Kot pionirji vultrazvočni merilnik pretoka zemeljskega plinamerilni industriji smo v zadnjih 5 letih odkrili, da so z nenehnim širjenjem mestnih plinovodnih omrežij in nenehnim izboljševanjem zahtev za točnost merjenja plina tradicionalni mehanski plinomer postopoma izpostavili težave, kot so močna obraba, omejeno razmerje vrtenja in slaba prilagodljivost obratovalnim pogojem plina med dolgo-delovanjem. Te težave otežujejo izpolnjevanje sodobnih zahtev za merjenje plina glede visoke natančnosti, inteligence in dolge življenjske dobe. Ultrazvočni merilniki pretoka zemeljskega plina so zaradi svojih prednosti brez mehanskih gibljivih delov, velikega pretvornega razmerja, nizke izgube tlaka ter enostavne digitalizacije in komunikacije na daljavo postopoma postali pomembna izbira na področju merjenja pretoka plina. Bistveno je, da osebje za nabavo razume naslednjo vsebino, preden sprejme odločitve.
Raziskave porazdelitve hitrosti toka
Ker porazdelitev hitrosti pretoka tekočine znotraj cevovoda neposredno vpliva na pot širjenja ultrazvočnih signalov, bo ne-enakomerna porazdelitev hitrosti pretoka povzročila, da se ultrazvočni signali med širjenjem v cevovodu do različnih stopenj razpršijo in oslabijo, kar povzroči pojav, kot sta nizko razmerje med signalom-in-šumom prejetih odmevnih signalov in močno amplitudo oslabitev. Zato je zagotavljanje enakomerne porazdelitve hitrosti plinskega toka znotraj cevovoda predpogoj za doseganje zahtev glede točnosti meritevultrazvočni merilniki pretoka plina.
V normalnih okoliščinah lahko tok tekočine, na katerega vplivajo viskozne sile, povzroči dva osnovna režima toka (laminarni tok in turbulentni tok), ki sta povezana tudi z dejavniki, kot so režim toka in kinematična viskoznost tekočine, značilnosti tekočine in parametri cevovoda. Ta dva režima pretoka običajno razlikujemo po Reynoldsovem številu (Re).
Ko je Re manj kot ali enako 2300, je tekočina v stanju laminarnega toka. V tem času je vpliv viskozne sile na delce tekočine večji od vztrajnostne sile, tokovni režim je razmeroma stabilen brez turbulentnih pojavov, obstajajo pa samo aksialne komponente hitrosti. Porazdelitev hitrosti je enakomerna in ima parabolično obliko. Hitrost toka je manjša v bližini okrogle stene cevi in se postopoma povečuje proti sredini cevovoda, pri čemer je profil hitrosti prikazan na sliki 3.29.
Hitrost pretoka na vsaki točki v krožni cevi je povezana samo z razdaljo r od te točke do osi cevovoda, njen zakon porazdelitve hitrosti pa je mogoče izraziti kot:
Kjer je: vr hitrost toka na razdalji r od osi cevovoda; v_m je hitrost pretoka na osi cevovoda, ki je največja hitrost pretoka po celotnem-prerezu; R je polmer cevovoda.
Razmerje med črto-povprečno hitrostjo in območno-povprečno hitrostjo je mogoče izraziti z uporabo vm kot:
S hkratnim reševanjem enačb (3.16) in (3.17) lahko dobimo Reynoldsov korekcijski koeficient in ga izrazimo kot:
Ko je Re večje ali enako 4000, je tekočina v turbulentnem stanju. V tem času je vpliv vztrajnostne sile na delce tekočine pomembnejši, režim toka je razmeroma kaotičen, aksialna in vzdolžna komponenta hitrosti obstajata hkrati, porazdelitev hitrosti je ne-enakomerna, turbulentni upor se poveča, profil hitrosti pa je prikazan na sliki 3.30.
