Als Pioniere in derUltraschall-Durchflussmesser für ErdgasIn der Messindustrie haben wir in den letzten fünf Jahren festgestellt, dass mit der kontinuierlichen Erweiterung städtischer Gasleitungsnetze und der kontinuierlichen Verbesserung der Anforderungen an die Genauigkeit der Gasmessung bei herkömmlichen mechanischen Gaszählern nach und nach Probleme wie starker Verschleiß, begrenztes Regelverhältnis und schlechte Anpassungsfähigkeit an die Gasbetriebsbedingungen während des Langzeitbetriebs auftraten. Diese Probleme machen es schwierig, die Anforderungen moderner Gasmessgeräte an hohe Präzision, Intelligenz und lange Lebensdauer zu erfüllen. Ultraschall-Erdgas-Durchflussmesser haben sich aufgrund ihrer Vorteile, keine mechanischen beweglichen Teile zu haben, einem großen Regelbereich, einem geringen Druckverlust und einer einfachen Digitalisierung und Fernkommunikation zu bieten, nach und nach zu einer wichtigen Wahl im Bereich der Gasdurchflussmessung entwickelt. Für das Beschaffungspersonal ist es wichtig, die folgenden Inhalte zu verstehen, bevor sie Entscheidungen treffen.
Forschung zur Strömungsgeschwindigkeitsverteilung
Da sich die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der Flüssigkeit innerhalb der Rohrleitung direkt auf den Ausbreitungsweg von Ultraschallsignalen auswirkt, führt eine ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung dazu, dass Ultraschallsignale während der Ausbreitung in der Rohrleitung unterschiedlich stark gestreut und gedämpft werden, was zu Phänomenen wie einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis der empfangenen Echosignale und einer starken Amplitudendämpfung führt. Daher ist die Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Rohrleitung eine Voraussetzung für das Erreichen der Messgenauigkeitsanforderungen vonUltraschall-Gasdurchflussmesser.
Unter normalen Umständen kann eine durch viskose Kräfte beeinflusste Flüssigkeitsströmung zwei grundlegende Strömungsregime erzeugen (laminare Strömung und turbulente Strömung), die auch mit Faktoren wie Strömungsregime und kinematischer Viskosität der Flüssigkeit, Flüssigkeitseigenschaften und Rohrleitungsparametern zusammenhängen. Diese beiden Strömungsregime werden üblicherweise durch die Reynolds-Zahl (Re) unterschieden.
Wenn Re kleiner oder gleich 2300 ist, befindet sich die Flüssigkeit in einem laminaren Strömungszustand. Zu diesem Zeitpunkt ist der Einfluss der viskosen Kraft auf die Flüssigkeitspartikel größer als der der Trägheitskraft, das Strömungssystem ist relativ stabil und weist keine turbulenten Phänomene auf, es existieren jedoch nur axiale Geschwindigkeitskomponenten. Die Geschwindigkeitsverteilung ist gleichmäßig und weist eine parabolische Form auf. Die Strömungsgeschwindigkeit ist in der Nähe der kreisförmigen Rohrwand kleiner und nimmt zur Mitte der Rohrleitung hin allmählich zu, wobei das Geschwindigkeitsprofil in Abbildung 3.29 dargestellt ist.
Die Strömungsgeschwindigkeit an jedem Punkt im kreisförmigen Rohr hängt nur vom Abstand r von diesem Punkt zur Rohrleitungsachse ab und ihr Geschwindigkeitsverteilungsgesetz kann wie folgt ausgedrückt werden:
Dabei ist: vr die Strömungsgeschwindigkeit im Abstand r von der Rohrleitungsachse; v_m ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Rohrleitungsachse, also die maximale Strömungsgeschwindigkeit über den gesamten Querschnitt; R ist der Rohrleitungsradius.
Die Beziehung zwischen der gemittelten Liniengeschwindigkeit und der gemittelten Flächengeschwindigkeit kann mit vm wie folgt ausgedrückt werden:
Durch gleichzeitiges Lösen der Gleichungen (3.16) und (3.17) kann der Reynolds-Korrekturkoeffizient ermittelt und wie folgt ausgedrückt werden:
Wenn Re größer oder gleich 4000 ist, befindet sich die Flüssigkeit in einem turbulenten Zustand. Zu diesem Zeitpunkt ist der Einfluss der Trägheitskraft auf Flüssigkeitspartikel signifikanter, das Strömungsregime ist relativ chaotisch, axiale und longitudinale Geschwindigkeitskomponenten existieren gleichzeitig, die Geschwindigkeitsverteilung ist ungleichmäßig, der turbulente Widerstand nimmt zu und das Geschwindigkeitsprofil ist in Abbildung 3.30 dargestellt.
