按照GB/T18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》要求［1］，進(jìn)入超聲流量計的天然氣應(yīng)是對稱的充分發(fā)展的紊流速度分布，但由于上游管路的管道配件、調(diào)壓閥及直管段長度等會影響進(jìn)入流量計的氣體速度剖面，從而影響測量準(zhǔn)確度。為了減小流速剖面對計量的影響，各流量計廠家均配備了整流板安裝至流量計前10D位置，用于減少旋渦和改善天然氣速度分布。

 

        不同廠家流量計的聲道布置及流量計算數(shù)學(xué)模型不同，對進(jìn)入流量計的流態(tài)要求不同，配套的整流板也不同，圖1是三個廠家配套的整流板，由圖可以看出，每款整流板的開孔布局、分布方式均不相同。由于大家對流量計整流板關(guān)注的少，錯誤的認(rèn)為只要有整流板就能保證流量計的準(zhǔn)確度，在流量計配整流板時未嚴(yán)格按照廠家要求進(jìn)行配置，同時送檢流量計時也未將配套整流板同時送檢［2］，導(dǎo)致檢定過程用整流板與現(xiàn)場應(yīng)用過程整流板不一致。

        為了確認(rèn)整流板對超聲流量計計量的影響［4］，本文首先采用三維仿真模擬，利用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，計算不同整流板對同一流量計的影響量，然后通過在檢定站進(jìn)行實流測試對模擬計算結(jié)果進(jìn)行驗證。1三維仿真模擬計算

 

1.1建立模型

        利用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對三維流場進(jìn)行仿真，對流場的求解建立在流體力學(xué)的基本控制方程之上，即連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，這些方程遵守了質(zhì)量守恒、牛頓第二定律和能量守恒三個物理學(xué)基本原理。同時由于管道內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)，還需使用湍流方程對流場控制求解［5］。FLUENT中有多種湍流模型，其中k－ε模型是目前應(yīng)用非常為廣泛的模型，該模型又分為標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，重組化的k－ε模型和可實現(xiàn)的k－ε模型。

 

        三種湍流模型在形式上類似，主要差別在于計算湍流粘性的方法、控制湍流擴(kuò)散的湍流普朗特數(shù)、體壁面位置上如何進(jìn)行處理等存在不同。結(jié)合天然氣流量計計量的工況條件和相關(guān)文獻(xiàn)資料，采用重組化的k－ε模型(ＲNG模型)。計算流體力學(xué)軟件FLUENT計算管道內(nèi)湍流流場時，正是基于上述三個基本控制方程，同時結(jié)合合適的湍流模型并在給定邊界條件下進(jìn)行求解，得到了流場內(nèi)部各變量，模擬結(jié)果見圖2。

1.2計算分析以

Daniel流量計為例進(jìn)行分析，不同整流板對流量計量結(jié)果的影響。Daniel流量計為四聲道流量計，四個聲道分布如圖3所示。

        通過三維仿真模擬得到四個聲道的流速v1、v2、v3、v4，利用式(1)計算平均流速v。

        式中:wi為各聲道的權(quán)重因子。計算三種整流板下流量計的平均流速，同時通過積分計算的理論平均流速進(jìn)行比較，根據(jù)式

 

        (2)計算誤差［7］。通過模擬22m/s和3m/s兩種流速下的流體流態(tài)，結(jié)果見表1、表2。

 

        通過模擬分析可見，不同整流板在下游10D位置的流體速度分布梯度有較大差異，通過同一流量計進(jìn)行計量后有較大偏差，Daniel與Elster整流板差異較大，計量偏差也較大，可達(dá)0.59%，Daniel與Sick整流板較為相似，整流板對流量計的影響相對偏小，約0.15%，但不同流速的影響量不同。

 

2試驗驗證

2.1三維仿真結(jié)果驗證

        為了驗證三維仿真分析的結(jié)果，選用了一臺DN200Daniel超聲流量計進(jìn)行實流檢定測試，測量范圍為:85.19～3124.64m3/h，測試流量點分別為4000、3000、2000、560m3/h，分別在流量計上游10D處安裝Daniel、Elster、Sick整流板，測試結(jié)果見表3和圖4。

        通過實驗測試分析，實驗結(jié)果與三維仿真模擬結(jié)果基本一致，三種類型整流板對流量計計量結(jié)果有一定的影響，Daniel與Elster影響的偏差非常大，Sick處于中間位置，計量結(jié)果的非常大偏差可達(dá)0.6%，同時在不同流速下，整流板對計量結(jié)果的影響不同，在40%Qmax流量點處影響相對較小，在往大流量或者小流量偏移時影響量逐漸變大。

 

2.2流態(tài)剖面影響試驗驗證

        為了驗證流速剖面對計量的影響，選用一臺DN150Daniel流量計進(jìn)行試驗［8］，流量范圍為47～1846m3/h，分別對不安裝整流板、整流板部分整流孔堵塞及整流板正常安裝條件下進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表4所示。

        三種安裝條件下測試結(jié)果偏差較大，說明流速剖面對計量結(jié)果影響較大，在上游10D處安裝整流板可有效較小流態(tài)的畸變，測試結(jié)果相對可靠，其他安裝條件與之對比可分析出安裝對計量的影響。在不安裝整流板時計量結(jié)果相對偏大0.3%左右，整流板部分堵塞時，計量結(jié)果相對偏大0.6%左右。對于不同類型的流量計安裝條件對計量結(jié)果的影響不盡相同，該測試結(jié)果僅對被測流量計適用，測試結(jié)果表明安裝條件的不同會導(dǎo)致經(jīng)過流量計的流體流態(tài)不同，對計量有較大影響，至于影響趨勢及影響量需經(jīng)過大量理論及試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［9］。

 

3案例分析

        在某長輸管道計量站內(nèi)計量用流量計為DN400Elster超聲流量計，在應(yīng)用過程中與下游計量監(jiān)督站出現(xiàn)較大的計量交接差，通過對計量系統(tǒng)的排查，發(fā)現(xiàn)檢定時選用的是相同口徑的Daniel整流板，未選用Elster配套整流板，為了確認(rèn)是否是整流板的影響，利用移動標(biāo)準(zhǔn)裝置到現(xiàn)場進(jìn)行了在線實流測試，測試結(jié)果與前檢定結(jié)果有較大偏差，非常大偏差為0.7%，具體結(jié)果見表5。

4 結(jié)論及建議

        ( 1) 整流板對天然氣流體具有整流效果，可有效提高流量計計量的準(zhǔn)確度，不同型號整流板適用不同類型的流量計，不能混用，混用后會引入較大的偏差，偏差非常大可達(dá) 0. 7% 。 

        ( 2) 通過三維模擬仿真及流量計計量的數(shù)學(xué)模型可分析不同整流板對流量計的影響量，通過模擬和大量的試驗數(shù)據(jù)可建立一套整流板對流量計計量的修正模型，在檢定與使用過程中選用整流板不同時可通過模型進(jìn)行修正補(bǔ)償，同時可在計量系統(tǒng)評定時通過該方法定量分析計量結(jié)果的偏差。

        ( 3) 建議流量計使用及檢定時采用相同的整流板，有條件的場站可將在用整流板與流量計整體送檢，避免因整流板選型造成計量偏差。