均速管流量计流量系数数值校验方法研究

　　流量系数定义

　　K1   粗糙处理流量系数

　　K2   未粗糙处理流量系数

　　K′  仿真流量系数

　　Kf   仿真拟合流量系数

　　Ks    实验拟合流量系数

　　K′s    预测流量系数

　　0　引　言

　　目前工业工程项目都趋向于大型化,在化工、电力、冶金等工业中,内径大于300mm的流体管道已十分常见。国内天然气输送、城市用气的主管网也大都采用中、大口径管道,口径大于500mm的管道已十分普遍。随着管道的增大,相应的流量测量仪表,如标准孔板、涡轮流量计,体积不断变大,成本也不断攀升。均速管流量计凭借其结构简单、轻便、压损小,且安装、维修方便等优点,在应用于大口径管道流量测量时,较好的缓解了管道口径增大所带来的问题,而且最大测量管径可达9m。但是均速管流量计应用于大口径或者较大口径管道时,对其流量系数的获取和校验存在较大难度,特别是流量计在线校验[1-4]。

　　目前在国外较大口径均速管流量计的标定和校验一般都是在实验室进行。美国、德国、荷兰和加拿大等国家均建有标准实验室。加拿大的TCC检定站拥有先进的天然气流量检定装置,能用天然气在线测试和标定气体流量计,在30m/s的流量条件下被检流量计的口径为DN200~DN750;在小于30m/s的条件下,口径可大于DN750。南京天然气流量分站作为国内最大的天然气检定站,在压力为2.5~9.6MPa、流量为8~12000m3/h的范围内,对口径不超过DN400的各种型号的气体流量计进行实流检定。国内生产的一种LJG-16A型双向车载标准体积管流量校验装置,其流量检测范围在200~1200m3/h左右,一般满量程可检DN300的流量计。大多数工作现场无法使用流量计标定车,只能将流量计拆卸后送往计量中心进行检定[5-6]。从目前情况看,无论国内还是国外,与工业中大量使用的大口径流量计相比,相应的校准装置十分缺乏,急需新的方法和技术对使用中的大口径流量计的计量特性进行校验。

　　本研究针对大口径均速管流量计流量系数的校验所存在的问题,以300mm口径的均速管流量计为例,利用标准k-ε双方程湍流模型对其测量特性进行数值模拟研究。在直管段充分发展管流中,计算均速管流量计子弹头端面粗糙处理与否对输出差压造成的影响,观察其输出特性的变化。同时,通过实验测量流量计的测量特性,对比验证仿真数据的可靠性,且进行误差分析。通过实验和仿真相结合的方式,为较大口径均速管流量计的校验提供一种新的思路和方法。

　　1　数值方法

　　1.1　测量原理

　　均速管流量计为一种插入式流量计,它是根据皮托管单点测速原理,通过测量管道横截面直径上多个固定位置点的流速来计算管道流量。图1为均速管流量计的模型图和检测孔位置横截面图,其测量原理为:由检测杆迎流面处各总压孔(此处流体速度近似为零)分别检测出其受力面积内流体的总压强,各点总压值在总压腔内平均后的平均总压作为管截面上流体的平均总压,由总压引出管引至差压变送器正压室。同时静压由静压引出管引至差压变送器负压室,得到总压腔内压力与静压腔内压力之间的差压ΔP。设密度为ρ的流体在水平管道(横截面面积为A)中流动,在忽略摩阻力、流体的高度差等因素下,根据伯努利方程有[1],管道中的流体的理论体积流量Qtheory为