摘要:
渦輪流量計在油氣管道運輸、貿(mào)易計量中運用相當(dāng)廣泛，在很多工況下無可避免會產(chǎn)生脈動流，對渦輪流量計的正常工作造成嚴(yán)重影響。脈動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，通過數(shù)值模擬，兩種波形(正弦波、方波)、多個頻率(5Hz、10Hz、20Hz、30Hz)、多個相對振幅(5%、10%、25%、35%)的脈動流下渦輪流量計的動態(tài)特性。發(fā)現(xiàn):在頻率和相對振幅相同的情況下，波形對脈動流產(chǎn)生的正誤差大小不同。其中，方波脈動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，方波脈動流比正弦波脈動流的幅值比G大，且幅值比G與脈動頻率均為負(fù)相關(guān)。最后利用傳遞函數(shù)討論了，入口流速與葉輪轉(zhuǎn)速的相位差與脈動頻率呈正相關(guān)，脈動頻率會致使測量結(jié)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(mào)易計量中發(fā)揮著重要作用，也常被用作工作級標(biāo)準(zhǔn)表，因此對其性能和穩(wěn)定性要求高，渦輪流量計需要定期在穩(wěn)定流態(tài)中修正儀表系數(shù)K以保證精度。然而在天然氣管道運輸中，由于旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式壓氣機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵管道中流體的共振和流量控制設(shè)備的周期振蕩等，均可能導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)流產(chǎn)生。GB/T21391-2022《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》中明確給出脈動流是影響渦輪流量計測量準(zhǔn)確度的因素之一。脈動流作為一種典型的非穩(wěn)態(tài)流，一旦形成就會在流體中傳播，會對渦輪流量計現(xiàn)場應(yīng)用產(chǎn)生很大的測量誤差，從而產(chǎn)生供銷差叫，不利于正確測量。
對渦輪流量計的動態(tài)響應(yīng)展開了分析研究，但大多數(shù)研究是以連續(xù)條件下的正弦脈動流為分析基礎(chǔ)。但是生產(chǎn)實際現(xiàn)場，由于管道振動、往復(fù)泵動作、調(diào)節(jié)閥開度變換或者人為干預(yù)下等，產(chǎn)生的脈動流并不全是連續(xù)的正弦波脈動流。為了進(jìn)一步討論脈動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流對渦輪流量計的影響情況。
1渦輪流量計數(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真模型，渦輪流量計基本參數(shù)如表1所示。在仿真實驗中,按照標(biāo)準(zhǔn)安裝方式設(shè)置，前后直管段同軸設(shè)置,前直管段長為10D，后直管段5D。
抽取管道流場，劃分網(wǎng)格，葉輪周圍的流場如圖1所示。前后直管段的網(wǎng)格尺寸為2mm,葉輪周圍的網(wǎng)格尺寸為1mm，葉輪邊沿的網(wǎng)格尺寸為0.2mm，總共487471個單元，2616035個節(jié)點。
表1渦輪流量計結(jié)構(gòu)參數(shù)
| 葉片個數(shù) |
葉輪長度mm |
葉片厚度mm |
輪轂半徑mm |
葉輪半徑mm |
前導(dǎo)長度mm |
后導(dǎo)長度mm |
8 |
12 |
0.6 |
13.5 |
23 |
77 |
53 |
1.2仿真邊界條件設(shè)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(shè)置為空氣，葉輪為鋁質(zhì)材質(zhì)，轉(zhuǎn)動慣量為1.25X10-6kg.m',選擇渦輪流量計的分界流量點進(jìn)行數(shù)值仿真。入口速度由UDF給出，出口壓力為0.5MPa,運動模型采用6DOF模型。
1.3仿真實驗設(shè)置脈動流參數(shù)設(shè)置
設(shè)置渦輪流量計平均入口流速為2.83m/s。不同波形的脈動流對應(yīng)的入口速度表達(dá)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速度，m/s;[]一表示向下取整函數(shù)，或稱為高斯函數(shù);α一脈動流振幅;ƒ一脈動流頻率。
在脈動流影響研究的仿真實驗中，脈動流的振幅頻率參數(shù)如表2所示。
2穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析
2.1儀表系數(shù)及其誤差分析
