Ako priekopníci vultrazvukový prietokomer na zemný plynmeracieho priemyslu sme za posledných 5 rokov zistili, že s neustálym rozširovaním sietí mestských plynovodov a neustálym zlepšovaním požiadaviek na presnosť merania plynu, tradičné mechanické plynomery postupne odhaľovali problémy, ako je silné opotrebovanie, obmedzený prevodový pomer a slabá adaptabilita na prevádzkové podmienky plynu počas-dlhodobej prevádzky. Tieto problémy sťažujú splnenie požiadaviek moderného merania plynu na vysokú presnosť, inteligenciu a dlhú životnosť. Ultrazvukové prietokomery zemného plynu sa vďaka svojim výhodám, že nemajú žiadne mechanické pohyblivé časti, veľký prevodový pomer, nízke tlakové straty a jednoduchosť digitalizácie a diaľkovej komunikácie, postupne stali dôležitou voľbou v oblasti merania prietoku plynu. Pre pracovníkov obstarávania je nevyhnutné, aby pred prijatím rozhodnutí porozumeli nasledujúcemu obsahu.
Výskum distribúcie rýchlosti prúdenia
Keďže distribúcia rýchlosti prúdenia tekutiny vo vnútri potrubia priamo ovplyvňuje cestu šírenia ultrazvukových signálov, nerovnomerná distribúcia rýchlosti prúdenia spôsobí rozptýlenie a zoslabenie ultrazvukových signálov v rôznych stupňoch počas šírenia v potrubí, čo vedie k javom, ako je nízky pomer signálu-k{2}}šumu prijímaných signálov ozveny a silné amplitúdy. Preto je zabezpečenie rovnomernej distribúcie rýchlosti prúdenia plynu vo vnútri potrubia nevyhnutným predpokladom na dosiahnutie požiadaviek na presnosť meraniaultrazvukové prietokomery plynu.
Za normálnych okolností môže prúdenie tekutiny ovplyvnené viskóznymi silami produkovať dva základné režimy prúdenia (laminárne prúdenie a turbulentné prúdenie), ktoré tiež súvisia s faktormi, ako je režim prúdenia a kinematická viskozita tekutiny, charakteristiky tekutiny a parametre potrubia. Tieto dva režimy toku sa bežne rozlišujú podľa Reynoldsovho čísla (Re).
Keď je Re menšie alebo rovné 2300, tekutina je v stave laminárneho prúdenia. V tomto čase je vplyv viskóznej sily na častice tekutiny väčší ako zotrvačná sila, režim prúdenia je relatívne stabilný bez turbulentných javov, ale existujú iba zložky axiálnej rýchlosti. Rozloženie rýchlosti je rovnomerné a má parabolický tvar. Rýchlosť prúdenia je menšia v blízkosti kruhovej steny potrubia a postupne sa zvyšuje smerom k stredu potrubia, pričom profil rýchlosti je znázornený na obrázku 3.29.
Rýchlosť prúdenia v každom bode kruhového potrubia súvisí iba so vzdialenosťou r od tohto bodu k osi potrubia a jeho zákon rozloženia rýchlosti možno vyjadriť ako:
Kde: vr je rýchlosť prúdenia vo vzdialenosti r od osi potrubia; v_m je rýchlosť prúdenia na osi potrubia, čo je maximálna rýchlosť prúdenia cez celý prierez-; R je polomer potrubia.
Vzťah medzi-priemernou rýchlosťou vedenia a{1}}priemernou rýchlosťou plochy možno vyjadriť pomocou vm ako:
Súčasným riešením rovníc (3.16) a (3.17) možno získať Reynoldsov korekčný koeficient a vyjadriť ho ako:
Keď je Re väčšie alebo rovné 4000, tekutina je v turbulentnom stave. V tomto čase je výraznejší vplyv zotrvačnej sily na častice tekutiny, režim prúdenia je pomerne chaotický, axiálne a pozdĺžne zložky rýchlosti existujú súčasne, distribúcia rýchlosti je nerovnomerná, zvyšuje sa turbulentný odpor a rýchlostný profil je znázornený na obrázku 3.30.