Ker procesu širjenja turbulentnega toka manjka ustrezna teorija in posebne analitične metode, inženirji za nadaljnji napredek raziskav običajno uporabljajo potenčne vrste za približno izračunavanje porazdelitve hitrosti v krožnih ceveh v turbulentnih pogojih, kar je mogoče izraziti kot:
Kjer: vrednost n je povezana s hrapavostjo površine cevovoda in Reynoldsovim številom. V idealnih pogojih, kjer je notranja stena cevovoda gladka, lahko razmerje med n in Re izrazimo s Prandtlovo formulo kot:
Ko je znano Reynoldsovo število, je mogoče izračunati vrednost n in tako določiti turbulentno krivuljo porazdelitve hitrosti, prikazano na sliki 3.30. Razmerje med črto-povprečno hitrostjo in površinsko-povprečno hitrostjo je mogoče izraziti z uporabo v_m kot:
S hkratnim reševanjem enačb (3.21) in (3.22) lahko dobimo razmerje med Reynoldsovim korekcijskim koeficientom in n kot:
V popolnoma razvitem turbulentnem cevovodu se razmerje med Reynoldsovim korekcijskim koeficientom in Re lahko izrazi kot:
Praktični inženirski vidiki
Vse zgornje formule temeljijo na razpravah, izvedenih v pogojih brez drugih motečih dejavnikov in zadostnih ravnih dolžinah cevi pred in za merilnim cevovodom. Vendar pa bodo v dejanskih inženirskih aplikacijah dejavniki, kot so način namestitve pretvornika, ventili navzgor in zavoji pred in za merilnim cevovodom, povzročili odstopanja v notranji porazdelitvi hitrosti pretoka, zaradi česar je težko uporabiti v dejanskih merilnih procesih. Zato so raziskave enakomerne porazdelitve hitrosti toka znotraj pretočnega kanala izjemno pomembne.
Strukturna zasnova ultrazvočnega merilnika pretoka zemeljskega plina
Ultrazvočni merilnik pretoka zemeljskega plina je naprava, ki uporablja ultrazvočno tehnologijo za merjenje pretoka plina. Njegova strukturna zasnova in raziskave simulacije vključujejo več vidikov, kot so zasnova senzorjev, dinamika tekočin in akustično širjenje. Popolnultrazvočni merilnik pretoka plinavključuje pretočne kanale, pretvornike in merilna vezja. Ta sistem izvaja načrtovanje merilnega vezja in programa na podlagi obstoječih pretočnih kanalov in pretvornikov.
Oblikovanje in namestitev pretvornika
Ultrazvočni merilniki pretoka zemeljskega plina imajo običajno dva pretvornika: oddajnik in sprejemnik. Zasnova vključuje frekvenco, moč in območje delovne temperature pretvornika za prilagajanje različnim značilnostim plina. Položaj namestitve pretvornikov pomembno vpliva na rezultate meritev. Običajno morajo biti oddajniki in sprejemniki simetrično razporejeni na različnih mestih na cevovodu, da se zagotovi čim bolj enakomerna pot širjenja ultrazvočnih signalov.
Oblikovanje kanala za tekočino
Pri načrtovanju kanala za tekočino v plinomeru je treba poznati notranji premer cevovoda, ki ustreza območju pretoka plina. Notranja površina cevovoda mora biti gladka, da se zmanjša motnja pretoka tekočine. Prav tako je treba oblikovati naprave za regulacijo pretoka, ki zagotavljajo, da je hitrost tekočine znotraj merljivega območja, s čimer se izognemo vplivu prehitre ali počasne hitrosti pretoka na merjenje.
Zunanje ohišje in pritrditev
Glede na zapletenost delovnega okolja se pri izbiri materialov zunanjega ohišja osredotočamo na izbiro korozijsko-odpornih in visoko-temperaturno-odpornih materialov, kot sta nerjaveče jeklo ali inženirska plastika, ki lahko učinkovito zaščitijo notranje elektronske komponente in pretvornike. Hkrati je treba oblikovati zanesljiv pritrdilni mehanizem, ki zagotavlja stabilnost plinomera pod visokim-tlačnim delovnim pogojem. Pritrdilna naprava mora upoštevati prostor namestitve in okoljske pogoje cevovoda.
Električna in signalna obdelava
Kar zadeva obdelavo električnih signalov in obdelavo signalov, je oblikovanje učinkovitega sistema električnih povezav enako ključno za zagotavljanje stabilnega prenosa in obdelave signalov, vključno s sprejemom, obdelavo in izračunom ultrazvočnih signalov. Za pretvorbo časovne razlike ultrazvočnega širjenja v podatke o pretoku je treba ustrezne algoritme oblikovati posebej.
