LNG加氣機檢定裝置流量計性能分析

杜衛(wèi)鋒 余 波 熊茂濤 趙普俊 蘇保華

(1西華大學能環(huán)學院 成都 610039)

(2中國測試技術研究院 成都 610021)

LNG加氣機檢定裝置流量計性能分析

杜衛(wèi)鋒1余 波1熊茂濤2趙普俊2蘇保華1

(1西華大學能環(huán)學院 成都 610039)

(2中國測試技術研究院 成都 610021)

為了找出影響液化天然氣(LNG)加氣機檢定裝置的主標準器——質量流量計的測量準確度的主要因素，為進一步提高檢定裝置的計量性能提供理論依據(jù)，通過CFD軟件對流量計測量管內流場進行數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬計算，得出不同工況條件下流量計內部流場的分布情況，通過分析流量計的工作壓力、質量流量和溫度等參數(shù)對流量計準確度的影響，提出提高流量計的計量性能的辦法。

流量計 CFD 數(shù)值模擬 測量管 準確度

1 引言

LNG(液化天然氣)加氣機是將LNG由加氣站傳輸?shù)絃NG汽車儲氣瓶的超低溫計量裝置。LNG加氣機在使用過程中，LNG液體一般為 -120℃—-160℃，加氣管內外溫差大，常導致計量不準確，并引起貿易糾紛，故需要對加氣機定期進行檢定。采用標準表原理的LNG加氣機檢定裝置，可以消除質量法中電子天平的準確度容易受環(huán)境影響大和LNG回收困難等不利因素［1］。流量計作為檢定裝置的核心部件，其測量的準確性是保證檢定裝置可靠工作的關鍵。本文借助CFD軟件對流量計測量管內流場進行數(shù)值模擬分析，找出影響流量計測量準確性的主要因素。

2 流量計的結構形式和工作原理

2.1 流量計結構形式

LNG加氣機檢定裝置采用科里奧利質量流量計。科里奧利質量流量計由分流管、保護管、集流管和測量管構成。流體進入流量計后，經分流管分成二路進入并聯(lián)的兩根測量管，然后經與分流管形狀相同的集流管進入下游管道。流量計和測量管如圖1所示，

圖1 流量計結構Fig.1 Flowmeter structure

2.2 流量計工作原理

根據(jù)科式力的定義，當測量管以一定的方向ω振動，流體以速度V在管內流動時，將產生與流體質量流量Qm成正比的科式力F，即:

式中:m為測量管內流體質量;l為測量管的長度。

在科式力的作用下，測量管發(fā)生扭曲變型，形變量大小與測量管產生的總科式力的大小成正比，即與質量流量也成正比。通過位于流量計測量管兩側的電磁感應器，測量監(jiān)測點處管子振動的速度，得到由于管子的變形引起這兩個速度信號之間的時間差，然后把此信號送到轉換器，轉換器將信號進行處理并轉換成直接與質量流量成正比的電信號輸出。通過分析計算，質量流量與兩側的電磁感應器測出信號的時間差成正比，而與測量管振動的頻率、角速度和流體的物理參數(shù)的變化均沒有關系［2］。

3 理論分析

3.1 假設

根據(jù)流量計結構和工作環(huán)境，作如下簡化:(1)科里奧利力只作用在測量管上，故只對測量管內流場進行分析研究;(2)兩根測量管段對稱分布，可以認為二者內部流體狀態(tài)完全相同，故簡化為只分析其中一個;(3)測量管和保護殼材質均為304不銹鋼，其良好的導熱性且管壁較薄，可以近視認為測量管和保護殼內外壁均不存在溫差。

3.2 傳熱過程分析

根據(jù)對流量計結構形式的分析，流體在測量管流動過程中吸收的熱量均是保護殼通過熱輻射形式傳遞進來的，對測量管吸收的輻射熱進行分析計算［3］，設單個測量管外壁吸收的輻射熱量為Q1，即

式中:εs為保護殼內壁與測量管外壁組成的封閉區(qū)間的系統(tǒng)發(fā)射率，A1為測量管外壁總面積，T1為測量管外壁溫度，T2為保護殼內壁溫度。

顯然，測量管吸收的輻射熱，均被流體以對流換熱方式帶走，設單個測量管與其內流體對流換熱量為Q2，即:

式中:h為測量管內壁與管內流體之間的表面平均換熱系數(shù)，A3為測量管內壁表面積，Δtm為測量管內壁與管內流體之間的平均溫差，t1、t2分別為測量管進出口處流體溫度。在穩(wěn)定工況下，Q1=Q2，在保護殼溫度和測量管進口溫度已知的情況下，采用圓管內強制對流傳熱計算公式［3］，結合式(2)、(3)可以計算出測量管與管內流體之間的平均溫差，從而得到測量管出口處流體溫度和測量管內壁溫度。

