Como pioneros en elmedidor de flujo ultrasónico para gas naturalEn la industria de medición, en los últimos cinco años hemos descubierto que con la expansión continua de las redes de gasoductos urbanos y la mejora continua de los requisitos de precisión de la medición de gas, los medidores de gas mecánicos tradicionales han expuesto gradualmente problemas como desgaste severo, índice de reducción limitado y poca adaptabilidad a las condiciones de operación del gas durante el funcionamiento a largo plazo-. Estos problemas dificultan el cumplimiento de los requisitos modernos de medición de gas en cuanto a alta precisión, inteligencia y larga vida útil. Los medidores ultrasónicos de flujo de gas natural, debido a sus ventajas de no tener partes mecánicas móviles, gran relación de reducción, baja pérdida de presión y facilidad de digitalización y comunicación remota, se han convertido gradualmente en una opción importante en el campo de la medición del flujo de gas. Es esencial que el personal de adquisiciones comprenda el siguiente contenido antes de tomar decisiones.
Investigación de distribución de velocidad de flujo
Dado que la distribución de la velocidad del flujo del fluido dentro de la tubería afecta directamente la ruta de propagación de las señales ultrasónicas, una distribución no-uniforme de la velocidad del flujo hará que las señales ultrasónicas se dispersen y atenúen en diversos grados durante la propagación en la tubería, lo que resultará en fenómenos como una baja relación señal-a-ruido de las señales de eco recibidas y una atenuación severa de la amplitud. Por lo tanto, garantizar una distribución uniforme de la velocidad del flujo de gas dentro de la tubería es un requisito previo para lograr los requisitos de precisión de medición demedidores de flujo de gas ultrasónicos.
En circunstancias normales, el flujo de fluido afectado por fuerzas viscosas puede producir dos regímenes de flujo básicos (flujo laminar y flujo turbulento), que también están relacionados con factores como el régimen de flujo y la viscosidad cinemática del fluido, las características del fluido y los parámetros de la tubería. Estos dos regímenes de flujo se distinguen comúnmente por el número de Reynolds (Re).
Cuando Re es menor o igual a 2300, el fluido se encuentra en un estado de flujo laminar. En este momento, la influencia de la fuerza viscosa sobre las partículas de fluido es mayor que la fuerza de inercia, el régimen de flujo es relativamente estable sin fenómenos turbulentos, pero solo existen componentes de velocidad axial. La distribución de velocidades es uniforme, presentando forma parabólica. La velocidad del flujo es menor cerca de la pared circular de la tubería y aumenta gradualmente hacia el centro de la tubería, con el perfil de velocidad que se muestra en la Figura 3.29.
La velocidad del flujo en cada punto de la tubería circular solo está relacionada con la distancia r desde ese punto al eje de la tubería, y su ley de distribución de velocidad se puede expresar como:
Donde: vr es la velocidad del flujo a una distancia r del eje de la tubería; v_m es la velocidad del flujo en el eje de la tubería, que es la velocidad máxima del flujo en toda la sección transversal-; R es el radio de la tubería.
La relación entre la línea-velocidad promedio y el área-velocidad promedio se puede expresar respectivamente usando vm como:
Resolviendo las ecuaciones (3.16) y (3.17) simultáneamente, el coeficiente de corrección de Reynolds se puede obtener y expresar como:
Cuando Re es mayor o igual a 4000, el fluido está en estado turbulento. En este momento, la influencia de la fuerza de inercia sobre las partículas de fluido es más significativa, el régimen de flujo es relativamente caótico, los componentes de velocidad axial y longitudinal existen simultáneamente, la distribución de velocidad no-uniforme, la resistencia turbulenta aumenta y el perfil de velocidad se muestra en la Figura 3.30.
