Кондиционирование потока - Flow conditioning

Кондиционирование потока гарантирует, что окружение «реального мира» очень похоже на «лаборатория »Среда для правильного выполнения логического расходомеры подобно отверстие, турбина, Кориолис, ультразвуковой и Т. Д.

Типы течения

По сути, Поток в трубы можно классифицировать следующим образом -

Полностью развитый поток^{[требуется разъяснение ]} (можно найти в лабораториях мирового класса)
Псевдо полностью развитый поток^{[требуется разъяснение ]}
Несимметричный поток без закрутки
Умеренное завихрение, несимметричный поток
Высокая закрутка, симметричный поток

Типы кондиционеров потока

Рисунок (а), показывающий кондиционер Flow

Кондиционеры потока, показанные на рис. (А), можно разделить на следующие три типа:

Те, которые устраняют только завихрение (пучки труб)
Те, которые устраняют завихрение и несимметрию, но не создают псевдополную форму потока.
Те, которые устраняют завихрение и несимметрию и создают псевдополную форму потока (высокоэффективные кондиционеры потока)

Выпрямляющие устройства, такие как соты и лопатки, вставленные перед расходомером, могут уменьшить необходимую длину прямой трубы. Однако они дают лишь незначительное улучшение точности измерений и могут по-прежнему требовать значительной длины прямой трубы, что может быть недопустимо в тесноте на месте установки.

Измерение природного газа

Натуральный газ который несет с собой много жидкостей, известен как влажный газ в то время как природный газ, добытый без жидкости, известен сухой газ. Сухой газ также обрабатывается для удаления всех жидкостей. Эффект кондиционирования потока для различных популярных счетчиков, который используется при измерении газа, объясняется ниже.

Условия потока в трубе

Наиболее важные, а также наиболее трудные для измерения аспекты измерения расхода: условия потока в трубе перед счетчиком. Условия потока в основном относятся к скорость потока профиль, неровности в профиле, изменяющиеся уровни турбулентности в пределах скорости потока или профиль интенсивности турбулентности, завихрение и любые другие характеристики потока жидкости, которые заставят измеритель регистрировать поток, отличный от ожидаемого. Это изменит значение с оригинала калибровка состояние, называемое стандартными условиями, которое не влияет на установку.^[1]

Эффекты установки

Эффекты монтажа, такие как недостаточная прямая труба, исключительная шероховатость или гладкость трубы, изгибы, клапаны, тройники и редукторы заставляет условия потока в трубе отличаться от нормальных условий. Как эти эффекты установки влияют на счетчик, очень важно, поскольку устройства, которые создают эффекты установки выше по потоку, являются общими компонентами любой стандартной конструкции счетчика. Кондиционирование потока относится к процессу искусственного создания эталонного, полностью разработанного профиля потока и имеет важное значение для обеспечения точных измерений при сохранении конкурентоспособной по стоимости стандартной конструкции расходомера. Коэффициенты калибровки измерителя действительны только при наличии геометрического и динамического сходства между условиями измерения и калибровки. В механике жидкости это обычно называют законом подобия.^[2]

Закон подобия

Принцип закона подобия широко используется для теоретических и экспериментальных гидравлических машин. Что касается калибровки расходомеров, закон подобия является основой для эталонов измерения расхода. Чтобы удовлетворить Закон подобия, концепция центрального помещения требует геометрического и динамического сходства между лабораторным измерителем и условиями установки этого же самого измерителя на всем протяжении. коммерческий перевод период. Этот подход предполагает, что выбранная технология не проявляет какой-либо значительной чувствительности к рабочим или механическим изменениям между калибровками. Коэффициент расходомера, определенный во время калибровки, действителен, если существует как динамическое, так и геометрическое сходство между полевой установкой и лабораторной установкой артефакта. Экспериментальный образец надлежащего производителя определяет чувствительные области для изучения, измерения и эмпирической корректировки. Рекомендуемый производителем метод корреляции является рациональной основой для прогноза производительности при условии, что физические характеристики не изменяются. Например, физика дозвукового и звукового потока различна. Чтобы удовлетворить закону подобия, концепция калибровки на месте требует геометрического и динамического сходства между откалиброванным измерителем и установленными условиями этого самого измерителя в течение всего периода коммерческого учета. Этот подход предполагает, что выбранная технология не проявляет какой-либо значительной чувствительности к рабочим или механическим изменениям между калибровками. Коэффициент счетчика, определенный во время калибровки, действителен, если в «установке полевого счетчика» существует как динамическое, так и геометрическое сходство в течение всего периода коммерческого учета.^[3]

Профиль скорости потока

Рисунок (1), показывающий типичный профиль скорости потока для измерения природного газа.