Pretože procesu šírenia turbulentného prúdenia chýba relevantná teória a špecifické analytické metódy, na ďalší pokrok vo výskume inžinieri bežne používajú výkonové rady na približný výpočet distribúcie rýchlosti v kruhových potrubiach v turbulentných podmienkach, ktoré možno vyjadriť ako:
Kde: hodnota n súvisí s drsnosťou povrchu potrubia a Reynoldsovým číslom. Za ideálnych podmienok, keď je vnútorná stena potrubia hladká, možno vzťah medzi n a Re vyjadriť Prandtlovým vzorcom ako:
To znamená, že keď je známe Reynoldsovo číslo, môže sa vypočítať hodnota n, čím sa určí krivka rozloženia turbulentnej rýchlosti znázornená na obrázku 3.30. Vzťah medzi-priemernou rýchlosťou čiary a{2}}priemernou rýchlosťou plochy možno vyjadriť pomocou v_m ako:
Súčasným riešením rovníc (3.21) a (3.22) vzťah medzi Reynoldsovým korekčným koeficientom an možno získať ako:
V plne vyvinutom turbulentnom potrubí možno vzťah medzi Reynoldsovým korekčným koeficientom a Re vyjadriť ako:
Praktické technické úvahy
Všetky vyššie uvedené vzorce sú založené na diskusiách vedených za podmienok bez iných rušivých faktorov a dostatočne dlhých priamych dĺžok potrubia pred a za meracím potrubím. V skutočných inžinierskych aplikáciách však faktory, ako je spôsob inštalácie prevodníka, ventily proti prúdu a ohyby pred a za meracím potrubím, spôsobia odchýlky v rozdelení rýchlosti vnútorného toku, čo sťažuje aplikáciu v skutočných procesoch merania. Preto je mimoriadne dôležitý výskum rovnomernej distribúcie rýchlosti prúdenia vo vnútri prietokového kanála.
Konštrukčný dizajn ultrazvukového prietokomeru zemného plynu
Ultrazvukový prietokomer zemného plynu je zariadenie, ktoré využíva ultrazvukovú technológiu na meranie prietoku plynu. Jeho štrukturálny dizajn a simulačný výskum zahŕňa viacero aspektov, ako je návrh snímača, dynamika tekutín a šírenie zvuku. Kompletnéplynový ultrazvukový prietokomerzahŕňa prietokové kanály, prevodníky a meracie obvody. Tento systém vykonáva merací obvod a návrh programu na základe existujúcich prietokových kanálov a prevodníkov.
Návrh a inštalácia prevodníka
Ultrazvukové prietokomery zemného plynu majú zvyčajne dva prevodníky: vysielač a prijímač. Konštrukčné úvahy zahŕňajú frekvenciu, výkon a rozsah prevádzkových teplôt prevodníka, aby sa prispôsobili rôznym charakteristikám plynu. Inštalačná poloha prevodníkov má dôležitý vplyv na výsledky merania. Typicky by mali byť vysielače a prijímače symetricky usporiadané v rôznych polohách na potrubí, aby sa zabezpečilo, že dráha šírenia ultrazvukových signálov zostane čo najrovnomernejšia.
Dizajn fluidného kanála
Pri návrhu kvapalinového kanála plynomeru je potrebné poznať vnútorný priemer potrubia, aby zodpovedal rozsahu prietoku plynu. Vnútorný povrch potrubia by mal byť hladký, aby sa znížilo rušenie prúdenia tekutiny. Je tiež potrebné navrhnúť zariadenia na reguláciu prietoku, aby sa zabezpečilo, že rýchlosť tekutiny bude v merateľnom rozsahu, čím sa zabráni vplyvu príliš rýchlej alebo nízkej rýchlosti prúdenia na meranie.
Vonkajší obal a fixácia
Vzhľadom na zložitosť pracovného prostredia sa výber materiálov vonkajšieho krytu zameriava na výber materiálov odolných voči korózii-a vysokým{1}}teplotám-, ako je nehrdzavejúca oceľ alebo technické plasty, ktoré dokážu účinne chrániť vnútorné elektronické komponenty a prevodníky. Zároveň by mal byť navrhnutý spoľahlivý upevňovací mechanizmus, ktorý zabezpečí stabilitu plynomeru v pracovných podmienkach vysokého-tlaku. Upevňovacie zariadenie by malo zohľadňovať inštalačný priestor a podmienky prostredia potrubia.
Elektro a spracovanie signálu
Pokiaľ ide o elektrické spracovanie a spracovanie signálov, návrh efektívneho systému elektrického spojenia je rovnako dôležitý pre zabezpečenie stabilného prenosu a spracovania signálu, vrátane príjmu, spracovania a výpočtu ultrazvukových signálov. Aby sa časový rozdiel šírenia ultrazvuku previedol na údaje o prietoku, musia byť príslušné algoritmy navrhnuté samostatne.
