1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 11, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 11, стр. 54-65

Разработка устройства подготовки потока для трубопроводов с источниками акустического шума

Н. С. Душин a, *, А. А. Валеев a, С. А. Колчин a, О. А. Душина a

a Институт энергетики и перспективных технологий Федерального исследовательского центра “Казанский научный центр Российской академии наук”
420111 г. Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, Россия

* E-mail: ndushin@bk.ru

Поступила в редакцию 26.03.2023
После доработки 14.05.2023
Принята к публикации 01.06.2023

Аннотация

Самый распространенный способ передачи природного газа – транспортировка по трубопроводам. Однако сложная пространственная конфигурация трубопроводных систем и наличие регулирующих устройств и задвижек нарушают однородность и симметрию профиля скорости, вызывают закрутку потока, генерируют акустические возмущения и создают условия для усиления акустического шума. Оценить и учесть все эти воздействия при измерении расхода газа почти невозможно, поэтому неопределенность измерений в сложных условиях течения может достигать 20%. Для повышения точности измерений рационально использовать устройства подготовки потока (УПП). Их функция заключается в формировании течения с известными характеристиками. Однако существующие модели УПП в основном разработаны для борьбы с ограниченным набором гидродинамических предысторий течения и, как правило, требуют совместной градуировки с расходомером. Проектирование УПП, работающих в широком спектре предысторий течения и способных снижать влияние акустики на точность измерений, практически не проводилось. В статье предложен подход к формированию проточной части УПП, направленный на решение описанных проблем. Его особенность – использование картриджа с набором соосных продольных перфорированных цилиндров, расположенных один в другом с переменным шагом по диаметру. На примере экспериментального образца устройства продемонстрирована эффективность выравнивания профилей скорости и их воспроизводимость на трубопроводах различной пространственной конфигурации при стационарном и нестационарном режимах течения. Рассматривается диапазон чисел Рейнольдса от нижнего порога, при котором работает большинство расходомеров, до значений, при которых течение становится автомодельным. Акустическая эффективность оценена для диапазона частот от 5 Гц до 120 кГц. В целом, экспериментальный образец хорошо справился с поставленными задачами. В то же время отмечено, что форма профилей скорости за предложенным устройством несколько отличается от развитого профиля скорости в прямой трубе. Решение этой проблемы требует оптимизации геометрических размеров устройства, что будет сделано в последующей работе.

Ключевые слова: устройство подготовки потока, расходомер, профиль скорости, трубопровод, потери давления, акустический шум, перфорированные пластины, коэффициент гидравлического сопротивления, число Рейнольдса

Список литературы

  1. Снижение вибрации и шума от энергетических установок пассивными и активными методами / А.В. Кирюхин, О.О. Мильман, Л.Н. Сережкин, Е.А. Лошкарева // Теплоэнергетика. 2022. № 11. С. 57–68. https://doi.org/10.56304/S0040363622110029

  2. Определение причин возникновения резонансных вибраций трубопроводов свежего пара энергоблока № 1 Нововоронежской АЭС-2 / Р.П. Ануркин, Г.В. Аркадов, В.А. Белышко, И.О. Будько, И.Н. Гусев, А.В. Кузьмин, Ю.Ф. Кутдюсов, М.Т. Слепов // Теплоэнергетика. 2022. № 8. С. 14–20. https://doi.org/10.56304/S0040363622080021

  3. Михеев Н.И., Кратиров Д.В., Душин Н.С. Моделирование нестационарных процессов в газотранспортных системах // Газовая промышленность. 2010. Т. 3. № 643. С. 50–52.

  4. Simulation-based determination of systematic errors of flow meters due to uncertain inflow conditions / A. Weissenbrunner, A. Fiebach, S. Schmelter, M. Bär, P.U. Thamsen, T. Lederer // Flow Meas. Instrum. 2016. V. 52. P. 25–39. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2016.07.011

  5. Systematic investigation of flow profiles in pipes and their effects on gas meter behaviour / B. Mickan, G. Wendt, R. Kramer, D. Dopheide // Measurement. 1997. V. 22. Is. 1–2. P. 1–14. https://doi.org/10.1016/S0263-2241(97)00053-5

  6. Measurement of fluid flow in closed conduits – Guidelines on the effects of flow pulsations on flow-measurement instruments. 4th ed. ISO/TR 3313: 2018. International Standards Organization, 2018.

  7. Mattingly G.E., Yeh T.T. Effects of pipe elbows and tube bundles on selected types of flowmeters // Flow Meas. Instrum. 1991. V. 2. Is. 1. P. 4–13. https://doi.org/10.1016/0955-5986(91)90050-2

  8. Measurement of fluid flow in closed conduits – Ultrasonic meters for gas. Part 1: Meters for custody transfer and allocation measurement. ISO 17089-1:2019. International Standards Organization, 2019. P. 121.

