Como pioneiros nomedidor de vazão ultrassônico para gás naturalindústria de medição, nos últimos cinco anos descobrimos que, com a expansão contínua das redes urbanas de gasodutos e a melhoria contínua dos requisitos de precisão da medição de gás, os medidores mecânicos de gás tradicionais expuseram gradualmente problemas como desgaste severo, taxa de abertura limitada e baixa adaptabilidade às condições de operação do gás durante a operação-de longo prazo. Esses problemas dificultam o atendimento aos requisitos modernos de medição de gás para alta precisão, inteligência e longa vida útil. Os medidores ultrassônicos de vazão de gás natural, devido às vantagens de não terem partes móveis mecânicas, grande taxa de abertura, baixa perda de pressão e facilidade de digitalização e comunicação remota, tornaram-se gradualmente uma escolha importante no campo da medição de vazão de gás. É essencial que o pessoal de compras compreenda o conteúdo a seguir antes de tomar decisões.
Pesquisa de distribuição de velocidade de fluxo
Como a distribuição da velocidade do fluxo do fluido dentro da tubulação afeta diretamente o caminho de propagação dos sinais ultrassônicos, a distribuição não{0}}uniforme da velocidade do fluxo fará com que os sinais ultrassônicos sejam espalhados e atenuados em vários graus durante a propagação na tubulação, resultando em fenômenos como baixa relação sinal-para-ruído dos sinais de eco recebidos e severa atenuação de amplitude. Portanto, garantir a distribuição uniforme da velocidade do fluxo de gás dentro da tubulação é um pré-requisito para atingir os requisitos de precisão de medição demedidores de fluxo de gás ultrassônicos.
Em circunstâncias normais, o fluxo de fluido afetado por forças viscosas pode produzir dois regimes básicos de fluxo (fluxo laminar e fluxo turbulento), que também estão relacionados a fatores como regime de fluxo e viscosidade cinemática do fluido, características do fluido e parâmetros da tubulação. Esses dois regimes de fluxo são comumente distinguidos pelo número de Reynolds (Re).
Quando Re menor ou igual a 2300, o fluido está em um estado de fluxo laminar. Neste momento, a influência da força viscosa nas partículas do fluido é maior do que a força inercial, o regime de fluxo é relativamente estável, sem fenômenos turbulentos, mas existem apenas componentes de velocidade axial. A distribuição de velocidade é uniforme, apresentando formato parabólico. A velocidade do fluxo é menor perto da parede circular do tubo e aumenta gradualmente em direção ao centro da tubulação, com o perfil de velocidade mostrado na Figura 3.29.
A velocidade do fluxo em cada ponto do tubo circular está relacionada apenas à distância r desse ponto ao eixo do gasoduto, e sua lei de distribuição de velocidade pode ser expressa como:
Onde: vr é a velocidade do fluxo na distância r do eixo da tubulação; v_m é a velocidade do fluxo no eixo do pipeline, que é a velocidade máxima do fluxo em toda a seção-transversal; R é o raio do gasoduto.
A relação entre a velocidade média da linha-e a velocidade média-da área pode ser expressa respectivamente usando vm como:
Resolvendo as equações (3.16) e (3.17) simultaneamente, o coeficiente de correção de Reynolds pode ser obtido e expresso como:
Quando Re maior ou igual a 4000, o fluido está em estado turbulento. Neste momento, a influência da força inercial nas partículas de fluido é mais significativa, o regime de fluxo é relativamente caótico, os componentes de velocidade axial e longitudinal existem simultaneamente, a distribuição de velocidade não é -uniforme, a resistência turbulenta aumenta e o perfil de velocidade é mostrado na Figura 3.30.
