분야의 선구자로서천연가스용 초음파 유량계지난 5년 동안 우리는 도시 가스 파이프라인 네트워크가 지속적으로 확장되고 가스 계량 정확도 요구 사항이 지속적으로 개선됨에 따라 기존 기계식 가스 계량기가 장기간 작동 중 심각한 마모, 제한된 턴다운 비율, 가스 작동 조건에 대한 적응력 부족과 같은 문제를 점차 노출하고 있음을 발견했습니다.{1}} 이러한 문제로 인해 높은 정밀도, 지능성 및 긴 서비스 수명에 대한 최신 가스 계량 요구 사항을 충족하기가 어렵습니다. 초음파 천연가스 유량계는 기계적으로 움직이는 부품이 없고, 턴다운 비율이 크며, 압력 손실이 낮고, 디지털화 및 원격 통신이 용이하다는 장점으로 인해 점차 가스 유량 측정 분야에서 중요한 선택이 되었습니다. 조달 담당자는 결정을 내리기 전에 다음 내용을 이해하는 것이 필수적입니다.
유속 분포 연구
파이프라인 내부 유체의 유속 분포는 초음파 신호의 전파 경로에 직접적인 영향을 미치기 때문에-균일하지 않은 유속 분포는 파이프라인에서 전파되는 동안 초음파 신호가 다양한 정도로 산란되고 감쇠되어 수신된 에코 신호의 신호-대-잡음 비율이 낮고 진폭 감쇠가 심한 현상이 발생합니다. 따라서 파이프라인 내부의 균일한 가스 유속 분포를 보장하는 것은 측정 정확도 요구 사항을 달성하기 위한 전제 조건입니다.초음파 가스 유량계.
정상적인 상황에서 점성력의 영향을 받는 유체 흐름은 두 가지 기본 흐름 방식(층류 및 난류)을 생성할 수 있으며 이는 흐름 방식 및 유체 운동학적 점도, 유체 특성 및 파이프라인 매개변수와 같은 요소와도 관련됩니다. 이 두 흐름 체계는 일반적으로 레이놀즈 수(Re)로 구별됩니다.
Re가 2300보다 작거나 같으면 유체는 층류 상태에 있습니다. 이때 유체 입자에 대한 점성력의 영향은 관성력보다 크고, 유동 체제는 난류 현상 없이 상대적으로 안정적이지만 축 속도 성분만 존재합니다. 속도 분포는 균일하며 포물선 모양을 나타냅니다. 유속은 원형 파이프 벽 근처에서 더 작으며 그림 3.29에 표시된 속도 프로파일과 함께 파이프라인 중심을 향해 점차 증가합니다.
원형 파이프의 각 지점에서의 유속은 해당 지점에서 파이프라인 축까지의 거리 r에만 관련되며 속도 분포 법칙은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
여기서: vr은 파이프라인 축으로부터 거리 r에서의 유속입니다. v_m은 파이프라인 축의 유속이며, 이는 전체 단면에 걸친 최대 유속입니다-. R은 파이프라인 반경입니다.
선-평균 속도와 면적-평균 속도 사이의 관계는 vm을 사용하여 각각 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
방정식 (3.16)과 (3.17)을 동시에 풀면 레이놀즈 보정 계수를 얻을 수 있으며 다음과 같이 표현됩니다.
Re가 4000보다 크거나 같으면 유체는 난류 상태에 있습니다. 이때, 유체 입자에 대한 관성력의 영향이 더 크고, 유동 형태가 상대적으로 혼란스럽고, 축방향 및 종방향 속도 성분이 동시에 존재하며, 속도 분포가 불균일-하고, 난류 저항이 증가하며, 속도 분포가 그림 3.30에 나와 있습니다.
