并联孔板计量装置流量动态重分配规律研究.pdf

天然气与石油062023年6 月NATURALGAS ANDOIL并联孔板计量装置流量动态重分配规律研究田园李亚茜沈群31重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆2中国石化西南油气分公司，四川成都6 10 0 41；3中国石油西南油气田公司重庆气矿，重庆40 1331摘要：管输天然气多采用并联孔板计量装置进行计量，但定期清洗时，孔板提到上腔后，必然导致管路中流量动态重分配，产生计量误差，直接影响企业的经济效益。目前尚无针对流量动态重分配造成计量误差的主要影响因素及补偿方法的定性、定量分析研究，为此基于计算流体力学基本原理，应用Fluent软件构建了并联孔板计量装置内流场三维模型，分析了孔板周期清洗时的流量动态重分配规律。研究结果表明：1)流量补偿系数与压力、温度无关；2）相同孔径孔板流量计并联时补偿系数随总气量、管径、相对密度、并联管道数的增加而增大，随直径比的增加而减小，其中直径比是主控因素；3)不同孔径孔板流量计并联时补偿系数随总气量、管径、相对密度的增加而增大，随并联孔径比的增加而显著减小，其中并联孔径比是主控因素。依据研究结果构建了流量补偿系数修正方程，经现场测试，计量偏差显著降低，大大减少了因计量不准确带来的潜在利润流失。关键词：并联孔板计量装置；动态重分配；流场模拟；计量偏差；补偿系数D01:10.3969/j.issn.1006-5539.2023.03.002Research on flow dynamic redistribution pattern of parallel orifice metering device1.Institute of Natural Gas Engineering,Chongqing University of Science&Technology,Chongqing,401331,China;3.PetroChina Southwest Oil&Gasfield Company Chongqing Gas Mine,Chongqing,401331,ChinaAbstract:The parallel orifice plate is usually used to measure natural gas transported by pipeline.However,when the orifice plate is raised to the upper chamber during periodic cleaning,it will inevitablylead to flow dynamic redistribution in the pipeline,resulting in measurement errors that directly affect theprofit of the enterprises.At present,there is no qualitative and quantitative analysis and research on theinfluencing factors and compensation methods of measurement error caused by flow dynamic redistribution.Therefore,based on the basic principle of computational fluid dynamics,Fluent software was used to builda three-dimensional flow field model in the parallel orifice metering device,and analyze the flow dynamicredistribution pattern during the periodic cleaning of the orifice plate.The research results indicate thefollowing.First,the flow compensation coefficient is independent of pressure and temperature.Second,inthe parallel metering device with the same aperture,the compensation coefficient increases with theincrease of total gas volume,pipe diameter,relative density,and the number of parallel pipes,anddecreases with the increase of pipe diameter ratio,of which the pipe diameter ratio is the main controlling401331;TIAN Yuan,LI Yaxi,SHEN Qun32.Sinopec Southwest Oil and Gas Branch,Chengdu,Sichuan,610041,China;收稿日期:2 0 2 2-11-16基金项目：国家自然科学基金资助项目“剪切流场中稠油油滴聚并机理与数学模型研究”（5190 40 51）作者简介：田园（197 3-），男，四川营山人，副教授，博士，主要从事计算流体力学及油气储运技术方向研究。E-mailswputianyuan 第41卷第3期OIL&GASGATHERING，T RA NSPO RT A T I O NA ND T REA T M ENT I 油气储运与处理factor.Third,in the parallel metering device with different apertures,the compensation coefficientincreases with the increase of total gas volume,pipe diameter and relative density,and decreasessignificantly with the increase of parallel aperture diameter ratio,of which the parallel aperture diameterratio is the main controlling factor.Furthermore,based on the research results,the flow compensationcoefficient correction equation was developed,and the measurement deviation is significantly reduced byfield test,which greatly reduces the potential profit loss caused by inaccurate measurement.Keywords:Parallel orifice metering device;Dynamic redistribution;Flow field simulation;Measurement deviation;Compensation coefficient07的流场几何结构，依据输气站场并联孔板流量装置的孔0前言径是否相等,将其分为相同孔径并联与不同孔径并联的随着天然气产量大幅增加及用户对天然气需求量的持续增长，生产现场越来越多地采取并联孔板计量装置进行管输天然气的计量1-7。由于并联孔板计量装置中高孔阀特定的结构和工作原理，以及天然气气质条件和气流冲刷磨损等原因，必须对高孔阀及节流元件进行定期清洗检查，以确保计量准确。然而，由于缺乏可靠的流量补偿方法，导致定期清洗期间出现较大的计量误差。经调研，某公司在并联孔板计量装置清洗检查期间，计量误差高达50%左右，严重影响流量计量的准确性，给企业及用户带来了极大的经济损失。目前,针对孔板流量计的研究集中于孔板内流场数值计算及计量精度的影响因素、影响规律等方面，多局限于单孔板计量装置，对于并联孔板计量装置在清洗检查期间因流量动态重分配造成计量误差的影响因素及补偿方法鲜有研究报道8-15。为解决这一问题，需对并联孔板计量装置内流场进行理论分析，探索清洗检查期间管内流量动态重分配规律，并结合现场数据提出控制和修正方法，减小因计量误差带来的潜在利润流失。1模型建立与网格剖分1.1模型建立由于孔径的差异,并联孔板计量装置中会形成不同情况讨论,其中相同孔径是指孔板流量计的孔径完全相同或大小相差小于0.0 1%。由孔板流量计的工作原理可知，孔板流量计的计量精度与管道内径、气流速度和气体黏度密切相关16，因此在建立模型时，管路直径、流量、压力等需与实际情况保持一致。某输气站并联孔板计量装置基础参数见表1。表1某输气站并联孔板计量装置基础参数表Tab.1 Basic parameter table of parallel orifice metering device ofa gas station类型相同孔径J-1307.38161.0300.523.3121孔板并联J-2307.44161.0480.523.3123不同孔径J-1307.38128.0110.423.3100孔板并联J-2307.4470.6730.233.330为提高计算效率,忽略管路中摩擦对压降的影响，在不影响流体流经孔板时流态的前提下，对几何模型中的管路长度进行了简化，具体相同孔径并联几何尺寸设置及计量系统内流场模型见图1。05005003500测量计量孔径直径管径/压力/（10 4编号mmmm供气流量/比MPamd-l)LO01910750单位：mma)几何模型a)Geometric modelb）相同孔径并联几何尺寸示意b)Diagram of parallel geometry with the same aperture图1孔板流场几何模型图Fig.1Geometric model of orifice flow field天然气与石油082023年6 月NATURALGAS ANDOIL1.2网格剖分应用AnsysICEM软件对所建几何模型进行结构化网格剖分，见图2。由于孔板处和管道交汇处的流动参数变化剧烈,因此针对该区域进行了局部网格加密，使网格的疏密更好地适应流场的变化。经网格无关性验证，摒除了网格密度对计算结果的影响,最终得到的网格节点数为1357634,六面体网格最小雅克比矩阵与最大雅克比矩阵比值均大于0.6,网格质量较高，满足计算精度要求。J-1孔板J-2孔板a)网格划分整体情况a)The whole grid situation1.3求解过程由于孔板流量计内流场速度低于0.3倍音速，可认为是不可压缩流动，因此采用Fluent软件自带的基于压力的耦合求解器进行求解17。流动介质选用甲烷，密度计算选用真实气体模型P-R状态方程，气体黏度应用Sutherland模型，考虑到气体流经孔板后会产生涡旋，流线弯曲程度大,因此选用 RNG k-s 湍流模型18-19,壁面采用增强壁面函数，计算得到y+均在1.2 5.3之间。采用Coupled算法求解连续性方程、动量方程及能量方程,Courant数设为5。为了保证计算精度,对流项采用二阶迎风格式2 0。模型出入口均为压力边界条件，人口压力为3.30 MPa，出口压力为3.2 9MPa，壁面边界设为静止等温壁面，温度为2 0。迭代终止条件残差值设为110-5,迭代终止后，入口和出口质量流量相对误差均小于 0.5%,计算收敛2 1 1.4流场分析根据模拟结果可知,正常计量时整个管路系统内最大速度在孔板处，为2 8.0