Como o processo de propagação do fluxo turbulento carece de teoria relevante e métodos analíticos específicos, para avançar ainda mais a pesquisa, os engenheiros geralmente usam séries de potências para calcular aproximadamente a distribuição de velocidade em tubos circulares sob condições turbulentas, que pode ser expressa como:
Onde: o valor de n está relacionado à rugosidade superficial do duto e ao número de Reynolds. Sob condições ideais onde a parede interna da tubulação é lisa, a relação entre n e Re pode ser expressa pela fórmula de Prandtl como:
Ou seja, quando o número de Reynolds é conhecido, o valor de n pode ser calculado, determinando assim a curva de distribuição de velocidades turbulentas mostrada na Figura 3.30. A relação entre a velocidade média da linha-e a velocidade média-da área pode ser expressa respectivamente usando v_m como:
Resolvendo as equações (3.21) e (3.22) simultaneamente, a relação entre o coeficiente de correção de Reynolds en pode ser obtida como:
Em uma tubulação turbulenta totalmente desenvolvida, a relação entre o coeficiente de correção de Reynolds e Re pode ser expressa como:
Considerações Práticas de Engenharia
As fórmulas acima são todas baseadas em discussões conduzidas sob condições sem outros fatores de interferência e comprimentos de tubos retos suficientes antes e depois da tubulação de medição. No entanto, em aplicações reais de engenharia, fatores como método de instalação do transdutor, válvulas a montante e curvas antes e depois da tubulação de medição causarão desvios na distribuição interna da velocidade do fluxo, dificultando a aplicação em processos de medição reais. Portanto, a pesquisa sobre a distribuição uniforme da velocidade do fluxo dentro do canal de fluxo é extremamente importante.
Projeto estrutural do medidor de vazão ultrassônico de gás natural
Um medidor ultrassônico de vazão de gás natural é um dispositivo que usa tecnologia ultrassônica para medir o fluxo de gás. Seu projeto estrutural e pesquisa de simulação envolvem múltiplos aspectos, como projeto de sensores, dinâmica de fluidos e propagação acústica. Um completomedidor de fluxo ultrassônico de gásinclui canais de fluxo, transdutores e circuitos de medição. Este sistema realiza circuitos de medição e projetos de programas com base em canais de fluxo e transdutores existentes.
Projeto e instalação do transdutor
Os medidores ultrassônicos de vazão de gás natural normalmente possuem dois transdutores: um transmissor e um receptor. As considerações de projeto incluem a frequência, a potência e a faixa de temperatura operacional do transdutor para se adaptar às diferentes características do gás. A posição de instalação dos transdutores tem um impacto importante nos resultados da medição. Normalmente, os transmissores e receptores devem ser dispostos simetricamente em diferentes posições na tubulação para garantir que o caminho de propagação dos sinais ultrassônicos permaneça o mais uniforme possível.
Projeto de canal de fluido
Ao projetar o canal de fluido do medidor de gás, é necessário conhecer o diâmetro interno da tubulação para corresponder à faixa de fluxo de gás. A superfície interna da tubulação deve ser lisa para reduzir a interferência com o fluxo do fluido. Também é necessário projetar dispositivos de regulação de fluxo para garantir que a velocidade do fluido esteja dentro da faixa mensurável, evitando o impacto da velocidade de fluxo excessivamente rápida ou lenta na medição.
Invólucro externo e fixação
Considerando a complexidade do ambiente de trabalho, a seleção de materiais do revestimento externo concentra-se na escolha de materiais-resistentes à corrosão e a altas-temperaturas-, como aço inoxidável ou plásticos de engenharia, que podem proteger com eficácia os componentes eletrônicos internos e os transdutores. Ao mesmo tempo, um mecanismo de fixação confiável deve ser projetado para garantir a estabilidade do medidor de gás sob condições de trabalho de alta-pressão. O dispositivo de fixação deve considerar o espaço de instalação e as condições ambientais da tubulação.
Processamento Elétrico e de Sinais
Em termos de processamento elétrico e de sinais, projetar um sistema de conexão elétrica eficiente é igualmente crucial para garantir transmissão e processamento estáveis de sinais, incluindo a recepção, processamento e cálculo de sinais ultrassônicos. Para converter a diferença de tempo de propagação ultrassônica em dados de fluxo, algoritmos correspondentes devem ser projetados separadamente.
