Kao pioniri uultrazvučni mjerač protoka prirodnog plinamjernoj industriji, u posljednjih 5 godina otkrili smo da su kontinuiranim širenjem mreže gradskih plinovoda i stalnim poboljšanjem zahtjeva za preciznošću mjerenja plina, tradicionalni mehanički plinomjeri postepeno izlagali probleme kao što su jako trošenje, ograničeni omjer smanjenja i loša prilagodljivost uslovima rada plina tokom dugotrajnog-radnja. Ovi problemi otežavaju ispunjavanje savremenih zahtjeva za mjerenje plina za visokom preciznošću, inteligencijom i dugim vijekom trajanja. Ultrazvučni mjerači protoka prirodnog plina, zbog svojih prednosti što nemaju mehaničke pokretne dijelove, velikog omjera smanjenja, niskog gubitka tlaka i lakoće digitalizacije i daljinske komunikacije, postepeno su postali važan izbor u području mjerenja protoka plina. Od suštinskog je značaja za osoblje nabavke da razume sledeći sadržaj pre donošenja odluka.
Istraživanje distribucije brzine protoka
Budući da distribucija brzine protoka fluida unutar cjevovoda direktno utiče na putanju širenja ultrazvučnih signala, ne-ujednačena distribucija brzine protoka će uzrokovati da se ultrazvučni signali rasprše i priguše u različitim stepenima tokom širenja u cjevovodu, što će rezultirati pojavama kao što je nizak signal{2} i prekid signala{2} i ometanje{2} signala{1} slabljenje amplitude. Stoga je osiguravanje ravnomjerne distribucije brzine protoka gasa unutar cjevovoda preduslov za postizanje zahtjeva za preciznošću mjerenjaultrazvučni mjerači protoka plina.
U normalnim okolnostima, protok fluida pod uticajem viskoznih sila može proizvesti dva osnovna režima strujanja (laminarni tok i turbulentno strujanje), koji su takođe povezani sa faktorima kao što su režim strujanja i kinematička viskoznost fluida, karakteristike fluida i parametri cevovoda. Ova dva režima protoka se obično razlikuju po Reynoldsovom broju (Re).
Kada je Re manji ili jednak 2300, fluid je u stanju laminarnog toka. U ovom trenutku je uticaj viskozne sile na čestice fluida veći od sile inercije, režim strujanja je relativno stabilan bez turbulentnih pojava, već postoje samo komponente aksijalne brzine. Raspodjela brzine je ujednačena i predstavlja parabolički oblik. Brzina protoka je manja u blizini kružnog zida cijevi i postepeno se povećava prema centru cjevovoda, sa profilom brzine prikazanim na slici 3.29.
Brzina protoka u svakoj tački u kružnoj cijevi povezana je samo s udaljenosti r od te točke do ose cjevovoda, a njen zakon raspodjele brzine može se izraziti kao:
Gdje je: vr brzina protoka na udaljenosti r od ose cjevovoda; v_m je brzina protoka na osi cjevovoda, što je maksimalna brzina protoka na cijelom poprečnom-presjeku; R je polumjer cjevovoda.
Odnos između -prosječne brzine i površine{1}}prosječne brzine može se izraziti respektivno koristeći vm kao:
Istovremenim rješavanjem jednadžbi (3.16) i (3.17) Reynoldsov korekcijski koeficijent se može dobiti i izraziti kao:
Kada je Re veći od ili jednak 4000, fluid je u turbulentnom stanju. U ovom trenutku je uticaj inercijalne sile na čestice fluida značajniji, režim strujanja je relativno haotičan, aksijalna i longitudinalna komponenta brzine postoje istovremeno, raspodjela brzine je neujednačena, turbulentni otpor raste, a profil brzine je prikazan na slici 3.30.
Budući da procesu propagacije turbulentnog strujanja nedostaje relevantna teorija i specifične analitičke metode, da bi dalje unaprijedili istraživanja, inženjeri obično koriste nizove snage za približno izračunavanje raspodjele brzine u kružnim cijevima u turbulentnim uvjetima, što se može izraziti kao:
Gdje je: vrijednost n povezana je s hrapavostom površine cjevovoda i Reynoldsovim brojem. U idealnim uslovima gde je unutrašnji zid cevovoda glatki, odnos između n i Re može se izraziti Prandtlovom formulom kao:
To jest, kada je Reynoldsov broj poznat, vrijednost n se može izračunati, čime se određuje krivulja distribucije turbulentne brzine prikazana na slici 3.30. Odnos između linije-prosječne brzine i površine{2}}prosječne brzine može se izraziti respektivno koristeći v_m kao:
Istovremenim rješavanjem jednadžbi (3.21) i (3.22), odnos između Reynoldsovog koeficijenta korekcije i n može se dobiti kao:
U potpuno razvijenom turbulentnom cevovodu, odnos između Reynoldsovog koeficijenta korekcije i Re može se izraziti kao:
Praktična inženjerska razmatranja
Sve gornje formule su zasnovane na diskusijama koje su vođene u uslovima bez drugih ometajućih faktora i dovoljnih dužina ravnih cevi pre i posle mernog cevovoda. Međutim, u stvarnim inženjerskim aplikacijama, faktori kao što su metoda instalacije sonde, uzvodni ventili i krivine prije i poslije mjernog cjevovoda će uzrokovati odstupanja u distribuciji brzine unutrašnjeg protoka, što otežava primjenu u stvarnim procesima mjerenja. Stoga je istraživanje ravnomjerne distribucije brzine protoka unutar protočnog kanala izuzetno važno.
Strukturni dizajn ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina
Ultrazvučni mjerač protoka prirodnog plina je uređaj koji koristi ultrazvučnu tehnologiju za mjerenje protoka plina. Njegovo strukturno projektovanje i istraživanje simulacija uključuju više aspekata, kao što su dizajn senzora, dinamika fluida i akustična propagacija. A kompletanplinski ultrazvučni mjerač protokauključuje kanale protoka, pretvarače i mjerne krugove. Ovaj sistem izvodi mjerni krug i dizajn programa na osnovu postojećih kanala protoka i pretvarača.
Dizajn i instalacija pretvarača
Ultrazvučni mjerači protoka prirodnog plina obično imaju dva pretvarača: predajnik i prijemnik. Razmatranje dizajna uključuje frekvenciju, snagu i radnu temperaturu pretvarača kako bi se prilagodili različitim karakteristikama plina. Položaj pretvarača ima važan utjecaj na rezultate mjerenja. Tipično, odašiljači i prijemnici trebaju biti simetrično raspoređeni na različitim pozicijama na cjevovodu kako bi se osiguralo da putanja širenja ultrazvučnih signala ostane što je više moguće ujednačena.
Dizajn kanala fluida
Prilikom projektovanja fluidnog kanala plinomjera, potrebno je znati unutrašnji prečnik cjevovoda kako bi odgovarao opsegu protoka gasa. Unutrašnja površina cevovoda treba da bude glatka kako bi se smanjile smetnje u protoku fluida. Takođe je potrebno dizajnirati uređaje za regulaciju protoka kako bi se osiguralo da je brzina fluida unutar mjerljivog opsega, izbjegavajući utjecaj pretjerano velike ili spore brzine protoka na mjerenje.
Vanjsko kućište i fiksacija
S obzirom na složenost radnog okruženja, odabir materijala vanjskog kućišta fokusira se na odabir materijala otpornih na koroziju-i visoke-temperature-otpornih materijala, kao što su nehrđajući čelik ili inženjerska plastika, koji mogu efikasno zaštititi unutrašnje elektronske komponente i pretvarače. Istovremeno, treba dizajnirati pouzdan mehanizam za fiksiranje kako bi se osigurala stabilnost plinomjera u radnim uslovima visokog{4}}pritiska. Uređaj za pričvršćivanje treba da uzme u obzir prostor za ugradnju i uslove okoline cevovoda.
Električna i obrada signala
U pogledu električne i obrade signala, dizajniranje efikasnog sistema električne veze je jednako ključno za osiguranje stabilnog prijenosa i obrade signala, uključujući prijem, obradu i proračun ultrazvučnih signala. Za pretvaranje vremenske razlike ultrazvučnog širenja u podatke o protoku, odgovarajući algoritmi moraju biti posebno dizajnirani.
