留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

日照辐射对天然气超声波流量计流场修正系数的影响

樊玉光 王引 高琳 冀雪

樊玉光,王引,高琳,等. 日照辐射对天然气超声波流量计流场修正系数的影响[J]. 计量科学与技术,2023, 67(3): 56-64, 34 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0067
引用本文: 樊玉光,王引,高琳,等. 日照辐射对天然气超声波流量计流场修正系数的影响[J]. 计量科学与技术,2023, 67(3): 56-64, 34 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0067
FAN Yuguang, WANG Yin, GAO Lin, JI Xue. Effects of Solar Radiation on the Flow Field Correction Coefficient of the Ultrasonic Flowmeter for Natural Gas[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(3): 56-64, 34. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0067
Citation: FAN Yuguang, WANG Yin, GAO Lin, JI Xue. Effects of Solar Radiation on the Flow Field Correction Coefficient of the Ultrasonic Flowmeter for Natural Gas[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(3): 56-64, 34. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0067

日照辐射对天然气超声波流量计流场修正系数的影响

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0067
基金项目: 陕西省自然科学基金项目(2022JQ-550);西安石油大学研究生创新与实践能力培养项目(YCS21112070)。
详细信息
    作者简介:

    樊玉光(1964-),西安石油大学教授,研究方向:石油化工设备腐蚀与保护等,邮箱:ygfan@xsyu.edu.cn

    通讯作者:

    王引(1997-),西安石油大学在读研究生,研究方向:设备性能与压力容器管道安全,邮箱:wyin0317@163.com

  • 中图分类号: TB937

Effects of Solar Radiation on the Flow Field Correction Coefficient of the Ultrasonic Flowmeter for Natural Gas

  • 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。
  • 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  2  模拟计算几何模型

    Figure  2.  Simulated geometric model

    图  3  网格划分示意图

    Figure  3.  Grid division diagram

    图  4  网格无关性验证结果图

    Figure  4.  Grid independence verification result

    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  8  测量位径向流体温度差

    Figure  8.  Radial fluid temperature difference at measurement position

    图  9  相对误差随速度变化趋势

    Figure  9.  Trend of relative error with change in speed

    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

    图  12  相对误差随时间变化曲线图

    Figure  12.  Time-dependent relative error change curve

    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
    ±0.809
    0.1382
    0.3618
    下载: 导出CSV

    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)51015202530
    声道温差变化(夏)/℃0.3480.2840.2360.2050.1850.166
    声道温差变化(冬)/℃0.6080.4350.3430.2830.2420.212
    模拟值k(夏)1.1011.0741.0701.0661.0601.0525
    模拟值k(冬)1.0991.07251.06831.06521.05911.0502
    无辐射时k1.0981.0721.0681.0651.0591.052
    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%
    下载: 导出CSV

    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8:0010:0012:0013:0014:0016:00
    外界辐射温度(夏)28℃35℃40℃45℃45℃38℃
    太阳直射的辐射照度(W/m2685.17836.28879.80883.46877.13825.32
    太阳扩散的辐射照度(W/m2109.55106.1280.8575.3683.92108.80
    太阳漫反射的辐射照度(W/m291.81112.06117.89118.38117.54110.59
    地面反射的辐射照度(W/m239.5676.3696.7098.8095.2172.29
    外界辐射温度(冬)−5℃−1℃3℃8℃5℃−3℃
    太阳直射的辐射照度(W/m22.71821.67943.19950.62933.32762.26
    太阳扩散的辐射照度(W/m20.2057.8061.5961.5561.5854.45
    太阳漫反射的辐射照度(W/m20.1646.8453.7654.1953.2043.45
    地面反射的辐射照度(W/m20.0233.4355.3657.3252.9126.85
    下载: 导出CSV