導(dǎo)出各工況仿真葉輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，取轉(zhuǎn)速平均值計算儀表系數(shù)K,與給定的儀表系數(shù)K0(42.9)對比，計算K值相對誤差，結(jié)果如表3所示。儀表系數(shù)的相對誤差隨頻率變化曲線如表3所示。
分析表3可知:(1)脈動流均會引起葉輪轉(zhuǎn)速偏高;(2)在相同振幅下，方波、正弦脈動流作用下，葉輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速會隨著頻率、振幅增加而增加;脈動流作用下，葉輪穩(wěn)定轉(zhuǎn)速會隨著頻率、振幅增加而減小;(3)對比K值相對誤差時，方波脈動流作用渦輪流量計產(chǎn)生始終是最大的，誤差高達(dá)19.58%;正弦脈動流作用下，誤差最高為9.79%。脈動流作用下，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(yīng)(轉(zhuǎn)速變化)與脈動流的幅值相對變化情況，引入幅值比G:
式中:wi為轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后葉輪轉(zhuǎn)速的幅值;Aq為入口流量的脈動幅值。
分析幅值比G與脈動流頻率的關(guān)系可知:(1)幅值比G與脈動頻率振幅均為負(fù)相關(guān);(2)相同頻率和振幅下，方波的幅值比更大，說明渦輪流量計對不同波形脈動流的敏感度存在差異。
3動態(tài)響應(yīng)分析
3.1葉輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線分析
葉輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)可以直觀地反映出每個工況的響應(yīng)過程，分析可知:(1)定常流作用下的葉輪響應(yīng)曲線，與方波、正弦波作用下的葉輪響應(yīng)曲線相差較大;(2)相同頻率的不同波形脈動流作用下，葉輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)與波形、振幅均相關(guān);(3)相同頻率和同波形的脈動流，振幅與轉(zhuǎn)速響應(yīng)正相關(guān)。
3.2傳遞函數(shù)分析
通過對渦輪流量計旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后的增減流階躍響應(yīng)進(jìn)行仿真，入口流量點為20m3/h，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，分別設(shè)置增流、減流，增流和減流調(diào)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(yīng)曲線，將渦輪流量計看作一個帶延時的一階系統(tǒng)。
由響應(yīng)曲線可以得出在增流減流中的傳遞函數(shù)，函數(shù)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，在增流和減流時的特性是不一樣的:(1)增流響應(yīng)比減流響應(yīng)快，所以渦輪流量計在脈動流作用下出現(xiàn)正誤差;(2)增流比減流作用強(qiáng)，在減流衰減更快;(3)在低頻率下，脈動流誤差主要與脈動振幅相關(guān);在高頻率下，脈動流誤差還與相位差有關(guān)，相位差。
4結(jié)論
綜上所述，對DN50氣體渦輪流量計建立了仿真模型，展開CFD仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果,從穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)兩方面進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:
(1)脈動流影響下的渦輪流量計測量結(jié)果均會產(chǎn)生正誤差，但是不同波形的脈動流產(chǎn)生的正誤差大小不同，源于葉輪在增流、減流時的特性差異，增流響應(yīng)快，減流響應(yīng)慢。
(2)脈動流作用下，入口流速與葉輪轉(zhuǎn)速的相位差與脈動頻率呈正相關(guān)，低頻脈動流作用下應(yīng)關(guān)注葉輪慣性和能量損耗而產(chǎn)生測量誤差，高頻脈動流作用下應(yīng)關(guān)注測量結(jié)果的滯后而產(chǎn)生測量誤差。
綜上所述，不同波形的脈動流對渦輪流量計的特性影響有相似性，以正弦波脈動流為基礎(chǔ)的渦輪流量計脈動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流修正誤差，應(yīng)該不僅僅關(guān)注脈動流的頻率和振幅。
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