带汇管的天然气管路对流量计量性能的影响研究

张永学, 师志成, 刘 畅

(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,北京102249)

带汇管的天然气管路对流量计量性能的影响研究

张永学, 师志成, 刘 畅

(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,北京102249)

天然气准确计量直接影响开发、运行、配给和用户等各方的经济利益,而管路结构是影响天然气流量计量准确性的主要因素。以带汇管的天然气管路为研究对象,采用数值模拟和实验测量的方法,分别对汇管采用不同的进出口方式以及是否在其下游加装板式整流器的各种管路结构内的流场进行研究,结果表明,汇管进出口错开且无整流器的管路结构在汇管下游恢复到充分发展的湍流断面需要的长度最长,而汇管进出口相对且有整流器的管路结构则在整流器下游恢复到充分发展的湍流断面需要的长度最短。对管路结构对天然气流场影响规律的研究可直接指导天然气管路结构设计及流量计选择合理的安装位置。

天然气流量计量; 数值模拟; 汇管; 板式整流器; LDV实验测量

随着量值溯源体系日益完善,天然气流量计量的准确度越来越受到企业和用户的关注[1]。目前广泛使用的超声波流量计属于速度式流量计,计量准确度受管内流场影响很大[2-4],对于实际的天然气计量现场,汇管作为一种常见的阻流件势必会影响到下游超声波流量计的计量的准确性,要想消除汇管对下游超声波流量计计量的影响,首要的问题就是从本质上了解汇管对流体流态的扰动情况,掌握汇管下游的流场分布,找到管路横截面上流场分布恢复到充分发展的湍流状态的位置,因为只有在这样的流动横截面上,超声波流量计才能确保计量的精度。

以往研究流场分布对计量影响的主要办法是实验,其时间长、成本高、重复性差、易受干扰,而且受客观实验条件的限制,一般无法实现对整个流动区域的测试,而测试也无法准确地给出流场的全三维流动的信息。此外,实验的天然气管路还受汇管管径、汇管进出口相对位置、管路壁面粗糙度、整流器、提供示踪粒子的喷嘴等诸多因素影响[5-6],单以实验的方法了解其实际的流动情况是远远不够的,同时,对于多因素综合影响的实验,一方面测量的精度难以保证,另一方面即使采用正交实验,也要进行变工况分析,实验周期会很长、成本也很高。因此,本课题主要采用数值模拟的方法对不同的管路结构在各种影响因素下的管内流场进行研究,辅以必要的实验测量,以期可以更加可靠、全面、深入地了解汇管、整流器等对流场的扰动情况,从而找到下游超声波流量计的安装位置条件,为现场超声波流量计的正确使用提供相应的理论依据和实践指导。

1 数学模型

1.1 基本方程和边界条件

目前研究的天然气管路内压力为900 kPa,温度为15℃,密度为6.40 kg/m3,流量在100～600 m3/s,流动可以简化近似为三维定常湍流,计算采用Reynolds平均N-S方程组和RNG湍流模型,这些方程组可以写成统一形式,即:

式中,等号左边为对流项,右边为扩散项和源项[7-9]。φ为通用变量,uj为速度分量,Γ为广义扩散系数。当φ分别为1,(u,v,w),k和ε,对应着连续方程、三个方向上的动量方程、湍流脉动动能方程和湍流能量耗散率方程。

以上基本利用CFD软件FLU EN T进行求解,为加快计算速度,选择SIM PLEC方法计算基本方程组,采用亚松弛计算离散后的大型线性方程组[10]。为提高基本方程组求解的稳定性和准确度,动量方程对流项离散采用QU ICK格式,k方程和ε方程对流项离散采用二阶迎风。

以上方程组求解时进口给定均匀来流条件;固壁处给定无滑移条件。k和ε进口由速度条件直接给定;固壁近壁点处的k和ε由标准壁面函数给定[9];其它边界采用Neumann条件[11]。

1.2 网格划分

计算管路的基本结构及相对位置尺寸如图1所示,汇管管径为309 mm,连接管道内径100 mm,管线中所用整流器为35孔的板式整流器,厚度为13 mm,坐标原点定义在汇管出口(图中x=0处)的中心。管路中的主要阻流件有汇管、整流器、喷嘴等,为进行实验研究,并将实验测量结果与数值模拟结果进行比较,管路中安装了一段透明段,便于LDV测速和流态观测。

作为对工业装置内部流场的数值模拟,这里对计算的结构不做任何简化,由于该管路结构复杂,很难生成全结构化的网格,实际计算时,整个管道、整流器和汇管均采用结构化网格,局部区域采用非结构化网格进行处理。

Fig.1 Structure diagram of the pipeline of natural gas图1 天然气管路结构示意图

2 结果与分析

为研究不同管路结构对下游超声波流量计计量准确性的影响,这里对四种不同的管路结构进行研究,分别是汇管进出口相对且有整流器、汇管进出口相对且无整流器、汇管进出口错开且有整流器和汇管进出口错开且无整流器,分别对其流场分布进行了数值模拟和透明段的实验测量。

2.1 LDV实验与模拟结果对比

为保证模拟与实验结果对比的可靠性,模拟采用与实验相同的流量,对比的横截面为透明管段的中间截面,图2为LDV实验与模拟结果的对比,图中横坐标为测点到管壁的距离,纵坐标为管路轴向速度大小。表1为LDV实验与模拟速度误差对比。

Fig.2 Comparison between LDV experiment and numerical simulation图2 LDV实验结果与模拟结果对比