Наиболее часто используемым описанием условий потока в трубе является профиль скорости потока. На рис. (1) показан типичный профиль скорости потока для измерения природного газа.^[4] Форма профиля скорости потока определяется следующим уравнением:
${ displaystyle { frac {U_ {y}} {U_ {max}}} = left [1 - { frac {Y} {R}} right] ^ {1 / n}}$ ---- (1)

Значение n определяет форму профиля скорости потока. Уравнение (1) можно использовать для определения формы профиля потока в трубе путем подбора кривой для экспериментально измеренных данных скорости. В 1993 году скорости поперечного потока измерялись в среде природного газа под высоким давлением с использованием технологии горячей проволоки для согласования данных. Полностью разработанный профиль потока использовался в качестве эталонного состояния для калибровки измерителя и определения Коэффициент разряда (CD). За Число Рейнольдса ${ displaystyle 10 ^ {5}}$ к ${ displaystyle 10 ^ {6}}$ n примерно 7,5; для Re ${ displaystyle 10 ^ {6}}$ , n составляет приблизительно 10,0, если предполагался полностью развитый профиль гладкой трубы. Поскольку n является функцией числа Рейнольдса и коэффициент трения, более точные значения n можно оценить с помощью уравнения (2),
${ displaystyle n = { frac {1} { sqrt {f}}}.}$ ---- (2)
Где, f - коэффициент трения.^[5] Хорошая оценка полностью разработанного профиля скорости может быть использована для тех, у кого нет соответствующего оборудования для фактического измерения скоростей потока в трубе. Следующая эквивалентная длина прямой трубы в уравнении (3) была использована для обеспечения существования полностью развитого профиля потока.^[6]
${ displaystyle PipeDiameters = 4.4D left [R_ {e} right] ^ {1/6}}$ ---- (3)
В уравнении (3) требуемая длина трубы значительна, поэтому нам нужны некоторые устройства, которые могут регулировать поток на более короткой длине трубы, что позволяет измерительным приборам быть конкурентоспособными и точными. Здесь профиль скорости потока обычно трехмерный. Обычно описание не требует указания осевой ориентации, если профиль асимметричный, и если он существует, то требуется осевая ориентация относительно некоторой подходящей плоскости отсчета. Асимметрия существует после эффектов установки, таких как колена или тройники. Обычно профиль скоростного потока описывается в двух плоскостях, разнесенных на 90 °. Используя новейшие программные технологии, возможно полное описание профиля скорости в поперечном сечении трубы при условии, что дано достаточное количество точек данных.

Интенсивность турбулентности

Второе описание состояния поля потока внутри трубы - это интенсивность турбулентности. Согласно эксперименту 1994 года, ошибки измерения могут существовать даже тогда, когда профиль скорости потока полностью развит с идеальными условиями потока в трубе. Наоборот, был обнаружен нулевой замер ошибка временами, когда профиль скорости не был полностью развит. Следовательно, это поведение было отнесено к интенсивности турбулентности потока газа, которая может вызвать ошибку смещения измерения. Такое поведение частично объясняет менее чем адекватные характеристики обычного пучка труб.^[7]

Водоворот

Третье описание состояния поля течения - закрутка. Завихрение - это тангенциальная составляющая вектора скорости потока. Профиль скорости следует называть профилем осевой скорости. Поскольку вектор скорости может быть разделен на три взаимно ортогональных компонента, профиль скорости представляет только осевую составляющую скорости. рис. (2), показывающий угол закрутки, который объясняет определение закрутки потока и угла закрутки. Обратите внимание, что завихрение обычно относится к полному вращению тела (то есть, когда полный поток в трубопроводе следует одной оси завихрения). В реальных условиях трубопровода, например, после колен, могут присутствовать два или более механизма завихрения.

Воздействие на устройства измерения расхода

Состояние потока может повлиять на производительность и точность устройств, измеряющих поток.

