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Effects of Solar Radiation on the Flow Field Correction Coefficient of the Ultrasonic Flowmeter for Natural Gas
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摘要: 2021年我国天然气消耗量为三千多亿立方，天然气测量的微小差异就会对经济效益产生巨大的影响，而目前市场上所使用的天然气流量计的可靠性却较差。天然气超声波流量计是应用最为广泛的非接触式天然气流量计量设备，其计量精度受到诸多因素的影响。基于ANSYS计算仿真平台，根据西安市地理位置及季节性特点，建立DN300管道的四声道超声波流量计数值模型，对天然气输运环境中的太阳辐射因素进行耦合研究。天然气超声波流量计的时差法计量原理是通过超声波顺逆流时间差来计量管道流体流量，其中流量修正系数是超声波流量计计量的关键参数，其定义是声道线平均速度与管道截面平均速度的比值。通过仿真结果分析得出以下结论：随着太阳辐射能变化，流场修正系数相对误差变化较小；考虑太阳辐射耦合进气速度时，对比有太阳辐射时的流场修正系数与不考虑辐射时的流场修正系数，冬季时的相对误差范围是0.005%～0.091%，夏季的相对误差范围是0.048%～0.27%。夏季的变化幅度较冬季明显，为提高超声波流量计计量精度，可以在夏季温度较高的中午对超声流量计仪表进行二次修正。Abstract: In 2021, China’s consumption of natural gas exceeded 300 billion cubic meters. Even slight measurement discrepancies in such volumes can result in significant economic impacts, and yet, the reliability of currently utilized natural gas flowmeters in the market leaves much to be desired. The ultrasonic flowmeter for natural gas, a non-contact flow measurement device, is widely used but its measurement accuracy is affected by numerous factors. Using the ANSYS simulation platform and considering the geographical location and seasonal characteristics of Xi'an, a numerical model of a DN300 pipeline's four-path ultrasonic flowmeter was established to study the coupling effects of solar radiation factors within the natural gas transmission environment. The time-difference method of the ultrasonic flowmeter for natural gas measures pipeline fluid flow by utilizing the difference in ultrasonic wave transit time. The flow correction coefficient, a key parameter in the metering of the ultrasonic flowmeter, is defined as the ratio of the path-line average speed to the cross-sectional average speed of the pipeline. Simulation results reveal that with changes in solar radiation energy, the relative error of the flow field correction coefficient experiences only slight changes. When the solar radiation coupled air velocity is considered, the relative error range of the flow field correction coefficient with solar radiation in winter is between 0.005% and 0.091%, and in summer it's between 0.048% and 0.27%. The magnitude of change in summer is noticeably greater than in winter. To improve the measurement accuracy of the ultrasonic flowmeter, a secondary correction of the ultrasonic flowmeter device can be carried out at noon during the hotter summer days.
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图 1 丹尼尔四声道超声波流量计声道分布
Figure 1. Channel distribution of a Daniel four-channel ultrasonic flowmeter
图 5 测量位径向流体温度分布
Figure 5. Radial fluid temperature distribution at measurement position
图 6 不同进气温度下流场修正系数对比
Figure 6. Comparison of flow field correction coefficient at different inlet temperatures
图 7 测量位径向流体温度分布
Figure 7. Radial fluid temperature distribution at measurement position
图 10 测量位径向流体温度分布
Figure 10. Radial fluid temperature distribution at measurement position
图 11 测量位径向流体温度差
Figure 11. Radial fluid temperature difference at measurement position
表 1 Gauss-Jacobi数值积分方法
Table 1. Gauss-Jacobi numerical integration method
声道数 声道布置 加权系数 4 ±0.309
±0.8090.1382
0.3618
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表 2 夏季流场修正系数变化百分比
Table 2. Percentage change in the summer flow field correction coefficient
进气速度（m/s） 5 10 15 20 25 30 声道温差变化（夏）/℃ 0.348 0.284 0.236 0.205 0.185 0.166 声道温差变化（冬）/℃ 0.608 0.435 0.343 0.283 0.242 0.212 模拟值k（夏） 1.101 1.074 1.070 1.066 1.060 1.0525 模拟值k（冬） 1.099 1.0725 1.0683 1.0652 1.0591 1.0502 无辐射时k 1.098 1.072 1.068 1.065 1.059 1.052 相对误差（夏） 0.27% 0.19% 0.19% 0.14% 0.094% 0.048% 相对误差（冬） 0.091% 0.047% 0.028% 0.019% 0.009% 0.005%
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表 3 夏、冬季各时间段太阳辐射照度
Table 3. Solar irradiance during different periods in summer and winter
时间 8:00 10:00 12:00 13:00 14:00 16:00 外界辐射温度（夏） 28℃ 35℃ 40℃ 45℃ 45℃ 38℃ 太阳直射的辐射照度（W/m2） 685.17 836.28 879.80 883.46 877.13 825.32 太阳扩散的辐射照度（W/m2） 109.55 106.12 80.85 75.36 83.92 108.80 太阳漫反射的辐射照度（W/m2） 91.81 112.06 117.89 118.38 117.54 110.59 地面反射的辐射照度（W/m2） 39.56 76.36 96.70 98.80 95.21 72.29 外界辐射温度（冬） −5℃ −1℃ 3℃ 8℃ 5℃ −3℃ 太阳直射的辐射照度（W/m2） 2.71 821.67 943.19 950.62 933.32 762.26 太阳扩散的辐射照度（W/m2） 0.20 57.80 61.59 61.55 61.58 54.45 太阳漫反射的辐射照度（W/m2） 0.16 46.84 53.76 54.19 53.20 43.45 地面反射的辐射照度（W/m2） 0.02 33.43 55.36 57.32 52.91 26.85
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表 4 夏季、冬季各时间点超声波流量计流场修正系数
Table 4. Flow field correction coefficient of ultrasonic flowmeter at different times in summer and winter
时间 8:00 10:00 12:00 13:00 14:00 16:00 无辐射 模拟值k（夏） 1.073 1.0731 1.0731 1.0733 1.0734 1.0728 1.072 相对误差 0.093% 0.10% 0.10% 0.11% 0.12% 0.075% － 模拟值k（冬） 1.041 1.0411 1.0405 1.0402 1.0409 1.0412 1.039 相对误差 0.019% 0.020% 0.014% 0.012% 0.018% 0.021% －
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