从图2、表1可以看出,实验结果与模拟结果的一致性比较好,在靠近管壁处数值模拟计算与实验结果的偏差明显要大一些,且远大于管道中心处,这是因为实际管道壁面的粗糙度与计算采用的壁面粗糙度很难一致,且实际壁面粗糙度不可能完全均匀,此外,受LDV实验测量自身的影响,壁面附近的测量也容易产生更大的误差。但总的来说,实验结果与模拟结果均符合圆管湍流分布的规律,两者具有可比性,数值模拟具有可靠性,准确性也能在一定范围内得到保证。

表1 LDV实验与模拟速度误差对比Table 1 Deviation of the velocity comparison between LDV experiment and numerical simulation%

2.2 汇管和整流器对下游的扰动分析

旋涡角的大小变化也可以清楚地看出流动经过阻流件(汇管和整流器)时从均匀到不均匀,再恢复到均匀的变化过程和规律。表2为横截面上旋涡角度的变化。

表2 横截面上旋涡角度的变化Table 2 Range of vortex angle in the cross section

由表2旋涡角度的变化知,在汇管进出错开的管路结构的扰动情况明显强于汇管进出口相对管路。汇管进出口错开时管路内的天然气会因管路结构、速度等因素的变化产生回流,使天然气的扰动增强、分布不均匀,但经过整流器的整流后,流量计处的扰动已经将汇管的扰动几乎消除。由8倍管径处、喷嘴处、15倍管径处的旋涡角度的变化看出,喷嘴对天然气产生了一定的扰动,但影响范围在两倍管径以内,因此喷嘴的设置不会影响到下游透明管处的测量。

有整流器的管路结构在汇管出口至整流器入口段的旋涡角度变化明显小于无整流器管路结构,虽然在该管段上游天然气流经的管道结构完全一致,但由于整流器的阻塞作用,使汇管与整流器产生的扰动叠加,从而使无整流器安装条件比有整流器安装条件旋涡角度变化范围更大,扰动更强。

在无整流器的管路结构中,汇管进出口错开时超声波流量处的扰动仍较强,即该管路结构中的汇管对流量计的准确度会产生一定的影响;汇管进出口相对时汇管下游19倍管径处旋涡角度变化范围较上游明显变小,说明汇管对下游的扰动可控制在19倍管径内,即汇管相对且无整流器管路的流量计安装长度至少为19倍管径。在有整流器的管路结构中,经过整流器剧烈混合后的天然气在汇管进出口相对与错开两种管路的情况下流动10倍管径距离后恢复均匀,扰动明显减弱,即有整流器管路的流量计安装长度至少为10倍管径。

3 结束语

天然气流量计量的准确度受到多种因素的影响,其中管路对天然气的扰动较为明显,因此管路结构对天然气的扰动情况的分析对流量计量的可靠性和准确度都有重要的意义,数值模拟方法可有效提供LDV与PIV等实验测量无法得到的流动参数,但是同时受到计算机性能等因素的影响,模拟与实际的对比还有一定的误差,因此随着天然气的大量使用,提高流量计计量精度将成为重点研究课题。

[1］埃德加·鲍尔斯.21世纪天然气流量计量[J].天然气与石油,2000,3:60-64.

[2］吉艳霞,张丽华.浅谈提高气体流量计量精度的方法[J].石油工业技术监督,2010,2:57-59.

[3］张红兵,邓燕,郑云萍.影响天然气流量计量准确度的因素[J].测量与测试技术,2003,4:18-19.

[4］张树华.超声流量计在天然气计量系统应用中应注意的问题[J].计量技术,2006,1:60-63.

[5］Li Zhenlin,Zhang Yongxue.Numerical simulation of flow s in the measurement section of natural gas pipes[J].Petroleum science,2006,3(3):79-85.

[6］申振宏.智能旋进漩涡流量计计量误差分析[J].油气储运,2009,12:51-53.

[7］林建忠,阮晓东,陈邦国.流体力学[M].北京:清华大学出版社,2005.

[8］Wilcox D C.Turbulence Modeling for CFD.[M].2nd.La Canada,California:DCW Industries,1998.

[9］王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[10］陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001.

[11］李振林.整流器对天然气管道内计量段流动影响的数值模拟[J].石油化工高等学校学报,2008,21(1):78-81.

(Ed.:W YX,Z)

Research on the Performance Influence of the Flow Metering in the Natural Gas Pipeline With the Remit Pipe

ZHANG Yong-xue,SH IZhi-cheng,L IU Chang
(College of M achinery and Transportation Engineering,China University of Petroleum,Beijing102249,P.R.China)

The flow measurement of the natural gas directly influences the economic benefit,which includes development,operation,allotment and the utilization in the industry of the natural gas.Moreover the structure of the pipeline is the main factor for the accuracy of the flow metering.The research on the internal flow field of various kinds of pipe structure with the remit pipe,which were the different inflow s and whether equipped with the panel rectifier separately was done with the method of the numerical simulation and the experiment.The results show that the desire length to recover the full development turbulence section in the downstream of the remit pipe is most in the pipe structure with the stagger inlet-outlet and no rectifier.While that in the pipe structure with the opposite inlet-outlet and with a rectifier reaches the least.It can be go t that the most appropriate installation site of the flow meter and the design of the pipe structure of the natural gas from the research on the influence pattern of the gas flow field.

Natural gas measurement;Numerical simulation;Remit pipe;Panel rectifier;LDV experiment measure

.Tel.:+86-13466614405;e-mail:shizhicheng555@163.com

TE86

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.022

2010-12-23

张永学(1977-),男,甘肃靖远县,副教授。

国家自然科学基金青年基金资助(50809075);交叉学科北京市重点学科“低碳能源工程”资助。

1006-396X(2011)02-0083-04

Received23Decem ber2010;revised15M arch2011;accep ted22M arch2011