난류의 전파 과정에는 관련 이론과 특정 분석 방법이 부족하기 때문에 연구를 더욱 발전시키기 위해 엔지니어는 일반적으로 전력 계열을 사용하여 난류 조건에서 원형 파이프의 속도 분포를 대략적으로 계산합니다. 이는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
여기서: n 값은 파이프라인 표면 거칠기 및 레이놀즈 수와 관련이 있습니다. 파이프라인의 내벽이 매끄러운 이상적인 조건에서 n과 Re 사이의 관계는 Prandtl의 공식으로 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
즉, 레이놀즈 수를 알면 n 값을 계산할 수 있으며 이를 통해 그림 3.30에 표시된 난류 속도 분포 곡선을 결정할 수 있습니다. 선-평균 속도와 면적-평균 속도 사이의 관계는 v_m을 사용하여 각각 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
방정식 (3.21)과 (3.22)을 동시에 풀면 레이놀즈 보정 계수와 n 사이의 관계를 다음과 같이 얻을 수 있습니다.
완전히 발달된 난류 파이프라인에서 레이놀즈 보정 계수와 Re 사이의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
실제 엔지니어링 고려 사항
위의 공식은 모두 다른 간섭 요인이 없고 측정 파이프라인 전후에 충분한 직관 길이가 있는 조건에서 수행된 논의를 기반으로 합니다. 그러나 실제 엔지니어링 적용에서는 변환기 설치 방법, 업스트림 밸브, 측정 파이프라인 전후 굴곡과 같은 요소로 인해 내부 유속 분포에 편차가 발생하므로 실제 측정 프로세스에 적용하기가 어렵습니다. 따라서 유로 내부의 균일한 유속 분포에 대한 연구는 매우 중요합니다.
초음파 천연 가스 유량계 구조 설계
초음파 천연가스 유량계는 초음파 기술을 사용하여 가스 흐름을 측정하는 장치입니다. 구조 설계 및 시뮬레이션 연구에는 센서 설계, 유체 역학 및 음향 전파와 같은 여러 측면이 포함됩니다. 완전한가스 초음파 유량계흐름 채널, 변환기 및 측정 회로가 포함됩니다. 이 시스템은 기존 유량 채널 및 변환기를 기반으로 측정 회로 및 프로그램 설계를 수행합니다.
변환기 설계 및 설치
초음파 천연 가스 유량계에는 일반적으로 송신기와 수신기라는 두 개의 변환기가 있습니다. 설계 고려 사항에는 다양한 가스 특성에 적응하기 위한 변환기의 주파수, 전력 및 작동 온도 범위가 포함됩니다. 변환기의 설치 위치는 측정 결과에 중요한 영향을 미칩니다. 일반적으로 송신기와 수신기는 초음파 신호의 전파 경로가 최대한 균일하게 유지되도록 파이프라인의 서로 다른 위치에 대칭적으로 배열되어야 합니다.
유체 채널 설계
가스 계량기의 유체 채널을 설계할 때 가스 유량 범위에 맞게 파이프라인 내부 직경을 알아야 합니다. 파이프라인의 내부 표면은 유체 흐름에 대한 간섭을 줄이기 위해 매끄러워야 합니다. 또한 유속이 측정 가능한 범위 내에 있도록 보장하고 지나치게 빠르거나 느린 유속이 측정에 미치는 영향을 피하도록 유속 조절 장치를 설계하는 것도 필요합니다.
외부 케이싱 및 고정
작업 환경의 복잡성을 고려하여 외부 케이싱 재료 선택은 내부 전자 부품과 변환기를 효과적으로 보호할 수 있는 스테인레스 스틸 또는 엔지니어링 플라스틱과 같은 내부식성 -내식성 및 고온{1}}내열성- 재료 선택에 중점을 둡니다. 동시에 고압 작동 조건에서 가스 계량기의 안정성을 보장할 수 있는 안정적인 고정 메커니즘을 설계해야 합니다.- 고정 장치는 배관의 설치 공간과 환경 조건을 고려해야 합니다.
전기 및 신호 처리
전기 및 신호 처리 측면에서 효율적인 전기 연결 시스템을 설계하는 것은 초음파 신호의 수신, 처리 및 계산을 포함하여 안정적인 신호 전송 및 처리를 보장하는 데에도 마찬가지로 중요합니다. 초음파 전파 시간차를 흐름 데이터로 변환하려면 해당 알고리즘을 별도로 설계해야 합니다.
