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 技术论文
速度分布对超声流量计性能的影响
美 国 TERRENCE A. GRIMLEY

  摘 要:本文介绍了单路和多路式超声流量计在不同安装条件下的测试情况,其中包括流量计内管的流速分布测量和常见上游扰动形式对流量计性能的影响。测试的扰动源有单弯头、平面双弯头和非平面双弯头三种形式,其中有的扰动源下游还另配了整流器。被测的超声流量计为单路和多路式各两台两种品牌。这次测试工作是由气体研究学会(GRI)资助,并在位于西南研究院(SwRI)的GRI测量研究装置MRF上完成的。测试结果表明:在天然气计量站中,气体流量计上游的典型管路配置所产生的流速扰动,至少需要100倍管径长度的直管段才能彻底予以消除。超声流量计对流速分布发展情况的敏感程度随其类型的不同而不同。整流器虽能减小流速扰动,但并不总是有益于流量计的性能。测试结果还表明:流速扰动引起的流量计性能漂移可以通过实测的流速分布图计算出来。


一、序   言


  自从超声流量计一诞生,人们就知道流体的流速分布形态直接影响超声波束穿过流体的时间差,而波束穿越时间则是推算流量所必需的测量参数,将它的测量值与流量计的几何参数结合起来,就可以计算出对应单次波束测得的线平均流速。但流量测量需要流量计处的体平均速度。从线速度到体速度的换算方法有两种选择,一种是切实掌握流速的实际分布形态,一种是选用一路或多路通道使流速分布形态不影响流量计量。这些流速分布形态可以是事先假定的,也可以由多声路测量法实际测定。单路式超声流量计一般都是基于一种假定的流速分布形态,结果它对实际形态上的偏离很敏感;对于典型配管布置所产生的速度分布,多路式超声流量计的敏感程度较单路式要小。
  经常与其它流量计配合使用的整流器,也可以提高超声流量计的性能。整流器能够提供与流量计的要求相一致的流速分布形式和/或消除可能降低流量计性能的流速扰动(如旋涡)。
  本文阐述了常见管配件(经简化的,整流器可有可无)对流速分布产生的影响与单路和多路式超声流量计计量性能之间的关系,并通过测定流量计内管流速分布图和上游管配件对流量计测量误差的贡献大小说明了这一关系。另外,本文还提供了利用计算流体力学方法(CFD)预测超声流量计计量/工艺性能的验证资料。这种CFD模型的验证结果提高了事先预测很多管配件对超声流量计性能影响的准确性,而这些管配件在流量计的安装过程中是有可能经常遇到的。


二、测试方法


  这些测试试验是在位于西南研究院的气体研究学会所属测量研究装置上进行的。测试的管件配置形式有多种,测试样机有4台,单路和多路式超声流量计各2台,它们均是可以直接用于贸易交接的8 in超声流量计,而且均由制造商无偿提供给本次试验。具体的测试工作是在以经过称重罐标定的临界流喷嘴为基准的GRI-MRF高压回路(HPL)上进行的。测试方法在过去已做过介绍(参见Grimley和Bowles的1997年文献)。另外在这些测试试验中,有的管配组件还包括了整流器。
  流速分布图是采用专为流速分布测量而设计的直筒测量管测定的,它取代被测流量计,并经过精心安装和调试,以确保流速测量点的准确定位。安装在测量管外的探头自动运动系统可以在测量管圆周方向的四个测量位置上使用,因此可以探测到测量管直径方向上的任意一点上的流速。
  对于各速度分布截面,动压测量采用45o增量,沿管径7.981 in方向上采用0.25 in的步长。测量用的压力传感器是联合传感器(United Sensor)制造的3孔"W-探头"。"W-探头"配置的中心孔可以测定综合动压,并用于计算局部流速。旋转探头直至两端开口上的压力平衡,探头的旋转角度则可用于测量周向流动的角度。通过基于步进电机的运动控制系统和基于PC机的数据采集系统,可以测量并控制探头的位移量、旋转量和压力值。
  为保证流速分布测量点上的流速测量与MRF临界流喷嘴的基准流速的测量同步,流速分布测量的数据采集系统也由MRF数据采集系统控制。同基准流速的计算方法一样,平均流速也用于每个流速分布点的测量值的修正。


图l 上游管路配置的测试形式
a)单弯头 b)平面双弯头 c)非平面双弯头

  测试选用的三种管线配置如图1所示。对于同平面双弯头的情况(见图1b),弯头间距为10D(D=公称管径=8 in),但对带长径弯头的颈焊法兰还需另加1.4D,这样总的间距为11.4D。对于不同平面双弯头的情况,弯头的间距为1.4D。如工艺管配包含一个标准19管束或GFCTM整流器,则整流器的安装应使其出口与相邻扰动弯头的法兰出口间距保持5D。这一安装尺寸只是A.G.A第7号报告(对涡轮)的推荐值,GFCTM的制造商则不推荐它,而是建议整流器与扰动件的安装间距再另加2D。但按照VORTABTM整流器产品的安装使用说明书要求,它的整流器入口则可以直接安装在相邻弯头的出口上。
  被测流量计的超声波声路配置情况如图2所示。图中还给出了上游传感器到下游传感器的超声波束的传播方向。对于流量计M3,其波束与流速中心轴的夹角为45o。而对于其它的被测流量计,其夹角均为60o


图2 被测流量计的声路配置

三、推   论


  为提高试验数据的利用率,扩大试验效果,特别开发了对流速分布测量结果进行内插的程序,可以得到每台流量计特定超声波声路上的流速。同超声流量计传感器对的测量过程一样,流速分布的测试程序对实测的流速向量和声路向量沿超声波测量路径也进行了点积积分,对获得的单路波速在经过体平均速度修正后才作为单路响应系数。应该认识到:由于上述测试只是在流速分布图中有限点上的取样测试,而且所使用的探头仅检测了两个流速分量,因此这种方法也是有局限性的。
  一般来说,计算出相对于被测速度分布的总的仪表响应值是有可能的,但对于流量计Ml则不可能,因为它是采用专利算法将三个声路测量结果合起来求出总流量的。据推测,该算法综合了基于雷诺数的单路流速分布修正和利用由各路推出的流速分布形态及其加权系数的单路综合算法。而流量计M2和M4则是采用经过流速分布修正系数修正的雷诺数,将它们的单路测量结果转换成体积流量。由于流速分布测量数据是在单一的雷诺数条件下取得的,所以在求解单路式超声流量计相对于97D基线处测量结果的误差变化时无需知道修正公式。流量计M3则是采用加权求和的多路流速综合算法求解总流量。在该算法中,声路1和4的加权系数等于常数0.1382,声路2和3的加权系数等于常数0.3618。
  被测流量计的计算误差是根据下列标称流速下的平均测量误差求得的,其标称流速为:11、22、33、45、56和67ft/s。每个流速测量误差的计算均包括6次重复测量数据。同计算误差一样,被测流量计的测量误差也是指相对于97D基准配置的平均误差而言的。在使用一般配置的误差时允许对流量计的测量误差和计算误差进行比较。

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