Czterościeżkowy ultradźwiękowy przepływomierz Clamp-On

Czterościeżkowy ultradźwiękowy przepływomierz Clamp-On
A Four-Channel Clamp-On Ultrasonic Flowmeter
Peter Liptrot
FLEXIM GmbH
Streszczenie. Zastosowanie przepływomierzy ultradźwiękowych w chwili obecnej zdążyło już zyskać szeroką aprobatę w wielu aplikacjach, nie tylko
gazowych. Ostanie postępy technologiczne w tej dziedzinie pozwalają również na zastosowanie przepływomierzy ultradźwiękowych
bezinwazyjnych, inaczej nazywanych Clamp-on w wielu układach pomiarowych gazu ziemnego. Co więcej, postęp trwa. Niniejszy referat omawia
podejście oraz sposób pomiaru przy wykorzystaniu kilku kanałów pomiarowych oraz uzasadnia ich zwielokrotnienie. Symulacje CFD porównywane
są z testami laboratoryjnymi aby zademonstrować jak warunki pomiarowe, a konkretnie odcinki prostoliniowe wpływają na błąd pomiaru.
Abstract. The use of ultrasonic flowmeters is now generally accepted as a primary method for gas measurement. Recent advances in technology
have allowed the use of clamp-on systems for gas measurement and improvements continue. This paper discusses the approach to multiple
channel measurement and explains the rationale behind adding channels. CFD predictions are compared with laboratory testing to demonstrate how
inlet conditions can affect meter uncertainty.
Słowa kluczowe: przepływomierz bezinwazyjny, bezinwazyjny gazomierz, profil przepływu w pomiarach bezinwazyjnych, praktyczne
badanie przepływomierza bezinwazyjnego
Pomiar przy wykorzystaniu metody Transit-Time
W najprostszym ujęciu bezinwazyjny pomiar przepływu
polega na przejściu w dwóch kierunkach ultradźwiękowych
sygnałów. Dziej się to pomiędzy dwoma czujnikami
(sondami) zamontowanymi w sposób bezkontaktowy z
mierzonym medium. Pomiar czasu oraz znajomość
dystansu pozwala na obliczenie średniej prędkości
przepływu płynu pomiędzy parą sond pomiarowych.
Wpływ profilu przepływu
Profil przepływu zaburzany jest przez niekorzystne efekty
takie jak zawirowania osiowe lub poprzeczne oraz
niesymetryczny przepływ - gdy profil prędkości nie
rozkłada się jednorodnie wokół osi rurociągu. Czasem
występuje kombinacja wspomnianych efektów.
Przepływomierz bezinwazyjny posiadający jedną parę
czujników (sond) pomiarowych potrafi mierzyć tylko w
pojedynczej płaszczyźnie rurociągu. Dodając dodatkowe
kanały (pary sond) zwiększa się ilość płaszczyzn
pomiarowych. Intuicyjnie większa ilość płaszczyzn
oznacza zdolność do obniżenia niepewności związanej z
pomiarem całego układu.
Ponadto można zauważyć, że zastosowanie dwóch lub
więcej ścieżek pomiarowych tam gdzie to możliwe skutkuje
zdolnością zmniejszenia efektów przepływów krzyżowych
oraz jakichkolwiek efektów niesymetrycznego przepływu.
Rys.2. Nie w pełni rozwinięty profil przepływu oraz konfiguracje
Rys.1. Przepływomierz ultradźwiękowy transit-time
Strumień objętości obliczany jest za pomocą poniższej
formuły:
ścieżek pomiarowych aby temu przeciwdziałać
gdzie: Q – przepływ, Kre – poprawka kalibracyjna
związana z mechaniką płynu, A – przekrój poprzeczny
rurociagu, Ka – akustyczny współczynnik kalibracyjny, Δt –
różnica pomiędzy czasami przejść sygnałów, tf – czas
przejścia sygnału przez płyn.
Można zauważyć, że współczynnik kalibracji, wyraźnie
zależny od liczby Reynoldsa jest częścią równania.