Faktori preciznosti mjerenja
Preciznost mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka prirodnog plina također je povezana s više faktora, kao što su kvalitet senzora, temperatura okoline, brzina protoka plina, sastav plina i tlak. Među njima, preciznost mjerenja ultrazvučnih mjerača protoka prirodnog gasa ima jaku korelaciju sa distribucijom brzine protoka, što zahtijeva da distribucija fluida u mjernom cjevovodu može adekvatno odražavati brzinu protoka kroz poprečni presjek kanala protoka{1}}.
Ključna razmatranja dizajna
Osim toga, sljedeće faktore treba uzeti u obzir u strukturnom dizajnu ultrazvučnih kanala protoka prirodnog plina:
(1) Slabljenje amplitude ultrazvučnog signala u kanalu protoka tokom promene brzine protoka; (2) Na ultrazvučne signale treba da utiču što je moguće značajnije promene brzine protoka fluida kako bi se poboljšala rezolucija merenja sistema; (3) Trenutna brzina protoka fluida koji prolazi kroz mjerni cjevovod mora zadovoljiti zahtjeve za mjerenje punog{3}}opsega sistema.
Kombinacijom gore navedenih faktora, dizajnirani model kanala protoka ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina je dizajniran i modeliran korištenjem SpaceClaim softvera, sa modelom prikazanim na slici 3.31.
Slika 3.31
Konstrukcija kanala protoka plinomjera sastoji se od dva dijela: dio koji se povezuje na plinovod ima kružnu cijev, dimenzija identičnih dimenzijama membranskih plinomjera. Uzimajući u obzir efekat refleksije ultrazvučnih signala i implementaciju korekcije raspodele brzine protoka, deo za merenje brzine protoka ima pravougaonu strukturu kanala protoka, sa tri lopatice za ispravljanje protoka ugrađene unutra. Lopatice za ispravljanje su korisne za ujednačenu distribuciju brzine protoka fluida. Istovremeno, smanjenje unutrašnjeg prečnika pravougaonog kanala protoka znači da pod istim uslovima ulazne brzine protoka, trenutna brzina protoka u pravougaonom kanalu protoka postaje brža, vremenska razlika tranzita se povećava, što može poboljšati rezoluciju merenja protoka ultrazvučnog merača protoka prirodnog gasa. Što se tiče metode ugradnje piezoelektričnih pretvarača, da bi se osigurala tačnost mjerenja na malim tačkama protoka ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina, potrebno je produžiti dužinu propagacijske putanje. Međutim, povećanje dužine putanje će uzrokovati gubitak energije tokom širenja signala, što zahtijeva ravnotežu između tačnosti mjerenja sistema i stepena slabljenja signala sa dva aspekta. Usvojena je instalacijska struktura u obliku AV-, sa dva pretvarača simetrična u odnosu na uzdužnu središnju liniju lopatica za ispravljanje.
Generacija mreže i kvaliteta
Prije izvođenja simulacije dinamike fluida, operacije predprocesiranja se izvode na modelu kanala protoka ultrazvučnog mjerača protoka prirodnog plina. Nakon završetka popravke modela i pojednostavljenja radi dobijanja čvrste supstance, unutrašnji fluidni region modela se ekstrahuje i mreža se deli. Kvaliteta podjele mreže direktno određuje pouzdanost i stabilnost naknadnih rezultata simulacije. Fluent vodonepropusni radni tok se može koristiti za izvršenje gore navedenog procesa, postavljanjem raspona veličine generiranja površinske mreže na 0,1-4 mm, korištenjem 2 sloja za popunjavanje praznina, primjenom detekcije blizine na čvrste granice. Maksimalna kosina mreže podijeljene površine je 0,69, što ukazuje na dobar kvalitet mreže. Na osnovu toga se koristi heksaedarsko-poliedarska mreža zapremine punjenja, dodaju se granični slojevi u područje fluida, a konačni ortogonalni kvalitet mreže zapremine dostiže 0,15. U kombinaciji s eksperimentima neovisnosti mreže, utvrđeno je da je broj mreža modela oko 1,2 miliona. Raspodjela mreže volumena prikazana je na slici 3.32.
Slika 3.32