Da es für den Ausbreitungsprozess einer turbulenten Strömung an relevanter Theorie und spezifischen Analysemethoden mangelt, verwenden Ingenieure zur weiteren Weiterentwicklung der Forschung üblicherweise Potenzreihen, um die Geschwindigkeitsverteilung in kreisförmigen Rohren unter turbulenten Bedingungen näherungsweise zu berechnen, die wie folgt ausgedrückt werden kann:
Wobei: Der Wert von n hängt mit der Rauheit der Rohrleitungsoberfläche und der Reynolds-Zahl zusammen. Unter idealen Bedingungen, bei denen die Innenwand der Rohrleitung glatt ist, kann die Beziehung zwischen n und Re durch die Formel von Prandtl wie folgt ausgedrückt werden:
Das heißt, wenn die Reynolds-Zahl bekannt ist, kann der Wert von n berechnet werden, wodurch die in Abbildung 3.30 dargestellte Kurve der turbulenten Geschwindigkeitsverteilung bestimmt wird. Die Beziehung zwischen der gemittelten Liniengeschwindigkeit und der gemittelten Flächengeschwindigkeit kann mit v_m wie folgt ausgedrückt werden:
Durch gleichzeitiges Lösen der Gleichungen (3.21) und (3.22) kann die Beziehung zwischen dem Reynolds-Korrekturkoeffizienten und n wie folgt ermittelt werden:
In einer voll entwickelten turbulenten Pipeline kann die Beziehung zwischen dem Reynolds-Korrekturkoeffizienten und Re wie folgt ausgedrückt werden:
Praktische technische Überlegungen
Die oben genannten Formeln basieren alle auf Diskussionen, die unter Bedingungen ohne weitere Störfaktoren und ausreichenden geraden Rohrlängen vor und nach der Messleitung durchgeführt wurden. In tatsächlichen technischen Anwendungen führen jedoch Faktoren wie die Installationsmethode des Wandlers, vorgeschaltete Ventile und Biegungen vor und nach der Messleitung zu Abweichungen in der internen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung, was die Anwendung in tatsächlichen Messprozessen erschwert. Daher ist die Erforschung einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung innerhalb des Strömungskanals äußerst wichtig.
Struktureller Entwurf des Ultraschall-Erdgas-Durchflussmessers
Ein Ultraschall-Erdgas-Durchflussmesser ist ein Gerät, das Ultraschalltechnologie zur Messung des Gasdurchflusses verwendet. Die Strukturdesign- und Simulationsforschung umfasst mehrere Aspekte, wie z. B. Sensordesign, Fluiddynamik und akustische Ausbreitung. Eine kompletteGas-Ultraschall-Durchflussmesserumfasst Strömungskanäle, Wandler und Messkreise. Dieses System führt den Entwurf von Messschaltungen und Programmen auf der Grundlage vorhandener Strömungskanäle und Wandler durch.
Wandlerdesign und Installation
Ultraschall-Durchflussmesser für Erdgas verfügen typischerweise über zwei Wandler: einen Sender und einen Empfänger. Zu den Designüberlegungen gehören die Frequenz, Leistung und der Betriebstemperaturbereich des Wandlers zur Anpassung an unterschiedliche Gaseigenschaften. Die Einbaulage von Aufnehmern hat einen wichtigen Einfluss auf die Messergebnisse. Typischerweise sollten Sender und Empfänger symmetrisch an verschiedenen Positionen der Rohrleitung angeordnet sein, um sicherzustellen, dass der Ausbreitungsweg der Ultraschallsignale möglichst gleichmäßig bleibt.
Design von Flüssigkeitskanälen
Bei der Auslegung des Flüssigkeitskanals des Gaszählers ist es notwendig, den Innendurchmesser der Rohrleitung zu kennen, um ihn an den Gasdurchflussbereich anzupassen. Die Innenfläche der Rohrleitung sollte glatt sein, um Störungen des Flüssigkeitsflusses zu reduzieren. Es ist auch notwendig, Durchflussregulierungsgeräte zu konstruieren, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeitsgeschwindigkeit innerhalb des messbaren Bereichs liegt und die Auswirkungen einer übermäßig schnellen oder langsamen Strömungsgeschwindigkeit auf die Messung vermieden werden.
Außengehäuse und Befestigung
Angesichts der Komplexität der Arbeitsumgebung konzentriert sich die Auswahl der Außengehäusematerialien auf die Auswahl korrosionsbeständiger und hochtemperaturbeständiger Materialien wie Edelstahl oder technische Kunststoffe, die interne elektronische Komponenten und Wandler wirksam schützen können. Gleichzeitig sollte ein zuverlässiger Befestigungsmechanismus entwickelt werden, um die Stabilität des Gaszählers unter Hochdruck-Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Die Befestigungsvorrichtung sollte den Installationsraum und die Umgebungsbedingungen der Rohrleitung berücksichtigen.
Elektro- und Signalverarbeitung
Im Hinblick auf die Elektro- und Signalverarbeitung ist die Gestaltung eines effizienten elektrischen Verbindungssystems gleichermaßen entscheidend für die Gewährleistung einer stabilen Signalübertragung und -verarbeitung, einschließlich des Empfangs, der Verarbeitung und der Berechnung von Ultraschallsignalen. Um die Ultraschalllaufzeitdifferenz in Strömungsdaten umzuwandeln, müssen entsprechende Algorithmen separat entworfen werden.
