實流檢定流量儀表是天然氣計量檢定的一種趨勢。國內(nèi)現(xiàn)有的天然氣實流標(biāo)定裝置有南京龍?zhí)妒吞烊粴獯罅髁坑嬃空? 主要解決“西氣東輸”主管道高壓管線上天然氣流量計的標(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涉及貿(mào)易結(jié)算, 屬于強制檢定范疇, 因此需要建立中壓天然氣流量計實流標(biāo)定裝置, 對城市管網(wǎng)所用中低壓等級流量計進行標(biāo)定, 保證流量計的準(zhǔn)確性、可靠性和有效性[1-7]。

  由于實流標(biāo)定時對進口氣源有要求, 中壓天然氣流量計實流標(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》和JJG 1030—2007《超聲流量計》等檢定規(guī)程要求:計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實流標(biāo)定裝置前期設(shè)計中, 需要對管道系統(tǒng)進行動態(tài)仿真, 根據(jù)結(jié)果中燃氣參數(shù)的波動, 選擇檢定點保證壓力、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實流標(biāo)定方案為例, 根據(jù)設(shè)計參數(shù), 采用CFD軟件建立模型, 進行網(wǎng)格劃分, 設(shè)置求解器及邊界條件, 并進行仿真計算, 根據(jù)結(jié)果分析選擇檢定點。

  燃氣調(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。對某高壓燃氣調(diào)壓器進行模擬分析, 調(diào)壓器的進、出口口徑為DN50 (公稱直徑為50 mm) , 進、出口連接管管徑為DN100 (公稱直徑為100mm) 。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。

  燃氣調(diào)壓器計算域及內(nèi)部網(wǎng)格劃分在ICEM軟件中完成。將高壓燃氣調(diào)壓器結(jié)構(gòu)進行簡化, 主要取流體通過的流道區(qū)域, 忽略局部較為復(fù)雜但對計算結(jié)果影響不大的區(qū)域, 進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, 有利于提高計算精度, 同時也更加節(jié)省計算資源。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)格計算域如圖2所示。

  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軟件里進行并行運算。

  邊界條件的選取盡可能地以接近物理真實模型為原則, 以左邊流道為壓力進口邊界, 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。

模擬以下3種調(diào)壓工況進行仿真:

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

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

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

  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。

  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, ***后與周圍氣體相混合達到平衡。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。

  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, ***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***大 (即流動湍動能變化***大) 。這是氣體流過閥桿時流動變化劇烈的重要原因。

  調(diào)壓器出口流量為8 500 m3/h時, 對3種工況進行了動態(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。

  本文以某待建中壓天然氣流量計實流標(biāo)定方案為例, 對實流標(biāo)定系統(tǒng)中調(diào)壓后管段內(nèi)氣體流動參數(shù)進行了仿真分析。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實流標(biāo)定中, 氣體流量檢定點應(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量準(zhǔn)確性。