Fatores de precisão de medição
A precisão da medição dos medidores ultrassônicos de vazão de gás natural também está relacionada a vários fatores, como qualidade do sensor, temperatura ambiente, velocidade do fluxo do gás, composição do gás e pressão. Entre eles, a precisão da medição dos medidores ultrassônicos de vazão de gás natural tem uma forte correlação com a distribuição da velocidade do fluxo, exigindo que a distribuição do fluido no pipeline de medição possa refletir adequadamente a velocidade do fluxo através da seção transversal-do canal de fluxo.
Principais considerações de design
Além disso, os seguintes fatores devem ser considerados no projeto estrutural dos canais de vazão do medidor de vazão ultrassônico de gás natural:
(1) Atenuação da amplitude do sinal ultrassônico no canal de fluxo durante mudanças na velocidade do fluxo; (2) Os sinais ultrassônicos devem ser afetados tão significativamente quanto possível pelas mudanças na velocidade do fluxo do fluido para melhorar a resolução da medição do sistema; (3) A velocidade instantânea do fluxo do fluido que passa pelo pipeline de medição deve atender aos-requisitos de medição de faixa completa do sistema.
Combinando os fatores acima, o modelo de canal de fluxo do medidor de vazão de gás natural ultrassônico projetado foi projetado e modelado usando o software SpaceClaim, com o modelo mostrado na Figura 3.31.
Figura 3.31
O projeto do canal de vazão do medidor de gás consiste em duas partes: a parte de conexão ao gasoduto adota um tubo circular, com dimensões idênticas às dos medidores de gás diafragma. Considerando o efeito de reflexão dos sinais ultrassônicos e a implementação da correção da distribuição da velocidade do fluxo, a parte de medição da velocidade do fluxo adota uma estrutura de canal de fluxo retangular, com três palhetas de endireitamento de fluxo instaladas em seu interior. As palhetas de endireitamento são benéficas para a distribuição uniforme da velocidade do fluxo de fluido. Ao mesmo tempo, a redução no diâmetro interno do canal de fluxo retangular significa que sob as mesmas condições de velocidade de fluxo de entrada, a velocidade instantânea do fluxo no canal de fluxo retangular torna-se mais rápida, a diferença de tempo de trânsito aumenta, o que pode melhorar a resolução da medição de vazão do medidor ultrassônico de vazão de gás natural. Em relação ao método de instalação de transdutores piezoelétricos, para garantir a precisão da medição em pequenos pontos de vazão do medidor ultrassônico de vazão de gás natural, o comprimento do caminho de propagação precisa ser estendido. No entanto, o aumento no comprimento do caminho causará perda de energia durante a propagação do sinal, exigindo um equilíbrio entre a precisão da medição do sistema e o grau de atenuação do sinal em dois aspectos. É adotada uma estrutura de instalação em formato AV-, com os dois transdutores simétricos em relação à linha central longitudinal das palhetas de endireitamento.
Geração e qualidade de malha
Antes de conduzir a simulação de dinâmica de fluidos, as operações de pré-processamento são realizadas no modelo de canal de fluxo do medidor de vazão de gás natural ultrassônico. Após completar o reparo e simplificação do modelo para obtenção de um sólido, a região fluida interna do modelo é extraída e a malha é dividida. A qualidade da divisão da malha determina diretamente a confiabilidade e estabilidade dos resultados de simulação subsequentes. O fluxo de trabalho Fluent watertight pode ser usado para executar o processo acima, definindo a faixa de tamanho de geração de malha de superfície para 0,1-4 mm, usando 2 camadas de preenchimento de lacunas, aplicando detecção de proximidade a limites sólidos. A assimetria máxima da malha de superfície dividida é 0,69, indicando boa qualidade da malha. Com base nisso, a malha de volume de preenchimento hexaédrico-poliédrica é usada, camadas limites são adicionadas à região de fluido e a qualidade ortogonal final da malha de volume atinge 0,15. Combinado com experimentos de independência de malha, a contagem de malhas do modelo é determinada em cerca de 1,2 milhão. A distribuição da malha volumétrica é mostrada na Figura 3.32.
Figura 3.32
