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天然氣大流量計量裝置管路流場對檢定的影響分析

發布時間:2019-10-21  發布作者:

摘 要:在國家天然氣計量站大流量檢定系統的應用過程中,由于工作需開啟不同的檢定管路,所實施的核查級標準表和被檢工作表具有多樣化的組合方式,且工作流量較大,其檢定結果準確度非常易受介質流場不穩定性的影響。為此,基于典型大流量檢定裝置的流程模型,通過采用 FLUENT 模擬不同檢定口徑在不同流量點下的不同工作組合模式,計算得到不同管路工作條件下的天然氣體積流量測定誤差值。研究分析結果表明:計量站的標準表不同組合方式工作條件對檢定工作質量具有不同的影響,工作管路的口徑越大而造成的介質流動不穩定性產生的檢定結果準確度影響越明顯,通過改善檢定系統中標準表與檢測表的管容和增大進、入口管路的間距可降低檢定誤差,從而一定程度地消除介質流動狀態帶給計量檢定的影響,有效提高天然氣計量檢測的量傳水平。
0 引言
為保證天然氣貿易結算的公平公正,需對廣泛應用于各計量站的天然氣流量計實施強制檢定,檢定系統的準確度和可靠性是影響計量檢定結果的重要影響因素,也是保證公平貿易的重要保障。一般而言,在國家天然氣流量計量站的大流量檢定裝置中,由于檢定管路的口徑大和工作流量大,這就要求管內天然氣應獲得一個充分發展的軸對稱的速度分布,以避免局部流動的不穩定性對檢定結果造成一定的誤差影響。[1 -2] 因此,探索分析檢定管路流場對檢定結論準確度的影響,確定標準表與檢測表間的間距和合適的管容條件,對提高計量檢定工作質量有著十分重要的作用。
1 大流量檢定系統流程簡化模型
國家石油天然氣大流量計量站武漢分站是中國石化依托川氣東送管道建設的國際先進水平的天然氣流量計量高壓實流檢定站,能夠對 DN500mm 及以下的天然氣流量計實施校準或檢定。該站使用的檢定系統基于標準表法原理,采用小流量檢定系統,大流量檢定系統及檢定臺位分區域組合成而。如圖1 所示,大流量檢定系統設置 6 組由 1 臺標準渦輪流量計和 1 臺核查超聲流量計串聯組配的標準表管路(DN200mm)、5 組檢定臺位(分別為 DN150mm、DN200mm、DN250mm、DN300mm 和 DN400mm)和 1組移動式標準裝置檢定接口(DN300mm)。通常,大流量檢定裝置需根據檢定要求打開流量計檢定管路、核查級標準表和工作級標準組合表來開展檢定工作,其檢定流量計管徑范圍(DN150 ~DN400)mm,壓力等級 4. 0MPa、6. 3MPa、10. 0MPa,流量范圍(25 ~9600)m 2 /h。[1,3 -4]
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為了便于模擬天然氣在管道內的流場狀況,簡化大流量檢定裝置流程模型如圖 2 所示。模型左端連接標準表,是為介質入口側;模型右端連接被檢表,是為介質出口側。在實際的檢定工作過程中,根據被檢表各檢定點的流量值實施核查級標準流量計的多種組合使用。[5 -8] 因此,本文以幾種較為典型的組合開展分析,總結標準表與被檢表間的距離確定和檢定結果準確度影響規律。
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2 模擬單根管路的檢定結果準確度影響
2. 1 構建網格模型
采用 FLUENT 模擬計算 DN400 管路在 4MPa、20℃、檢定點流量 1000m 3 /h 時的管內天然氣流場狀況。如圖 3 所示,在 GAMBIT 建立三種不同管路條件模型并劃分網格,即分別模擬單根入口管和出口管距離很近、較近和較遠的不同情況。模型中 y軸擬合匯管軸向,D 匯 =0. 6m、L 匯 =7m;x - 軸擬合入口管軸向,D 入 =0. 2m、L 入 =3m;x + 軸擬合出口管軸向,D 出 =0. 4m、L 出 =10m。
2. 2 計算結果分析
根據武漢分站天然氣的基礎物性,在 FLUENT中創建流體材料,經計算得到流動穩定后的管內天然氣流速分布如圖 4 所示。通過觀察出口管路分別在 2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m 和 10m 處的截面流速分布,并計算三種組合類型在相應截面上的體積流量大小,如圖 5 所示。對比入口流量,可清楚的知道各截面上流量值發生了波動,這是由于天然氣在管道內流場穩定性發生變化而產生的影響。因此,要較大程度地消除天然氣流場不穩定性對檢定結果準確度的影響就需設置合理的標準表與被檢表間的距離。根據本文的模擬結果可知:對模型 1 的管路情況,將被檢表設置在4m 處誤差較小;對模型 2 的管路情況,將被檢表設置在 6m 處誤差較小;對模型 3 的管路情況,將被檢表設置在 2m 處誤差較小。
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3 模擬組合管路的檢定結果準確度影響
3. 1 構建網格模型
采用 FLUENT 模擬計算 DN250 管路在 6MPa、20℃、檢定點流量 2000m 3 /h 時,三根入口管組合情況下的的管內天然氣流場狀況。同理,在 GAMBIT中建立模型并劃分網格,如圖 6 所示。
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3. 2 計算結果分析
同樣根據武漢分站天然氣的基礎物性,在 FLU-ENT 中計算得到流動穩定后的出口管內天然氣在2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m 和 10m 處的流速分布如圖 7 所示。
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由圖 7 可以看出,出口管道內天然氣流動狀況在截面 4m 處趨于基本穩定,5m 后的天然氣的流動狀態變化已然非常的微小。如圖 8 所示,分別計算各截面的體積流量,并與入口流量對比發現被檢表設置 2m 處誤差較小。通過天然氣流場穩定性與截面流量的影響關系可知,設置合理的檢定設備位置,以保證介質流動穩定性可有效的提高檢定結果準確度。
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4 結論
在實際的流量檢定工作中,核查級標準流量計和被檢流量計可有多種的組合方式,要較大程度地消除天然氣的流動狀態帶給計量檢定的影響,必須要確定標準表與檢測表間的合適間距和管容。通過對天然氣流量計量站的大流量檢定臺上不同口徑在不同流量點下的不同工作組合模式進行流場模擬分析,計算得出不同管容截面上的體積流量和將產生的計量誤差。
(1)對比模擬被檢流量計口徑分別在 DN400mm與 DN250mm 時的檢定結果準確度,DN400mm 時的檢定誤差較大近乎 3%,可見大口徑的流量計檢定工作質量受介質流場穩定性的影響更為明顯。
(2)對比模擬單根入口管和三根入口管組合情況下的管內天然氣流場變化對檢定結果準確度的影響,可知標準表的不同組合方式造成的影響程度并不相同。
(3)對比模擬較大被檢流量計口徑(DN400mm)條件,在入口管分別位于匯管不同位置時的較小誤差截面位置在 4m、6m 和 2m 處,可知適當減小兩表管容,增大入口管路和出口管路之間的水平距離可有效的降低檢定誤差。

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