측정 정확도 요소
초음파 천연가스 유량계의 측정 정확도는 센서 품질, 주변 온도, 가스 유속, 가스 구성 및 압력과 같은 여러 요소와도 관련이 있습니다. 그중에서도 초음파 천연가스 유량계의 측정 정확도는 유속 분포와 강한 상관관계가 있으므로 측정 파이프라인의 유체 분포가 유동 채널 단면-에 걸쳐 유속을 적절하게 반영할 수 있어야 합니다.
주요 설계 고려 사항
또한 초음파 천연가스 유량계 유량 채널의 구조 설계에서는 다음 요소를 고려해야 합니다.
(1) 유속 변화 동안 유동 채널의 초음파 신호 진폭 감쇠; (2) 초음파 신호는 시스템 측정 분해능을 향상시키기 위해 유체 유속 변화에 의해 가능한 한 크게 영향을 받아야 합니다. (3) 측정 파이프라인을 통과하는 유체의 순간 유속은 시스템의 전체{3}}측정 요구 사항을 충족해야 합니다.
위의 요소를 결합하여 설계된 초음파 천연 가스 유량계 흐름 채널 모델은 그림 3.31에 표시된 모델과 함께 SpaceClaim 소프트웨어를 사용하여 설계 및 모델링되었습니다.
그림 3.31
가스 계량기 흐름 채널 설계는 두 부분으로 구성됩니다. 가스 파이프라인에 연결되는 부분은 다이어프램 가스 계량기와 동일한 치수의 원형 파이프를 채택합니다. 초음파 신호의 반사 효과와 유속 분포 보정 구현을 고려하여 유속 측정 부분은 내부에 3개의 흐름 직선화 날개가 설치된 직사각형 흐름 채널 구조를 채택합니다. 직선화 베인은 유체 흐름 속도를 균일하게 분배하는 데 유용합니다. 동시에 직사각형 유동 채널의 내경이 감소한다는 것은 동일한 입구 유속 조건에서 직사각형 유동 채널의 순간 유속이 더 빨라지고 통과 시간 차이가 증가하여 초음파 천연 가스 유량계의 유량 측정 분해능을 향상시킬 수 있음을 의미합니다. 압전 변환기의 설치 방법과 관련하여 초음파 천연 가스 유량계의 작은 흐름 지점에서 측정 정확도를 보장하려면 전파 경로 길이를 확장해야 합니다. 그러나 경로 길이가 증가하면 신호 전파 중에 에너지 손실이 발생하므로 두 가지 측면에서 시스템 측정 정확도와 신호 감쇠 정도 간의 균형이 필요합니다. AV- 모양의 설치 구조가 채택되었으며 두 개의 변환기가 직선화 베인의 세로 중심선에 대해 대칭입니다.
메시 생성 및 품질
유체 역학 시뮬레이션을 수행하기 전에 초음파 천연 가스 유량계 유량 채널 모델에 대한 전처리 작업이 수행됩니다. 솔리드를 얻기 위해 모델 수리 및 단순화를 마친 후 모델의 내부 유체 영역을 추출하고 메쉬를 분할합니다. 메쉬 분할의 품질은 후속 시뮬레이션 결과의 신뢰성과 안정성을 직접적으로 결정합니다. Fluent 방수 워크플로를 사용하여 표면 메쉬 생성 크기 범위를 0.1-4mm로 설정하고 2개의 간격 채우기 레이어를 사용하고 견고한 경계에 근접 감지를 적용하여 위 프로세스를 실행할 수 있습니다. 분할된 표면 메쉬의 최대 왜곡은 0.69로, 메쉬 품질이 양호함을 나타냅니다. 이를 바탕으로 육면체-다면체 충진 볼륨 메시가 사용되었으며, 유체 영역에 경계층이 추가되었으며 볼륨 메시의 최종 직교 품질은 0.15에 도달했습니다. 메쉬 독립 실험과 결합하여 모델의 메쉬 수는 약 120만 개로 결정됩니다. 체적 메시 분포는 그림 3.32에 나와 있습니다.
그림 3.32
