摘要:
渦輪流量計在油氣管道運輸、貿易計量中運用相當廣泛，在很多工況下無(wú)可避免會(huì )產(chǎn)生脈動(dòng)流，對渦輪流量計的正常工作造成嚴重影響。脈動(dòng)流對渦輪流量計的影響情況和尋求補償關(guān)鍵特征，以DN50渦輪流量計為對象，通過(guò)數值模擬，兩種波形(正弦波、方波)、多個(gè)頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個(gè)相對振幅(5%、10%、25%、35%)的脈動(dòng)流下渦輪流量計的動(dòng)態(tài)特性。發(fā)現:在頻率和相對振幅相同的情況下，波形對脈動(dòng)流產(chǎn)生的正誤差大小不同。其中，方波脈動(dòng)流比正弦波對渦輪流量計的影響大。此外，相同頻率和振幅下，方波脈動(dòng)流比正弦波脈動(dòng)流的幅值比G大，且幅值比G與脈動(dòng)頻率均為負相關(guān)。最后利用傳遞函數討論了，入口流速與葉輪轉速的相位差與脈動(dòng)頻率呈正相關(guān)，脈動(dòng)頻率會(huì )致使測量結果滯后，產(chǎn)生測量誤差。
0引言
渦輪流量計在油氣管道運輸、貿易計量中發(fā)揮著(zhù)重要作用，也常被用作工作級標準表，因此對其性能和穩定性要求高，渦輪流量計需要定期在穩定流態(tài)中修正儀表系數K以保證精度。然而在天然氣管道運輸中，由于旋轉式或往復式壓氣機、鼓風(fēng)機、泵管道中流體的共振和流量控制設備的周期振蕩等，均可能導致非穩態(tài)流產(chǎn)生。GB/T21391-2022《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》中明確給出脈動(dòng)流是影響渦輪流量計測量準確度的因素之一。脈動(dòng)流作為一種典型的非穩態(tài)流，一旦形成就會(huì )在流體中傳播，會(huì )對渦輪流量計現場(chǎng)應用產(chǎn)生很大的測量誤差，從而產(chǎn)生供銷(xiāo)差叫，不利于正確測量。
對渦輪流量計的動(dòng)態(tài)響應展開(kāi)了分析研究，但大多數研究是以連續條件下的正弦脈動(dòng)流為分析基礎。但是生產(chǎn)實(shí)際現場(chǎng)，由于管道振動(dòng)、往復泵動(dòng)作、調節閥開(kāi)度變換或者人為干預下等，產(chǎn)生的脈動(dòng)流并不全是連續的正弦波脈動(dòng)流。為了進(jìn)一步討論脈動(dòng)流波形對渦輪流量計的性能影響，用CFD仿真研究不同波形脈動(dòng)流對渦輪流量計的影響情況。
1渦輪流量計數值仿真建模和模型驗證
1.1渦輪流量計仿真模型建立
采用1.5級DN50氣體渦輪流量計為研究對象，建立的內部結構仿真模型，渦輪流量計基本參數如表1所示。在仿真實(shí)驗中,按照標準安裝方式設置，前后直管段同軸設置,前直管段長(cháng)為10D，后直管段5D。
抽取管道流場(chǎng)，劃分網(wǎng)格，葉輪周?chē)牧鲌?chǎng)如圖1所示。前后直管段的網(wǎng)格尺寸為2mm,葉輪周?chē)木W(wǎng)格尺寸為1mm，葉輪邊沿的網(wǎng)格尺寸為0.2mm，總共487471個(gè)單元，2616035個(gè)節點(diǎn)。
表1渦輪流量計結構參數
| 葉片個(gè)數 |
葉輪長(cháng)度mm |
葉片厚度mm |
輪轂半徑mm |
葉輪半徑mm |
前導長(cháng)度mm |
后導長(cháng)度mm |
8 |
12 |
0.6 |
13.5 |
23 |
77 |
53 |
1.2仿真邊界條件設置
入口采用速度入口條件(Velocity-inlet)，出口采用壓力出口條件(Pressure-outlet)，湍流模型選擇Realizablek-ε模型，流體介質(zhì)設置為空氣，葉輪為鋁質(zhì)材質(zhì)，轉動(dòng)慣量為1.25X10-6kg.m',選擇渦輪流量計的分界流量點(diǎn)進(jìn)行數值仿真。入口速度由UDF給出，出口壓力為0.5MPa,運動(dòng)模型采用6DOF模型。
1.3仿真實(shí)驗設置脈動(dòng)流參數設置
設置渦輪流量計平均入口流速為2.83m/s。不同波形的脈動(dòng)流對應的入口速度表達式分別如下:
V1=2.83+αsin(2πƒt)(1)