    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8:0010:0012:0013:0014:0016:00无辐射
    模拟值k(夏)1.0731.07311.07311.07331.07341.07281.072
    相对误差0.093%0.10%0.10%0.11%0.12%0.075%
    模拟值k(冬)1.0411.04111.04051.04021.04091.04121.039
    相对误差0.019%0.020%0.014%0.012%0.018%0.021%
    下载: 导出CSV
  • [1] 苏健, 梁英波, 丁麟, 等. 碳中和目标下我国能源发展战略探讨[J]. 中国科学院院刊, 2021, 36(9): 1001-1009.
    [2] Mousavi S F, Hashemabadi S H, Jamali J. Calculation of geometric flow profile correction factor for ultrasonic flow meter using semi-3D simulation technique[J]. Ultrasonics, 2020(106): 106165.
    [3] 裴全斌, 青青, 陈正文, 等. 天然气流量计算机计量测试评价方法探讨[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(12): 35-39.
    [4] Lynnworth L C , Liu Y . Ultasonic flowmeters: Half-century progress report 1955-2005[J]. Ultrasonics, 2007, 44 Suppl 1(C3): e1371-8.
    [5] 游赟, 李琳, 段枷亦. 节流降温对天然气大流量计量检定准确性的影响与对策[J]. 天然气工业, 2019, 39(2): 111-116.
    [6] 国家质量监督检验检疫总局. 用气体超声流量计测量天然气流量: GB/T18604-2014[S]. 北京: 中国标准出版社, 2014.
    [7] 黎荣发, 凌光盛, 赵豪, 等. 低压大流量热式气体质量流量计分流测试方法研究[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(8): 3-6,12.
    [8] 王雪峰, 唐祯安. 超声波气体流量计的管道模型仿真和误差分析[J]. 仪器仪表学报, 2009, 30(12): 2612-2618.
    [9] 孙彦招, 张涛, 郑丹丹, 等. 气体超声流量计换能器附近回流影响声束研究[J]. 仪器仪表学报, 2018, 39(4): 53-60.
    [10] 汤卓远. 多声道气体超声波流量计流场补偿关键技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2016.
    [11] 朱红钧. FLUENT 12流体分析及工程仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011.
    [12] 王辉, 刘丁发, 张强. 计量核查技术在气体超声计量系统性能评价中的应用[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(4): 68-73,77.
    [13] 杨敬杰. 超声波流量计实务[M]. 北京: 中国石油大学出版社, 2014.
    [14] 刘敦利, 蔡勤, 胡鹤鸣. 超声测流装置的实验室测试与优化[J]. 计量学报, 2021, 42(10): 1282-1287.
    [15] 吴波, 李晶晶, 李晓鹏, 等. 阀门扰流条件下外夹式与插入式多声道超声流量计性能对比[J]. 计量科学与技术, 2020(8): 34-39,33.
    [16] 唐晓宇. 多声道超声波气体流量检测技术仿真与实验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2016.
    [17] 祝飘霞. DN80四声道气体超声波流量计设计与适应性研究[D]. 江西: 东华理工大学, 2020.
    [18] 刘发展, 赵霖, 刘源, 等. 基于超声传播时间法的水轮机流量测量不确定度[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(2): 33-37,54.
    [19] 龙腾, 章贵和, 金刚, 等. 基于辐射-对流-传导热流固耦合模型的乏燃料贮运容器传热特性与优化研究[J]. 核动力工程, 2021, 42(5): 7. doi: 10.13832/j.jnpe.2021.05.0057
    [20] 刘红波, 陈志华, 周婷. 太阳辐射作用下钢管温度场分析[J]. 空间结构, 2011, 17(2): 7.
    [21] 高峰, 李虹杰, 刘文艺. 湿度对皂膜流量计计量特性的影响研究[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(8): 62-65.
    [22] 朱彤, 严磊, 吴家正, 等. 燃气管道温度场的分析与计算[J]. 煤气与热力, 2004(1): 5-8.
    [23] 董勇, 涂多运, 肖芳, 等. 太阳辐射影响下工艺管道及设备设计温度探讨[J]. 油气田地面工程, 2019, 38(2): 34-40.
    [24] 林错错, 王元清, 石永久. 露天日照条件下钢结构构件的温度场分析[J]. 钢构, 2010, 25(8): 38-43,31.
    [25] 杨汗青, 潘亚东, 吴惠芳. 天然气工程中低温钢的选用[J]. 天然气与石油, 2008(5): 22-25,72.
    [26] 王元清, 林错错, 石永久. 露天日照条件下钢结构构件温度的试验研究[J]. 建筑结构学报, 2010, 31(S1): 140-147.
    [27] 王博, 徐鑫, 陈一鸣. 基于ANSYS Workbench的天然气渐扩管冲蚀磨损仿真模拟[J]. 润滑与密封, 2019, 44(12): 86-95.
    [28] 张兆顺, 崔桂香, 许春晓, 等. 湍流理论与模拟 [M]. 第二版. 北京: 清华大学出版社, 2017.
    [29] 郑贤臣. 几种辐射模型在FLUENT中的应用[J]. 现代科技, 2009, 63(11): 1671-1689.
    [30] 严寒, 张鸿雁. 不同辐射模型在太阳辐射数值模拟中的比较[J]. 节能技术, 2015, 33(5): 42. doi: 10.3969/j.issn.1002-6339.2015.05.009
  • 加载中
图(12) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  381
  • HTML全文浏览量:  77
  • PDF下载量:  24
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-13
  • 录用日期:  2023-04-23
  • 修回日期:  2023-04-27
  • 网络出版日期:  2023-05-16
  • 刊出日期:  2023-03-18

目录

    /

    返回文章
    返回