劉曉婧, 張進(jìn)明, 葛志松, 穆志君

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090;2.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院, 上海 201203)

實(shí)流檢定流量儀表是天然氣計(jì)量檢定的一種趨勢。國內(nèi)現(xiàn)有的天然氣實(shí)流標(biāo)定裝置有南京龍?zhí)秶沂吞烊粴獯罅髁坑?jì)量站,主要解決“西氣東輸”主管道高壓管線上天然氣流量計(jì)的標(biāo)定。隨著天然氣用量的增加,各地區(qū)門站下方中壓天然氣流量計(jì)涉及貿(mào)易結(jié)算,屬于強(qiáng)制檢定范疇,因此需要建立中壓天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定裝置,對城市管網(wǎng)所用中低壓等級流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定,保證流量計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性和有效性[1-7]。

由于實(shí)流標(biāo)定時對進(jìn)口氣源有要求,中壓天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定裝置適合建在地區(qū)門站處。但檢定用天然氣在門站經(jīng)過調(diào)壓后,其壓力、流速、溫度均會發(fā)生波動。JJG 1037—2008《渦輪流量計(jì)》和JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)》等檢定規(guī)程要求:計(jì)量檢定用天然氣組分要相對穩(wěn)定;無游離水或油等雜質(zhì);在每個流量點(diǎn)的每一次檢定過程中,檢定用天然氣的溫度變化應(yīng)不超過±0.5 ℃[8-11]。因此,在中壓天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定裝置前期設(shè)計(jì)中,需要對管道系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真,根據(jù)結(jié)果中燃?xì)鈪?shù)的波動,選擇檢定點(diǎn)保證壓力、流速、溫度的波動滿足控制指標(biāo)。本文以某待建中壓天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定方案為例,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),采用CFD軟件建立模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置求解器及邊界條件,并進(jìn)行仿真計(jì)算,根據(jù)結(jié)果分析選擇檢定點(diǎn)。

1 控制方程及幾何模型

燃?xì)庹{(diào)壓器及外接管道內(nèi)氣體流動的控制方程包括質(zhì)量方程、能量方程、動量方程和氣體狀態(tài)方程。對某高壓燃?xì)庹{(diào)壓器進(jìn)行模擬分析,調(diào)壓器的進(jìn)、出口口徑為DN50(公稱直徑為50 mm),進(jìn)、出口連接管管徑為DN100(公稱直徑為100 mm)。連接管用規(guī)格為DN100×DN50的同心異徑接頭變徑后,采用法蘭與調(diào)壓器連接,幾何模型如圖1所示。

圖1 調(diào)壓器幾何模型

2 網(wǎng)格模型

燃?xì)庹{(diào)壓器計(jì)算域及內(nèi)部網(wǎng)格劃分在ICEM軟件中完成。將高壓燃?xì)庹{(diào)壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,主要取流體通過的流道區(qū)域,忽略局部較為復(fù)雜但對計(jì)算結(jié)果影響不大的區(qū)域,進(jìn)口與出口管段分別取5倍和50倍管徑(5 m),采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,有利于提高計(jì)算精度,同時也更加節(jié)省計(jì)算資源。由于節(jié)流處流道具有典型的節(jié)流特征,采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,三維網(wǎng)格計(jì)算域如圖2所示。

圖2 調(diào)壓器網(wǎng)格模型

3 邊界條件

由于流體介質(zhì)工況壓力較高,前后壓差較大,所以必須按可壓縮流體計(jì)算。流體介質(zhì)采用甲烷理想氣體模型,參考壓力為1個大氣壓,在求解器中采用k-Epsilon模型、SIMPLE 算法和一階迎風(fēng)格式。在FLUENT 14.0 軟件里進(jìn)行并行運(yùn)算。

邊界條件的選取盡可能地以接近物理真實(shí)模型為原則,以左邊流道為壓力進(jìn)口邊界,右邊流道為壓力出口邊界,其余設(shè)置為壁面邊界,且不考慮流體介質(zhì)重力因素的影響。初始化的流場從入口段開始,采用高精度的有限體積法建立離散方程,耦合流場內(nèi)部壓力和速度分布。

4 仿真結(jié)果及分析

模擬以下3種調(diào)壓工況進(jìn)行仿真:

(1) 工況1 進(jìn)口壓力為6.4 MPa,出口壓力為3.2 MPa,進(jìn)口溫度為11.30 ℃(284.45 K);

(2) 工況2 進(jìn)口壓力為3.2 MPa,出口壓力為1.6 MPa,進(jìn)口溫度為-10.50 ℃(262.65 K);

(3) 工況3 進(jìn)口壓力為1.6 MPa,出口壓力為0.8 MPa,進(jìn)口溫度為-22.38 ℃(250.77 K)。

4.1 調(diào)壓器及外接管道內(nèi)鑒定用天然氣各參數(shù)分布

圖3,圖4,圖5分別為工況1,工況2,工況3下調(diào)壓器及外接管道內(nèi)鑒定用天然氣各參數(shù)分布。從各工況下壓力及流速分布可以看出,不同工況下調(diào)壓器及外接管道內(nèi)氣體流場十分相似,氣體在調(diào)壓器進(jìn)口直管處壓力和速度變化較為平緩,當(dāng)氣體流入閥口時,因節(jié)流作用導(dǎo)致氣體速度迅速增大,同時壓力迅速減小。

