腐蝕性氣體流量計概述

腐蝕性氣體流量計概述--金湖天翔儀表有限公司  每件產(chǎn)品都是匠心之作！

在腐蝕性流量計的收集，處理，儲存，運輸和分配中，需要數(shù)百萬流量計。它不僅是天然氣供需貿(mào)易結(jié)算的基礎，也是生產(chǎn)部門天然氣效率的主要技術(shù)指標。因此，流量計對測量精度和可靠性要求很高。燃氣輪機流量計是速度流量計，是用于天然氣貿(mào)易計量的三大流量計之一。近年來，燃氣渦輪流量計由于其重復性好，測量范圍寬，適應性強，精度高，對流量變化的響應性，輸出脈沖信號，重復性好以及體積小等優(yōu)點而被廣泛應用于石油，化工和天然氣。其他領(lǐng)域已被廣泛使用。

   隨著腐蝕性氣體流量計在管道計量領(lǐng)域的廣泛使用，天然氣管道運輸過程中的能耗成為不容忽視的問題。天然氣管道輸送過程中的壓力損失是能耗的主要原因之一。為確保天然氣順利輸送到用戶端，有必要增加每個壓縮機站的壓力，并盡量減少管道運輸過程中的壓力損失。計量流量計在各級管道中造成的壓力損失占有很大的比例。因此，研究我國燃氣輪機流量計的節(jié)能減排壓力損失和推廣燃氣表行業(yè)的發(fā)展有很好的推動力。

   近年來，越來越多的學者采用數(shù)值模擬方法研究渦輪流量計。例如，XU，LIU等學者通過數(shù)值計算模擬了流量計的內(nèi)部流動，并將結(jié)果與實驗進行了比較，以驗證模擬結(jié)果的正確性。 。使用SA，標準k-ε，RNGk-ε，可實現(xiàn)k-ε和標準k-ω的五維湍流模型來進行渦輪流量計的三維數(shù)值模擬，并且通過應用湍流模型是實時流量校準值進行比較和分析。這為所選湍流模型的數(shù)值模擬計算提供了一定的參考。

   目前，渦輪流量計的優(yōu)化主要是通過改進流量導向器，葉輪，軸承和非磁性信號檢測器的結(jié)構(gòu)尺寸和加工過程來改進氣體，高粘度流體和小流量的流量計。特性。研究了降低渦輪流量傳感器粘度變化的靈敏度。孫等人。使用標準k-ε湍流模型來數(shù)值模擬孔徑為15mm的渦輪流量計的內(nèi)部流量。結(jié)果表明，壓力損失受前后端形狀，導流半徑和導流液的影響。導葉和葉片厚度的影響。雖然燃氣輪機流量計流量的實驗測量和數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，前偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)變化也對下列部件中的氣體流速梯度和壓力恢復有顯著影響?？倝毫p失進一步放大或縮小，但流量計的其他部件未被分析。本文將分析研究一種燃氣輪機流量計各部件的壓力損失與流量之間的關(guān)系，并提出其優(yōu)化思路。

1腐蝕性氣體流量計概述基本結(jié)構(gòu)和工作原理

   本文采用80mm燃氣輪機流量計傳輸物體，并對內(nèi)部流道的壓力損失進行了數(shù)值模擬。

   燃氣輪機流量計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。燃氣輪機流量計如圖2所示，其中圖2（a）是渦輪流量計的物理圖，圖2（b）是渦輪機的物理流程圖流量計核心葉輪。

燃氣輪機流量計結(jié)構(gòu)圖

渦輪流量計和葉輪物理圖

腐蝕性氣體渦輪流量計的原理是氣體流經(jīng)流量計以促進渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)。放置在流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)速度與流體的流速成比例，并且通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)速度來獲得流體的流速以獲得管。道路交通價值。渦輪流量計輸出脈沖頻率f與測得的體積流量qv成正比，即

公式（1）：k米儀表系數(shù)。

根據(jù)運動規(guī)律，葉輪的運動方程可寫為：

方程（2）：J-葉輪慣性;叔時間; ω-葉輪轉(zhuǎn)速; Tr推進扭矩;機械摩擦阻力矩; Trf流阻力矩; Tre-電磁阻力矩。

2計算模型

2.1數(shù)學模型

    渦輪流量計的數(shù)值模擬工作介質(zhì)為空氣，流體處于湍流狀態(tài)。數(shù)值模擬湍流模型采用Realizable K-ε模型。該模型適用于模擬旋轉(zhuǎn)流動，具有較強壓力梯度的邊界層流動和流動分離。二次流等，其模型方程表示為：