4 測量管內流場數(shù)值模擬

考慮到LNG是一種可燃易爆液體，故在進行流量計性能分析實驗時，采用物理性質相近的液態(tài)氮作為工質流體進行分析。液態(tài)氮的物性參數(shù)［4］見表1。

表1 氮氣的物性參數(shù)Table 1 Characteristics of nitrogen

LNG加氣機檢定裝置在實際應用中，由工作環(huán)境的不同，而引起的流體參數(shù)變化主要是溫度、壓力、密度、速度等。對于LNG、液態(tài)氮等低溫流體來說，密度是溫度和壓力的函數(shù)，速度是質量流量和密度的函數(shù)，所以只需分析測量管流體的溫度T、進口壓力P和質量流量Qm的影響。

采用CFD軟件［5］對測量管在質量流量Qm=10、15、20、30、40、60 kg/min，流體進口溫度 T=90 K、95 K、100 K、105 K，流體進口壓力 P=0.8、1.0、1.2 MPa對應的72個工況進行模擬。根據(jù)模擬結果發(fā)現(xiàn)，各個工況流場的狀態(tài)分布相似。以Qm=20 kg/min、T=90 K，P=1 MPa時的工況為例進行分析。圖2、圖3、圖4為此工況下的模擬結果。表2為各個工況下的測量管內最低壓力。

圖2 測量管剖面壓力分布云圖Fig.2 Pressure distribution of measuring tube profile

圖3 測量管剖面速度分布云圖Fig.3 Velocity distribution of measuring tube profile

圖4 測量管剖面溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution of measuring tube profile

由圖2、圖3可以看出，測量管壓力最低點均位于彎管處，最低壓力點處流速也達到最大。

圖4可以看出，在穩(wěn)定工況下，測量管內流體最大溫差小于0.1℃，故可以認為測量管內流體溫度保持不變，等于測量管進口處溫度。

5 模擬結果分析

表2可以看出，測量管進口壓力為0.8 MPa、質量流量為10 kg/min時，流體溫度由90 K增加到105 K，測量管內壓降從0.224 kPa增加到到0.247 kPa;測量管進口壓力為0.8 MPa、流體溫度為90 K時，質量流量從10 kg/min增加到60 kg/min，測量管內壓降的從0.224 kPa增加到4.202 kPa;流量計質量流量和流體溫度不變時，改變測量管進口壓力，測量管內壓降基本不發(fā)生變化。依次分析其余的工況，可以發(fā)現(xiàn)測量管內的壓降主要是由流量計的質量流量決定，而進口壓力和溫度的影響相對較小。

由液態(tài)氮的熱力學性質［6］可知，液態(tài)氮的飽和蒸氣壓力隨著溫度升高不斷提高。當測量管內最低壓力低于其溫度對應的飽和壓力時，將發(fā)生空化［7］現(xiàn)象，測量管內流體的壓力均小于飽和壓力時，則流體的流態(tài)將轉化為汽液兩相流，無論由于空化現(xiàn)象引起的測量管的振動還是汽液兩相流的出現(xiàn)，都將嚴重降低質量流量計的測量精度［8］。測量管內流體接近出現(xiàn)空化現(xiàn)象的程度，可以通過測量管內流體的最低壓力與該工況下的飽和蒸氣壓力差ΔP來反映:ΔP＞0，測量管內流體為單相流且無空化現(xiàn)象，流量計能有很高的測量精度;ΔP=0時，空化現(xiàn)象發(fā)生，流量計的測量精度降低;當ΔP進一步減小時，將出現(xiàn)汽液兩相流，流量計將不能準確測量。由此可以看出，ΔP＞0的工況區(qū)域越大，則流量計準確測量的范圍越廣，流量計的性能越高。各個工況下的ΔP見表3。(表3中ΔP＜0的工況用紅色標記)

表2 測量管最低壓力Table 2 Measuring tube minimum pressure kPa

表3 各個工況下測量管最低壓力與飽和蒸氣壓力的差Table 3 Various conditions measuring pipe minimum pressure and saturation vapor pressure difference kPa

