浅析整流板对天然气流量计量的影响

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　　摘要:随着国家节能环保战略的实施，天然气发展迅速，计量纠纷及输差问题也日益突出，如何准确计量确保买卖双方的合法利益成为关注的重点，天然气为多组分气体，影响计量结果的因素较多，文章主要分析整流板对超声流量计计量结果的影响，为流量计的安装、选型、检定提供技术支撑。

　　按照GB/T18604《用气体超声流量计测量天然气流量》要求［1］，进入超声流量计的天然气应是对称的充分发展的紊流速度分布，但由于上游管路的管道配件、调压阀及直管段长度等会影响进入流量计的气体速度剖面，从而影响测量准确度。为了减小流速剖面对计量的影响，各流量计厂家均配备了整流板安装至流量计前10D位置，用于减少旋涡和改善天然气速度分布。

　　不同厂家流量计的声道布置及流量计算数学模型不同，对进入流量计的流态要求不同，配套的整流板也不同，图1是三个厂家配套的整流板，由图可以看出，每款整流板的开孔布局、分布方式均不相同。由于大家对流量计整流板关注的少，错误的认为只要有整流板就能保证流量计的准确度，在流量计配整流板时未严格按照厂家要求进行配置，同时送检流量计时也未将配套整流板同时送检［2］，导致检定过程用整流板与现场应用过程整流板不一致。

　　为了确认整流板对超声流量计计量的影响［4］，本文首先采用三维仿真模拟，利用模拟数据进行计算，计算不同整流板对同一流量计的影响量，然后通过在检定站进行实流测试对模拟计算结果进行验证。1三维仿真模拟计算

　　1.1建立模型

　　利用计算流体力学软件FLUENT对三维流场进行仿真，对流场的求解建立在流体力学的基本控制方程之上，即连续性方程、动量方程和能量方程，这些方程遵守了质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒三个物理学基本原理。同时由于管道内流体处于湍流状态，还需使用湍流方程对流场控制求解［5］。FLUENT中有多种湍流模型，其中k－模型是目前应用非常为广泛的模型，该模型又分为标准k－模型，重组化的k－模型和可实现的k－模型。

　　三种湍流模型在形式上类似，主要差别在于计算湍流粘性的方法、控制湍流扩散的湍流普朗特数、体壁面位置上如何进行处理等存在不同。结合天然气流量计计量的工况条件和相关文献资料，采用重组化的k－模型(ＲNG模型)。计算流体力学软件FLUENT计算管道内湍流流场时，正是基于上述三个基本控制方程，同时结合合适的湍流模型并在给定边界条件下进行求解，得到了流场内部各变量，模拟结果见图2。

　　1.2计算分析以

　　Daniel流量计为例进行分析，不同整流板对流量计量结果的影响。Daniel流量计为四声道流量计，四个声道分布如图3所示。

　　通过三维仿真模拟得到四个声道的流速v1、v2、v3、v4，利用式(1)计算平均流速v。

　　式中:wi为各声道的权重因子。计算三种整流板下流量计的平均流速，同时通过积分计算的理论平均流速进行比较，根据式

　　(2)计算误差［7］。通过模拟22m/s和3m/s两种流速下的流体流态，结果见表1、表2。

　　通过模拟分析可见，不同整流板在下游10D位置的流体速度分布梯度有较大差异，通过同一流量计进行计量后有较大偏差，Daniel与Elster整流板差异较大，计量偏差也较大，可达0.59%，Daniel与Sick整流板较为相似，整流板对流量计的影响相对偏小，约0.15%，但不同流速的影响量不同。

　　2试验验证

　　2.1三维仿真结果验证

　　为了验证三维仿真分析的结果，选用了一台DN200Daniel超声流量计进行实流检定测试，测量范围为:85.19～3124.64m3/h，测试流量点分别为4000、3000、2000、560m3/h，分别在流量计上游10D处安装Daniel、Elster、Sick整流板，测试结果见表3和图4。

　　通过实验测试分析，实验结果与三维仿真模拟结果基本一致，三种类型整流板对流量计计量结果有一定的影响，Daniel与Elster影响的偏差非常大，Sick处于中间位置，计量结果的非常大偏差可达0.6%，同时在不同流速下，整流板对计量结果的影响不同，在40%Qmax流量点处影响相对较小，在往大流量或者小流量偏移时影响量逐渐变大。

　　2.2流态剖面影响试验验证

　　为了验证流速剖面对计量的影响，选用一台DN150Daniel流量计进行试验［8］，流量范围为47～1846m3/h，分别对不安装整流板、整流板部分整流孔堵塞及整流板正常安装条件下进行测试，测试结果如表4所示。

　　三种安装条件下测试结果偏差较大，说明流速剖面对计量结果影响较大，在上游10D处安装整流板可有效较小流态的畸变，测试结果相对可靠，其他安装条件与之对比可分析出安装对计量的影响。在不安装整流板时计量结果相对偏大0.3%左右，整流板部分堵塞时，计量结果相对偏大0.6%左右。对于不同类型的流量计安装条件对计量结果的影响不尽相同，该测试结果仅对被测流量计适用，测试结果表明安装条件的不同会导致经过流量计的流体流态不同，对计量有较大影响，至于影响趋势及影响量需经过大量理论及试验数据进行分析［9］。

　　3案例分析

　　在某长输管道计量站内计量用流量计为DN400Elster超声流量计，在应用过程中与下游计量监督站出现较大的计量交接差，通过对计量系统的排查，发现检定时选用的是相同口径的Daniel整流板，未选用Elster配套整流板，为了确认是否是整流板的影响，利用移动标准装置到现场进行了在线实流测试，测试结果与前检定结果有较大偏差，非常大偏差为0.7%，具体结果见表5。

　　4结论及建议

　　(1)整流板对天然气流体具有整流效果，可有效提高流量计计量的准确度，不同型号整流板适用不同类型的流量计，不能混用，混用后会引入较大的偏差，偏差非常大可达0.7%。

　　(2)通过三维模拟仿真及流量计计量的数学模型可分析不同整流板对流量计的影响量，通过模拟和大量的试验数据可建立一套整流板对流量计计量的修正模型，在检定与使用过程中选用整流板不同时可通过模型进行修正补偿，同时可在计量系统评定时通过该方法定量分析计量结果的偏差。

　　(3)建议流量计使用及检定时采用相同的整流板，有条件的场站可将在用整流板与流量计整体送检，避免因整流板选型造成计量偏差。

　　仪器仪表是工业化进程的基石，只有选用工业现场选用合适的仪表，才能够事半功倍，自动化流程才能够更加自动化。