實流檢定流量儀表是天然氣計量檢定的一種趨勢。國內現有的天然氣實流標定裝置有南京龍潭石油天然氣大流量計量站, 主要解決“西氣東輸”主管道高壓管線上天然氣流量計的標定。隨著天然氣用量的增加, 各地區門站下方中壓天然氣流量計涉及貿易結算, 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定裝置, 對城市管網所用中低壓等級流量計進行標定, 保證流量計的準確性、可靠性和有效性[1-7]。

  由于實流標定時對進口氣源有要求, 中壓天然氣流量計實流標定裝置適合建在地區門站處。但檢定用天然氣在門站經過調壓后, 其壓力、流速、溫度均會發生波動。JJG 1037—2008《渦輪流量計》和JJG 1030—2007《超聲流量計》等檢定規程要求:計量檢定用天然氣組分要相對穩定;無游離水或油等雜質;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不超過±0.5℃[8-11]。因此, 在中壓天然氣流量計實流標定裝置前期設計中, 需要對管道系統進行動態仿真, 根據結果中燃氣參數的波動, 選擇檢定點保證壓力、流速、溫度的波動滿足控制指標。本文以某待建中壓天然氣流量計實流標定方案為例, 根據設計參數, 采用CFD軟件建立模型, 進行網格劃分, 設置求解器及邊界條件, 并進行仿真計算, 根據結果分析選擇檢定點。

  燃氣調壓器及外接管道內氣體流動的控制方程包括質量方程、能量方程、動量方程和氣體狀態方程。對某高壓燃氣調壓器進行模擬分析, 調壓器的進、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) 。連接管用規格為DN100×DN50的同心異徑接頭變徑后, 采用法蘭與調壓器連接, 幾何模型如圖1所示。

  燃氣調壓器計算域及內部網格劃分在ICEM軟件中完成。將高壓燃氣調壓器結構進行簡化, 主要取流體通過的流道區域, 忽略局部較為復雜但對計算結果影響不大的區域, 進口與出口管段分別取5倍和50倍管徑 (5 m) , 采用四邊形結構網格劃分, 有利于提高計算精度, 同時也更加節省計算資源。由于節流處流道具有典型的節流特征, 采用三角形非結構網格, 三維網格計算域如圖2所示。

  由于流體介質工況壓力較高, 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, 其余設置為壁面邊界, 且不考慮流體介質重力因素的影響。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, 耦合流場內部壓力和速度分布。

模擬以下3種調壓工況進行仿真:

(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下調壓器及外接管道內鑒定用天然氣各參數分布。從各工況下壓力及流速分布可以看出, 不同工況下調壓器及外接管道內氣體流場十分相似, 氣體在調壓器進口直管處壓力和速度變化較為平緩, 當氣體流入閥口時, 因節流作用導致氣體速度迅速增大, 同時壓力迅速減小。

  在調壓器出口處, 由于出口壓力大于反壓, 因此氣體會繼續膨脹, 速度會進一步增大, 然后經過一系列的膨脹、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, 不同工況下調壓器及外接管道內氣體溫度變化規律較相似, 氣體在調壓器進口直管處溫度變化不大。當氣體流入閥口時, 因節流作用導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, ***后逐漸趨于某一穩定值。氣體在后接管道出口附近溫度可基本趨于穩定。

  從各工況下調壓器及外接管道內氣體流動湍動能分布可以看出, 在調壓器進口管道內湍動能分布較均勻, 氣體流過閥桿時湍流發展變化較大, 在氣體流過閥桿邊緣瞬間時湍流發展變化***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。

  調壓器出口流量為8 500 m3/h時, 對3種工況進行了動態模擬, 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的關系示意如圖6, 圖7, 圖8所示。

  由圖6, 圖7, 圖8可知, 離調壓器出口較近距離處 (1.5 m以內) , 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。在離調壓器出口較遠距離處 (2 m以上) , 管道內氣體流速及壓力均趨于穩定, 因此氣體流量檢定點應該在離調壓器出口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定方案為例, 對實流標定系統中調壓后管段內氣體流動參數進行了仿真分析。仿真結果表明, 調壓器出口2 m以上的距離處, 管道內檢定用氣體壓力、流速和溫度波動滿足檢定規程中的要求, 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℃, 流動狀態穩定。因此, 在中壓天然氣流量計實流標定中, 氣體流量檢定點應選擇在至少離調壓器出口2 m (20D, 即20倍的管徑) 以上距離處才能保證計量準確性。