การออกแบบโครงสร้างเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิก

ในฐานะผู้บุกเบิกในการเครื่องวัดอัตราการไหลล้ำสำหรับก๊าซธรรมชาติในอุตสาหกรรมการวัด ในช่วง 5 ปีที่ผ่านมา เราได้ค้นพบว่าด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของเครือข่ายท่อส่งก๊าซในเมืองและการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของข้อกำหนดความแม่นยำในการวัดก๊าซ เครื่องวัดก๊าซเชิงกลแบบเดิมได้ค่อยๆ เผชิญกับปัญหาต่างๆ เช่น การสึกหรอที่รุนแรง อัตราส่วนการหยุดทำงานที่จำกัด และการปรับตัวที่ไม่ดีต่อสภาพการทำงานของก๊าซในระหว่างการดำเนินงานระยะยาว- ปัญหาเหล่านี้ทำให้เป็นเรื่องยากที่จะปฏิบัติตามข้อกำหนดการตรวจวัดก๊าซสมัยใหม่เพื่อความแม่นยำสูง ความชาญฉลาด และอายุการใช้งานที่ยาวนาน เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิก เนื่องจากข้อดีของการไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวด้วยกลไก อัตราส่วนการหมุนกลับขนาดใหญ่ การสูญเสียแรงดันต่ำ และความง่ายในการใช้ระบบดิจิทัลและการสื่อสารระยะไกล จึงค่อยๆ กลายเป็นตัวเลือกที่สำคัญในด้านการวัดการไหลของก๊าซ จำเป็นอย่างยิ่งที่บุคลากรฝ่ายจัดซื้อจะต้องเข้าใจเนื้อหาต่อไปนี้ก่อนตัดสินใจ

การวิจัยการกระจายความเร็วการไหล

เนื่องจากการกระจายความเร็วการไหลของของไหลภายในไปป์ไลน์ส่งผลโดยตรงต่อเส้นทางการแพร่กระจายของสัญญาณอัลตราโซนิก การกระจายความเร็วการไหลที่ไม่สม่ำเสมอ- จะทำให้สัญญาณอัลตราโซนิกกระเจิงและลดทอนลงในองศาที่ต่างกันระหว่างการแพร่กระจายในไปป์ไลน์ ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น อัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนต่ำของสัญญาณเสียงก้องที่ได้รับและการลดทอนแอมพลิจูดที่รุนแรง ดังนั้นเพื่อให้แน่ใจว่าการกระจายความเร็วการไหลของก๊าซสม่ำเสมอภายในท่อจึงเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นเพื่อให้บรรลุข้อกำหนดด้านความแม่นยำในการวัดของเครื่องวัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิก.

ภายใต้สถานการณ์ปกติ การไหลของของไหลที่ได้รับผลกระทบจากแรงหนืดสามารถสร้างรูปแบบการไหลพื้นฐานได้ 2 รูปแบบ (การไหลแบบราบเรียบและการไหลแบบปั่นป่วน) ซึ่งยังเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ เช่น รูปแบบการไหลและความหนืดจลนศาสตร์ของของไหล คุณลักษณะของของไหล และพารามิเตอร์ของท่อ รูปแบบการไหลทั้งสองนี้โดยทั่วไปจะแตกต่างกันโดยหมายเลขเรย์โนลด์ส (Re)

เมื่อ Re น้อยกว่าหรือเท่ากับ 2300 ของไหลจะอยู่ในสถานะการไหลแบบราบเรียบ ในเวลานี้ อิทธิพลของแรงหนืดต่ออนุภาคของของไหลมีมากกว่าแรงเฉื่อย รูปแบบการไหลค่อนข้างเสถียรโดยไม่มีปรากฏการณ์ปั่นป่วน แต่มีเพียงส่วนประกอบของความเร็วตามแนวแกนเท่านั้น การกระจายความเร็วจะสม่ำเสมอ โดยมีรูปร่างเป็นรูปพาราโบลา ความเร็วการไหลจะลดลงใกล้กับผนังท่อทรงกลม และค่อยๆ เพิ่มขึ้นไปทางศูนย์กลางของท่อ โดยมีโปรไฟล์ความเร็วแสดงในรูปที่ 3.29

ความเร็วการไหลในแต่ละจุดในท่อกลมสัมพันธ์กับระยะทาง r จากจุดนั้นไปยังแกนท่อเท่านั้น และกฎการกระจายความเร็วสามารถแสดงเป็น:

โดยที่ vr คือความเร็วการไหลที่ระยะ r จากแกนไปป์ไลน์ v_m คือความเร็วการไหลที่แกนไปป์ไลน์ ซึ่งเป็นความเร็วการไหลสูงสุดทั่วทั้งส่วนตัดขวาง- R คือรัศมีของไปป์ไลน์

ความสัมพันธ์ระหว่าง-ความเร็วเฉลี่ยและพื้นที่-ความเร็วเฉลี่ยสามารถแสดงตามลำดับโดยใช้ vm เป็น:

โดยการแก้สมการ (3.16) และ (3.17) พร้อมกัน จะได้ค่าสัมประสิทธิ์การแก้ไขเรย์โนลด์สและแสดงเป็น:

เมื่อ Re มากกว่าหรือเท่ากับ 4000 ของเหลวจะอยู่ในสถานะปั่นป่วน ในเวลานี้ อิทธิพลของแรงเฉื่อยต่ออนุภาคของของไหลมีความสำคัญมากขึ้น รูปแบบการไหลค่อนข้างวุ่นวาย มีส่วนประกอบของความเร็วตามแนวแกนและตามยาวพร้อมๆ กัน การกระจายความเร็วไม่-สม่ำเสมอ ความต้านทานแบบปั่นป่วนเพิ่มขึ้น และโปรไฟล์ความเร็วจะแสดงในรูปที่ 3.30

เนื่องจากกระบวนการแพร่กระจายของกระแสน้ำเชี่ยวขาดทฤษฎีที่เกี่ยวข้องและวิธีการวิเคราะห์เฉพาะ เพื่อการวิจัยขั้นสูง วิศวกรมักใช้อนุกรมกำลังเพื่อคำนวณการกระจายความเร็วในท่อทรงกลมโดยประมาณภายใต้สภาวะปั่นป่วน ซึ่งสามารถแสดงเป็น:

โดยที่: ค่าของ n สัมพันธ์กับความหยาบผิวของท่อและเลขเรย์โนลด์ส ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมซึ่งผนังด้านในของไปป์ไลน์เรียบ ความสัมพันธ์ระหว่าง n และ Re สามารถแสดงได้ด้วยสูตรของ Prandtl ดังนี้

กล่าวคือ เมื่อทราบเลขเรย์โนลด์สแล้ว ก็จะสามารถคำนวณค่าของ n ได้ จึงเป็นการกำหนดเส้นโค้งการกระจายความเร็วปั่นป่วนที่แสดงในรูปที่ 3.30 ความสัมพันธ์ระหว่างเส้น-ความเร็วเฉลี่ยและพื้นที่-ความเร็วเฉลี่ยสามารถแสดงตามลำดับโดยใช้ v_m เป็น:

โดยการแก้สมการ (3.21) และ (3.22) พร้อมกัน จะได้ความสัมพันธ์ระหว่างสัมประสิทธิ์การแก้ไขเรย์โนลด์สกับ n ได้ดังนี้

ในไปป์ไลน์แบบปั่นป่วนที่พัฒนาอย่างสมบูรณ์ ความสัมพันธ์ระหว่างสัมประสิทธิ์การแก้ไขของ Reynolds และ Re สามารถแสดงเป็น:

ข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ

สูตรข้างต้นทั้งหมดขึ้นอยู่กับการอภิปรายที่ดำเนินการภายใต้เงื่อนไขที่ไม่มีปัจจัยรบกวนอื่นๆ และความยาวท่อตรงที่เพียงพอก่อนและหลังไปป์ไลน์การวัด อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานทางวิศวกรรมจริง ปัจจัยต่างๆ เช่น วิธีการติดตั้งทรานสดิวเซอร์ วาล์วต้นทาง และการโค้งงอก่อนและหลังไปป์ไลน์การวัด ล้วนทำให้เกิดการเบี่ยงเบนในการกระจายความเร็วการไหลภายใน ทำให้ยากต่อการนำไปใช้ในกระบวนการวัดจริง ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับการกระจายความเร็วการไหลสม่ำเสมอภายในช่องการไหลจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

การออกแบบโครงสร้างเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิก

เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิกเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีอัลตราโซนิกในการวัดการไหลของก๊าซ การวิจัยการออกแบบโครงสร้างและการจำลองเกี่ยวข้องกับหลายแง่มุม เช่น การออกแบบเซ็นเซอร์ พลศาสตร์ของไหล และการแพร่กระจายของเสียง สมบูรณ์เครื่องวัดการไหลของก๊าซอัลตราโซนิกรวมถึงช่องการไหล ทรานสดิวเซอร์ และวงจรการวัด ระบบนี้ทำการออกแบบวงจรการวัดและโปรแกรมตามช่องการไหลและทรานสดิวเซอร์ที่มีอยู่

