热声振荡的实验和理论研究天然气计量外文翻译资料

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热声振荡的实验和理论研究天然气计量

摘要：

天然气流量计和压力调节站，热交换器和控制阀门通常连接在一起。尤其是测量有障碍的小型非典型的管道震动两个或两个以上的情况下有时存在流量计故障。基于扫描调查管道震动级之间的依赖关系，气体在管道和脉动热交换器的操作条件进行了分析。事实证明，随着热量流动，天然气脉动利率、计量故障以及管道震动变大。

为了理解这种现象的物理相关性除了实验还需要进行理论研究，震动的起源是一个热声不稳定。根据瑞利判据气体脉冲放大如果是热的气体则最大震动在冷凝的时刻。基于详细的理论调查的方法使用Rijke管模型的特征物理量依赖关系进行了分析，最后决定解决方案，以避免振动问题影响天然气计量站。

关键字：热声振荡、方法特点、流量计故障 热交换器、Rijke振荡管

1. 介绍和描述问题

偶尔，在天然气管道压力调节和测量站的振动检测，运营商可以认为这是两个方面，在管道的结构振动和程序集听觉上。这样的振动发生，特别是在至少两个相邻调节线热交换器之间，体积小的流束流过一行和与其他被闲置的线路。此外，同时产生体积流量脉动可以影响上游的流量计测量行为。这个问题将显示在更准确的基础上，调查了气体压力调节和计量。图1旨在给一个概述管道的路径(公称管道尺寸250/300毫米)用不同的计量点的同步记录振动和压力脉动来研究自然气体压力调节和计量。从高压侧，天然气(操作压力4.7 MPa在10°C)流首先通过过滤分离器(FS)通过气体流量计旋涡流量计(VFM)连接在系列涡轮流量计(TFM)。然后，操作和备用线与热交换器，安全阀门(SV)和压力调节器(PR)向低压循环。在一定的操作范围、结构振动和重大偏差的测量行为涡气体流量计和涡轮流量计发生在站点。基于详细的实验调查结果和直接操作之间的相互关系可以建立热交换器的条件，如例如自然气体的水内温度和脉动的强度。这项调查的结果依赖关系和数量列在下面。

1.1。在站点进行振动测量

除了操作参数，压力脉动(如。P11abs_A和P6abs_R)和结构振动(例如S9_U)同时测量了在不同测量点的数据(图1)。专门在一般小流量的振动现象和操作热交换器。没有震动观察在一个封闭的水循环的热量换热器(图2 520年代之前)。振动是兴奋，特别是，当水热交换器的周期改变从封闭的状态到(没有水通过热换热器在520年代之前)完全开放状态(最大的水流量通过热交换器520年代之后)，经过短暂的延迟压力脉动关联管振动。管道振动速度最高的流量约为10000 N m3 / h1(有效的振动速度9毫米/秒(mm/s))。压力脉动的频率大约18赫兹和在测量阶段反对点P6abs_R P11abs_A。两个压力之间的距离监管机构11 m和声速400 m / s的自然气，这频率和测量相对应的位置第一个声学固有频率对管道在听觉上关闭两端。实验显示，此外，随着上升水温及相关高热量输入气体，振动放大。

1.2。流量计量故障

通过气体检测，描述领域的脉动热交换器和压力调节器也与互动涡街流量计(TFM)和涡轮流量计(VFM)有关。由于发生相应的速度脉动计量错误，因此增加同步偏差的流量计量设备启动。为测量上近似地描述，压力脉动流量计量的面积设备也被测量(图3)。此外，涡流流量计的涡脱落频率、涡轮流量计的HF-impulses都被记录下来。体积流量脉动测量值的确定对涡轮流量计和涡流流量计有影响。当脉动第一次影响的漩涡流量计。涡脱落频率不再是与流量成正比。它对应于(9 Hz)的一半脉动频率或单一的脉动频率(赫兹)18日观察到的脉动。由此产生的测量误差暂时高于100%的真正测量值。在涡轮机叶轮转动的情况下的流量计，直接测量流速增加的传播与脉动的增加开始后的热交换器。并行的真正数值的测量，误差在10%以上预期。HF-pulse的光谱分析提供了一个信号更为详细的检查，对涡轮机叶轮流量计的影响。在稳定流动脉动，叶轮涡轮机叶轮流量计旋转圆周速度不变，这被认为是在400和520米每秒之间。在图4，在脉动流介质脉动频率较低，叶轮圆周速度的脉动的频率HF-pulse的频谱信号，这个频率调制可见通过边带载波频率(从旁边520年代)的距离边带的频率轴叶片通过频率对应的脉动频率18赫兹。

