整流板對氣體流量標準裝置流場影響的研究

摘 要： 氣體流量標準裝置工作段流場的優(yōu)劣，會影響天然氣流量計的計量檢定結(jié)果。該文基于數(shù)值計算方法分析整流板的增加，對于氣體流量標準裝置工作段流場的影響，得出整流板可以降低標準裝置工作段流速標準差與渦旋強度，進而優(yōu)化流場的結(jié)論。其中80 口徑帶非均勻整流板的流量標準裝置相較于無整流板情況，在所有流速點，線流速標準差下降10%～15%；100 口徑帶非均勻整流板的流量標準裝置相較于無整流板情況，流場到達充分發(fā)展流態(tài)的距離縮短20% 以上，在高流速點，渦旋強度下降25%。不同類型的整流板對標準裝置工作段的優(yōu)化存在差異，從選定指標看，非均勻整流板的優(yōu)化效果略好。此外，該文還基于實流實驗，分析流場的優(yōu)化對不同原理流量計計量檢定結(jié)果的影響，其中80 口徑氣體超聲流量計，使用帶非均勻整流板的流量標準裝置進行檢定，最大流速點下的平均相對示值誤差相較于無整流板情況，由0.45% 變?yōu)?.25%；而同口徑氣體渦輪流量計無此明顯差異；得出在實際計量檢定工作中，基于“線流速”原理的流量計更應(yīng)該重視整流板在優(yōu)化氣體流量標準裝置工作段流場中所起到的關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞： 氣體流量標準裝置; 整流板; 流場; 數(shù)值計算; 計量檢定

中圖分類號： TB9; TH814 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0127–09

0 引 言

天然氣流量計廣泛應(yīng)用于天然氣工業(yè)中開采、儲運、貿(mào)易交接到終端使用的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。流量計的種類繁多，使用氣體流量標準裝置對流量計進行檢定是判斷流量計計量性能是否合格的主要方法[1]。由于其大口徑大流量的特點，一般使用標準表法氣體流量標準裝置作為工作級標準裝置。其工作原理是：由風機或真空泵提供動力，使氣流依次通過被檢流量計和標準表，在考慮標準表和被檢表處溫壓修正后，比較二者示值，得到被檢流量計的示值誤差。

流量標準裝置工作段的流場優(yōu)劣，會對流量計的檢定結(jié)果產(chǎn)生影響。JJF 1993—2022《天然氣能量計量技術(shù)規(guī)范》、JJG 1037—2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》以及JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規(guī)程》都有“流量標準裝置在流量計上、下游側(cè)應(yīng)有足夠長直管段，……必要時可在上游側(cè)安裝流量調(diào)整器”的類似表述[2-4]。這樣要求的目的是為在標準裝置工作段（被檢流量計安裝處）獲得充分發(fā)展的流場，以便工作段流速更均勻、渦旋更小，流速剖面曲線與封閉管道內(nèi)充分發(fā)展流場的流速剖面曲線形態(tài)更接近[5]。

整流板是一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的整流器件，依據(jù)使用目的將開有孔并具有一定厚度的圓板安裝于流量標準裝置的適當位置，改善局部流場。前人對于整流板結(jié)構(gòu)型式、流量計自帶整流體結(jié)構(gòu)設(shè)計對其計量性能影響等問題進行了很多研究。陳文琳，李仲等人，基于高壓氣體流量標準裝置，研究了匯管后不同位置加裝整流板或流動調(diào)整器對氣體超聲流量計計量性能的影響[6-9]。姚爽等人，基于實流試驗得出了加裝柵格式整流器減小了彎管下游小口徑液體超聲流量計流量誤差的結(jié)論[10]。K.J.Zanker 提出了目前應(yīng)用最廣泛的板式整流器的設(shè)計方式，Akashi 與LAWS E M 在K.J.Zanker 的原始設(shè)計基礎(chǔ)之上，改進了板式整流器的幾何參數(shù)，獲得了更好的整流效果[11-12]。此外，邵家存，馮越，王智威，陳紅等人還對不同類型氣體流量計自身加裝導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)對其計量性能的影響進行了理論與試驗研究[13-17] 等。

但上述研究或僅基于速度場形態(tài)得出整流器改善了局部流場的簡單結(jié)論；或只從結(jié)果角度驗證了整流板對流量計檢定結(jié)果的影響，或僅討論了某一特定型式整流板對特定流量計計量結(jié)果的影響；但是由于表征流場指標優(yōu)劣和流量計原理的多樣性與復(fù)雜性的存在，不同型式的整流板對標準裝置工作段的流場影響以及不同類型的流量計檢定結(jié)果影響都可能不同。本文在合理確定流場優(yōu)劣評價指標的基礎(chǔ)上，兼顧定量與定性分析，通過數(shù)值計算與實流試驗相結(jié)合的方式，對非均勻與均勻整流板對氣體流量標準裝置工作段流場影響進行研究，對整流板在多種流量計檢定工作中的應(yīng)用提出建議，以期達到更準確評價氣體流量計計量性能，使檢定工作更好服務(wù)于天然氣貿(mào)易交接的目的。

1 數(shù)值計算模型及網(wǎng)格介紹

1.1 幾何模型介紹

結(jié)合上海市計量測試技術(shù)研究院使用標準表法氣體流量標準裝置檢定1.0 級以下氣體流量計工作的實際工作情況，設(shè)計了如圖1、2 所示的三維幾何模型。模型主要包含負壓式標準表法氣體流量標準裝置的收縮段、前直管段、工作段（被檢流量計安裝處）、后直管段，以及安裝于收縮段最前端的非均勻或均勻整流板。為研究同一整流板對相近管徑流量標準裝置工作段流場的影響情況，同時結(jié)合后文實流實驗中實際標準裝置的使用情況，數(shù)值計算模型設(shè)計了80 mm 和100 mm 兩種工作管徑，具體幾何參數(shù)參見表1，此外，為更接近實際被檢流量計情況，工作段有一定程度的縮徑。