Faktory presnosti merania
Presnosť merania ultrazvukových prietokomerov zemného plynu súvisí aj s viacerými faktormi, ako je kvalita snímača, teplota okolia, rýchlosť prúdenia plynu, zloženie plynu a tlak. Spomedzi nich má presnosť merania ultrazvukových prietokomerov zemného plynu silnú koreláciu s distribúciou rýchlosti prúdenia, čo si vyžaduje, aby distribúcia tekutiny v meracom potrubí mohla primerane odrážať rýchlosť prúdenia v priereze prietokového kanála-.
Kľúčové aspekty dizajnu
Okrem toho by sa pri konštrukčnom návrhu prietokových kanálov ultrazvukového prietokomeru zemného plynu mali zvážiť tieto faktory:
(1) zoslabenie amplitúdy ultrazvukového signálu v prietokovom kanáli počas zmien rýchlosti prúdenia; (2) Ultrazvukové signály by mali byť čo najvýraznejšie ovplyvnené zmenami rýchlosti prúdenia tekutiny, aby sa zlepšilo rozlíšenie merania systému; (3) Okamžitá rýchlosť prúdenia tekutiny prechádzajúcej meracím potrubím musí spĺňať požiadavky na meranie v plnom rozsahu-systému.
Kombináciou vyššie uvedených faktorov bol navrhnutý model prietokového kanála ultrazvukového prietokomeru zemného plynu navrhnutý a modelovaný pomocou softvéru SpaceClaim s modelom znázorneným na obrázku 3.31.
Obrázok 3.31
Konštrukcia prietokového kanála plynomeru pozostáva z dvoch častí: časť pripájajúca sa k plynovodu má kruhové potrubie s rozmermi zhodnými s membránovými plynomermi. Vzhľadom na odrazový efekt ultrazvukových signálov a implementáciu korekcie distribúcie rýchlosti prúdenia, časť merania rýchlosti prúdenia využíva obdĺžnikovú štruktúru prietokového kanála s tromi lopatkami na vyrovnávanie prúdenia inštalovanými vo vnútri. Vyrovnávacie lopatky sú prospešné pre rovnomerné rozloženie rýchlosti prúdenia tekutiny. Zmenšenie vnútorného priemeru pravouhlého prietokového kanála zároveň znamená, že za rovnakých podmienok vstupnej rýchlosti prietoku sa okamžitá rýchlosť prietoku v pravouhlom prietokovom kanáli zrýchli, zvýši sa časový rozdiel prechodu, čo môže zlepšiť rozlíšenie merania prietoku ultrazvukového prietokomera zemného plynu. Pokiaľ ide o spôsob inštalácie piezoelektrických meničov, na zabezpečenie presnosti merania v malých prietokových bodoch ultrazvukového prietokomera zemného plynu je potrebné predĺžiť dĺžku dráhy šírenia. Nárast dĺžky cesty však spôsobí stratu energie počas šírenia signálu, čo si vyžaduje rovnováhu medzi presnosťou merania systému a stupňom útlmu signálu z dvoch hľadísk. Používa sa inštalačná štruktúra v tvare AV{6}}, pričom dva prevodníky sú symetrické okolo pozdĺžnej osi vyrovnávacích lopatiek.
Generovanie a kvalita siete
Pred vykonaním simulácie dynamiky tekutín sa vykonajú operácie predbežného spracovania na modeli prietokového kanála ultrazvukového prietokomeru zemného plynu. Po dokončení opravy a zjednodušenia modelu na získanie pevnej látky sa vnútorná tekutinová oblasť modelu extrahuje a sieť sa rozdelí. Kvalita rozdelenia siete priamo určuje spoľahlivosť a stabilitu následných výsledkov simulácie. Vodotesný pracovný postup Fluent je možné použiť na vykonanie vyššie uvedeného procesu, pričom sa nastaví rozsah veľkosti generovania povrchovej siete na 0,1-4 mm, pričom sa použijú 2 vrstvy vyplňujúce medzery, pričom sa na pevné hranice aplikuje detekcia blízkosti. Maximálna šikmosť sieťoviny s deleným povrchom je 0,69, čo naznačuje dobrú kvalitu sieťoviny. Na tomto základe sa používa hexaedrická-polyedrická objemová sieť, do oblasti tekutiny sa pridajú hraničné vrstvy a konečná ortogonálna kvalita objemovej siete dosiahne 0,15. V kombinácii s experimentmi nezávislosti ôk je počet ôk modelu určený na približne 1,2 milióna. Distribúcia objemovej siete je znázornená na obrázku 3.32.
Obrázok 3.32