圖3 工況1下調(diào)壓器及外接管道內(nèi)鑒定用天然氣各參數(shù)分布

圖4 工況2下調(diào)壓器及外接管道內(nèi)鑒定用天然氣各參數(shù)分布

在調(diào)壓器出口處,由于出口壓力大于反壓,因此氣體會繼續(xù)膨脹,速度會進(jìn)一步增大,然后經(jīng)過一系列的膨脹、壓縮、再膨脹、再壓縮的周期性變化過程,能量逐漸衰減,最后與周圍氣體相混合達(dá)到平衡。在調(diào)壓器出口附近,由于存在逐漸衰減的周期性變化的膨脹波和壓縮波波系,因此氣流流速也存在增大、減小、再增大、再減小的周期性變化。

圖5 工況3下調(diào)壓器及外接管道內(nèi)鑒定用天然氣各參數(shù)分布

從各工況下溫度分布可以看出,不同工況下調(diào)壓器及外接管道內(nèi)氣體溫度變化規(guī)律較相似,氣體在調(diào)壓器進(jìn)口直管處溫度變化不大。當(dāng)氣體流入閥口時,因節(jié)流作用導(dǎo)致氣體壓力迅速減小、溫度急劇降低,氣體流過閥口后,溫度又會逐漸升高直至趨于某一穩(wěn)定值,密度也會逐漸上升但上升幅度不大,最后逐漸趨于某一穩(wěn)定值。氣體在后接管道出口附近溫度可基本趨于穩(wěn)定。

從各工況下調(diào)壓器及外接管道內(nèi)氣體流動湍動能分布可以看出,在調(diào)壓器進(jìn)口管道內(nèi)湍動能分布較均勻,氣體流過閥桿時湍流發(fā)展變化較大,在氣體流過閥桿邊緣瞬間時湍流發(fā)展變化最大(即流動湍動能變化最大)。這是氣體流過閥桿時流動變化劇烈的重要原因。

4.2 調(diào)壓器后接管道內(nèi)氣體流動狀態(tài)以及穩(wěn)定距離的分析

調(diào)壓器出口流量為8 500 m3/h時,對3種工況進(jìn)行了動態(tài)模擬,得到各工況下,氣體壓力p,流速v,溫度T的波動與管道長度x的關(guān)系示意如圖6,圖7,圖8所示。

由圖6,圖7,圖8可知,離調(diào)壓器出口較近距離處(1.5 m以內(nèi)),氣體壓力、流速和溫度波動均較大,氣體壓力和氣體溫度先急劇增加,再突然減小,再逐漸增大,氣體流速先迅速減小,再逐漸增大。在離調(diào)壓器出口較遠(yuǎn)距離處(2 m以上),管道內(nèi)氣體流速及壓力均趨于穩(wěn)定,因此氣體流量檢定點(diǎn)應(yīng)該在離調(diào)壓器出口2 m(20D,即20倍的管徑)以上的距離處。

圖6 調(diào)壓器后接管道內(nèi)氣體壓力與管道長度關(guān)系示意

圖7 調(diào)壓器后接管道內(nèi)氣體流速與管道長度關(guān)系示意

圖8 調(diào)壓器后接管道內(nèi)氣體溫度與管道長度關(guān)系示意

5 結(jié) 語

本文以某待建中壓天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定方案為例,對實(shí)流標(biāo)定系統(tǒng)中調(diào)壓后管段內(nèi)氣體流動參數(shù)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,調(diào)壓器出口2 m以上的距離處,管道內(nèi)檢定用氣體壓力、流速和溫度波動滿足檢定規(guī)程中的要求,可以保證在流量點(diǎn)的檢定過程中,檢定用天然氣的壓力變化不超過±0.5%,流速變化不超過±0.5%,溫度變化不超過±0.5 ℃,流動狀態(tài)穩(wěn)定。因此,在中壓天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定中,氣體流量檢定點(diǎn)應(yīng)選擇在至少離調(diào)壓器出口2 m(20D,即20倍的管徑)以上距離處才能保證計(jì)量準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳筱峰.城市天然氣廠站中調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力,2010,30(7):21-24.

[2] 劉曉婧,張進(jìn)明,江鯤,等.中壓天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定中氣體壓力、溫度的影響及控制方法[J].上海計(jì)量測試,2013(6):2-4.

[3] 李劍軍.天然氣高-中壓計(jì)量調(diào)壓站工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化[J].煤氣與熱力,2010,30(7):25-28.

[4] 黃和,徐剛,余漢成,等.國內(nèi)外天然氣流量計(jì)量檢測技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].天然氣與石油,2009(2):42-47.

[5] 袁獻(xiàn)忠,薛光,黃明軍,等.天然氣分輸站的計(jì)量調(diào)壓設(shè)計(jì)[J].油氣儲運(yùn),2011,30(7):528-529.

[6] 張愛軍,楊煥誠.天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)方案[J].企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化,2008(增刊3):11.

[7] BRüMMER A,EDLERHERR R,LENZ J.Experimental and theoretical investigation of thermoacoustic oscillations in natural gas metering stations[J].Flow Measurement & Instrumentation,2012,25(3):69-77.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求:GB/T 18603—2014[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[9] 趙磊,于立新,李恩娟.門站調(diào)壓系統(tǒng)的影響因素分析[J].城市燃?xì)?2011(2):21-24.

[10] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程:JJG 1037—2008[S/OL].[2018-04-13].http://www.doc88.com/p-2905310715201.html.

[11] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.超聲流量計(jì)檢定規(guī)程:JJG/030—2007[S/OL].[2018-04-13].http://www.docin.com/p-1148097610.html.