  9. Chen W., Wu J., Li C. The investigation on the flow distortion effect of header to guarantee the measurement accuracy of the ultrasonic gas flowmeter // Appl. Sci. 2021. V. 11. Is. 8. P. 3656. https://doi.org/10.3390/app11083656

  10. Hallanger A., Saetre C., Frøysa K.-E. Flow profile effects due to pipe geometry in an export gas metering station – Analysis by CFD simulations // Flow Meas. Instrum. 2018. V. 61. P. 56–65. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2018.03.015

  11. Flow rate measurement in stacks with cyclonic flow – Error estimations using CFD modelling / J. Geršl, S. Knotek, Z. Belligoli, R.P. Dwight, R.A. Robinson, M.D. Coleman // Measurement. 2018. V. 129. P. 167–183. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2018.06.032

  12. Eichler T., Lederer T. Flow development behind a swirl generator in a hot-water standard measuring facility for large volume rates // Flow Meas. Instrum. 2015. V. 42. P. 89–97. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2015.01.005

  13. Mickan B., Strunck V. A primary standard for the volume flow rate of natural gas under high pressure based on laser Doppler velocimetry // Metrologia. 2014. V. 51. Is. 5. P. 459–475. https://doi.org/10.1088/0026-1394/51/5/459

  14. Systematic investigation of pipe flows and installation effects using laser Doppler anemometry. Part II: The effect of disturbed flow profiles on turbine gas meters – a describing empirical model / B. Mickan, G. Wendt, R. Kramer, D. Dopheide // Flow Meas. Instrum. 1996. V. 7. Is. 3–4. P. 151–160. https://doi.org/10.1016/S0955-5986(97)00010-1

  15. Spearman E.P., Sattary J.A., Reader-Harris M.J. Comparison of velocity and turbulence profiles downstream of perforated plate flow conditioners // Flow Meas. Instrum. 1996. V. 7. Is. 3–4. P. 181–199. https://doi.org/10.1016/S0955-5986(96)00013-1

  16. Laws E.M., Ouazzane A.K. A further study into the effect of length on the Zanker flow conditioner // Flow Meas. Instrum. 1995. V. 6. Is. 3. P. 217–224. https://doi.org/10.1016/0955-5986(95)00010-J

  17. Laws E.M., Ouazzane A.K. A preliminary study into the effect of length on the performance of the Etoile flow straightener // Flow Meas. Instrum. 1995. V. 6. Is. 3. P. 225–233. https://doi.org/10.1016/0955-5986(95)00011-A

  18. Ouazzane K., Benhadj R. An experimental investigation and design of flow-conditioning devices for orifice metering // Proc. Inst. Mech. Eng., Part C: J. Mech. Eng. Sci. 2007. V. 221. Is. 3. P. 281–291. https://doi.org/10.1243/0954406JMES382

  19. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. М.: Машиностроение, 1983.

  20. Kinzie K., Henderson B., Haskin H. Aeroacoustic characteristics of model jet test facility flow conditioners // Proc. of the 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conf. (26th AIAA Aeroacoustics Conf.) Monterey, California, USA, 23–25 May 2005. https://doi.org/10.2514/6.2005-3055

  21. Effect of ultrasonic noise generated by pressure control valves on ultrasonic gas flowmeters / W. Kang, S.-H. Lee, S.-J. Lee, Y.-C. Ha, S.-S. Jung // Flow Meas. Instrum. 2018. V. 60. P. 95–104. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2018.02.023

  22. Goltsman A., Saushin I. The resulting effect of flow pulsations on calibration constant of acoustic path in ultrasonic flowmeters // Sensors. 2022. V. 22. Is. 7. P. 2815. https://doi.org/10.3390/s22072815

  23. SIV measurements of flow structure in the near wake of a circular cylinder at Re = 3900 / V.M. Molochnikov, N.I. Mikheev, A.N. Mikheev, A.A. Paereliy, N.S. Dushin1, O.A. Dushina // Fluid Dyn. Res. 2019. V. 51. Is. 5. P. 055505. https://doi.org/10.1088/1873-7005/ab2c27

  24. Mikheev N.I., Dushin N.S. A method for measuring the dynamics of velocity vector fields in a turbulent flow using smoke image-visualization videos // Instrum. Exp. Tech. 2016. V. 59. Is. 6. P. 882–889. https://doi.org/10.1134/S0020441216060063

  25. Generation of sinusoidal pulsating flows in the channels of experimental setups / A. Goltsman, I. Saushin, N. Mikheev, A. Paereliy // Flow Meas. Instrum. 2019. V. 66. P. 60–66. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.02.006

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал