管道安装及典型设备对流场的影响研究

管道安装及典型设备对流场的影响研究

孙志文

河南理工大学万方科技学院 河南省焦作市 454150

摘要：天然气场站是一个复杂的系统，通常由天然气物性分析装置、分离和过滤装置、加热设备、以及计量管路等管件组成。任何一个设备的设计、制造偏差都会导致系统内压力分布不均，诱发不可预见的扰流或系统振动，影响场站计量的准确性，甚至产生安全隐患。因此，有必要对引起流场扰动的元件进行研究。

关键词：管道安装；设备

1 管道安装对管内流场的影响

管道内的弯头、压力调节装置等阻流元件是引发扰动主要原因。从20世纪90年代开始，世界上许多研究机构和人员对此问题进行了研究。主要可以归结为以下几个方面：

(1)特定管道配置对下游某一类型的流量计的影响研究。在某些情况下，由于流速分布影响，流量计误差的偏移极高，孔板流量计和涡轮流量计达到了5%，超声波流量计达到了11%;

(2)不同类型气体整流器(平板、管束、星型等)的性能研究，以及整流器对减少流型畸变有效性的研究；

(3)流型的特征以及在管道弯头和气体整流器下游流型发展的情况。

研究中使用了皮托管法、热膜探针法、激光多普勒法、粒子影像法、计算流体力学法等方法。本节下文主要分析弯头、整流器和汇管对流型和流量计性能的影响。

1.1 管道弯头的影响

德国燃气与水工业协会于20世纪90年代中期发起“管道配置—流型分布—流量计误差”研究。

实验结果表明：单弯头管道情况下，弯头下游直管段长度为2D时，在直轴向速度中心值最小，沿外径方向迅速变大，切向速度分布符合二次涡流的理论模型。在弯管下游10D处，切向速度和轴向速度均接近未经扰动的情况。双弯头情况下，轴向速度均不对称，切向速度均存在涡流和高密度二次流。切向速度甚至达到轴向平均速度的40%。2D长度管道出口有明显的畸变速度分布，尽管流形畸变随直管段长度衰减，但在10D的位置，涡流仍然存在。

1.2 整流器安装影响

整流器用于消除气体流量计上游阻流件对流态干扰而产生的流形畸变，调整管道内的流态，使不稳定的气流成为计量所需的平行、对称、充分发展的紊流速度分布，提高流量计的计量精度。

整流器有多种分类方法，主要可以归纳为整流器的外形分类和整流器中流体动态特性分类这两大类。根据整流器外形分类，主要有管束式整流器、板孔整流器、星型整流器和赞克整流器。

目前已有大量的文献对整流器性能进行分析。德国燃气与水工业协会发起的“管道配置—流型分布—流量计误差”研究表明：星型整流器对切向速度的移除性能良好，但是轴向速度的最小值变得比未使用整流器更小，管束式整流器的性能与之类似。双弯管赞克整流器下游的轴向和切向速度分布与直管非畸变流情况非常相似。

扰动和整流器之间的距离也对管道下游畸变流的移除具有重要作用。管道和整流器的最佳安装位置需要通过不断实验获得。一个传统的板孔整流器直接安装在弯头出口，另一个安装在距离弯头出口2D的高动流的下游，在距离整流器出口5D的距离测量速度分布，二者轴向速度分布有明显的差异。弯头和整流器之间距离为2D时，轴向速度分布良好。

国家石油天然气大流量计量站成都分站根据AGA Report No.9(2007)中推荐的超声流量计保守安装条件，在强不对称流下以超声波流量计为例研究35孔和28孔整流器的性能。加28孔板孔整流器时，超声流量计的相对示值误差分布区间为-0.24～0.16；加35孔板孔整流器时，超声流量计的误差区间为0.37～0.82。两者性能差别巨大，说明了进行流量计和整流器的性能测试是非常重要的。

总之，整流器的结构形式不同，安装在不同的位置对流态和流量计的适应性是不同的。要保证流量计的现场计量性能，合理调整畸变的流态，除按照国际国内相关标准配置直管段长度外，最好能够通过相关的性能测试，根据实际检定工况选择合适的整流器和安装位置。

1.3 汇管对流场的影响

汇管是天然气计量现场一种常见的阻流件，从本质上了解汇管对流体流态的扰动情况，掌握汇管下游的流场分布，找到管路横截面上流场分布的情况，对管道安全和计量准确度都具有极为重要的意义。