การออกแบบและติดตั้งทรานสดิวเซอร์

เครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิกมักจะมีทรานสดิวเซอร์สองตัว: ตัวส่งและตัวรับ ข้อควรพิจารณาในการออกแบบประกอบด้วยความถี่ของทรานสดิวเซอร์ กำลัง และช่วงอุณหภูมิในการทำงานเพื่อปรับให้เข้ากับคุณลักษณะของก๊าซที่แตกต่างกัน ตำแหน่งการติดตั้งทรานสดิวเซอร์มีผลกระทบสำคัญต่อผลการวัด โดยทั่วไปแล้ว เครื่องส่งและเครื่องรับควรได้รับการจัดเรียงอย่างสมมาตรในตำแหน่งที่แตกต่างกันบนท่อเพื่อให้แน่ใจว่าเส้นทางการแพร่กระจายของสัญญาณอัลตราโซนิคยังคงสม่ำเสมอที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

การออกแบบช่องของเหลว

เมื่อออกแบบช่องของเหลวของมาตรวัดก๊าซ จำเป็นต้องทราบเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อเพื่อให้ตรงกับช่วงการไหลของก๊าซ พื้นผิวด้านในของท่อควรเรียบเพื่อลดการรบกวนการไหลของของไหล นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องออกแบบอุปกรณ์ควบคุมการไหลเพื่อให้แน่ใจว่าความเร็วของของไหลอยู่ในช่วงที่วัดได้ เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบของความเร็วของการไหลที่เร็วหรือช้าเกินไปในการวัด

ปลอกด้านนอกและการตรึง

เมื่อพิจารณาถึงความซับซ้อนของสภาพแวดล้อมการทำงาน การเลือกวัสดุปลอกด้านนอกมุ่งเน้นไปที่การเลือกวัสดุที่-ทนทานต่อการกัดกร่อนและ-อุณหภูมิสูง- เช่น สแตนเลสหรือพลาสติกวิศวกรรม ซึ่งสามารถปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ภายในและทรานสดิวเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในเวลาเดียวกัน ควรออกแบบกลไกการยึดที่เชื่อถือได้เพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของมิเตอร์ก๊าซภายใต้-สภาพการทำงานที่มีแรงดันสูง อุปกรณ์ยึดควรคำนึงถึงพื้นที่การติดตั้งและสภาพแวดล้อมของท่อ

การประมวลผลทางไฟฟ้าและสัญญาณ

ในแง่ของการประมวลผลทางไฟฟ้าและสัญญาณ การออกแบบระบบเชื่อมต่อไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพมีความสำคัญไม่แพ้กันในการรับประกันการส่งผ่านและการประมวลผลสัญญาณที่เสถียร รวมถึงการรับ การประมวลผล และการคำนวณสัญญาณอัลตราโซนิก ในการแปลงความแตกต่างของเวลาการแพร่กระจายของอัลตราโซนิกเป็นข้อมูลการไหล อัลกอริทึมที่เกี่ยวข้องจะต้องได้รับการออกแบบแยกต่างหาก

ปัจจัยความแม่นยำในการวัด

ความแม่นยำในการวัดของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิกยังเกี่ยวข้องกับปัจจัยหลายประการ เช่น คุณภาพของเซ็นเซอร์ อุณหภูมิแวดล้อม ความเร็วการไหลของก๊าซ องค์ประกอบของก๊าซ และความดัน ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ ความแม่นยำในการวัดของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิกมีความสัมพันธ์อย่างมากกับการกระจายความเร็วการไหล โดยกำหนดให้การกระจายของของไหลในท่อตรวจวัดสามารถสะท้อนความเร็วการไหลข้ามส่วนตัดขวางของช่องการไหลได้เพียงพอ-

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ

นอกจากนี้ควรพิจารณาปัจจัยต่อไปนี้ในการออกแบบโครงสร้างของช่องทางการไหลของเครื่องวัดการไหลของก๊าซธรรมชาติล้ำเสียง:

(1) การลดทอนของความกว้างของสัญญาณอัลตราโซนิกในช่องการไหลระหว่างการเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหล (2) สัญญาณอัลตราโซนิคควรได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จากการเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหลของของไหลเพื่อปรับปรุงความละเอียดในการวัดของระบบ (3) ความเร็วการไหลทันทีของของไหลที่ไหลผ่านไปป์ไลน์การวัดจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการวัดช่วงเต็ม-ของระบบ