缩写和符号公式

C 流速

c′ 流速脉动(没有平均流速)

d Rijke管的内径

FS 过滤分离器

HE 他热交换器

I 我瑞利指数

l Rijke管的长度

Nu;u 努塞尔特数

P 与时间有关的压力

p′ 压力脉动(没有平均压力)

circ;p0 压力脉动振幅叠加的原价干扰

circ;p 最终压力脉动振幅

P 压力脉动测量

PR 公关压力调节器

Q 热输入

q′ 热量输入波动(不意味着热输入)

Re 再保险雷诺数

Rem 快速动眼睡眠时间平均雷诺数

SV 安全阀/关闭阀

T 时间

t 时间，温度

TFM 涡轮流量计

VFM 旋涡流量计

1ϕc 脉动之间的相移和热输入脉动流速(热输入滞后的1ϕc，q gt; 0)

2。分析振动激发使用Rijke管的例子

观察到的现象的原因是站点热声不稳定之间的热输入天然气和管道内的气体柱振动。由于相应的压力和速度脉动，结构振动和流量计量发生错误。下面描述了的物理作用机理和振动问题说明了其数值模拟的方法的特征。根据计算结果，就出现的热的发展振动进行了讨论。Rijke管是用于这一目的一个简化的模型。

2.1。Rijke管

Rijke管是一个模型试验，允许测试的振动。它由一个横向排列管有两个听觉上开放的流束，流束应从一个小型鼓风机的左边流到右边(图5)。热丝可以定位在管不同的横截面作为来生成一个音调的声源。生成的频率的色调对应于第一声自然的声音管的频率。这取决于热源位置管，色调声音放大的强度或声音消失[1]。标准是瑞利勋爵在1878年可以用作振动发展的一个先决条件:“如果热最大的空气此刻凝结，或从它目前是最稀疏的，振动是激励。在另一方面，如果热最稀疏的时刻，或抽象的时候最大的凝结，振动气馁[2]”。这种相互关系可以在数学上的描述瑞利积分

这里p′(t)和q′(t)代表的时间波动压力和热输入，与他们的积分被集成周期T。根据瑞利指数，

I gt; 0 结果是在放大

I lt; 0 结果是在衰减

　2.2。Rijke管的数值模拟

为更好地理解脉动的原因和机制在热声振动的发展中的作用，模拟根据图5的Rijke管。为了这个目的，利用Rijke管模型模拟的一维特征(4、5)的方法。相应计算流体力学的数量关系，由一个系统质量守恒方程组成，动量和能量守恒。在为了获得一个解决方案，系统的双曲偏微分转换成一个系统常见的微分方程方程。特性曲线可能是方程的解决方案(矩阵的特征向量)。有时间和空间离散化，以及随后的局部线性化特点、方程组的数值解决了[4]。相当于Rijke管长度的数值模型l = 1米，直径d = 0.06 m。干燥的空气流体。在这个模拟中，热源位于l / 4(图5)，因为使用一维方法模型需要复制实际的地方之间的依赖关系流速和相应的热流率到空气中。由于缺乏一个简单的脉动湍流传热模型管流。在这个调查的传热模型Michejew[6]中描述和van莱恩稳态流使用。根据这一模型热流率(努塞尔特数)随着流速的增加而增加(雷诺数)。的Rijke管内平均流速为0.6 m / s从左边到右边。现在弱扰动与一个固定的正弦脉动频率和强度叠加平均速度。由于这个脉动流速时间和空间相关的雷诺数是脉动的。因此热流率和集成的热输入空气是弱波动。之间的相位关系波动的速度和热输入是预先确定的一维模拟。作为主要调查结果[3]，热输入滞后的速度波动阶段pi;/ 4的转变。

2.3。仿真计算的结果

在仿真计算时，潜在的影响因素影响进行变化的系统。根据经验从测量气体压力调节和计量站管的平均流速热源温度和热源的位置是不同的。为了获得更多关于发展管路振动的知识，系统的脉冲响应和热输入脉冲之间的相速度的影响脉动和热输入脉动也需要调查。首先，一个的例子就能说明振动行为的调查模型Rijke管开始之前和之后的热源。

2.3.1。脉动热源开始之前和之后

关于以上的模拟Rijke管所描述的方式，可以模拟热声学诱导振动。这样一个振动的发展的先决条件是一个已经存在的弱振动(例如由于周围噪音)可以被放大。随后讨论了模拟，

