孔板流量计上游淤积故障诊断与修正研究.pdf

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化工自·动化及仪表
第40卷
孔板流量计上游淤积故障诊断与修正研究
张涛李红文2
(1.天津大学电气与自动化工程学院,天津30002;2.东北石油大学学校办公室,黑龙江大庆163318)
摘要在利用流场仿與软件对孔板正常工况和故障工况进行建模与仿真计算的基础上,得出故障所
导致的孔板流出系数偏差置与淤积程度的关系式。为达到在鋭诊断的目的,在传统的孔板法兰取压点
后方,再增加一取压点,计算两组差压的比值,再计算差压比值因子,反映了淤积所导致流劫的時变
程度。通过分祈和仿真确定了k所在位置(P3)的最佳选取点,并进一步得出ん与故障程度J的经验公
式。通过此公式,可以实现淤积故牌的在鐵诊断,进而实现测量值的在线修正。仿兵与实验证明:诊断
后,能将淤积最严重工况下的测量结果修正到±1%误差以内。并通过实流实验验证了该方法的有效性
及其在工程上的实用性。
关键词孔板流墅计淤积故摩诊晣在缄修正CFD仿真差压比值因子
中图分类号TH814文标识码A文章编号10003932(2013)10-1232-0
标准孔板流量计具有结构简单、耐用性好、不计算方面具有方便、快捷的优勢。笔者通过Fu-
需要实流标定、标准化程度高及准确度较高等优ent仿真与实流实验相结合的研究方法,在引入流
点,在工业生产中应用非常广泛。孔板流量计场差压比值因子的前提下,得出一种在线诊断孔
的测量特性取决于装置的几何特性2,流量与差板上游淤积故障的算法,并能对相应的测量值偏
压有着确定的关系式。但在实际应用中发现,在差进行在线修正,解决了以上提出的问题。
天然气及煤气等测量中,当气体具有一定湿度时,
孔板CFD建模与仿真
孔板上游往往有水分凝结,长时间会导致孔板上1.1孔板系统的 GAMBI'T模型
游管道淤积水分3们。而水分淤积会改变孔板管
进行仿真与实验时,标准孔板尺寸的管道直
道装置的几何特性,流量与差压间确定的流量关径D=50.0mm、孔板孔径d=37.5m、孔板孔径
系式将受到影响,其标准化程度高和准确度较高与管道直径比值B=d/D=0.75、节流孔厚度
的优点不复存在。此时的“病态”孔板相当于长1m、孔板厚度3m,取压方式为法兰取压,流体
期在故障状态下工作,更为严重的是,因管道内淤介质为标准状况下的空气,孔板的前后直管段分
积状况不可见,无从知道故障程度,更无法计算出別为60D,20D。先对无淤积的正常工况进行仿真
由此产生的测量值偏差,存在很大的隐患。张利分析,作为与淤积工况对比的基准。已经有研究
荣和史国豪研究了煤气管道孔板上游水分淤积对者对标准孔板进行CFD仿真研究?,可见相关文
测量精度的影响, Reader-harris M和 Barton N献。
针对孔板沾污对精度的影响进行了系统的实验硏
仿真计算的雅确度依赖于合理的网格划分
究,但这些研究都是在已知故障情况的前提下图1是正常工况下孔板实体模型纵向剖面示意
进行的。针对目前这种故障工况,研究淤积故障图,对应的 GAMBIT网格划分方案见表1。表中
的即时识别方法,或称之为在线診断算法还没有的尺寸函数是指:从圆形面(孔板上游端面和节
见到,也只有在在线诊断清楚的情况下,才能对故
流口A1A2)到相部立体B采用尺寸函数,网格间
障导致的测量偏差进行在线修正。
距从0.25~2.00比例1.1,圆形面(孔板下游端
近年来,随着计算机软、硬件技术的发展
CFD( Computational Fluid Dynamics)数值仿真在
收日期:2013-09-06(修改稿)
流体力学领域得到了越来越广泛的应用,相对于
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60974118);国家高
传统方法,它突破了实物条件的限制,CFD在流场
技术研究发展计划资助项目(2007AG4Z7180)
万方数据
第10期
张涛等.孔板流量计上游淤积故障诊所与修正研究
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面和流出口A3A,)到相邻立体C同样处理。模型对稀硫些,这样既保证了网格质量,又能平衡好计
全部网格数目约为574.12万。最差网格质量为:算精确度与计算速度的矛盾。
Aspectratio 3.52, Edgeratio 4 57, Equiangleskew
流体
D
B
E
0.72, Equisizeskew0.66。采用表1中划分方法
流阿
的理由是孔板前后流体湍动剧烈,流场的速度压
30
7D
力梯度大,所以网格要划分得精密些,其余的直管
段部分视为流场充分发展段,所以网格划分相图1正常工况下孔板实体模型纵向剖面示意图
表1 GAMBIT网格格划分
立体
圆体D
圆柱体B
孔板孔洞
圓柱体C
柱体E
网格间距
尺寸函数
尺寸函数
2.00
网格形式
Iex/Wedge
Tev/Hybrid
Hex/Wedge
Te/Hybrid
Hex/Wedge
划分方式
Crid
Looper
网络数量/万
134.19
185.14
47.95
孔板上游发生水分淤积现象时,因为空气中在0.0~1.0连续变化,J同时也是故障程度。为
水分含量极低,所以仍将空气看做单相流。因为研究方便将淤积高度分为10等分,即对应于J=
工业生产的实际管道系统和实流实验系统可以看0.10.2、…、1.0这10种情况。
成一个封闭系统,水和空气密度大小相差悬殊,水
实际装置中,孔板往往位于低位,为简化仿真
又不可压缩,故空气的流动不至于使水面产生明
显波纹,同时忽略空气压力导致的水面的微小弧模型,将孔板淤积段前方也视为水平管道。淤积
度,所以将淤积的液面当做水平液面来看待り。设为固定壁面。对应于J=0.1、0.2、…1.0时,
图1所示孔板上游管道横截面,上游淤积的高度图2为淤积孔板和淤积剖面图,网格的划分方法
在0H范圃内变化,淤积为0时是正常工况。与表1相同。这样共得到10个淤积工况的GAM
称淤积程度为J=ん/L(D-d)2]=ん/H,其范围BT模型,所不同的只是淤积的高度b。
B
流体
271303D
3D
17D
图2淤积孔板与淤积剖面示意图
1.2 Fluent仿真计算描述
点,P3为下游距离孔板后端面1.4D处的取压点,
仿真计算的目的是在已设定的工况下(人口后文会解释选取P3取压点的原因。P1、P2、P3点
速度与淤积高度确定时),研究流出系数的变化。的静压(表压)为P1、P2、P3,每次仿真显示并记录
仿真参数与条件设定见表2。对应于正常工况与这3点的静压,每个速度点仿真计算过程收敛后,
10种故障工况,入ロ有6个速度点,一共要进行用式(1)计算孔板的流出系数C11,同时用国标
66次仿真计算,计算模型中设置3个静压(表压)中的 Reader- Hamir公式计算出标准流出系数Co
监测点P1、P2、P3,P1和P2分别为管壁上距离孔
P1-P2
板前、后端面各为25.4m(1英寸)处的法兰取压
?=(C1/V1-F)8。√2(-P2)(1)
方方数括