เมื่อรวมปัจจัยข้างต้นเข้าด้วยกัน แบบจำลองช่องทางการไหลของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิกที่ได้รับการออกแบบได้รับการออกแบบและสร้างแบบจำลองโดยใช้ซอฟต์แวร์ SpaceClaim โดยมีแบบจำลองแสดงในรูปที่ 3.31

รูปที่ 3.31

การออกแบบช่องการไหลของมาตรวัดก๊าซประกอบด้วยสองส่วน: ส่วนที่เชื่อมต่อกับท่อส่งก๊าซจะใช้ท่อทรงกลมซึ่งมีขนาดเหมือนกับมาตรวัดก๊าซไดอะแฟรม เมื่อพิจารณาถึงผลการสะท้อนของสัญญาณอัลตราโซนิกและการดำเนินการแก้ไขการกระจายความเร็วการไหล ส่วนการวัดความเร็วการไหลจะใช้โครงสร้างช่องทางการไหลเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า โดยมีใบพัดปรับการไหลสามตัวติดตั้งอยู่ภายใน ใบพัดยืดผมมีประโยชน์ต่อการกระจายความเร็วการไหลของของไหลสม่ำเสมอ ในเวลาเดียวกัน การลดเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของช่องการไหลเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าหมายความว่าภายใต้เงื่อนไขความเร็วการไหลเข้าเดียวกัน ความเร็วการไหลทันทีในช่องไหลเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าจะเร็วขึ้น ความแตกต่างของเวลาในการขนส่งเพิ่มขึ้น ซึ่งสามารถปรับปรุงความละเอียดในการวัดการไหลของเครื่องวัดการไหลของก๊าซธรรมชาติอัลตราโซนิก เกี่ยวกับวิธีการติดตั้งทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริก เพื่อให้แน่ใจว่ามีความแม่นยำในการวัดที่จุดไหลขนาดเล็กของเครื่องวัดการไหลของก๊าซธรรมชาติอัลตราโซนิก จำเป็นต้องขยายความยาวเส้นทางการแพร่กระจาย อย่างไรก็ตาม การเพิ่มความยาวเส้นทางจะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานระหว่างการแพร่กระจายสัญญาณ ซึ่งจำเป็นต้องมีความสมดุลระหว่างความแม่นยำในการวัดของระบบและระดับการลดทอนสัญญาณจากสองด้าน โครงสร้างการติดตั้งรูปทรง AV- ถูกนำมาใช้ โดยมีทรานสดิวเซอร์สองตัวสมมาตรกับเส้นกึ่งกลางตามยาวของใบพัดยืดผม

การสร้างและคุณภาพตาข่าย

ก่อนที่จะดำเนินการจำลองพลศาสตร์ของไหล การดำเนินการล่วงหน้าจะดำเนินการกับแบบจำลองช่องทางการไหลของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติแบบอัลตราโซนิก หลังจากเสร็จสิ้นการซ่อมแซมแบบจำลองและลดความซับซ้อนเพื่อให้ได้ของแข็ง บริเวณของไหลภายในของแบบจำลองจะถูกแยกออก และตาข่ายจะถูกแบ่งออก คุณภาพของการแบ่งตาข่ายจะกำหนดความน่าเชื่อถือและความเสถียรของผลการจำลองที่ตามมาโดยตรง ขั้นตอนการทำงานแบบกันน้ำของ Fluent สามารถใช้เพื่อดำเนินการตามกระบวนการข้างต้น โดยตั้งค่าช่วงขนาดการสร้างตาข่ายพื้นผิวเป็น 0.1-4 มม. โดยใช้ชั้นเติมช่องว่าง 2 ชั้น โดยใช้การตรวจจับความใกล้ชิดกับขอบเขตทึบ ความเบ้สูงสุดของตาข่ายพื้นผิวที่ถูกแบ่งคือ 0.69 ซึ่งบ่งบอกถึงคุณภาพตาข่ายที่ดี บนพื้นฐานนี้ มีการใช้ตาข่ายปริมาตรการเติมแบบหกเหลี่ยม-หลายหน้า ชั้นขอบเขตจะถูกเพิ่มไปยังบริเวณของไหล และคุณภาพมุมฉากสุดท้ายของตาข่ายปริมาตรจะอยู่ที่ 0.15 เมื่อรวมกับการทดลองแยกตาข่ายแล้ว จำนวนตาข่ายของแบบจำลองจะอยู่ที่ประมาณ 1.2 ล้าน การกระจายตัวของปริมาตรตาข่ายแสดงในรูปที่ 3.32

รูปที่ 3.32