Faktorji merilne natančnosti
Natančnost merjenja ultrazvočnih merilnikov pretoka zemeljskega plina je prav tako povezana z več dejavniki, kot so kakovost senzorja, temperatura okolja, hitrost pretoka plina, sestava plina in tlak. Med temi ima merilna natančnost ultrazvočnih merilnikov pretoka zemeljskega plina močno korelacijo s porazdelitvijo hitrosti pretoka, kar zahteva, da lahko porazdelitev tekočine v merilnem cevovodu ustrezno odraža hitrost pretoka po prečnem-prerezu pretočnega kanala.
Ključni vidiki oblikovanja
Poleg tega je treba pri konstrukcijski zasnovi pretočnih kanalov ultrazvočnega merilnika pretoka zemeljskega plina upoštevati naslednje dejavnike:
(1) Zmanjšanje amplitude ultrazvočnega signala v pretočnem kanalu med spremembami hitrosti pretoka; (2) Na ultrazvočne signale morajo čim bolj vplivati spremembe hitrosti pretoka tekočine, da se izboljša ločljivost meritev sistema; (3) Trenutna hitrost pretoka tekočine, ki teče skozi merilni cevovod, mora izpolnjevati merilne zahteve celotnega-razpona sistema.
Z združevanjem zgornjih dejavnikov je bil zasnovan model pretočnega kanala ultrazvočnega merilnika pretoka zemeljskega plina zasnovan in modeliran s programsko opremo SpaceClaim z modelom, prikazanim na sliki 3.31.
Slika 3.31
Zasnova pretočnega kanala plinomera je sestavljena iz dveh delov: del, ki se povezuje s plinovodom, ima okroglo cev z dimenzijami, ki so enake dimenzijam membranskih plinomerov. Ob upoštevanju odbojnega učinka ultrazvočnih signalov in izvajanja korekcije porazdelitve hitrosti pretoka ima del za merjenje hitrosti pretoka pravokotno strukturo pretočnega kanala s tremi lopaticami za ravnanje toka, nameščenimi znotraj. Ravnalne lopatice so koristne za enakomerno porazdelitev hitrosti pretoka tekočine. Hkrati zmanjšanje notranjega premera pravokotnega pretočnega kanala pomeni, da pod enakimi pogoji hitrosti vstopnega toka trenutna hitrost pretoka v pravokotnem pretočnem kanalu postane hitrejša, razlika v prehodnem času se poveča, kar lahko izboljša ločljivost merjenja pretoka ultrazvočnega merilnika pretoka zemeljskega plina. Kar zadeva način namestitve piezoelektričnih pretvornikov, je treba za zagotovitev točnosti meritev pri majhnih točkah pretoka ultrazvočnega merilnika pretoka zemeljskega plina podaljšati dolžino poti širjenja. Vendar pa bo povečanje dolžine poti povzročilo izgubo energije med širjenjem signala, kar zahteva ravnovesje med natančnostjo merjenja sistema in stopnjo slabljenja signala z dveh vidikov. Sprejeta je namestitvena struktura v obliki AV-, pri čemer sta pretvornika simetrična glede na vzdolžno središčnico lopatic za ravnanje.
Ustvarjanje mrež in kakovost
Pred izvedbo simulacije dinamike tekočin se na modelu pretočnega kanala ultrazvočnega merilnika pretoka zemeljskega plina izvedejo operacije predprocesiranja. Po končanem popravilu in poenostavitvi modela, da dobimo trdno snov, se notranja tekoča regija modela ekstrahira in mreža se razdeli. Kakovost delitve mreže neposredno določa zanesljivost in stabilnost nadaljnjih rezultatov simulacije. Vodotesen potek dela Fluent lahko uporabite za izvedbo zgornjega postopka, pri čemer nastavite obseg velikosti površinske mreže na 0,1-4 mm, z uporabo 2 slojev za polnjenje vrzeli, z uporabo zaznavanja bližine na trdnih mejah. Največja nagnjenost mrežnega očesa deljene površine je 0,69, kar kaže na dobro kakovost mrežnega očesa. Na tej osnovi se uporablja heksaedrsko-poliedrska prostorninska mreža polnila, območju tekočine se dodajo mejne plasti in končna ortogonalna kakovost volumske mreže doseže 0,15. V kombinaciji s poskusi neodvisnosti mrež je ugotovljeno, da je število mrež modela približno 1,2 milijona. Porazdelitev volumske mreže je prikazana na sliki 3.32.
Slika 3.32
