨安裝調壓閥或止回閥,可以較好的阻止天然氣回流工況的發生,從而較大程度上降低對孔板流量計上下游截面壓力變化的影響,提高計量精度。

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