W przypadku gdy przepływ nie jest w pełni rozwinięty,
profil przepływu będzie miał niekorzystny wpływ na
zachowanie i pracę urządzenia.
1
Rys 2 pokazuje typowy profil przepływu będący wynikiem
zaburzeń mających swoje źródło przed lokalizacją
przepływomierza. Na rysunku widać również kilka
sposobów konfiguracji pomiarowej (ilość i konstrukcja
ścieżek). Można zastosować zarówno tryb pomiarowy
jednej ścieżki (direct) oraz dwóch ścieżek (reflect).
Rys.5. Analiza CFD czterech ścieżek za kolankiem 90º
Rys.3. Dwukanałowa konfiguracja przy zastosowaniu jednej
ścieżki
Rysunek wskazuje bezpośredni pomiar przy użyciu dwóch
kanałów. Taka konfiguracja jest użyteczna dla uśredniania
efektów niesymetrycznych zawirowań. Używając trybu
odbicia (reflect) kompensuje się przepływ krzyżowy i dzięki
zwiększeniu ilości kanałów pomiarowych (co jest
sugerowane)
redukuje
się
negatywny
wpływ
wspomnianych zjawisk na kształt profilu prędkości (Rys.4).
Biorąc pod uwagę wpływ odcinków prostoliniowych w
odniesieniu do dystansu od źródła zakłócenia (kolanka)
widać wyraźnie i zgodnie z oczekiwaniami, że wpływ
odległości bardzo szybko redukuje niekorzystne zjawiska
(im dalej tym lepiej). Kiedy wyniki zostaną uśrednione oraz
doda się wykładniczą linie trendu (exponential fit) można
zaobserwować jeszcze raz występowanie efektów
zawirowań - w szczególności w niedokładności
aproksymacji jednomianem wykładniczym (fitting error).
Rys.6. Analiza CFD, kolanko 90°
Badania Teoretyczne
Następnie wzięto pod uwagę wpływ liczby Reynoldsa.
Odkryto, że liczba Re nie ma wpływu na efekty wynikające
z odcinków prostoliniowych. Zbadano wartości w zakresie
80,000 do 460,000- wyniki praktycznie nie zależą od zmian
liczby Re.
Metody CFD, czyli tzw. Meteody obliczeniowe w dynamice
płynów wykorzystywane są do przewidywania oraz
symulacji zachowania przepływu różnych mediów (w tym
gazu) w rurociągach. Podczas analizy wpływu zaburzeń w
rurociągach zamkniętych wykorzystano model turbulencji
K-Omega SST. Program wykorzystano do oceny efektów
jakie występują za pojedynczym oraz podwójnym
kolankiem (ze zmianą płaszczyzny) na odcinku dolotowym
do lokalizacji przepływomierza.
Pierwszy i zarazem najprostszy test pokazuje wyniki w
lokalizacji od kolanka 90° przy wykorzystaniu czterech
kanałów. Orientacja położenia kanałów od pionu wyniosła:
450, 700, 1100, and 1350. Warość Re wyniosła 450,000,
chropowatość rurociągu zostałą ustawiona na 1e-4 m.
Rys.6. Analiza CFD; kolano 90° oraz wpływ na liczbę Re
Rys.4. Cztery kanały pomiarowe skonfigurowane w trybie dwóch
ścieżek (odbicie)
2
Gdy próbę powtórzono dla podwójnych
zmieniających płaszczyznę zawirowania są
bardziej widoczne w wynikach.
kolanek
jeszcze
Rys.7. Analiza CFD podwójnego kolanka przed punktem
pomiarowym
Efekt zawirowania wynikający z lokalizacji za podwójnym
kolanem wykazuje na całej długości periodyczne zmiany.
Można zaobserować zmianę fazy pomiędzy ścieżkami
(płaszczyznami) pomiarowymi. Zmiany te nikną w
uśrednieniu ścieżek.
Ponownie wpływ instalacji jest niezależny od liczby
Reynoldsa.
Rys.10. Wpływ chropowatości, podwójne kolanko
Metody analiz CFD wykazują, że zwiększona liczba
ścieżek i ich uśrednianie jest poprawnym podejściem do
obniżenia niepewności pomiaru. Analiza wykazała bardzo
niewielką zależność pomiędzy chropowatością rurociągu a
wynikami.