 - 平均流速;聲速; μ - 動力粘度系數(shù); υ - 運動粘度系數(shù); K - 湍動能; ε - 湍流耗散率; βT - 膨脹系數(shù); ωk - 角速度; - 平均旋轉(zhuǎn)速率張量;如果不考慮浮力，Gb = 0，如果流量不可壓縮，= 0，YM = 0。

2.2流體區(qū)域網(wǎng)格劃分

   Solidworks 3D設計軟件用于根據(jù)實際尺寸對渦輪流量計的組件進行建模和組裝，簡化對流體面積影響較小的部件，例如主軸，壓力接頭和注油孔。

   在核心部分執(zhí)行布爾運算以獲得純流體區(qū)域，然后將包絡添加到葉輪以形成旋轉(zhuǎn)區(qū)域。機芯運動前后加入直徑為15倍的直管段，確保進出口流程得到充分發(fā)展。湍流。

   總流體區(qū)域包括前部和后部直管部分，葉輪外殼以及運動部分的流體區(qū)域。使用Gambit軟件對三維模型進行網(wǎng)格劃分，優(yōu)化和簡化流體區(qū)域中難以網(wǎng)格化的部件（例如刻面和尖角），使用流體區(qū)域中的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格以及Impellers和其他流動條件進行部分加密在更復雜的區(qū)域，如圖3所示。圖3（a）顯示了運動中流體的網(wǎng)格面積，圖3（b）顯示了葉輪的網(wǎng)格。網(wǎng)格總數(shù)約為230萬。

渦輪流量計流體面積網(wǎng)格

2.3數(shù)值模擬條件設定

   在數(shù)值計算中，為了方便模擬結(jié)果和實驗結(jié)果相反，環(huán)境溫度，濕度和壓力設置與實驗條件相同。根據(jù)拉斯穆森計算程序擬合的簡化公式（5）和（6）計算流體介質(zhì)的空氣，空氣密度ρ和動力粘度η。 ：

等式（5）（6）：T-溫度; P-壓力; H-濕度。

   求解器使用分離，隱式和穩(wěn)態(tài)計算方法。湍流模型選擇Realizable k-ε湍流模型。壓力插值選擇體力加權(quán)格式。湍流動能，湍流耗散項和動量方程離散地采用二階迎風格式。與速度耦合使用SIMPLEC算法解決，其余設置使用Fluent默認值。

   計算區(qū)域使用管道入口處的速度入口邊界條件。速度方向垂直于入口直線段。出口邊界條件采用壓力出口。葉輪外殼設置為動態(tài)流動區(qū)域，其余為靜態(tài)流動區(qū)域。接口邊界條件用于傳輸接口。對于旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分之間的耦合，使用多參考坐標模型（MRF）。葉輪采用滑動邊界條件并相對于附近旋轉(zhuǎn)流體區(qū)速度為零。 通過使用FLUENT軟件中的TurboTology和Turbo Report功能來確定葉輪轉(zhuǎn)速，以不斷調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速并觀察葉輪轉(zhuǎn)速是否達到轉(zhuǎn)矩平衡。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

   在流量計流量范圍內(nèi)，選擇13m3 / h，25m3 / h，62.5m3 / h，100m3 / h，175m3 / h和250m3 / h的6個流量點進行相同工作環(huán)境的數(shù)值模擬，燃氣輪機流量計。內(nèi)部流場和壓力分布數(shù)據(jù)。入口的橫截面取自前部整流器的前部10mm，出口的橫截面在回流后取10mm。計算渦輪流量計入口和出口橫截面處的壓力差，即獲得流量計的壓力損失。

圖4顯示了流量和壓力損失之間的關(guān)系。圖中的實驗值是在操作條件下使用聲波噴嘴法氣體流量標準裝置測量的。

   根據(jù)圖4中壓力損失隨流量的變化趨勢，流量與壓力損失之間的關(guān)系可以擬合為二次多項式。它的表達是-

   這與流量計的壓力損失計算公式（8）的趨勢*，并且是二次函數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。據(jù)說氦氣流量計的內(nèi)部流場數(shù)值模擬方法和結(jié)果是可行和可行的。可靠。流量計壓力損失公式為