从20世纪80年代末，国外研究机构开始进行汇管对流场分布的影响进行研究，得到埋地汇管对计量管路的影响程度主要由汇管本身以及埋地汇管与计量管路的高度差决定，按照标准ISO5167的标准配置直管段长度会造成过长或过短。选择直管段长度时，需根据实际汇管及汇管和计量管路高度差，以及来流情况，同时参考标准综合考虑。

涡流的产生与汇管尺寸具有很大的关联性。在满足流量需求后，汇管内体积越大，涡流就会有更多的生成空间。高速气流进入直角汇管后，并不是平缓地分散到汇管内部，而是选择了一条较少限制的流路到达各个出口，流路附近的区域成为涡流的产生区域，该区域越大，生成的漩涡就越大。

汇管入口一定，出口的选择对下游流场分布也具有较大影响。在汇管进出口相对无整流器的管路中，汇管顶部区域会有一个明显的旋涡，经汇管后流速显著增大，且速度较大的位置由管道中心处向上方偏斜。当选择汇管进出错开时，管路结构的扰动情况明显强于汇管进出口相对管路。汇管进出口错开时管路内的天然气会因管路结构、速度等因素的变化产生回流，使天然气的扰动增强、分布不均匀。在汇管下游恢复到充分发展的湍流断面需要的长度与出入口相对的管道分布相比长度更长。另外不同流量对同一管路配置内流场变化规律影响不大。

汇管选型时需考虑来流量的大小，已满足最大流量为宜，不宜将尺寸设计过大。汇管出口处直管段长度需根据实际汇管及汇管和计量管路高度差，以及来流情况，同时参考标准综合考虑。流量计检定时，如只需一根标准管道，且有多根管道符合标准时，应选择与汇管进口位置相对或相近的管路对被检表进行检定。

2 典型设备模拟研究

过滤器、换热器是天然气场站内的主要设备，本节对过滤器和电加热器进行内部流场分析。

2.1 过滤器流场研究

过滤器研究的目的是得到其在不同工况条件下的内部压力分布和压降值，并确定过滤器的最大压力点，确保压力容器的安全性。选取一台过滤精度为2μm，工况气量为480 m3/h为例进行仿真分析。

2.1.1 几何模型的建立

过滤器模型的建立根据给定过滤器尺寸进行建模。

2.1.2 网格的划分

过滤器网格采用ICEM进行网格划分，该处使用非结构网格，腔内最大网格尺寸为0.05D。

2.1.3 边界条件的确定和计算方法

仿真时选择流量入口和压力出口边界条件，壁面选择绝热标准壁面边界，入口温度均为288 K。由于FLUENT中可压缩气体不可选择体积流量，故计算时将预设的体积流量转化为质量流速，密度采用相同压力条件下试算得到的多组数据平均值44.3 kg/m3，过滤部分壁面采用多孔条约边界。

流场模拟使用CFD软件FLUENT 14.5，采用SIMPLE求解器，交错网格进行离散，并选用亚松弛迭代方式。根据三种湍流方程特点，并结合德国Pigsar早期研究中采用的计算方法，求解方程是采用RNG模型。根据给定天然气物性参数定义材料属性。

3 小结

在文中针对天然气场站中管道安装进行了总结，典型设备对流场影响进行了模拟，得出结论如下：

(1)从管道安装角度，不同类型弯头、不同类型整流器及汇管对流场皆有影响并能一定程度上反应至计量准确性中。

(2)给定流量范围下，过滤器压降小于0.01 MPa，满足系统要求。过滤器壁面最大压力点位于与入口正对的承接管表面，且压力随流量的增加呈非线性增加，设计时注意该处管路安全问题。

(3)给定功率和功率密度下，电加热器能够满足对天然气温度加热的要求。但腔体内部加热不均匀，入口与腔体底部形成的三角区域温度高于其它区域，可对设备入口进行适当调整。

参考文献

[1] Berrebi J,Martinsson P E,Willatzen b M,et al.Ultrasonic flow metering errors due to pulsating flow[J].Flow Measurement and Instrumentation,2004,15:179-185.

[2] 王文涛．多声道超声流量计流场适应性分析[D]．东北石油大学，2011.