Debido a que el proceso de propagación del flujo turbulento carece de teoría relevante y métodos analíticos específicos, para avanzar en la investigación, los ingenieros comúnmente usan series de potencias para calcular aproximadamente la distribución de velocidades en tuberías circulares en condiciones turbulentas, que se pueden expresar como:
Donde: el valor de n está relacionado con la rugosidad de la superficie de la tubería y el número de Reynolds. En condiciones ideales donde la pared interior de la tubería es lisa, la relación entre n y Re puede expresarse mediante la fórmula de Prandtl como:
Es decir, cuando se conoce el número de Reynolds, se puede calcular el valor de n, determinando así la curva de distribución de velocidades turbulentas que se muestra en la figura 3.30. La relación entre la línea-velocidad promedio y el área-velocidad promedio se puede expresar respectivamente usando v_m como:
Resolviendo las ecuaciones (3.21) y (3.22) simultáneamente, la relación entre el coeficiente de corrección de Reynolds yn se puede obtener como:
En una tubería turbulenta completamente desarrollada, la relación entre el coeficiente de corrección de Reynolds y Re se puede expresar como:
Consideraciones prácticas de ingeniería
Todas las fórmulas anteriores se basan en discusiones realizadas en condiciones sin otros factores que interfieran y con longitudes de tubería rectas suficientes antes y después de la tubería de medición. Sin embargo, en aplicaciones de ingeniería reales, factores como el método de instalación del transductor, las válvulas aguas arriba y las curvas antes y después de la tubería de medición causarán desviaciones en la distribución de la velocidad del flujo interno, lo que dificulta su aplicación en procesos de medición reales. Por lo tanto, la investigación sobre la distribución uniforme de la velocidad del flujo dentro del canal de flujo es extremadamente importante.
Diseño estructural del medidor de flujo de gas natural ultrasónico
Un medidor de flujo de gas natural ultrasónico es un dispositivo que utiliza tecnología ultrasónica para medir el flujo de gas. Su investigación de simulación y diseño estructural involucra múltiples aspectos, como el diseño de sensores, la dinámica de fluidos y la propagación acústica. un completomedidor de flujo ultrasónico de gasIncluye canales de flujo, transductores y circuitos de medición. Este sistema realiza el diseño de programas y circuitos de medición basados en canales de flujo y transductores existentes.
Diseño e instalación de transductores
Los medidores de flujo de gas natural ultrasónicos suelen tener dos transductores: un transmisor y un receptor. Las consideraciones de diseño incluyen la frecuencia, la potencia y el rango de temperatura de funcionamiento del transductor para adaptarse a diferentes características del gas. La posición de instalación de los transductores tiene un impacto importante en los resultados de la medición. Normalmente, los transmisores y receptores deben estar dispuestos simétricamente en diferentes posiciones de la tubería para garantizar que la ruta de propagación de las señales ultrasónicas permanezca lo más uniforme posible.
Diseño de canal de fluido
Al diseñar el canal de fluido del medidor de gas, es necesario conocer el diámetro interior de la tubería para que coincida con el rango de flujo de gas. La superficie interior de la tubería debe ser lisa para reducir la interferencia con el flujo de fluido. También es necesario diseñar dispositivos de regulación de flujo para garantizar que la velocidad del fluido esté dentro del rango mensurable, evitando el impacto de una velocidad de flujo excesivamente rápida o lenta en la medición.
Carcasa exterior y fijación
Teniendo en cuenta la complejidad del entorno de trabajo, la selección de materiales de la carcasa exterior se centra en elegir materiales resistentes a la corrosión-y a las altas-temperaturas-, como acero inoxidable o plásticos de ingeniería, que pueden proteger eficazmente los transductores y los componentes electrónicos internos. Al mismo tiempo, se debe diseñar un mecanismo de fijación confiable para garantizar la estabilidad del medidor de gas en condiciones de trabajo de alta-presión. El dispositivo de fijación debe considerar el espacio de instalación y las condiciones ambientales de la tubería.
Procesamiento eléctrico y de señales
En términos de procesamiento eléctrico y de señales, diseñar un sistema de conexión eléctrica eficiente es igualmente crucial para garantizar una transmisión y procesamiento estables de señales, incluida la recepción, procesamiento y cálculo de señales ultrasónicas. Para convertir la diferencia de tiempo de propagación ultrasónica en datos de flujo, los algoritmos correspondientes deben diseñarse por separado.