弱势振荡叠加平均速度，独立的热强度的函数与压力振幅对应于人类的对话circ;p0 = 52分贝。这个初始扰动的频率选择管的第一固有频率171.6赫兹在20°C(293 K)。因此，即使没有针对放大疲软Rijke内形成驻波管(图。6 t = 2 s之前，太弱是可见的)。热源被设置在l / 4，位置在某种刺激的即时操作，在这之后依然存在永久激活。已经描述，相移之间的pi;/ 4是预设的速度波动和波动，这样热量输入脉动热输入滞后速度波动。由于热源的位置(l / 4)和预定义的弱势地位，这意味着压力脉动滞后热输入波动pi;/ 4。根据比较平均输热值，在压力增加时将会输入更多的热量到空气中。因此一个初始振动指数增长滞后的刺激。后来，振动振幅脉动收敛到一个固定的值，激发和耗散平衡的主要行为(时间滞后，指数增长，固定决赛振幅)期间观察到气体的现场调查、压力调节和计量。

2.3.2。系统反应热量输入脉冲

根据瑞利判据，两个极端情况下热模拟输入有限的时间。在一个案例中，单一的热量输入脉冲是目前的最高压力，另一种情况是目前的最低压力。根据瑞利标准，预计最大放大或衰减。前热输入脉冲由于疲软的叠加脉动在图中的驻波管可以看到。相应位置l / 4(图7)压力脉动滞后速度脉动的pi;/ 2。热量输入脉冲触发启动一个干扰，从热量输入，传播方向与声音的速度。时间间隔t1反射脉冲的附近的听觉上开管显然是可见的。t2后脉冲触发的脉冲反射是另一种听觉上管的开口端。很明显，热量输入目前最高的压力(右)的结果在一个压力和速度振幅和放大。因此在最初的脉动的放大，一个类似的系统相同的反应可以注意到在最初的绝对值热量输入脉冲的情况下被激活最低的压力(左)。在这种情况下，两个反射

脉冲导致初始脉动的抑制。因此，热声效应是强烈依赖于相移之间的热量输入波动和压力波动。此外，提到速度和相移压力之间的波动的pi;/ 2里面由于疲软的驻波管支持振荡的积累，所以热输入波动通常滞后相移速度脉动pi;/ 4。

2.3.3。速度之间的相移的影响和热输入的波动

检查脉冲激励后，影响力预定义的速度脉动之间的相移和热输入脉动系统不同，热量输入波动通常滞后速度波动。可以观察到一个正弦相位之间的依赖差异和由此产生的脉动放大激励的振幅circ;p0，这显示在相位差最大接近pi;/ 2(见图8)。情况下，热输入与压力脉动阶段。在范围的0到pi;/ 12和11/12pi;pi;，阻尼参数的影响和初始脉动与阻尼振幅之比小于1。标准化的插图集成的瑞利为正弦函数的积分压力脉动p′和热输入波动c′的情况固定相移之间的pi;/ 2 c′和速度脉动p′(p′滞后c′)显示了一个类似的放大特性。因此，可以认为，具有更高的价值瑞利积分，声波的能量输入激励。因此，Rijke管的仿真证实了理论依赖速度脉动之间的相位差和热输入脉冲在一个初始的放大干扰。此外，瑞利积分可以用作标准分析预期的能量输入初始扰动。

2.3.4。平均流速的影响

图9显示了脉动放大的依赖在时间上雷诺数。这雷诺数是直接应用于平均流速成正比Rijke管。雷诺数为2000没有放大观察。高于这个雷诺数突然发生强烈的放大。放大平均流速随雷诺数增加而增加，大约14000。在更高的雷诺数字放大突然消失了。热源的传热取决于的空气努塞尔特数。反过来，这取决于雷诺数热源的计算时间。在的情况下脉动流速由于任何初始扰动，努塞尔特数，因此热流和热输入脉动。对于一个预定义的初始流速脉动的振幅产生的热量流动脉动幅度，因此热输入的振幅依赖的导数努塞尔特数与雷诺数有关。在一般的情况下一个小热输入脉动的振幅，因此导数最初的热激发是虚弱的。努塞尔数的选择方程的范围层流流动有一个小的梯度。因此，墙摩擦和节流的开放结束Rijke管获得

的弱激发初始叠加扰动。因此对雷诺兹数低于2000没有放大发生。

一旦最初的热激发较为重要耗散初始疲软的脉动将被放大。最后的放大结果取决于两个限制因素。在一方面随着压力脉动增加速度脉动也增加。因此，摩擦时间和节流损失扩大。另一方面几乎所有放大情况下，数值计算最终的流速度脉动振幅高于平均流速度。因此，流

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