在等式（8）中：ΔP-壓力力量損失; α - 壓力損失系數(shù); υ - 管道的平均流量。

   以流量Q = 250m3 / h的數(shù)值模擬結(jié)果為例，分析了渦輪流量計的內(nèi)部流場和壓力場。圖5是渦輪流量計軸流段的靜壓分布圖。導流板前后的壓力場分布壓力更均勻，壓力梯度更小。運動殼體和葉輪支架的連接凸臺處的壓力增加，并且連接表面處的壓力逐漸減小。因此，流體流過葉輪支架導致壓力損失的主要原因是連接處有一個凸臺，導致流場變化較大，無法實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。建議將葉輪支架和機芯外殼之間的連接更改為圓形或流線型。

   觀察圖。如圖5和6所示，當流體從后部擴散器通過葉輪流出渦輪流量計時，在后部偏轉(zhuǎn)器凸臺和流量計處壓力梯度顯著變化，存在負壓區(qū)域并導致大的壓降插座速度變化很明顯。當氣流通過后擴散器時，流路突然膨脹，在后偏轉(zhuǎn)器后部形成清晰的低速渦流，從而形成渦流二次流。

   結(jié)合圖7和圖8的流量計軸向截面和出口截面的總壓力和速度分布，速度分布與壓力分布相似，并且流量計內(nèi)部速度在分布程度較均勻的區(qū)域，壓力梯度的變化也較小，即流道中速度的分布和變化與壓力損失的大小有關(guān)。從流量計軸向截面和出口截面的速度和壓力分布圖可以看出，流量計后部分流器產(chǎn)生的渦流二次流影響出口截面的速度和壓力分布。

   流量計各部分流量的壓力損失趨勢與流量計的總壓力損失隨流量的變化趨勢相同，擬合公式為不同系數(shù)的二次多項式。各部件的壓力損失和流量具有二次函數(shù)關(guān)系。隨著流量的增加，壓力損失顯著增加。

   查看圖10中每個部件的壓力損失百分比圖，可以看出前部整流器，前部偏轉(zhuǎn)器和運動殼體處的壓力損失非常小，并且葉輪支架處的壓力損失約為1 /總壓力損失4。前部整流器的壓力損失比在各個流動點處基本保持恒定，前部導流板和運動殼體處的壓力損失隨著流量增加而略微減小，并且葉輪支架處的壓力損失隨著流量增加。這一比例略有增加，但總體上不受流量影響。葉輪壓力損失從13m3 / h增加到250m3 / h，比例從15增加到15下降0.88％至8.71％是顯著的。后擋板處的壓力損失占總壓力損失的大部分，隨著流量從13m3 / h增加到250m3 / h，壓損比從43.77％增加到55.83％。增幅顯著。總之，后導流板，葉輪支架和葉輪是流經(jīng)渦輪流量計的流體的壓力損失的主要影響部件，其可以被優(yōu)化以降低渦輪流量計的總壓損。

4。結(jié)論

   本文采用Fluent軟件對直徑為80mm的腐蝕性氣體流量計的內(nèi)部流量計，壓力場和各部件進行數(shù)值模擬。得出以下結(jié)論：

1）渦流二次流是造成能源消耗的主要原因。因此，建議優(yōu)化渦輪流量計葉輪支架和后部導流板的幾何參數(shù)，并改變凸臺邊緣以減少流線。流道突然擴大的效果減小了后導流葉片的厚度并增加了其長度和數(shù)量，從而減弱了氣體的螺旋流動并削弱了渦流的二次流動，從而降低了流量計的壓力損失。

2）分析每個部件對壓力損失的影響。壓力損失和流量具有二次函數(shù)關(guān)系。后部分流器相對于其他部件是壓力損失的主要因素，約占總壓損的一半，隨著流量的增加，壓損與總壓損的比率增加了12.06％。 葉輪支撐的壓力損失約占總壓力損失的1/4，隨著流量的增加，壓力損失率基本保持不變。 隨著流量的增加，葉輪產(chǎn)生的壓力損失比例明顯降低。

數(shù)值模擬分析表明，速度的分布和變化與壓力損失有關(guān)。 通過優(yōu)化流量計中的速度分布可以減少流量損失。 渦輪流量計的后續(xù)優(yōu)化可以優(yōu)化流動通道中的速度分布。