Factores de precisión de medición
La precisión de la medición de los medidores ultrasónicos de flujo de gas natural también está relacionada con múltiples factores, como la calidad del sensor, la temperatura ambiente, la velocidad del flujo del gas, la composición del gas y la presión. Entre estos, la precisión de la medición de los medidores ultrasónicos de flujo de gas natural tiene una fuerte correlación con la distribución de la velocidad del flujo, lo que requiere que la distribución del fluido en la tubería de medición pueda reflejar adecuadamente la velocidad del flujo a través de la sección transversal del canal de flujo.
Consideraciones clave de diseño
Además, se deben considerar los siguientes factores en el diseño estructural de los canales de flujo del medidor de flujo de gas natural ultrasónico:
(1) Atenuación de la amplitud de la señal ultrasónica en el canal de flujo durante los cambios de velocidad del flujo; (2) Las señales ultrasónicas deben verse afectadas lo más significativamente posible por los cambios en la velocidad del flujo de fluido para mejorar la resolución de medición del sistema; (3) La velocidad del flujo instantáneo del fluido que pasa a través de la tubería de medición debe cumplir con los requisitos de medición de rango completo-del sistema.
Combinando los factores anteriores, el modelo de canal de flujo del medidor de flujo ultrasónico de gas natural diseñado se diseñó y modeló utilizando el software SpaceClaim, con el modelo que se muestra en la Figura 3.31.
Figura 3.31
El diseño del canal de flujo del medidor de gas consta de dos partes: la parte que se conecta al gasoducto adopta un tubo circular, con dimensiones idénticas a las de los medidores de gas de diafragma. Teniendo en cuenta el efecto de reflexión de las señales ultrasónicas y la implementación de la corrección de la distribución de la velocidad del flujo, la parte de medición de la velocidad del flujo adopta una estructura de canal de flujo rectangular, con tres paletas rectificadoras de flujo instaladas en su interior. Las paletas enderezadoras son beneficiosas para la distribución uniforme de la velocidad del flujo de fluido. Al mismo tiempo, la reducción en el diámetro interior del canal de flujo rectangular significa que bajo las mismas condiciones de velocidad del flujo de entrada, la velocidad del flujo instantáneo en el canal de flujo rectangular se vuelve más rápida y la diferencia de tiempo de tránsito aumenta, lo que puede mejorar la resolución de medición del flujo del medidor ultrasónico de flujo de gas natural. Con respecto al método de instalación de transductores piezoeléctricos, para garantizar la precisión de la medición en puntos de flujo pequeños del medidor de flujo ultrasónico de gas natural, es necesario ampliar la longitud de la ruta de propagación. Sin embargo, el aumento en la longitud del camino provocará una pérdida de energía durante la propagación de la señal, lo que requerirá un equilibrio entre la precisión de la medición del sistema y el grado de atenuación de la señal desde dos aspectos. Se adopta una estructura de instalación en forma de AV-, con los dos transductores simétricos con respecto a la línea central longitudinal de las paletas enderezadoras.
Generación y Calidad de Malla
Antes de realizar la simulación de dinámica de fluidos, se realizan operaciones de preprocesamiento en el modelo de canal de flujo del medidor de flujo de gas natural ultrasónico. Después de completar la reparación y simplificación del modelo para obtener un sólido, se extrae la región fluida interna del modelo y se divide la malla. La calidad de la división de la malla determina directamente la confiabilidad y estabilidad de los resultados de la simulación posterior. El flujo de trabajo estanco de Fluent se puede utilizar para ejecutar el proceso anterior, estableciendo el rango de tamaño de generación de malla de superficie en 0,1-4 mm, utilizando 2 capas de relleno de huecos y aplicando detección de proximidad a límites sólidos. La asimetría máxima de la malla de la superficie dividida es 0,69, lo que indica una buena calidad de la malla. Sobre esta base, se utiliza una malla de volumen de relleno hexaédrico-poliédrico, se agregan capas límite a la región fluida y la calidad ortogonal final de la malla de volumen alcanza 0,15. Combinado con experimentos de independencia de malla, se determina que el recuento de malla del modelo es de alrededor de 1,2 millones. La distribución de la malla de volumen se muestra en la Figura 3.32.
Figura 3.32