Влияние кондиционирования потока на диафрагму

Основное уравнение массового расхода через диафрагму, предусмотренное API 14.3 и ISO 5167, имеет следующий вид:
${ displaystyle q_ {m} = (C_ {d}) (E_ {v}) (Y) left [{ frac { pi} {4}} right] (d) ^ {2} { sqrt {2 rho Delta P}}}$ ----(4)
Где, ${ displaystyle q_ {m}}$ = Массовый расход
${ displaystyle C_ {d}}$ = Коэффициент разряда
${ displaystyle E_ {v}}$ = Коэффициент скорости приближения
Y = коэффициент расширения
d = диаметр отверстия
${ displaystyle rho}$ = плотность жидкости
${ displaystyle Delta P}$ = перепад давления
Теперь, используя уравнение (4), поле потока, входящее в диафрагма не должно иметь завихрений и иметь полностью развитый профиль потока. API 14.3 (1990) и Стандарты ISO определили коэффициент расхода, выполнив многочисленные калибровочные испытания, в которых указанный массовый расход сравнивался с фактическим массовым расходом для определения коэффициента расхода. Во всех испытаниях общим требованием было наличие полностью разработанного профиля потока, входящего в диафрагму.^[8] Таким образом, точные конструкции расходомеров, соответствующие стандартам, должны гарантировать, что свободный от завихрений, полностью развитый профиль потока попадет на диафрагму. Для этого существует множество способов. Эти методы широко известны как «кондиционирование потока». Первый вариант установки - возврат к режиму отсутствия кондиционирования потока, но соответствующие длины труб должны быть обеспечены уравнением (2), упомянутым выше. Это, как правило, делает нереалистичными производственные затраты на установку для измерения расхода из-за чрезмерно длинных измерительных трубок; Представьте себе измерительные трубки длиной 75 диаметров.

Второй и наиболее известный вариант - кондиционер потока с пучком труб из 19 труб. Большинство проточных установок в Северная Америка содержат пучок труб. С помощью горячей проволоки трубка Пито и лазер - компьютеризированные измерительные системы, позволяющие детально измерять профиль скорости и интенсивность турбулентности; мы знаем, что пучок труб не обеспечивает полностью развитого потока.^[9] Следовательно, это устройство вызывает смещение измерения расхода через отверстие. В результате этих недавних открытий для измерения расхода предусмотрено несколько пучков трубок, что сокращает использование такого устройства. Доступны многочисленные справочные материалы, дающие результаты производительности, указывающие на менее чем приемлемые характеристики измерителя при использовании обычного тестового пучка из 19 трубок.^[10] Следует проанализировать отдельные результаты, чтобы выяснить такие детали, как коэффициент бета, длина измерительной трубки, Re и условия испытаний.

На рисунке (3) показаны характеристики обычного пучка труб.

Общие признаки состоят в том, что при использовании обычного трубного пучка установка с диафрагмой будет приводить к завышению значений расхода до 1,5%, когда трубный пучок составляет от 1 диаметра трубы до примерно 11 диаметров трубы от диафрагмы. Это вызвано плоским профилем скорости, который создает более высокие перепады давления, чем при полностью развитом профиле. Существует область пересечения примерно от 10 до 15 диаметров трубы, где полоса ошибок примерно равна нулю. Затем происходит небольшое занижение расхода на расстояниях примерно от 15 до 25 диаметров трубы. Это связано с пиковым профилем скорости, который создает более низкие дифференциальные давления, чем полностью развитый профиль. На расстояниях больше 25 диаметров трубы погрешность стремится к нулю. Рис. (3), показывающий характеристики обычного пучка трубок, поясняющий типичное характерное поведение популярного пучка труб из 19 труб. Дополнительным недостатком обычного пучка труб из 19 труб является различие в размерах. Обычный пучок труб дает погрешности, очень сильно зависящие от деталей установки, т. Е. Изгибов и отклонений от плоскости, тройников, клапанов и расстояний от последней установки трубы. к кондиционеру и кондиционер к диафрагме. Эти ошибки имеют большое значение. Таким образом, перед проектированием и установкой измерительной станции следует изучить последние результаты, касающиеся характеристик обычного трубного пучка. Окончательный вариант установки для измерения с диафрагмой - это кондиционеры потока с перфорированной пластиной. На рынок вышло множество перфорированных пластин. Эти устройства обычно предназначены для устранения недостатков обычного пучка труб (точность и повторяемость недостаточность). Читателю рекомендуется внимательно проверить характеристики выбранной перфорированной пластины перед установкой. Для определения производительности следует использовать руководство по тестированию производительности кондиционера потока.^[11] Ключевые элементы теста кондиционера потока:

Выполните испытание базовой калибровки с длиной входящего потока от 70 до 100 диаметров прямой измерительной трубки. Базовые значения коэффициента расхода должны находиться в пределах 95% доверительного интервала для уравнения диафрагмы RG (т. Е. Уравнения коэффициента расхода, как указано в AGA-3).
Выберите значения длины измерительной трубки выше по потоку и местоположения кондиционера потока, которые будут использоваться для оценки рабочих характеристик. Установите кондиционер потока в желаемом месте. Сначала выполните испытание для установки двух колен 90 ° вне плоскости или установки с высоким завихрением для ${ displaystyle beta}$ = 0,40 и для ${ displaystyle beta}$ = 0,67. Этот тест покажет, удаляет ли кондиционер потока завихрение из возмущенного потока. Если ${ displaystyle Delta Cd}$ находится в пределах допустимого диапазона для обоих значений ${ displaystyle beta}$ то есть 0,40 и 0,67, и если результаты Cd изменяются как ${ Displaystyle ( бета) ^ {3.5}}$ , то кондиционер удаляет завихрение. Испытания трех других установок, а именно: хорошие условия потока, частично закрытый клапан и сильно возмущенный поток) могут быть выполнены для ${ displaystyle beta}$ = 0,67, а результаты для других (i отношений, предсказанных ${ Displaystyle Delta Cd - ( бета) ^ {3.5}}$ корреляция. В противном случае испытания следует проводить для диапазона отношений p от 0,20 до 0,75.
Выполните испытание и определите характеристики стабилизатора потока для стабилизатора потока, установленного в условиях хорошего потока, после полузакрытого клапана, а также для установки с двойным коленом 90 ° вне плоскости или с высокой завихрением.

Влияние кондиционирования потока на турбинный счетчик

Турбинный счетчик доступен в различных конфигурациях производителя общей тематики; лопатки турбины и ротор настроенные устройства. Эти устройства сконструированы таким образом, что, когда через них проходит поток газа, они будут вращаться пропорционально количеству газа, проходящего через лопасти, с повторяемой повторяемостью. Затем точность обеспечивается завершением калибровки с указанием взаимосвязи между скорость вращения и объем, при различных числах Рейнольдса. Основное различие между диафрагменным расходомером и турбинным расходомером заключается в выводе уравнения потока. Расчет расхода расходомера с диафрагмой основан на основных принципах расхода жидкости ( 1-й закон термодинамики вывод по диаметру трубы и вена контракта диаметры для уравнение неразрывности ). Отклонения от теоретического ожидания можно предположить в отношении коэффициента расхода. Таким образом, можно изготавливать диафрагменный измеритель известного неуверенность имея в руках только эталон и доступ к механическому цеху. Необходимость кондиционирования потока и, следовательно, полностью развитого профиля скорости потока обусловлена первоначальным определением Cd, в котором использовались полностью разработанные или «эталонные профили», как объяснено выше.

И наоборот, работа турбинного счетчика не имеет глубоких корней в основах термодинамики. Это не означает, что турбинный счетчик в любом случае является неполноценным устройством. Существуют надежные инженерные принципы, дающие теоретическую основу. По сути, это устройство с чрезвычайно высокой повторяемостью, точность которого обеспечивается калибровкой. Калибровка обеспечивает точность. Он выполняется в хороших условиях потока (без завихрения и с равномерным профилем скорости потока), это выполняется для каждого изготовленного счетчика. Отклонения от откалиброванных условий будут считаться последствиями установки, а чувствительность турбинного счетчика к этим установочным эффектам представляет интерес. Необходимость кондиционирования потока обусловлена чувствительностью расходомера к отклонениям от откалиброванных условий завихрения и профиля скорости. Как правило, недавние исследования показывают, что турбинные расходомеры чувствительны к завихрению, но не к форме профиля скорости. Рекомендуется равномерный профиль скорости, но не указываются строгие требования к полностью разработанным профилям потока. Кроме того, при установке одно- или двухроторных турбинных расходомеров после двух смещенных от плоскости колен без устройств регулирования потока также не наблюдается значительных ошибок.^[12]^[13]

Влияние кондиционирования потока на ультразвуковой расходомер

Рисунок (5), показывающий звуковой тракт ультразвукового измерителя - отсутствие потока

Из-за относительного возраста технологии может быть полезно обсудить работу многолучевого ультразвукового измерителя, чтобы проиллюстрировать эффекты искажения профиля потока и завихрения. Существуют различные типы измерений расхода с использованием высокочастотного звука. В современных измерительных приборах для коммерческого учета используется концепция времени в пути. Разница во времени полета с потоком сравнивается со временем полета против потока. Эта разница используется для определения средней скорости потока на пути прохождения звука.^[14] Рис. (5), показывающий звуковой тракт ультразвукового измерителя без потока, который иллюстрирует эту концепцию.