Faktoren der Messgenauigkeit
Die Messgenauigkeit von Ultraschall-Erdgas-Durchflussmessern hängt auch von mehreren Faktoren ab, wie z. B. der Sensorqualität, der Umgebungstemperatur, der Gasströmungsgeschwindigkeit, der Gaszusammensetzung und dem Druck. Unter diesen korreliert die Messgenauigkeit von Ultraschall-Erdgasdurchflussmessern stark mit der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung, was erfordert, dass die Flüssigkeitsverteilung in der Messleitung die Strömungsgeschwindigkeit über den Strömungskanalquerschnitt hinweg angemessen widerspiegeln kann.
Wichtige Designüberlegungen
Darüber hinaus sollten bei der strukturellen Gestaltung von Durchflusskanälen für Ultraschall-Erdgas-Durchflussmesser die folgenden Faktoren berücksichtigt werden:
(1) Dämpfung der Ultraschallsignalamplitude im Strömungskanal bei Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit; (2) Ultraschallsignale sollten so stark wie möglich durch Änderungen der Fluidströmungsgeschwindigkeit beeinflusst werden, um die Auflösung der Systemmessungen zu verbessern. (3) Die momentane Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, das durch die Messleitung fließt, muss den gesamten Messanforderungen des Systems genügen.
Durch Kombination der oben genannten Faktoren wurde das entworfene Strömungskanalmodell des Ultraschall-Erdgas-Durchflussmessers mit der SpaceClaim-Software entworfen und modelliert, wobei das Modell in Abbildung 3.31 dargestellt ist.
Abbildung 3.31
Das Design des Strömungskanals des Gaszählers besteht aus zwei Teilen: Der Teil, der mit der Gasleitung verbunden ist, besteht aus einem kreisförmigen Rohr, dessen Abmessungen mit denen von Membrangaszählern identisch sind. Unter Berücksichtigung des Reflexionseffekts von Ultraschallsignalen und der Implementierung der Korrektur der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung nimmt der Strömungsgeschwindigkeitsmessteil eine rechteckige Strömungskanalstruktur an, in der drei Strömungsrichtschaufeln installiert sind. Die Richtschaufeln tragen zur gleichmäßigen Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bei. Gleichzeitig führt die Verringerung des Innendurchmessers des rechteckigen Strömungskanals dazu, dass bei gleichen Bedingungen der Einlassströmungsgeschwindigkeit die momentane Strömungsgeschwindigkeit im rechteckigen Strömungskanal schneller wird und die Laufzeitdifferenz zunimmt, was die Durchflussmessauflösung des Ultraschall-Erdgas-Durchflussmessers verbessern kann. In Bezug auf die Installationsmethode piezoelektrischer Wandler muss die Ausbreitungsweglänge verlängert werden, um die Messgenauigkeit an kleinen Durchflusspunkten des Ultraschall-Erdgas-Durchflussmessers sicherzustellen. Allerdings führt die Vergrößerung der Pfadlänge zu Energieverlusten während der Signalausbreitung, was ein Gleichgewicht zwischen der Messgenauigkeit des Systems und dem Grad der Signaldämpfung unter zwei Aspekten erfordert. Es wird eine AV--förmige Installationsstruktur verwendet, wobei die beiden Wandler symmetrisch zur Längsmittellinie der Richtschaufeln angeordnet sind.
Netzgenerierung und -qualität
Vor der Durchführung der Fluiddynamiksimulation werden Vorverarbeitungsvorgänge am Strömungskanalmodell des Ultraschall-Erdgas-Durchflussmessers durchgeführt. Nach Abschluss der Modellreparatur und -vereinfachung zum Erhalt eines Volumenkörpers wird der interne Flüssigkeitsbereich des Modells extrahiert und das Netz geteilt. Die Qualität der Netzaufteilung bestimmt direkt die Zuverlässigkeit und Stabilität nachfolgender Simulationsergebnisse. Der wasserdichte Workflow von Fluent kann verwendet werden, um den oben genannten Prozess auszuführen. Dabei wird der Größenbereich für die Oberflächennetzgenerierung auf 0,1-4 mm festgelegt, zwei Lückenfüllschichten werden verwendet und die Näherungserkennung auf feste Grenzen angewendet. Die maximale Schiefe des geteilten Oberflächennetzes beträgt 0,69, was auf eine gute Netzqualität hinweist. Auf dieser Basis wird ein hexaedrisch-polyedrisches Füllvolumennetz verwendet, dem Fluidbereich werden Grenzschichten hinzugefügt und die endgültige orthogonale Qualität des Volumennetzes erreicht 0,15. In Kombination mit Experimenten zur Netzunabhängigkeit wird die Netzzahl des Modells auf etwa 1,2 Millionen geschätzt. Die Volumennetzverteilung ist in Abbildung 3.32 dargestellt.
Abbildung 3.32