V2=2.83+α(-1)2m](2ƒt)（2）
式中，V1、V2一分別為正弦波、方波的速度入口的瞬時(shí)速度，m/s;[]一表示向下取整函數，或稱(chēng)為高斯函數;α一脈動(dòng)流振幅;ƒ一脈動(dòng)流頻率。
在脈動(dòng)流影響研究的仿真實(shí)驗中，脈動(dòng)流的振幅頻率參數如表2所示。
2穩態(tài)響應分析
2.1儀表系數及其誤差分析
導出各工況仿真葉輪穩定轉速，取轉速平均值計算儀表系數K,與給定的儀表系數K0(42.9)對比，計算K值相對誤差，結果如表3所示。儀表系數的相對誤差隨頻率變化曲線(xiàn)如表3所示。
分析表3可知:(1)脈動(dòng)流均會(huì )引起葉輪轉速偏高;(2)在相同振幅下，方波、正弦脈動(dòng)流作用下，葉輪穩定轉速會(huì )隨著(zhù)頻率、振幅增加而增加;脈動(dòng)流作用下，葉輪穩定轉速會(huì )隨著(zhù)頻率、振幅增加而減小;(3)對比K值相對誤差時(shí)，方波脈動(dòng)流作用渦輪流量計產(chǎn)生始終是最大的，誤差高達19.58%;正弦脈動(dòng)流作用下，誤差最高為9.79%。脈動(dòng)流作用下，最大誤差為3.73%。
2.2幅值比G
為了分析渦輪流量計的響應(轉速變化)與脈動(dòng)流的幅值相對變化情況，引入幅值比G:
式中:wi為轉速穩定后葉輪轉速的幅值;Aq為入口流量的脈動(dòng)幅值。
分析幅值比G與脈動(dòng)流頻率的關(guān)系可知:(1)幅值比G與脈動(dòng)頻率振幅均為負相關(guān);(2)相同頻率和振幅下，方波的幅值比更大，說(shuō)明渦輪流量計對不同波形脈動(dòng)流的敏感度存在差異。
3動(dòng)態(tài)響應分析
3.1葉輪轉速響應曲線(xiàn)分析
葉輪轉速響應可以直觀(guān)地反映出每個(gè)工況的響應過(guò)程，分析可知:(1)定常流作用下的葉輪響應曲線(xiàn)，與方波、正弦波作用下的葉輪響應曲線(xiàn)相差較大;(2)相同頻率的不同波形脈動(dòng)流作用下，葉輪轉速響應與波形、振幅均相關(guān);(3)相同頻率和同波形的脈動(dòng)流，振幅與轉速響應正相關(guān)。
3.2傳遞函數分析
通過(guò)對渦輪流量計旋轉穩定后的增減流階躍響應進(jìn)行仿真，入口流量點(diǎn)為20m3/h，當葉輪轉速穩定后，分別設置增流、減流，增流和減流調整量相同，均為原流量的35%，得出渦輪流量計增減流的階躍響應曲線(xiàn)，將渦輪流量計看作一個(gè)帶延時(shí)的一階系統。
由響應曲線(xiàn)可以得出在增流減流中的傳遞函數，函數繪制BODE圖，如圖2所示。
在BODE圖上可以看出，同一臺渦輪流量計，在增流和減流時(shí)的特性是不一樣的:(1)增流響應比減流響應快，所以渦輪流量計在脈動(dòng)流作用下出現正誤差;(2)增流比減流作用強，在減流衰減更快;(3)在低頻率下，脈動(dòng)流誤差主要與脈動(dòng)振幅相關(guān);在高頻率下，脈動(dòng)流誤差還與相位差有關(guān)，相位差。
4結論
綜上所述，對DN50氣體渦輪流量計建立了仿真模型，展開(kāi)CFD仿真研究。根據仿真結果,從穩態(tài)響應和動(dòng)態(tài)響應兩方面進(jìn)行分析，得出以下結論:
(1)脈動(dòng)流影響下的渦輪流量計測量結果均會(huì )產(chǎn)生正誤差，但是不同波形的脈動(dòng)流產(chǎn)生的正誤差大小不同，源于葉輪在增流、減流時(shí)的特性差異，增流響應快，減流響應慢。
(2)脈動(dòng)流作用下，入口流速與葉輪轉速的相位差與脈動(dòng)頻率呈正相關(guān)，低頻脈動(dòng)流作用下應關(guān)注葉輪慣性和能量損耗而產(chǎn)生測量誤差，高頻脈動(dòng)流作用下應關(guān)注測量結果的滯后而產(chǎn)生測量誤差。
綜上所述，不同波形的脈動(dòng)流對渦輪流量計的特性影響有相似性，以正弦波脈動(dòng)流為基礎的渦輪流量計脈動(dòng)流補償研究是具有一定的普適性。但是如果要進(jìn)一步提高渦輪流量計的計量精度，改善渦輪流量計的脈動(dòng)流修正誤差，應該不僅僅關(guān)注脈動(dòng)流的頻率和振幅。
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