Рисунок (6), показывающий путь звука ультразвукового измерителя - однородный профиль скорости

Результирующее уравнение потока для средней скорости, испытываемой звуковым трактом, имеет вид
${ displaystyle { bar {V}} _ {flow} = left [{ frac {1} {T_ {ab}}} - { frac {1} {T_ {ba}}} right] left [{ frac {Dist_ {Soundpath}} {2 cos phi}} right]}$ ----(5)
Случай отсутствия потока дает фактический путь звука при нулевом потоке (приравнивая уравнение (5) к нулю). В случае теоретического профиля потока, скажем, профиля потока с однородной скоростью, где не применяется условие прилипания на стенках трубы, на рис. (6) показан путь звука ультразвукового измерителя - однородный профиль скорости, который иллюстрирует результирующий путь звука.

Теоретический вывод уравнения средней скорости для этого звукового пути значительно усложняется. В случае идеального полностью разработанного профиля реальной скорости Ультразвукового измерителя, который показан на Рис. (7), указывающий возможный путь прохождения звука в результате установки в реальном потоке.

Рисунок (7), показывающий звуковой тракт ультразвукового измерителя - полностью развитый поток

Здесь математический вывод для этого ультразвукового измерителя также становится очень сложным. Разработка надежного алгоритма потока для расчета средней скорости потока для звукового пути может быть довольно сложной. Теперь добавьте к этому; отражение звукового пути от стенки трубы, многолучевость для добавления степеней свободы, завихрение и отклонение от осесимметричного полностью развитого профиля потока, а также проблема интеграции профиля фактического скоростного потока для получения объемного расхода могут стать достижением. Следовательно, реальная производительность ультразвуковых расходомеров ниже по потоку от возмущений, и необходимость калибровки требуется.^[15]

Влияние кондиционирования потока на расходомер Кориолиса

Измеритель Кориолиса, показанный на рис. (8), очень точен в однофазных условиях, но неточен для измерения двухфазных потоков. Это ставит сложную задачу взаимодействия конструкции жидкости в случае двухфазной работы. Существует немного доступных теоретических моделей для прогнозирования ошибок, сообщаемых измерителем Кориолиса в вышеупомянутых условиях.

Рисунок (8), показывающий измеритель Кориолиса

Кондиционеры потока не влияют на точность счетчика при использовании влажного газа из-за кольцевого режима потока, на который не сильно влияют кондиционеры потока. В однофазных условиях расходомер Кориолиса дает точные измерения даже при сильных возмущениях потока. Перед измерителем нет необходимости в кондиционировании потока, чтобы получить от него точные показания, как в других измерительных технологиях, таких как диафрагма и турбина. С другой стороны, в двухфазных потоках счетчик стабильно дает отрицательные погрешности. Использование кондиционеров потока явно влияет на показания счетчика в газированных жидкостях. Это явление можно использовать для получения достаточно точной оценки расхода в потоках жидкости с малой объемной долей газа.^[16]

Измерение расхода жидкости

Регулировка потока оказывает огромное влияние на точность турбинного счетчика жидкости, что приводит к возмущениям потока. Эти эффекты в основном вызваны засорением сеток сетчатого фильтра, для трубопроводов различной геометрии и различных типов кондиционеров потока. Эффективность кондиционеров потока может быть определена следующими двумя ключевыми измерениями:

Процентное изменение среднего коэффициента расходомера в определенном диапазоне возмущений потока для данного расхода и геометрии впускного трубопровода. Чем меньше величина процентного отклонения среднего коэффициента расходомера в диапазоне возмущений потока, тем лучше будет производительность кондиционера потока.
Повторяемость процентного коэффициента расходомера для каждого возмущения потока при заданном расходе и геометрии впускного трубопровода. Чем меньше значение повторяемости процентного коэффициента счетчика при заданном наборе условий установки / эксплуатации, тем лучше будет производительность стабилизатора потока.