根據(jù)表3可以看出:(1)在測量管進口壓力和溫度不變的情況下，ΔP隨著質量流量的增加不斷變小，當質量流量由10 kg/min增加到60 kg/min時，ΔP減小了約4 kPa。(2)在測量管進口壓力和質量流量不變的情況下，△P隨著流體溫度的升高不斷減小，當流體溫度由90℃增加到105℃時，ΔP減小了約738 kPa。(3)當測量管進口溫度和質量流量不變的情況下，ΔP隨著進口壓力的增加不斷變大，當進口壓力由0.8 MPa增加到1.2 MPa時，ΔP增加了約400 kPa。由此可見，ΔP的大小主要是由流體溫度和進口壓力所決定，而質量流量的影響相對要小的多。由表3可以看出提高進口壓力、降低溫度均可以使ΔP＞0的工況區(qū)域變大，使流量計準確測量范圍變寬，達到提高流量計性能的目的。雖然理論上減小質量流量也可以使ΔP＞0的工況區(qū)域變大，但實際中流體的溫度和流量存在一定的關系，減小流量流體溫度升高，增大流量流體溫度降低，而流體的溫度是影響ΔP的主要因素，所以增大流量也可以達到提高流量計性能的目的。

6 實驗結果及分析

以氮氣為實驗工質進行實驗，實驗數(shù)據(jù)見表4。

由表4 可以看出，在實驗 1、2、3、4、5、6、7、8 中，流體溫度均等于進口壓力下的飽和溫度，即測量管內流體為汽液兩相流，ΔP＜0，流量計的測量誤差較大;在實驗9中，流體溫度小于進口壓力下的飽和溫度，即測量管內流體轉化為單相流，即ΔP＞0，流量計測量誤差很小。當質量流量為40 kg/min時，進口壓力由1.0提高到1.4 MPa時，流量計的誤差由0.66%減小到0.26%，其原因是進口壓力增加，使ΔP變大，測量管內流體含氣率變小，當ΔP增大到大于零時，流體的溫度低于其壓力對應的飽和溫度，流體流態(tài)由汽液兩相流轉化為單相流，從而進入流量計能夠準確測量工況范圍;當進口壓力為1.4 MPa，流量計的質量流量從10 kg/min增加到40 kg/min，單位質量的流體從系統(tǒng)中吸收的熱量減少，流體溫度降低，使流體溫度由110.1 K降低到106.3 K，使ΔP＞0，進入流量計能夠準確測量工況范圍。

表4 實驗測量數(shù)據(jù)Table 4 Experimental data

結合實驗結果及分析，可以看出，數(shù)值模擬的結果是可信的。

7 結論

通過數(shù)值模擬分析及實驗驗證，得到提高檢定裝置性能的方法:

(1)在流量計材料和整個檢測系統(tǒng)允許的范圍內，盡可能的提高流量計的工作壓力，可以使流量計有較寬的溫度測量范圍和流量測量范圍;

(2)在流量計工作壓力確定的情況下，應采用各種措施降低被測流體的溫度，從而保證流量計在較低的工作壓力和較寬質量流量范圍內的測量精度;

(3)在一定檢定環(huán)境下，單位時間內整個檢定系統(tǒng)從環(huán)境中吸收的熱量基本不變，流體的溫度隨著質量流量的提高而降低，由于溫度相對于質量流量對流量計的測量精度影響更大，則可以通過提高流量計流量來達到降低被測流體溫度的目的，從而保證流量計有較高的測量精度。

1 熊茂濤，趙普俊，余波，等.液化天然氣加氣機檢定裝置研制［J］.低溫工程，2011，184(6):26-31.

2 董紅超，陳良.科里奧利質量流量計原理及其應用［J］.艦船防化，2008(4):44-47.

3 章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

4 陳國邦，包銳，黃永華.低溫工程技術·數(shù)據(jù)卷［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

5 張帥帥.計算流體動力學及其應用［M］.武漢:華中科技大學出版社，2011.

6 朱明善，劉穎，林兆莊，等.工程熱力學［M］.北京:清華大學出版社，2011.

7 John E Finnemore，Joseph B Franzini.Fluid mechanics with engineering applications［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

8 胡子伯.科里奧利質量流量計的應用及性能評定［J］.計量與測試技術.2001(4):9-10.

LNG dispensers verification device flowmeter performance analysis

Du Weifeng1Yu Bo1Xiong Maotao2Zhao Pujun2Su Baohua

(1Xihua University，Chengdu 610039，China)
(2National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

In order to find out the main factors that influence the measurement accuracy of mass flowmeter，which was the main standard device of the LNG dispensers verification device，measurement pipe flow numerical simulation was made to provide a theoretical basis to further improve the performance of the test device measurement by using CFD software.Distribution was obtained by numerical simulation of flowmeter internal flow field under different working conditions.Ways to improve the flowmeter measurement performance were proposed by analyzing the impact of the flowmeter pressure，mass flow and temperature parameters on the accuracy of the flowmeter.

flowmeter;CFD;numerical simulation;measuring tube;accuracy

TB657.9、TH814.6

A

1000-6516(2012)06-0018-04

2012-09-25;

2012-12-06

教育部流體及動力機械重點實驗室(西華大學)開放基金項目(編號:szjj2011-037)。

杜衛(wèi)鋒，男，31歲，碩士研究生。