Wyniki analiz CFD zostały następnie poddane walidacji w
testach laboratoryjnych.
Testy Laboratoryjne
Rys.8. Analiza CFD; podwójne kolanko, wykładnicza linia trendu
Krzywa wykładnicza oraz błędy znów pokazują zgodność z
błędem w ok. 0,5%. Zmienność błędów dowodzi to na
tymczasową niestabilność w bliskim oddaleniu od
zaburzeń.
Rys.11. Stanowisko testowe DNV
Rys.9. Porównanie liczb Re dla dwóch kolanek
3
Testy
laboratoryjne
zostały
przeprowadzone
w
Laboratorium DNV Kema (Holandia), wykonano je na
rurociągu DN100 oraz sekcji pomiarowej 50D, czyli o
długości 5m. Chropowatość wewnętrzna jest typowa dla
rurociągów tego typu (RZ=21 um). Pomiary zostały
przeprowadzone przy wykorzystaniu przepływomierzy w
trybie dwuścieżkowym (odbicie). Sondy pomiarowe
zamontowano z uwzględnieniem kąta 90° pomiędzy nimi.
Pomiar testowy został ograniczony do dwóch ścieżek w
każdej lokalizacji z uwagi na ograniczoną ilość miejsca na
rurociągu 4”.
W odległości 5D oraz 45D zamontowano dodatkowe 2
pary sond w trybie jednościeżkowym. Celem było
wykrywanie zawirowań.
Pierwszy test został wykonany aby sprawdzić zachowanie
urządzenia w sytuacji idealnych odcinków prostych na
dolocie do lokalizacji pomiaru. Odcinek pomiarowy składał
się z prostownicy przepływu, redukcji oraz 22D odcinka
prostego rurociągu. Te warunki pomiarowe zostały użyte
jako warunki referencyjne w badaniach wpływu zaburzeń
przepływu.
Kilkukrotnie przetestowano wpływ pojedynczych oraz
podwójnych kolan (ze zmianą płaszczyzny).
Porównując te wyniki z referencyjnymi w warunkach
"idealnych" można zaobserwować, że w przypadku
warunków idealnych przepływ jest w pełni ustabilizowany
w odległości ok 22D. Jednakże w przypadku redukcji, profil
przepływu nie jest w pełni ustabilizowany w tym miejscu.
Aby to wytłumaczyć należy stwierdzić że przy odległości
22D na dolocie do punktu pomiarowego w przypadku testu
w warunkach idealnych wykorzystano rury stalowe starsze
o wyższej chropowatości. W przypadku testów z redukcją,
wykorzystano nowe rury o mniejszej chropowatości
(r=21micrometer).
Można zatem wnioskować, że chropowatość rurociągu ma
silny wpływ na zaburzenia przepływu i w pełni rozwinięty i
stabilny profil pojawia się prędzej w przypadku rur o
wyższej chropowatości.
Rys.12. Błędy w warunkach idealnych
Na rysunku powyżej zobrazowano wyniki przy niemalże
idealnych warunkach pomiarowych, tj. 22D prostego
odcinka za prostownicą i redukcją z 6" na 4". Krzywe
kreskowane wskazują różnice pomiędzy płaszczyznami
(np. pomiędzy ścieżkami 30° i 120°), krzywe pełne
oznaczają uśrednienie płaszczyzny (ścieżki) pomiarowej.
Wszystkie uśrednienia znajdują się poniżej 1%.
Różnice w ścieżkach obniżają się wraz ze wzrostem liczby
Re. Ponadto można zauważyć, że różnice pomiędzy
ścieżkami są największe w okolicy 5D od redukcji.
Powyższe wyniki zostały wykorzystane jako wyniki
referencyjne w ocenie błędów przy innych testach. Błędy w
warunkach idealnych są odejmowane od błędów przy
testach z elementami zaburzającymi przepływ.
Kolejne wyniki wskazują zatem wyłącznie wpływ zaburzeń
profilu przepływu a nie ogólny błąd pomiaru.
Rys.13. Wpływ redukcji rurociągu
Tuż za redukcją można zauważyć, że oprócz
najmniejszych wartości Re wpływ zaburzeń na krzywą
uśrednioną jest praktycznie niezależny od liczby
Reynoldsa. Różnica pomiędzy ścieżkami jest największa w
pobliżu redukcji i obniża się wraz ze spadkiem liczby
Reynoldsa.
4
Rys.14. Wpływ pojedynczego kolana 90°
Lokalizacja pomiaru tuż za kolanem 90° pokazuje podobne
efekty jak w przypadku redukcji z wyjątkiem mniejszych
wartości Re, gdzie jak widać wpływ negatywnych efektów
na pomiar jest niezależny od zmiany wartości liczby
Reynoldsa
Jeżeli wziąć pod uwagę różnicę pomiędzy ścieżkami
pomiarowymi, to największą różnicę można znaleźć
najbliżej kolanka.
Można ponownie zaobserwować, że różnica pomiędzy
ścieżkami zmniejsza się wraz ze zmniejszeniem spadkiem
liczby Reynoldsa.
Rys.15. Wpływ podwójnego kolana 90°
Ostatnią próbą było sprawdzenie zachowania się
przepływomierza w przypadku podwójnego kolana
zmieniającego płaszczyznę.
Wartości średnie ścieżek pomiarowych (za wyjątkiem
najmniejszych wartości liczby Re) pokazują, że wpływ
negatywnych efektów podwójnego kolanka jest praktycznie
niezależny od liczby Reynoldsa.
Różnice pomiędzy ścieżkami zmieniają się wraz z
odległością od źródła zakłócenia, wskazują tym samym na
zawirowania.
Niezależnie od wartości liczby Re różnica ścieżek przy
10D jest większa w porównaniu do 10D i jednym kolanku.
Różnica ta jest praktycznie niezależna od Re.
W odległości 5D różnica pomiędzy ścieżkami obniża się
wraz liczbą Re. Można zobaczyć wyraźnie, że różnica
pomiędzy ścieżkami zmienia się bardziej wraz ze zmianą
liczby Re niż wartość uśredniona.
Badanie to pokazuje potencjalne szanse poprawy sytuacji
w przypadku zwiększenia ilości ścieżek (płaszczyzn
pomiarowych).
Rys.18. CFD vs testy rzeczywiste
Porównanie pomiędzy testami rzeczywistymi a testami
CFD wskazuje pewne różnice. Testy rzeczywiste wskazują
na bardziej niekorzystny wpływ lokalizacji pomiaru powyżej
10D od źródeł zakłóceń. Ma to zapewne związek z różnicą
pomiędzy zasymulowaną i rzeczywistą chropowatością
rurociągów.
Wnioski
Rys.16. Porównanie różnych źródeł zaburzeń
Jeżeli porówna się trzy różne źródła zaburzeń z najwyższą
wartością liczby Re (3,45 mln) można zauważyć, że
odległości powyżej 10D od źródła zakłóceń są mniejsze o
1% niż w przypadku innych warunków.
Rys.17. Krzywa wykładnicza oraz błędy, wszystkie przypadki
Miara błędu w przypadku w przypadku
wykładniczej typowo wynosi poniżej 0.5%.
5
regresji
Kwestia zwiększenia liczby kanałów pomiarowych
(ścieżek) jest jasna i im bardziej jest niekorzystna
lokalizacja pomiaru, tym lepsze uzasadnienie takiego
podejścia.
Zaburzenia przepływu wykazują ważne podobieństwa
(pojedyncze i podwójne kolanka różnią się o wartości
<1%)
Zauważalne jest, że profil zaburzeń jest silnie zależny od
chropowatości. Zależność ta jest nawet silniej widoczna w
większym oddaleniu od źródła zakłócenia.
Wyniki prac badawczych pozwolą na uproszczenie
kalibracji urządzeń. Powyższe wyniki są również instrukcją
do bliższego przyjrzenia się wpływowi chropowatości
rurociągu na efekty związane z zaburzeniem profilu
przepływu.